Тема програми: МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА
Тема уроку: ПАРОУТВОРЕННЯ Й КОНДЕНСАЦІЯ. НАСИЧЕНА Й
НЕНАСИЧЕНА ПАРА. КИПІННЯ
Мета уроку:
навчальна: поглибити знання здобувачів освіти про явища пароутворення,
випаровування, конденсацію, кипіння; акцентувати увагу
здобувачів освіти на особливостях фізичних процесів, які
відбуваються під час переходу;
розвиваюча: розвивати і формувати навички речовини з рідкого в
газоподібний стан та навпаки; повторити формули для обчислення
кількості теплоти, яка витрачається на пароутворення або
виділяється під час конденсації; ввести поняття насичена та
ненасичена пара, динамічна рівновага; розв’язання якісних та
кількісних задач; показати практичне значення вивченої теми;
розвивати навички пояснення явищ пароутворення, конденсації,
кипіння, насиченої, ненасиченої пари, динамічної рівноваги;
розвивати логічне мислення, навички порівняння, робити
висновки;
виховна: виховувати культуру мовлення, спілкування, комунікабельність,
почуття відповідальності за доручену справу.
Тип уроку: комбінований.
Вид уроку: урок-подорож у «Країну знань».
Міжпредметні зв’язки: математика, біологія, інформатика, професія «Кухар; кондитер», «Слюсар з ремонту автомобілів. Електрозварник ручного
зварювання».
Методи навчання: інтерактивний, інформаційний, проблемно-пошуковий, демонстраційно-експериментальний, «Мікрофон», флешмоб, бліцопитування, бесіда, евристична бесіда, індивідуальна робота, робота в групах, в парах, гра «Фізичний футбол».
Матеріально-технічне забеспечення:
- ноутбук, мультимедійний проектор, екран;
- картки-завдання, тести;
- презентації учнів;
- склянки з рідинами (вода, спирт, олія), склянки з гарячою та холодною
водою, ваги.
Література: Коршак С.В, Ляшенко О.І, Савченко В.Ф.. Підручник «Фізика», 10 клас, рівень стандарт, «Генеза», 2010 р. - 192 с.
План та структура уроку
І. Організаційний момент (1,5хв)
- Привітання та побажання гарного настрою
- Перевірка готовності здобувачів освіти до уроку
ІІ. Ознайомлення з темою та правилами проведення уроку-подорожі (1,5хв)
ІІІ. Постановка мети і завдань уроку (2 хв)
ІV. Систематизація, узагальнення засвоєних знань, умінь та навичок (15хв)
- Бесіда
- Елементи дискусії. Відповідь на проблемне запитання
- Флешмоб
V. Вивчення нового матеріалу (випереджувальне завдання) (15хв)
- Індивідуальна робота здобувачів освіти
- Робота в групах. Виконання завдань творчого характеру
VІ. Закріплення знань, умінь, навичок здобувачів освіти (6 хв)
- Робота з тестами
- Дидактична гра з елементами змагання (додатково)
VІІ. Рефлексія та підсумок уроку (3 хв)
- Підсумкова бесіда (мікрофон, відповіді по колу)
- Оцінювання роботи здобувачів освіти на уроці
- Загальна оцінка діяльності групи
VІІІ. Домашнє завдання практичного характеру (1 хв)
Хід уроку
І. Організаційний момент (1,5 хв)
- Привітання та побажання гарного настрою.
- Перевірка готовності здобувачів освіти до уроку.
Викладач: Доброго дня! Всі здобувачі освіти готові до уроку? Всі мають підручники, зошити та необхідні речі для уроку? Командир групи, будь ласка, звітуйте про готовність групи до уроку та про присутніх і відсутніх.
Командир групи: доповідає про готовність групи до уроку та про відсутніх і причини відсутності.
ІІ. Ознайомлення з темою та правилами проведення уроку-подорожі (1,5хв)
Викладач: Сьогодні ми з вами проводимо урок-подорож у «Країну знань» за темою: «Пароутворення й конденсація. Насичена й ненасичена пара. Кипіння». Запишіть тему та виконуйте скорочені записи в зошитах на уроці. Протягом подорожі будемо рухатись від однієї станції до іншої за маршрутним листом. Щоб одержати квиток до наступної станції потрібно пройти іспит (захистити свої проекти з певних питань), описати явище за схемою (визначення явища, приклади застосування або спостереження явища в побуті, на виробництві, в професії) та відповісти на запитання. До маршрутного листа одержуємо квиток і рухаємось до наступної зупинки.
ІІІ. Постановка мети і завдань уроку (2 хв)
Викладач: Мета уроку якомога швидше промандрувати за маршрутним листом (Додаток Б) через всі станції і здобути певні знання в «Країні знань», щоб застосовувати їх при розв’язанні якісних, кількісних задач, тестів, в професії та подальшому житті.
