Урок фізики "Кипіння. Температура кипіння. Питома теплота пароутворення"

Тема. Кипіння. Температура кипіння. Питома теплота пароутворення

 

Мета уроку.

• Навчальна: ознайомити учнів із процесом кипіння як видом пароутворення; сформувати поняття питомої теплоти пароутворення, температури кипіння.
• Виховна: виховувати артистичність, взаємопідтримку.
• Розвиваюча: розвивати творчі здібності, вміння висловлювати власні думки, пізнавальний інтерес.

Основні поняття:кипіння, температура кипіння, питома теплота пароутворення, кількість теплоти.

Обладнання: колба, вода, штатив, корок, трубка, термометр, спиртівка.

Тип уроку: вивчення нового матеріалу.

 

Хід уроку

 

І. Організаційний момент

 

ІІ. Актуалізація опорних знань

 

Інтерактивна вправа «Реклама».

Реклама – це не вистава, а конкретне (цілеспрямоване) повідомлення з даної теми. Вона відрізняється від торгівельної реклами тим, що на уроці пропонується не купити, а вивчити.

Вимоги до реклами: має бути змістовною, цікавою, добре виконаною, містити необхідну інформацію, достатні відомості для характеристики об’єкта, що рекламується.

Для реклами пропонується випаровування та конденсація.

Об’єднуємо клас у 2 (4 чи 6) груп., яким пропонується прорекламувати дані явища.

Наприклад, три учні рекламують «випаровування».

Перший.  Що є причиню вистигання гарячого чаю?

Другий. Що є причиною відчуття холоду в мокрому одязі?

Третій. Що є причиною висихання калюж на асфальті?

Разом. Випаровування.

Перший. Випаровування – це явище переходу речовини в газоподібний стан.

Другий. Випаровування рідин відбувається за будь-якої температури.

Третій. Швидкість випаровування залежить від температури рідини, площі її поверхні, від природи речовини та наявності вітру.

Перший. Якщо ви хочете дізнатися, чому собака висуває в спеку язика.

Другий. Якщо ви хочете дізнатися, чому, щоб мокре волосся швидше висохло, його необхідно розчісувати.

Третій. Якщо ви хочете дізнатися, що треба зробити з білизною, аби вона швидше висохла.

Разом. Вивчайте процес випаровування.

 

ІІІ. Оголошення теми та мети уроку

 

Інтерактивна вправа «Проблемне запитання».

 

Г.Х.Андерсен.

«Тепер була черга за самоваром: він повинен був співати. Але самовар відмовився тим, що може співати лише тоді, коли всередині нього кипить вода, - він просто пишався і е хотів співати інакше, як стоячи на столі в панів».

• Як ви можете пояснити спів самовару?
• Що означає фраза «вода кипить»?
• За якої умови відбувається кипіння?
• Чим кипіння відрізняється від випаровування?
• Чи однаково відбувається цей процес для різних речовин?

 

На ці та інші запитання ми спробуємо відповісти сьогодні.

 

ІV. Формування нових знань

 

Проведемо експеримент. Закріпимо колбу з водою в лапці штатива і щільно закоркуємо, лишивши в корку два отвори. В один з отворів вставимо трубку для ви­ходу пари, у другий помістимо термометр. Нагріватимемо воду в колбі за допомогою спиртівки.

Через якийсь час дно та стінки кол­би вкриються бульбашками. Ці бульбашки утворені розчиненим у воді повітрям. Річ у тім, що в рідині завжди є розчинені гази, однак зі збільшенням температури розчинність газів зменшуєть­ся, а «зайвий» газ виділяється у вигляді бульбашок. Оскільки бульбашки перебува­ють у воді, то в них, окрім повітря, є ще й водяна пара.

Після досягнення бульбашкою певно­го розміру Архімедова сила, що діє на буль­башку, відриває її від стінки чи дна посуди­ни й бульбашка піднімається. На місці бульбашки залишається невелика кількість повітря — зародок нової бульбаш­ки. Верхні шари води певний час холодніші за нижні, тому у верхніх шарах водяна пара в бульбашці конденсується, повітря, яке було в бульбашці, розчиняється і вона різко зменшується в об'ємі — захлопуєть­ся. Цей процес супроводжується шумом.

Коли вся рідина достатньо прогрієть­ся, а температура верхніх і нижніх шарів зрівняється, бульбашки, піднімаючись, уже не зменшуватимуться в об'ємі, а навпаки, будуть збільшуватися. Протягом цього часу всередину бульбашок активно випаровується вода. Досягнувши поверхні води, бульбашки лопаються і викидають назовні значну кількість водяної пари. Вода починає вирувати й клекотіти — ми кажемо, що вона закипіла. Термометр у цей момент показує температуру 100⁰С.

