Урок 22.7. Пароутворення і конденсація рідини. Кипіння. Температура кипіння

80

Урок 22/7ТЕМА. Пароутворення і конденсація рідини. Кипіння. Температура кипіння

Мета уроку: закріпити знання учнів про зміну агрегатного стану ре-човини; сформувати уявлення про процеси випаровування та конден-сації; формувати вміння спостерігати фізичні явища й аналізувати факти під час спостереження явищ. Сформувати уявлення про процес кипіння; показати відмінності між процесами кипіння і випаровування; ввести по-няття «питома теплота пароутворення»; формувати вміння спостерігати фізичне явище та аналізувати його; пояснити процеси випаровування й конденсації на основі атомно-молекулярного вчення про будову ре-човини; продовжити формування експериментальних умінь; ознайоми-ти з «проявом» випаровування на космічних об’єктах; поглибити знання про значення випаровування в техніці й побуті, у житті живих організмів.

Обладнання: комп’ютер, презентація до уроку, колба з водою, спир-тівка, сірники, штатив лабораторний, термометр, серветки, скляні плас-тини, термометри, кришки від пластикових пляшок, шматочки вати, пі-петки, спирт, вода, пластикова посудина, шприци; плакат «Пароутворен-ня», «Випаровування».

Тип уроку: засвоєння нових знань.

ХІД УРОКА

I. ПЕРЕВІРКА ДОМАШНЬОГО ЗАВДАННЯ

Усне опитування з вибором правильної відповіді1. Крило метеликів під мікроскопом (рис. 17) — дивовижне. До

будови якого з нижчеперерахованих матеріалів найбільш близька за структурою поверхня цього природного зразка? (Фотонні кристали, вуглецеві нанотрубки, наночастинки золота, електронна мікросхема, полімери з ефектом лотоса, наноклітинні термоелектрики)

2. У фільмі «Матриця» повсталі машини використовували лю-дей... як батарею. А яка речовина є універсальним «паливом» в організмі людини? (Серотонін, ферменти, гормони, РНК, ДНК, АТФ, білки)

(Правильна відповідь: АТФ. Аденозінтріфосфат (АТФ) — нуклео-тид, який відіграє найважливішу роль в обміні енергії і речо-вин в організмі.)

81 Тема 1.2. Теплові явища (2 частина)

Рис. 17

3. Волокна є важливим прикладом конструкційних матеріалів, оскільки дозволяють, наприклад, отримувати дуже міцні ком-позитні матеріали (що складаються з декількох різних речо-вин). З яких волокон можуть бути утворені корпуси дорогих гоночних автомобілів? (Золотих нанодротів, сталевих ниток, шовкових ниток, вуглецевих волокон, волокон карбіду кремнію, нано-трубок діоксину титану)(Правильна відповідь: вуглецевих волокон.)

IІ. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ

Тестування за карткамиДив. табл. 1.5.

IІI. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУЧитаємо вірш.

Грім і блискавка вирує.Дощ вони землі віщують.Ніч холодна, а на ранокВкрита вся земля туманом.Він розсіється помалуЙ хмаринкою знову стане.Як весь процес називають у народі?

— Правильно, кругообіг води в природі.Звичайно, це давно знайоме вам явище. Але іноді цей важливий

кругообіг води призводить до стихійних лих, як наприклад ураган «Катріна», що пронісся над узбережжям США. Учені всього світу не втрачають надію навчитися приборкувати стихію, вивчають, до-сліджують урагани, пропонують різні способи для керування ними. Сьогодні ми розглянемо фізичну сутність процесів, які лежать в основі й кругообігу води в природі і багатьох інших явищ.

82 Уроки фізики. 8 клас. Розділ 1. Теплові явища

Табл. 1.5

Прізвище:

__________________________________________

Бали

Само-оцінка

max

1. Питому теплоту плавлення позначають: а) L; б) λ ; в) q ; г) c

0,5

2. Під час кристалізації кінетична енергія молекул:а) зменшується;б) збільшується;в) не змінюється

0,5

3. Під час плавлення внутрішня енергія речовин:а) зменшується;б) збільшується;в) не змінюється

0,5

12

0

t, °C

Q

4. У якої речовини питома теплота плавлення менша, якщо їх маси рівні: а) 1, б) 2?

5. Який вид теплопередачі супроводжується пере-несенням речовини?а) Теплопровідність,б) конвекція,в) випромінювання.

6. Як швидше охолодити каву: влити до неї холодні вершки і зачекати, чи спочатку зачекати, а потім влити холодні вершки?