Станції або зупинки знаходяться в такій черзі:
Пароутворення.
Випаровування.
Конденсація.
Математична (для обчислення кількості теплоти, що витрачається на пароутворення або виділяється під час конденсації).
«Українські вареники» (флешмоб).
Динамічна рівновага.
7. Насичена пара.
Ненасичена пара.
Кипіння.
Заключна - Іспити.
Для подолання відстані від першої до останньої зупинки вам знадобиться працювати самостійно та в групах. Згадаємо правила роботи в групах:
1. Приходити вчасно.
2. Говорити по черзі.
3. Відповідати по колу.
4. Бути доброзичливим.
5. Сидіти по колу.
6. Бути активним.
7. Бути ввічливим.
Здобувачі освіти об’єдналися по групах за бажанням. В групах обрані провідники. Вони спостерігають за роботою здобувачів освіти та виставляють їм оцінки в оціночні листи за кожний вид роботи та загальну оцінку. Протягом уроку ви можете користуватися опорними конспектами з даної теми.
ОПОРНИЙ КОНСПЕКТ З ТЕМИ: «ПАРОУТВОРЕННЯ Й КОНДЕНСАЦІЯ. НАСИЧЕНА Й НЕНАСИЧЕНА ПАРА. КИПІННЯ»
КОНДЕНСАЦІЯ – це перехід речовини із газоподібного до рідкого стану. ПАРОУТВОРЕННЯ – процес переходу речовини з рідкого до газоподібного стану. 
ПАРОУТВОРЕННЯ
2) Кипіння – процес інтенсивного випаровування, що відбувається не тільки з вільної поверхні рідини, а й усередині її об’єму в бульбашки пари, що утворюються на дні та стінках посудини. 1) Випаровування – процес пароутворення, що відбувається з вільної поверхні рідини. Швидкість випаровування залежить: - від роду рідини, - від температури рідини, - від площі вільної поверхні, - від наявності вітру над поверхнею рідини.
Випаровування відбувається за будь-якої температури.
Випаровування властиве не тільки рідинам, а й твердим тілам (сублімація).
Під час випаровування температура тіла знижується.
Процес кипіння починається за температури, за якої тиск насиченої пари всередині бульбашок дорівнюватиме зовнішньому тиску.
Чим вищий зовнішній тиск, тим вищою є температура кипіння.
Чим вищий тиск насиченої пари, тим нижчою є температура кипіння відповідної рідини, оскільки за менших температур тиск насиченої пари дорівнюватиме зовнішньому тиску.
Під час процесу кипіння температура рідини залишається сталою.
ДИНАМІЧНА РІВНОВАГА – це стан, у якому кількість молекул, що залишають рідину за одиницю часу (пароутворення), дорівнює кількості молекул, що повертаються в рідину за той самий час (конденсація).
НЕНАСИЧЕНА ПАРА– це пара, тиск якої нижчий, ніж тиск насиченої пари. НАСИЧЕНА ПАРА – це пара, що знаходиться в динамічній рівновазі з рідиною. 
ІV. Систематизація, узагальнення засвоєних знань, умінь та навичок (15хв)
- Бесіда.
- Елементи дискусії. Відповідь на проблемне запитання.
- Флешмоб.
Викладач (бесіда): Чи замислювались ви над деякими речами? Чому в дуже спекотний день ми прагнемо окунутись в водоймі, чому після купання нам стає прохолодніше або чому ми знаходимося поблизу фонтанів? Чому зникають калюжі після дощу?
- Вода поступово випаровується.
- А чому пахне мило?
- Відповідь та сама: мило випаровується, і його частинки потрапляють до нас у ніс.
- Випаровування з поверхні твердих і рідких речовин, а також кипіння рідин у фізиці мають загальну назву…
- пароутворення.
Рис. 1. Сублімація.
Рис. 2. Фонтан.
Викладач: Починаємо цікаву мандрівку в «Країну знань».
Перша станція «Пароутворення».
Здобувачі освіти: Ознайомимося з процесом пароутворення. (Презентація №1). Перетворення рідини на пару називають пароутворенням. Пароутворення може відбуватися двома способами: випаровування та кипіння.
Приклади пароутворення: завдяки пароутворенню висихає білизна в спекотний та морозний день, черствіють хлібо-булочні вироби, обвітрюються овочі, фрукти, випаровування спостерігаємо під час готування їжі (перших, других та третіх страв), висихають ґрунт, річки, озера, моря; висихає фарба після фарбування автомобіля, випаровується бензин, ефір, спиртовий розчин аміаку та інші, завдяки явищу пароутворення ми маємо змогу випікати різні вироби та готувати їжу.
Рис. 3. Пароутворення та його види.
Викладач: Щоб здобувачі освіти вирушили до подальшої подорожі вони повинні правильно відповісти на запитання і одержати квиток до наступної станції.