Кипіння - це процес пароутворення, що відбувається в усьому об'ємі рідини й суп­роводжується утворенням і зростанням бульбашок пари.

Продовжимо нагрівати тепер уже киплячу воду і спостерігати за показаннями термо­метра. Ми побачимо, що стовпчик термо­метра застиг на позначці 100°С. Отже, під час кипіння температура рідини не змі­нюється.

Температура, за якої рідина кипить, нази­вають температурою кипіння.

З'ясуємо, від чого залежить темпера­тура кипіння рідини.

Для початку зменшимо вихід пари з колби, досить міцно затиснувши трубку, що відводить пару. Пара збира­тиметься над поверхнею води, тиск над рі­диною збільшиться, кипіння на якийсь час припиниться, а температура рідини почне підвищуватися.

Таким чином, температура кипіння залежить від зовнішнього тиску. Зі збіль­шенням зовнішнього тиску температура кипіння рідини зростає.

Наллємо в колбу воду кімнатної тем­ператури. За допомогою насоса відкачува­тимемо повітря з колби. Через якийсь час на внутрішній поверхні колби з'являться бульбашки газу. Якщо відкачувати повітря й далі, вода закипить, але вже за температури, набагато нижчої від 100⁰С. Отже, якщо зовнішній тиск зменшується, температура кипіння рідини знижується.

Спостерігаючи кипіння інших рідин, наприклад спирту, олії, ефіру, можна помітити, що за умови нормального  тиску вони  киплять за різних температур, які відрізняються від температури кипіння води. Тобто температура кипіння залежить від роду речовини.

 

Речовина	Температура кипіння		Речовина	Температура кипіння
Водень	-253		Гліцерин	290
Кисень	-183		Олія	310
Ефір	35		Ртуть	357
Спирт	78		Свинець	1740
Молоко	100		Мідь	2567
Вода	100		Залізо	2750

 

Температура кипіння також сильно залежить від наявності в рідині розчиненого газу. Якщо довго кип'ятити воду, видаливши тим самим із неї розчинений газ, то повторно за нормального тиску цю воду можна буде нагріти до температу­ри, що перевищує 100⁰С. Таку воду нази­вають перегрітою.

Процес кипіння — це процес переходу рідини в пару, і цей процес іде з поглинанням енер­гії. Тому для підтримування кипіння рідини до неї потрібно підводити певну кількість теплоти. Ця енергія йде на розривання міжмолекулярних зв'язків і утворення пари.

Досліди показують: кількість тепло­ти, яка необхідна для перетворення рідини на пару за незмінної температури, пропор­ційна масі рідини й залежить від роду рідини.

Питома теплота пароутворення - це фізична величина, що ха­рактеризує певну речовину й дорівнює кількості теплоти, яку не­обхідно передати рідині масою 1кг, щоб за незмінної температури перетворити її на пару.

Питому теплоту пароутворення позначають символом L і об­числюють за формулою , де Q – кількість теплоти, яка отримана рідиною, m – маса пари.

Питома теплота пароутворення показує, на скільки за даної температури внутрішня енергія 1кг речовини в газоподібному стані більша, ніж внутрішня енергія 1 кг цієї самої речовини в рідкому стані.

З формули для визначення питомої теп­лоти пароутворення дістанемо одиницю цієї величини в СІ – джоуль на кілограм (Дж/кг).

Питому теплоту пароутворення  речовин визначають дослідним шляхом і заносять до таблиць.

Наприклад:

Речовина	L, Дж/кг		Речовина	L, Дж/кг
Вода	2300 000		Ефір	400 000
Аміак	1400 000		Ртуть	300 000
Спирт	900 000		Повітря	200 000

 

З формули для визначення питомої теплоти пароутворення речо­вини легко дістати формулу для обчислення кількості теплоти, яку необхідно передати рідині (масою т) для того, щоб перетво­рити її на пару за незмінної температури  .

Щоб обчислити кількість теплоти, необ­хідну для перетворення рідини на пару за незмінної температури, потрібно питому теплоту пароутворення цієї рідини помно­жити на її масу.

Якщо перед трубкою для відведен­ня пари помістити якийсь холодний пред­мет, то пара конденсуватиметься на ньому. Дуже ретельні вимірювання по­казують, що в ході конденсації пари виділяється точно така сама кількість теплоти, яка йде на її утворення.