1,5

0,5

1,5

Робота під час вивчення нового матеріалу

1. Експериментальне завдання № 1 та правильне його пояснення

1,5

2. Конспект 2

3. Експериментальне завдання № 2 та правильне його пояснення

1,5

4. Правильна усна відповідь 1

5. Розв’язування задач 1


Формулювання теми уроку: почнімо вивчати ці явища із досліду (у лоточку лежить два предметних скельця). Подихайте на скель-це. Що ви спостерігаєте?

Як і чому змінюється «картина» на скельці? Як називають явища, що відбуваються? Назвіть явища.

Назвіть тему нашого уроку. Це випаровування і конденсація.Записуємо тему в зошит.Постановка мети уроку: чи спостерігали ви ці явища навколо

себе. Де?Мокра білизна сохне; вода, розлита на підлогу, висихає.Ваші приклади є фактами, отриманими зі спостережень у при-

роді. Наприкінці уроку ми пояснимо ці факти, вивчивши явища випаровування й конденсації, що й буде метою нашого уроку.

Згадаємо вивчений раніше матеріал.Згадайте основні положення МКТ.

Усі тіла утворені з молекул. Молекули рухаються безладно й ха-отично. Швидкість їхнього руху залежить від темпера тури.Що називають внутрішньою енергією?

Суму потенціальної й кінетичної енергії називають внутріш-ньою енергією.Як можна змінити внутрішню енергію?

Внутрішню енергію можна змінити під час виконання роботи й без виконання роботи.

Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії:а) під час виконання роботи;б) без виконання роботи (теплопередачі).

Чи змінюються молекули під час переходу з одного агрегатно-го стану в інший?

Ні. Змінюються лише проміжки між молекулами.На основі знань про молекулярну природу теплових явищ по-

будуємо моделі випаровування конденсації.Намалюйте в зошиті посудину, яку «наповнимо» рідиною. Зо-

бразимо молекули цієї рідини у вигляді кульок. Це молекулярна модель рідини. Врахуємо, що молекули рідини розташовані до-сить щільно. Тепер стрілками зобразимо напрямки руху деяких молекул.

З’ясуємо, яким молекулам найлегше покинути рідину.Так, тим молекулам, чиї кінетичні енергії руху набагато біль-

ші від потенціальних енергій притягання сусідніх молекул.Узагальнимо: рідину можуть покинути молекули, по-перше, що

перебувають поблизу поверхні, і, по-друге, кінетична енергія яких більша від потенціальної енергії притягання сусідніх молекул.


1. Сублімаціятв. тіло → пара

(лід, йод, нафталін)

туман

тиск, домішки, речовина

кипіння за ↑ t: автоклави в медицині, харчовійпромисловості, хімії

кипіння за ↓ t: цукровапромисловість (сушарні)

— швидковарка

ПИТОМА ТЕПЛОТАПАРОУТВОРЕННЯКОНДЕНСАЦІЇ

гори — 80 °C (чабани); шахти — 105 °C

пара

вода

2. Випаровуванняз поверхні рідини

за будь-якої t

3. Кипіннявсередині рідиниза визначеної t

Кипіння — пароутворенняу всій масі рідини

ПАРОУТВОРЕННЯ

ПІД ЧАС КИПІННЯ t = const

p t↑↓⇒ ° ↑↓C

[ ]L =Дж

кгL

Q

m=

Q Lm=Q

L m

Рис. 18

Над поверхнею рідини утвориться пара. Який процес ми відтворили на моделі? (рис. 18)

Пароутворення — явище перетворення рідини на пару. Розрізняють три види: випаровування, сублімація і кипіння.

Випаровування — процес перетворення рідини на пару. Відбувається за будь-якої температури.Рідина під час випаровування охолоджується, оскільки її по-

кидають «найшвидші» молекули, які розташовані ближче до по-верхневого шару.

Для того щоб температура рідини під час випаровування не знижувалась, до неї необхідно підводити тепло.

Якщо візьмемо відкриту посудину з рідиною, то через якийсь час рідина випаровується. Якщо ж накрити посудину кришкою, тоді буде змінюватися маса рідини? Звичайно, ні. Виникає питан-ня: чи припинився процес випаровування? А чому ж маса рідини не змінюється? Робимо висновок: нарівні із процесом випарову-вання спостерігається зворотний процес. Назвіть його.

Конденсація — процес перетворення пари на рідину.


У нашій моделі це молекули, які повертаються в рідину.Отже, нами побудовані моделі випаровування й конденсації,

які допомагають нам наочно показати, що це за явища. Оскільки з рідини летять найбільш швидкі, енергійні молекули, то середня швидкість молекул, що залишилися у рідини, а значить, й їхня середня кінетична енергія зменшується, тому випаровування веде до зменшення внутрішньої енергії рідини, внаслідок чого рідина охолоджується. Перевірмо цей висновок на досліді.