1. В якому випадку хліб швидше стане черствим: коли він зберігається в закритій упаковці або просто на столі? (на столі, бо випаровування з поверхні хліба буде відбуватися швидше).
2. Чому свіжоспечений хліб важить більше ніж той, що встигнув остигнути? (коли хліб черствіє, частина вологи випаровується, вага хліба стає меншою).
3. Чому крапля води, попавши на розпечену плиту, починає на ній плигати? (розпечена плита, нагріваючи поверхню краплі, утворює навкруги неї оболонку пари; ця пара підкидує краплю наверх).
Викладач: Мандрівники одержали квиток на подорож від станції «Пароутворення» до другої станції «Випаровування».
Здобувачі освіти (2 станція): Випаровування – це один з видів пароутворення. Якщо пароутворення відбувається з вільної поверхні рідини, його називають випаровуванням.
Рис. 4. Випаровування.
Молекули будь-якої рідини перебувають у безперервному русі. Температура рідини пов'язана із середньою кінетичною енергією руху її частинок.
Рис. 5. Механізм випаровування.
Швидкість руху не однакова у всіх молекул рідини - серед них є більш «швидкі» і більш «повільні». І якщо досить «швидка» молекула виявиться поблизу поверхні рідини, вона може вирватися з рідини, подолавши притягання інших молекул. Це відбувається не так уже й рідко: наприклад, при кімнатній температурі з поверхні води в склянці щомиті «виривається» така кількість молекул, яка виражається числом із двадцятьма цифрами.
Оскільки при випаровуванні рідину залишають найшвидші молекули, то середня кінетична енергія молекул, що залишилися, зменшується, а рідина охолоджується.
Викладач: Всі гіпотези та закони в фізиці повинні бути доведені експериментально. Інструктаж з БЖД при проведенні демонстраційних дослідів у фізкабінеті.
Здобувачі освіти: З'ясовуємо, від чого залежить швидкість випаровування:
Дослід № 1. У дві мензурки наллємо порівну води. Воду з лівої мензурки переллємо в тарілку. Через кілька днів виявиться, що в ній вода випарувалася повністю, а в мензурці – лише частково. Чому? (Випаровуватись можуть тільки ті молекули, які перебувають поблизу поверхні рідини (адже з інших боків вона оточена стінками посудини). Тому більша площа поверхні води в тарілці сприяє більшій кількості вильотів молекул. Отже, випаровування йде швидше).
Висновок 1: Площа вільної поверхні - перша причина, що впливає на швидкість пароутворення.
Дослід № 2. Поставимо на ваги дві склянки. У лівуналлємоокропу, а в праву - стільки ж холодної води. Спочатку ваги будуть у рівновазі. Але через 5-10 хвилин ця рівновага порушиться: склянка з гарячою водою стане легшою. Виходить, гаряча вода випаровується швидше холодної.
Вилетіти з рідини можуть тільки ті частинки, кінетична енергія яких більша від потенціальної енергії притягання до інших частинок. При підвищенні температури швидкість руху всіх частинок зростає, отже, зростає і їхня кінетична енергія. А це приводить до зростання кількості частинок, які можуть вилетіти з рідини.
Висновок 2: Температура речовини - друга причина, щовпливає на швидкість пароутворення, але не слід забувати, що випаровування відбувається за будь-якої температури.
Дослід № 3. В однакові склянки наллємо рівні кількості різних рідин: спирту, води й масла. Приблизно через тиждень ми виявимо, що спирт випарувався повністю, вода - наполовину, а масло практично не зменшило свого об'єму.
Висновок 3: Рід речовини - третя причина різних швидкостей пароутворення.
Дослід-спостереження № 4. Коли калюжі підсихають швидше коли є вітер або коли немає вітру? (в повітряну погоду).
Висновок 4: Пароутворення протікає швидше при наявності вітру. Після цих дослідів доходимо висновку, що швидкість випаровування залежить:
а) від температури рідини;
б) від роду рідини;
в) від площі вільної поверхні рідини;
г) від швидкості видалення парів з поверхні рідини (від вітру).
Рис. 6. Швидкість випаровування.
Якщо рідина перебуває у відкритій посудині, то випаровування її відбувається доти, поки вся вона не перетвориться в пару. Швидкість випаровування тим більша, чим вища температура рідини, чим більша її поверхня, чим швидше видаляється пара, яка утворилася над поверхнею, і чим менший зовнішній тиск. Швидкість випаровування залежить також від роду речовини, яка випаровується. Так, ефір випаровується швидше за воду, а вода — швидше за олію, що пояснюється різними силами взаємодії між молекулами цих речовин. Спостереження й досліди показують, що випаровуються й тверді тіла. Випаровується, наприклад, лід, тому білизна висихає й на морозі.
Випаровується нафталін, тому ми відчуваємо його запах. Цей процес
називають сублімацією.
Рис. 7. Явище сублімації.