 

V. Закріплення вивченого матеріалу

 

Інтерактивна вправа «Відгадай процес».

Картки із словами розкладенні на столі. Учень підходить до столу, витягує картку й описує цей процес, не вимовляючи це слово. А учні в класі повинні здогадатися, про що йдеться.

Слова на картках: кипіння, температура кипіння, питома теплота пароутворення, випаровування, конденсація, дощ, туман, кругообіг води в природі, сублімація.

Розв’язування задач:

• Яка кількість теплоти виділиться при конденсації 3,5кг водяної пари, якщо її температура 100⁰С?
• Яку кількість енергії потрібно надати 4кг води, узятої за температури 10⁰С, щоб довести її до кипіння й повністю випарувати?
• У посудину, в якій міститься 2кг води при температурі 20⁰С, впустили 250г водяної пари при температурі 100⁰С. яка температура встановилася в посудині? (89,7⁰С)
• Яка енергія виділиться при конденсації 5кг водяної пари, що має температуру 100⁰С, і подальшому охолодженні до 20⁰С води, одержаної з цієї пари? (13,18МДж)
• Скільки теплоти треба витратити, щоб скип’ятити 3кг води, взятої при температурі 20⁰С, в алюмінієвій каструлі масою 400г, якщо протягом цього процесу 20г води випарувались? (1,08МДж)
• Яку масу бензину потрібно спалити, щоб довести до кипіння та перетворити в пару 1кг льоду з температурою -10⁰С. Теплові втрати не враховувати. Питома теплота згорання бензину 4,4·10⁷Дж/кг. (0,07кг)

 

VІ. Підсумок уроку

 

Інтерактивна вправа «Незакінчене речення»

Учні продовжують речення     «На уроці я:

• Дізнався (дізналася)…
• Зрозумів (зрозуміла)…
• Навчився (навчилася)…
• На наступному уроці я хочу…»

 

VІІ. Домашнє завдання

 

Опрацювати відповідний параграф підручника.

Тема. Розв’язування задач на використання графіків пароутворення та конденсації

 

Мета уроку.

• Навчальна: поглибити розуміння учнями процесів випаровування й конденсації на основі вчення про молекулярну будову речовини.
• Виховна: виховувати загальну культуру поведінки, акуратність, стриманість, почуття обов’язку.
• Розвиваюча: розвивати вміння аналізувати і будувати графіки, що описують процеси зміни агрегатного стану речовини..

Основні поняття: кипіння, пароутворення, випаровування, конденсація, температура кипіння, кількість теплоти.

Обладнання: таблиця «Графіки випаровування, кипіння, конденсації».

Тип уроку: урок удосконалення знань та вмінь.

 

Хід уроку

 

І. Організаційний момент

 

ІІ. Актуалізація опорних знань

 

Бесіда за запитаннями:

• Одну склянку по вінця заповнили гарячим чаєм, а іншу – таким самим гарячим бульйоном. Яка з рідин остигне швидше? Чому?
• Чому мокра білизна на вітрі сохне швидше?
• Якщо зарити банку кришкою, то рівень води в ній не буде знижуватися. Чи означає це, що кришка «зупиняє» випаровування води?
• На шальки ваг поставили й зрівноважили склянку з холодною водою й склянку з гарячи чаєм. Чому рівновага ваг швидко порушується?
• Як спричинити кипіння води, не нагріваючи її?
• Питома теплота пароутворення води набагато більша, ніж ефіру. Чому ж ефір, налитий на руку, викликає набагато сильніше відчуття холоду? (Швидше відбувається випаровування).
• Пароутворення при кипінні відбувається за постійної температури, а пароутворення при випаровуванні – зі зниженням температури. Чим обумовлена така різниця? (У першому випадку пароутворення відбувається за рахунок енергії нагрівача, у другому – за рахунок внутрішньої енергії речовини.)

 

ІІІ. Оголошення теми та мети уроку

 

Сьогодні ми вчитимемося будувати та аналізувати графіки зміни агрегатного стану речовини.

 

ІV. Формування нових знань

 

Процеси нагрівання і випаровування можна зобразити графічно. По осі Оу відкладаємо значення температури рідини, а по осі Ох – час нагрівання і випаровування рідини.