Що буде, якщо змастити руку спиртом? Відчуваємо холод. Чому?Рідина, випаровуючись, забирає частину внутрішньої енергії

руки, її температура знижується. Відчуття є суб’єктивними. А чи можна довести це твердження за допомогою термометра?

Таким чином, експериментальна перевірка підтвердила наслі-док, що випливає з моделі випару, і тим самим підтвердила й пра-вильність самої моделі. Ми ознайомилися із явищем випаровуван-ня, використовуючи цикл природно-наукового пізнання. Схема його така.

Факти → Модель → Наслідок → Експеримент

Пропонуємо учням виконати експериментальні завдання у групах. Визначмо, від чого залежить швидкість випаровування молекул.

Група 1. Завдання № 1. Спостереження поглинання енергії під час випаровування рідинМета завдання: експериментально довести, що під час випаро-

вування внутрішня енергія зменшується.Обладнання: термометр, резервуар якого обгорнутий ватою або

марлею, піпетка зі спиртом, склянка з водою, шматок марлі або вати.

1 Запишіть початкові показання термометра (рис. 19).

2 Змочіть спиртом марлю, якою оберніть резервуар термометра.

3 Запишіть найнижчу температуру, що через якийсь час покаже термометр.

4 Оберніть резервуар термометра сухою ватою або марлею і повто-ріть дослід із водою (рис. 20).

5 Дайте відповіді на запитання: Як змінюється температура під час випаровування рідини? По-

ясніть причину зміни температури рідини під час її випарову-вання.


Рис. 19 Рис. 20

Чи однаково змінюється температура води й спирту під час їхнього випаровування? Як можна пояснити спостережувану розбіжність в одержаних результатах?

Як змінюється внутрішня енергія рідини під час її випарову-вання?

6 Відповідь на третє питання запишіть у зошит.

Спирт Вода

t0, °C t1, °C t0, °C t2, °C

Група 2. Завдання № 2. Спостереження залежності швидкості випаровування рідини від роду рідини, площі її вільної поверхні, температури й швидкості видалення париМета завдання: експериментально довести, що швидкість випа-

ровування залежить від роду речовини, від площі її поверхні, від температури.

Обладнання: склянка з водою, піпетка зі спиртом, піпетка, ар-куші паперу — 2 шт., (склянки) (рис. 21).

1 Нанесіть піпеткою на аркуш паперу по краплі води, спирту спо-стерігайте за їхнім випаровуванням (рис. 22). Яка рідина випа-ровується швидше?

Рис. 21 Рис. 22


2 Нанесіть піпеткою по краплі спирту на різні аркуші паперу й од-разу ж збільште вільну поверхню однієї із крапель. Для цього розташуйте один аркуш паперу вертикально, щоб крапля роз-теклася по ньому. Спостерігайте за випаровуванням крапель. Яка крапля випарувалася швидше?

3 Нанесіть піпеткою по краплі спирту на аркуш паперу й долоню.

1 Вода і спирт на один аркуш Що випаровувалося швидше: __________________________________________

2. Спирт каплею Збільшили площу спирту

Що випаровувалося швидше: __________________________________________

3. Спирт на папір Спирт на долоню Що випаровувалося швидше: __________________________________________

Яка крапля випарувалася швидше? Від чого залежить швидкість випаровування рідини?

Завдання № 3. Спостереження залежності швидкості випаровування рідини від швидкості видалення париМета завдання: експериментально довести, що швидкість випа-

ровування залежить від швидкості вітру.Обладнання: склянка з водою, піпетка зі спиртом, піпетка, ар-

куші паперу — 2 шт., віяло паперове.

1 Нанесіть піпеткою по краплі спирту на два аркуші паперу. Один аркуш відкладіть убік, а біля другого помахайте паперовим ві-ялом до повного висихання краплі.

Яка крапля випарувалася швидше? Від чого залежить швидкість випаровування рідини?

2 Відповідь на останнє питання запишіть у зошит.

Випаровування в житті людини

Спостереження: виходячи із води навіть у найспекотніший день, ми відчуваємо прохолоду. Випаровування води із поверхні нашого тіла знижує його температуру.


Висновки учених: потові залози виконують захисну функцію для організму. У спекотну погоду відбувається інтенсивне потовиді-лення. Це захищає людину від перегріву.