Викладач: Щоб купувати квиток до наступної зупинки учні відповідають на питання:
1. Чому паморозь (іній) на деревах зникає іноді без потепління? (паморозь або іній - це вода в кристалічному стані та випаровується при будь-якій температурі повітря, спостерігаємо явище сублімації).
2. Чому, щоб висушити підлогу, на якій пролита вода, її розтирають по підлозі? (збільшення поверхні випаровування підвищує швидкість випаровування).
3. Поясніть чому білизна швидше висихає на горищі при відкритих вікнах, ніж в кімнаті де дуже натоплено (вітер відносить водяну пару, що утворюється над білизною та цим самим збільшується швидкість його просихання).
Викладач: Мандрівники рухаються далі до третьої станції «Конденсація».
Здобувачі освіти (3 зупинка): Знайомимося з процесом конденсації.
Конденсація - це процесс перетворення речовини із газоподібного стану у рідкий стан (перетворення пари у рідину). Серед прикладів конденсації у природі найбільш важливими є такі, як випадіння роси, утворення туману, утворення хмар, дощі та зливи тощо. Поряд із вильотом молекул із рідини відбувається й «протилежний» процес: деякі з молекул пари, що завжди витають над поверхнею рідини, влітають у рідину й залишаються там.
Таким чином, випаровування і конденсація завжди відбуваються одночасно, і «підсумковий результат» залежить від того, який із цих процесів відбувається з більшою швидкістю. Якщо «перемагає» випаровування, то рідина перетворюється на пару: висихають калюжі, вологі речі й т. д. Якщо ж «перемагає» конденсація, то пара перетворюється на рідину: випадає роса, сухі речі зволожуються.
Процес конденсації води в природі ми спостерігаємо щодня. Чи то крапельки роси на листі (водяна пара накопичується в повітрі вдень, а над ранок, охолоджуючись, конденсується), чи то хмари (вологе повітря піднімається у верхні шари атмосфери, конденсується, утворюючи хмари), чи то туман (удень відбувається інтенсивне випаровування з поверхні водойм, а ввечері насичене водяними парами повітря внаслідок охолодження конденсується).
Прикладом конденсації є випадання роси влітку, утворення туману восени, запотівання зсередини стекол салону автомобіля взимку. Перехід речовини з рідкого в газоподібний стан широко використовується в техніці. Наприклад, на електростанціях пара, яка отримана із води, приводить у дію парові турбіни.
Рис. 8. Приклад явища конденсації
Рис. 9. Одночасний процес випаровування і конденсації.
Викладач: Мандрівникам потрібен квиток до наступної станції
«Математична». Питання:
1. Лікарі-стоматологи для дослідження зубів користуються спеціальним дзеркальцем, яке перед використанням попередньо нагрівають до температури 37 0С. Чому? (дзеркальце нагрівають до температури тіла людини, щоб уникнути явища конденсації).
2. Чому в холодну погоду «запотівають» вікна автомобіля та вікна в приміщеннях? (Спостерігаємо явище конденсації пари).
Викладач: Одержавши квиток мандруємо далі до четвертої зупинки «Математична».
Здобувачі освіти (4 зупинка): Вводимо поняття питомої теплоти пароутворення.
Під час кипіння об’єм рідини зменшується - кажуть, що вона «википає». Під час утворення пари при кипінні, внутрішня енергія рідини зменшується. Для підтримки кипіння рідини необхідно постійно підводити до неї теплоту. На що ж витрачається підведена енергія, якщо температура (а отже, і середня кінетична енергія молекул) не змінюється? (Вона витрачається, в основному, на розрив зв'язків між молекулами при перетворенні рідини на пару. Оскільки для «відриву» молекул однієї від одної необхідно здійснити роботу, при цьому потенціальна енергія взаємодії молекул збільшується).
Різні рідини однакової маси потребують різної кількості теплоти для перетворення їх на пару при температурі кипіння. Для характеристики енергетичних витрат на випаровування рідин вводиться поняття питомої теплоти пароутворення.
Питомою теплотою пароутворення називають фізичну величину, що чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно надати 1 кг рідини, щоб повністю перетворити її на пару при постійній температурі.
Питома теплота пароутворення позначається буквою L або r і вимірюється в Дж/кг.
Питома теплота пароутворення деяких речовин наводиться в таблицях.
Щоб визначити кількість теплоти Q, необхідну для перетворення на пару будь-якої маси рідини m, узятої при температурі кипіння, можна скористатися формулою:
Q = Lm або Q = rm (1)
Кількість теплоти, що виділяється при конденсації пари аналогічної маси, визначається за цією ж формулою (тільки береться зі знаком ( - )).
Викладач: Щоб продовжити мандрівку до п’ятої станції «Українські вареники» потрібно розв’язати задачу та відповісти на запитання:
ЗАДАЧА 1: Яка кількість теплоти виділяється під час конденсації водяної пари, маса якої 10 кг при температурі 100 0С, та охолодженні води, що утворилася, до 20 0С ?