Наприклад, розглянемо процеси нагрівання і випаровування води кипінням. Графік нагрівання і випаровування рідини складається з трьох ділянок: для нагрівання рідини – це пряма лінія з певним кутом нахилу, який залежить від значення питомої теплоємності рідини; для кипіння рідини – це горизонтальна лінія, температура рідини залишається сталою і дорівнює температурі кипіння рідини доти, доки вся рідина не випарується; для нагрівання пари – пряма лінія, кут нахилу якої визначається питомою теплоємністю пари, її значення відрізняється, від такого для рідини, томі і нахил інший; температура пари зростає прямо пропорційно часу нагрівання.

 

V. Закріплення вивченого матеріалу

 

Розв’язування вправ:

1. Проаналізуймо графік зміни агрегатного стану деякої речовини.

• Проаналізуємо, які фізичні процеси зображенні на цьому графіку.
• Поясніть, яким процесам відповідають ділянки графіка АВ, ВР, СD, DЕ, ЕF.
• Яка температур була на початку і в кінці спостереження?
• Через який час після початку спостереження вода закипіла?
• У яких точках молекули речовини мали найбільший запас кінетичної енергії? Чому?

 

t,0С
140
120
100
80
60
40
20
0	1	2	3	4	5	6	7	8	9		t,хв
-20
-40

 

 

2. Розглянемо графіки нагрівання трьох речовин:

• Яка температура кипіння рідин?
• Що це за рідини?
• Через скільки хвилин після початку спостереження закипіла перша рідина? Друга рідина? Третя?
• Яка кількість теплоти передана третій рідині для того, щоб нагріти її й повністю перетворити в пару, якщо маса цієї рідини дорівнює 500г?

 

t,0С
140
120
100										І
80										ІІ
60
40										ІІІ
20
0	2	4	6	8	10	12	14	16			t,хв
-20
-40

 

3. Розв’яжіть задачі та побудуйте графіки відповідних процесів:

• Яка кількість теплоти буде потрібна, щоб перетворити 500г льоду, що має температуру -20⁰С, на пару при 100⁰С?
• У калориметр, що містить 1кг води, впустили 40г водяної пари, що має температуру 100⁰С. якою була початкова температура води, якщо кінцева температура води в калориметрі виявилося 60⁰С?

 

4. Поміркуй і відповідай.

• Бажаючи прискорити готування борщу, господарка збільшує вогонь під каструлею із уже киплячою водою. Чи досягне вона бажаного результату? Відповідь обґрунтуйте.
• Пара, що надходить у радіатор парового опалення, має ту саму температуру, що й вода, яка залишає радіатор. Чи відбувається пр. цьому обігрівання кімнати? Чому?

 

5. На рисунку графічно зображений тепловий процес конденсації 1л водяної пари й охолодження води, що утворилася.

• Як змінювалася температура води в процесі конденсації й у процесі охолодження?
• На початку чи наприкінці процесу конденсації молекули води мають більший запас кінетичної енергії?

 

t,0С
120
100
80
60
40
20
0		5		10		15		20		25	t,хв

 

6. Виберіть і підкресліть правильне твердження.

• У процесі плавлення:

• Руйнуються кристалічні грати;
• Збільшується температура речовини;
• Відбувається утворенні і збільшення розмірів бульбашок всередині рідини.

• Випаровування рідини:

• Сповільнюється зі збільшенням площі поверхні;
• Відбувається за будь-якої температури;
• Швидше відбувається в закритій посудині.

• У процесі кристалізації:

• Температура рідини залишається незміною;
• Руйнуються кристалічні грати;
• Температура рідини зменшується.

• У процесі кипіння:

• Збільшується температура рідини;
• Відбувається пароутворення тільки з поверхні рідини;
• Температура рідини залишається незмінною.

 

VІ. Підсумок уроку

 

Інтерактивна вправа «Думай швидко».

На плакаті чи дошці зроблено запис: зліва під номерами 1,2,… записано питання (загального характеру); по центру – залишається вікно (квадратик чи рамка), куди записується довільна літера; справа стовпчик цифр, біля яких будуть відповіді. Необхідно за 3-4хв. дати відповіді на запитання, записані на плакаті зліва, так, щоб вони починалися на вказану літеру.

Наприклад.

Питання		Ф	Відповіді
1	Вчений.		1	Фарадей
2	Фізичне тіло.		2	Фотоапарат.
3	Речовина.		3	Ферит (залізо)
4	Явище.		4	Фотоефект.
5	Пристрій.		5	Фонограф.
6	Одиниця вимірювання.		6	Фарад.
7	Професія, що має відношення до фізики.		7	Фотограф.
8	Фізична величина.		8	Фокусна відстань.

 

VІІ. Домашнє завдання

 

Повторити основні відомості про теплообмін, процеси зміни агрегатного стану речовини.