У житті тварин

На спині верблюда в пекучий полудень вона нагріта до вісімде-сяти градусів, а шкіра під нею — лише до сорока! Верблюд ніколи, навіть у найдужчу спеку, не розкриває рота: адже зі слизової обо-лонки ротової порожнини, якщо відкрити широко рот, випарову-ється багато води!

З погляду економіки у витраті води ще більш цікаві американ-ські тушканчикові стрибуни. Вони взагалі ніколи не п’ють. Стри-буни живуть у пустелі Арізони й гризуть насіння й сухі трави. Майже вся вода, що є в їхньому тілі, ендогенна, тобто виробляєть-ся у клітинах під час переварювання їжі.

Кактуси — рослини з товстими м’ясистими стовбурами, листи яких перетворилися в колючки. У них незначна поверхня, вони малопроникні для води й водяної пари, з нечисленними майже за-вжди закритими устячками. Тому навіть у сильну спеку кактуси випаровують мало води.

Звертаємо увагу учнів на те, що випаровування — поширене природне явище. Учні повинні довідатися, що:

1) із зовнішніх шарів атмосфери зір і планет відбувається виті-кання (випаровування) газу в навколишній простір. Особли-вість: витікання частинок відбувається не з поверхні рідини, а із зовнішніх і більше розріджених газових оболонок зір або планет у навколишній простір;

2) утворення сонячного вітру — витікання (випаровування) іоні-зованого газу із сонячної корони;

3) випаровування речовини ядра комети — причина утворення хвоста комети (рис. 23).

Рис. 23


Проблемна ситуаціяЧи збережеться із часом рівновага терезів, якщо на одну шаль-

ку терезів поставити посудину з холодною водою, а на іншу — по-судину з гарячою водою тієї ж маси? Чому?

Ні, не збережеться. Гаряча вода буде випаровуватися швидше. А якщо закрити ці посудини, чи зміниться маса води? Яке

явище ви зараз будете спостерігати? Ні, маса не зміниться. Пара буде повертатися назад у рідину.

Це конденсація.

Отже, нарівні з випаровуванням спостерігається зворотний процес, що називається конденсацією. Подивіться слайд і пояс-ніть з погляду МКТ, що таке конденсація.

Конденсація: у природі: хмари, туман, роса, дощ; у техніці: холодильники.

Використовуючи побудовані моделі випаровування й конден-сації, розв’язуємо такі завдання:

Вийшовши в літній спекотний день із річки, ви відчуваєте про-холоду. Це відчуття підсилюється у вітряну погоду. Поясніть, чому це відбувається.

Уранці на траві з’явилися крапельки роси. Який буде день: хо-лодний або теплий?

Чому вчителі фізкультури наполягають, щоб учні після уроку обов’язково переодягалися?

Який суп охолоне швидше: жирний або пісний? Сьогодні ми ознайомимося ще з одним способом пароутворен-

ня — кипінням. Поспостерігаємо процес кипіння на досліді, на прикладі води.

Питання класу:Для того щоб вода закипіла, що необхідно зробити? (Нагріти

воду до температури кипіння.)

Демонстрація 1Склянку з водою поміщаємо на нагрівник. У міру нагрівання

температура підвищується. Спостерігаємо утворення бульбашок (якщо взяти воду, яка раніше вже прокипіла, то бульбашки бу-дуть особливо великими, помітними). Відзначаємо, що процес па-роутворення відбувається не тільки з поверхні води, але й усеред-ині бульбашок. Фіксуємо температуру, за якої вода закипіла.

Висновок. Температуру, за якої рідина кипить, називають тем-пературою кипіння.


Демонстрація 2Продовжуємо нагрівання. Спостерігаємо інтенсивне кипіння;

бульбашки з парою. Звертаємо увагу на те, що температура не змі-нюється.

Висновок. Під час кипіння температура рідини не змінюється.

Питання класу: На що йде в цей момент енергія, яку отримає вода від нагрів-

ника? (Ця енергія йде на утворення пари.)

Демонстрація 3Склянку з доведеною до кипіння водою знімаємо з нагрівни-

ка. Звертаємо увагу на те, що кипіння припинилося. У гарячу воду поміщаємо пробірку зі спиртом. Спостерігаємо, що спирт закипає.

Висновок. У різних рідин різна температура кипіння.На підставі проведених дослідів учні роблять такі висновки:

рідина кипить за певної температури, у кожної рідини вона своя;

процес кипіння відбувається з поглинанням енергії; температура під час кипіння рідини не змінюється.

Учні ознайомлюються із таблицею, у якій наведено температу-ри кипіння кількох рідин. Звертаємо увагу на те, що температура кипіння рідини залежить від атмосферного тиску, тому що буль-башкам для виходу назовні необхідно подолати його протидію. Щоб продемонструвати це, проводимо дослід.