Дано: m = 10 кг L = r = 2,3•106 t1 = 20 0C t2 = 100 0C c = 4200 | Розв’язування: Загальна кількість теплоти є сумою теплот, які виділяються при конденсації води і подальшому її охолодженні до 20 0С: Q = Q1 + Q2 , де Q1 = rm- кількість теплоти, яка виділяється при конденсації води, Q = r ∙ m + c ∙ m (t2 - t1). Виведемо розмірність Q = Обчислимо загальну кількість теплоти Q =
|
Q - ? |
Відповідь: Q = 26 МДж (виділяється 26 МДж теплоти).
2. Чому дощ охолоджує повітря? Чому фонтани послабляють спеку? (на випаровування вологи після дощу витрачається енергія, теплота випаровування, яка черпається з внутрішньої енергії оточуючого повітря; при цьому повітря охолоджується)
3. Чи можна закип’ятити воду, підігріваючи її парою при температурі 100 0С при нормальному атмосферному тиску? (Ні. Щоб передати воді енергію, необхідну для кипіння, пара повинна мати температуру вище 100 0С).
4. Чи буде відбуватися кипіння в склянці, що плаває в посудині, в якій кипить вода? (Для кипіння необхідний приток енергії, а тут в обох посудинах температура 100 0С. Тому із зовнішньої посудини у внутрішню енергія передаватися не буде, вода у склянці кипіти не буде).
Викладач: Саме таким чином готують відвари деяких лікарських трав на «паровій бані», щоб зберегти їх лікувальні властивості. Продовжуємо подорож. Щоб дістатися до станції «Українські вареники» ви повинні прийняти участь у флешмобі, який проведуть чудові дівчата Карина та Альона.
Викладач: Щоб продовжити подорож далі, всі учні повинні прийняти участь у флешмобі.
Викладач: Я вітаю вас на п’ятій зупинці «Українські вареники» (5 станція), а наступна шоста станція «Динамічна рівновага».
V. Вивчення нового матеріалу (випереджувальне завдання) (15хв)
- Індивідуальна робота здобувачів освіти.
- Робота в групах. Виконання завдань творчого характеру.
Здобувачі освіти (6 станція): Динамічною рівновагою називають стан, в якому збалансовані різні процеси, що протікають в протилежних напрямках. Динамічна рівновага, наприклад, встановлюється між випаровуванням з поверхні рідини та конденсацією пари.
В результаті хаотичного руху над поверхнею рідини молекули пари можуть повертатися в неї. Цей процесс називають конденсацією пари. Знаближенням до поверхні рідини сили притягання прискорюють молекулу, надаючи їй додаткової кінетичної енергії, такої, яку затрачено на подолання цих сил, і, повертаючись, молекула має таку саму кінетичну енергію, яку мала під час випаровування. Тому в процесі конденсації пари виділяється стільки ж енергії, скільки було витрачено на її утворення.
Якщо рідина перебуває у відкритій посудині, то випаровування її відбувається доти, поки вся вона не перетвориться в пару. Інша картина випаровування спостерігається тоді, коли рідина перебуває в закритій посудині і займає лише частину її об'єму. На початку процесу кількість молекул, які вилітають з рідини, перевищує кількість молекул, які знову повертаються в неї, і концентрація молекул пари зростає. Але чим більше стає молекул, які вилетіли з рідини, тим більше їх потрапляє назад у рідину. Нарешті настає такий момент, коли кількість молекул, які вилітають з рідини за одиницю часу, виявляється такою самою, як і кількість молекул, що повертаються в неї за той же час. Очевидно, починаючи з цього моменту, концентрація молекул пари буде сталою. Такий стан називають динамічною рівновагою рідини і пари.
Викладач: Щоб одержати наступний квиток і вирушити у подорож потрібно відповісти на питання:
1. Розрахунки показують, що при нормальному тиску бензин повинен підніматися по всмоктувальній трубочці на висоту до 12,5 м. В дійсності висота стовпа бензину буде меншою. Чому? (над бензином знаходиться його пара, яка здійснює деякий тиск на нього).
2. Велика частина поверхні Землі покрита водяною оболонкою. Чому, не дивлячись на це, атмосфера не насичена водяною парою? (наявність атмосферного тиску стримує процес пароутворення).
Викладач: І ось зупинка сьома станція «Насичена пара».
Здобувачі освіти (7 станція): Пару, яка перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою.
Таким чином, можна зробити висновок, що насичена пара має за даної температури найбільшу кількість молекул в одиниці об'єму (або, інакше кажучи, максимальну густину) і чинить найбільший тиск.
У різних рідин динамічна рівновага з парою настає за різної густини пари (концентрації молекул). Причина цього полягає в неоднаковості сил молекулярної взаємодії. З рідин, в яких сили взаємного притягання частинок великі, наприклад, із ртуті, можуть вилітати лише найшвидші молекули, кількість яких незначна. З рідин з малими силами притягання, наприклад, із ефіру, за тієї самої температури вилітає багато молекул, і динамічна рівновага настає тільки за умови значної їх концентрації в парі.
Викладач: Купуємо квиток до наступної станції.
1. Чорнила на папері висихають швидко, у відкритій чорнильниці - довго, а в закритій практично не висихають. Чому? При якій умові і у відкритій чорнильниці чорнила не висихали би? (в склянці над чорнилами утворюється насичена пара та випаровування припиняється; чорнила також не будуть висихати, якщо відкриту чорнильницю помістити в насичену пару).
Викладач: Робимо зупинку на восьмій станції «Ненасичена пара».
Здобувачі освіти (8 станція): Ненаси́чена па́ра — пара, яка не перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною (не досягла насичення). Інакше кажучи, ненасиченою буде пара над поверхнею рідини, коли випаровування переважає над конденсацією. Очевидно, що густина ненасиченої пари менша за густину насиченої пари. Властивості ненасиченої пари можна описувати газовими законами для ідеального газу: Бойля-Маріотта, Гей-Люссака, Шарля, Менделєєва-Клайпейрона. Властивості пари тим точніше відповідають цим законам, чим менш насиченою є пара, тобто чим менша її густина. Залежність між тиском і температурою насиченої пари не підлягає закону Шарля, тобто закон Шарля до насиченої пари незастосовний. Розглянемо причину цього. Нагрівання ідеального газу за сталого об'єму приводить до підвищення його тиску внаслідок зростання середньої кінетичної енергії молекул (частішими стають їх удари об стінку посудини, і тим більший імпульс передають вони під час кожного удару). В результаті нагрівання насиченої пари зростає не лише середня кінетична енергія молекул, а й кількість цих молекул (внаслідок інтенсивнішого випаровування зростає маса пари). Тому тиск насиченої пари з підвищенням температури зростає швидше, ніж тиск ідеального газу.
Рис. 10. Насичена та ненасичена пара, динамічна рівновага.
Динамічна рівновага досягається тоді, коли при постійних зовнішніх умовах два взаємно обернені процеси протікають із однаковою інтенсивністю. Але що буде, якщо припустити, що зовнішні умови знаходяться у постійному русі стосовно системи. Тоді, кажуть, що досягається сталий стан, тобто це вже не чиста рівновага, а постійність, для збереження якої необхідно додавати енергію.
Викладач: Щоб одержати квиток до станції «Кипіння» потрібно з’ясувати залежність тиску насиченої пари від температури.
Здобувачі освіти: Оскільки з рідини під час випаровування вилітають найшвидші молекули, то середня швидкість тих молекул, що залишились, зменшується, тому під час випаровування рідина охолоджується. Для підтримання температури такої рідини сталою необхідно підводити тепло. Унаслідок конденсації затрачене для випаровування тепло повертається.
Розглянемо герметично закриту посудину, що містить рідину і пару. Через деякий час між рідиною і парою наступить стан теплової (динамічної) рівноваги. При цьому кількість молекул, що випаровуються за час Δt, стане дорівнювати кількості молекул, які повертаються в рідину (конденсуються) за такий самий час.
Пару, що знаходиться в тепловій динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою. Зрідка вдається одержати насичену пару і у відчинених посудинах.
Тиск насиченої пари наближено можна розрахувати за виразом основного рівняння МКТ:
p = nkT (2)
Оскільки концентрація молекул насиченої пари не залежить від об'єму за сталої температури, то і тиск насиченої пари не залежить від об'єму, а залежить від температури. Ці закономірності встановлено експериментально.
З підвищенням температури тиск насиченої пари зростає швидше, ніж тиск ідеального газу (див. рис. 11), бо під час нагрівання тиск насиченої пари збільшується не тільки через підвищення температури, а й унаслідок збільшення концентрації молекул (густини) пари.
|
Рис. 11. Залежність тиску насиченої пари від температури. |
Коли вся рідина випарується, пара за подальшого нагрівання стане вже ненасиченою і її тиск за сталого об'єму зростатиме прямо пропорційно абсолютній температурі (див рис. 11, ділянка КС).
Описати стан ненасиченої пари можна використовуючи закони ідеального газу, а стан насиченої пари - за рівнянням Клапейрона-Менделеєва за низьких температур і малих концентрацій:
рн = ρн∙RT/μ (3)
У міру збільшення температури рідини інтенсивність випаровування збільшується. Випаровування відбувається за будь-якої температури. Особливим видом випаровування є процес кипіння.
Викладач: Врешті решт ми дісталися до дев’ятої зупинки «Кипіння».
Здобувачі освіти (9 станція): Знайомимося з процесом кипіння.