Демонстрація 4У медичний шприц (великого об’єму) набираємо невелику

кількість води. Під час виведення поршня зі шприца вода за-кипає.

Говоримо про особливості кипіння рідини в горах, автоклавах.Оскільки процес кипіння відбувається з поглинанням тепла,

то зрозуміло, що для пароутворення 1 кг води і, наприклад, 1 кг спирту знадобиться різна кількість теплової енергії.

Вводимо поняття «питома теплота пароутворення». У зошитах записуємо означення, позначення та одиниці цієї фізичної вели-чини.

Учні ознайомлюються із таблицею, де наведено значення пито-мої теплоти пароутворення для деяких речовин.

Питання класу Чому дорівнює питома теплота пароутворення води?


За яких умов питома теплота пароутворення води дорівнює 2 3 Дж, ⋅106 ? (За температури кипіння і нормального атмосфер-

ного тиску.) Що означає твердження: «Питома теплота пароутворення

спирту дорівнює 0Дж

кг,9 106⋅ »?

Скільки енергії виділиться під час конденсації 1 кг водяної пари, узятої за температури 100 °C?

На що буде витрачено більше енергії: на пароутворення 1 кг ртуті чи 1 кг ефіру? Обидві рідини перебувають за температури кипіння.

Скільки енергії необхідно, щоб за температури кипіння пере-творити на пару 2 кг рідини? m кг?Учні самі виводять формулу:

Q Lm= .

IV. ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ Порівняйте процеси випаровування і кипіння. Що у них спіль-

ного? Чим вони різняться? (Кипіння — більш інтенсивний процес пароутворення; відбувається за певної температури в усьому об’ємі рідини.)

На що витрачається енергія, що підводиться до рідини під час кипіння?

Що показує питома теплота пароутворення? У чому проявляється закон збереження і перетворення енергії

у процесах пароутворення та конденсації? Зобразіть процес кипіння води графічно. Початкова темпера-

тура води 20 °C.

Зобразіть процес конденсації водяної пари графічно. Початко-ва температура пари 100 °C.

Що швидше погасить вогонь: окріп чи холодна вода? (Окріп. Питома теплота пароутворення води більша, ніж питома теплоєм-ність.)Задача № 1. Уважно розгляньте графік (рис. 24) охолодження

і кристалізації речовини, дайте відповідь: а) Для якої речовини складено графік? б) Скільки часу охолоджувалась речовина від 20 °C до температури кристалізації? в) Скільки часу тривав про-

цес кристалізації? г) Про що свідчить ділянка графіку DE? Визна-чте кількість теплоти, яка виділиться під час кристалізації води масою 1 кг.


0 10 20 30 40 50 60 70 80

t, °C

t, хв

10

20

30

–10

–20

A

B C

D E

Рис. 24

Задача № 2. Шерсть у собак дуже тепла, а потових залоз у шкі-рі практично немає (є лише на пальцях лап). Собаки ніколи не по-тіють. Влітку їм стає особливо жарко. Щоб охолодити себе, собака широко розкриває рот і висолоплює язика. Слина на язику, щеле-пах починає інтенсивно випаровуватися, і температура тіла знижу-ється до нормальної. Чому температура тіла собаки знижується?

Під час випаровування вологи з поверхні носа і язика собаки внутрішня енергія організму зменшується, а отже, зменшується температура організму.

Тестування1. Які із процесів, за яких відбуваються агрегатні перетворення

речовини, названі помилково?А Плавлення, кристалізація; Б пароутворення, конденсація;В сублімація, десублімація; Г нагрівання, охолодження.

2. З якої посудини швидше випаровується рідина (рис. 25) (темпе-ратура рідини в обох посудинах однакова)?

1 2

Рис. 25

А З 1-ї;Б з 2-ї;В з 1-ї й 2-ї однаково.


3. Під час випаровування вода охолоджується. Це пояснюється тим, що воду залишають частинки...:А найповільніші;Б найшвидші;В найдрібніші;Г найбільші.

4. Що спричинить сильніший опік: стоградусна вода або стогра-дусна пара?А Пара;Б вода;В однаково.

5. Як змінюється швидкість випаровування рідини в разі підви-щення температури?А Залишається незмінною;Б збільшується; В зменшується; Г іноді збільшується, іноді зменшується.

V. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ [26]: вивчити §§ 13, 14, виконати впр. № 13 (задачі 1, 4, 7),

впр. № 14 (задачі 1, 4, 6).

Education

Урок 22.7. Пароутворення і конденсація рідини. Кипіння. Температура кипіння