Наллємо в посудину чистої води й помістимо її над пальником. Незабаром на дні й стінках посудини ми помітимо численні пухирці. Вони містять водяну пару й повітря, що завжди розчинене у воді.
Рис. 12. Кипіння рідини.
Розглянемо бульбашку, що виникає біля гарячого дна посудини. Збільшуючись в об'ємі, бульбашка збільшує площу свого стикання з водою, яка ще недостатньо прогрілася. У результаті повітря й пара всередині бульбашки охолоджуються, їхній тиск зменшується, і вага шару води «захлопує» бульбашку. У цей час вода, що закипає, видає характерний шум.
Шум створюється бульбашками, що захлопуються. Поступово вода прогрівається, і тиск пари всередині бульбашок уже не зменшується. Бульбашки перестають захлопуватися, починають рости, і шум стає тихішим. У міру збільшення об'єму бульбашок зростає Архімедова сила, і вони починають спливати.
Кипінням називають процес бурхливого пароутворення, що відбувається по всьому об'єму рідини.
Рис. 13. Кипіння рідини. Рис. 14. Кипіння води.
Досліди показують, що під час кипіння температури рідини й пари над її поверхнею однакові й залишаються постійними до повного википання рідини.
З'ясовуємо, від чого залежить температура кипіння.
Якщо атмосферний тиск не міняється, то незалежно від способу й швидкості нагрівання кожна рідина завжди кипить при строго визначеній температурі. Отже, температура кипіння - одна з характеристик речовини. Тому, наприклад, під час готування їжі на печі потрібно зменшувати вогонь після того, як вода закипить. Це зекономить паливо, а температура води залишається постійно однаковою протягом усього часу кипіння.
Температуру, при якій рідина кипить, називають температурою кипіння.
Кожна речовина має свою температуру кипіння. Деякі речовини, які у звичайних умовах є газами, при достатньому охолодженні перетворюються на рідину, що кипить при дуже низькійтемпературі. Рідкий кисень, наприклад, при атмосферному тиску кипить при температурі 183 °С. Речовини, які у звичайних умовах перебувають у твердому стані, перетворюються при плавленні на рідину, що кипить при дуже високій температурі. Наприклад, свинець кипить при 1740 °С, а залізо - при 2750 °С.
Зовнішній тиск перешкоджає росту бульбашок пари всередині рідини, тому при підвищеному тиску рідина кипить при більш високій температурі, а при зменшенні цього тиску температура кипіння знижується.
Справа в тому, що бульбашки починають рости тільки тоді, коли тиск усередині бульбашки стає не набагато більшим за зовнішній тиск. Тобто чим більший зовнішній тиск, тим при більш високій температурі кипить рідина.
Наприклад, у каструлях-скороварках їжу варять під тиском.
Температура кипіння води при цьому досягає 120 °С. Процес варення їжі у воді з такою температурою відбувається значно швидше, ніж у звичайному окропі.
У високогірних місцевостях, наприклад на висоті 5-6 км (вершина Ельбруса), атмосферний тиск дорівнює приблизно 4,7 Па, тобто становить половину нормального атмосферного тиску. Вода кипить там при температурі 80 °С. Зварити м'ясо в цих умовах неможливо.Зменшуючи тиск, наприклад, відкачуючи повітря з-під дзвона повітряного насоса, можна «змусити» воду закипіти навіть при кімнатній температурі. А оскільки внаслідок інтенсивного пароутворення вода охолоджується, вона, продовжуючи кипіти, може навіть почати замерзати.
Викладач: Нам потрібно рухатися до останньої заключної станції та одержати допуск скласти іспити (відповісти на питання тесту):
1. Чому, коли вода кипить в каструлі в печі, «пари» не бачимо, а коли каструлю виймемо з печі, то «пара» робиться видимою? (температура рідини, що кипить та оточуючого повітря буде приблизно однакова в печі, а коли виймаємо каструлю з печі,то температура оточуючого повітря буде нижча за температуру рідини та пара над рідиною буде конденсуватися та буде видимою).
2. Чи можна всмоктувальним водяним насосом підняти киплячу воду? (ні, неможна, так як під поршнем замість розрідженого повітря знаходиться пара під тиском, що дорівнює зовнішньому атмосферному тиску).
3. Пароутворення при кипінні відбувається при постійній температурі, а пароутворення при випаровуванні – з пониженням температури. Чим обумовлена така різниця? (в першому випадку пароутворення відбувається за рахунок енергії нагрівника, в другому – за рахунок внутрішньої енергії тіла).
VІ. Закріплення знань, умінь, навичок здобувачів освіти (6 хв)
- Робота з тестами.
- Дидактична гра з елементами змагання (додатково).
Викладач: Станція десята «Заключна-іспит» (10 станція). Ви одержуєте тести, які складаються з 11 питань. Критерії оцінювання тесту наступні: кожне питання оцінюється в 1 бал, а 7 завдання – 2 бали. Максимальна кількість балів за виконання тесту – 12 балів.
Здобувачі освіти: працюють з тестами, потім на дошці даються правильні відповіді та учні перевіряють свою роботу і проводять корекцію знань, виставляють собі оцінку; провідники груп підводять підсумки роботи учнів.
ТЕСТ З ТЕМИ: «ВИПАРОВУВАННЯ Й КОНДЕНСАЦІЯ. НАСИЧЕНА Й НЕНАСИЧЕНА ПАРА. КИПІННЯ»
1 варіант
1. Перетворення рідини на пару називають
а) конденсація; б) випаровування; в) кипіння; г) пароутворення;
2. Процес перетворення речовини із газоподібного агрегатного стану у рідкий агрегатний стан – це
а) конденсація; б) випаровування; в) кипіння; г) пароутворення;
3. Стан, в якому збалансовані різні процеси, що протікають в протилежних напрямках називають
а) конденсація; б) динамічна рівновага; в) кипіння; г) пароутворення;
4. Питома теплота пароутворення позначається буквою
а) q б) m в) L г) c
5. Формула для обчислення кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла
а) Q = Lm б) Q = qm в) Q = cm(t2–t1) г) Q = cm
6. Кількість теплоти вимірюється в
а) Дж/кг б) Дж в) Дж/кг 0С г) 0С
7. Кількість теплоти, яка необхідна для переведення 3 кг води на пару при температурі кипіння, якщо питома теплота пароутворення води 2,26 х 106 Дж/кг дорівнює
а) 500 Дж; б) 6,78 х 106 Дж або 6,78 МДж;
в) 8400 Дж; г) 84000 Дж або 84 МДж
8. Пару, що знаходиться в тепловій динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають
а) ненасиченою; б) динамічною рівновагою; в) кипінням; г) насиченою;
9. Висихання тіла людини після купання, калюж після дощу є прикладами
а) конденсації; б) випаровування; в) кипіння; г) пароутворення;
10. Випадіння роси та поява туману є прикладами
а) конденсації; б) випаровування; в) кипіння; г) пароутворення;
11. При зменшенні атмосферного тиску температура кипіння
а) підвищується б) не змінюється в) знижується
2 варіант
1. Якщо паротворення відбувається з вільної поверхні рідини, його називають
а) конденсація; б) випаровування; в) кипіння; г) пароутворення;
2. Випаровування твердого тіла – це процес
а) конденсація; б) випаровування; в) сублімація; г) пароутворення;
3. Процес бурхливого пароутворення, що відбувається по всьому об'єму рідини називають
а) конденсація; б) випаровування; в) кипіння; г) пароутворення;
4. Питома теплоємність речовини позначається буквою
а) q б) m в) L г) c
5. Формула для обчислення кількості теплоти, необхідної для пароутворення
а) Q = Lm б) Q = qm в) Q = cm(t2–t1) г) Q = cm
6. Питома теплота пароутворення вимірюється в
а) Дж/кг б) Дж в) Дж/кг 0С г) 0С
7. Кількість теплоти, необхідної для нагрівання води масою 2 кг на 100С, якщо питома теплоємність води 4200 Дж/кг 0С дорівнює
а) 500 Дж; б) 6, 78х106 Дж або 6,78 МДж;
в) 8400 Дж; г) 84000 Дж або 84 МДж
8. Пара, яка не перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною є
а) ненасиченою; б) динамічною рівновагою; в) кипінням; г) насиченою;
9. Запотівання вікон приміщень або вікон автомобіля є прикладами
а) конденсації; б) випаровування; в) кипіння; г) пароутворення;
10. Засихання хліба та просихання білизни є прикладами
а) конденсації; б) випаровування; в) кипіння; г) пароутворення;
11. При випаровуванні маса тіла стає
а) більшою б) меншою в) не змінюється
ВІДПОВІДІ НА ТЕСТ З ТЕМИ: «ВИПАРОВУВАННЯ Й КОНДЕНСАЦІЯ. НАСИЧЕНА Й НЕНАСИЧЕНА ПАРА. КИПІННЯ»
1 варіант 2 варіант
1. Г 1. Б
2. А 2. В
3. Б 3. В
4. В 4. Г
5. В 5. А
6. Б 6. А
7. Б 7. Г
8. Г 8.А
9. Б 9. А
10. А 10. Б
11.В 11. Б
Додаткове завдання для групи з високим рівнем знань.
Викладач: Гра «Фізичний футбол» допоможе нам закріпити одержані знання на уроці (яка група швидше зможе дати відповідь на запитання):
1. В одну склянку налили ефір за температури 20 °С, а в другу – воду за такої самої температури. У посудину занурили термометри. Який із них через деякий час показуватиме нижчу температуру? (Термометр, що занурений в ефір показує нижчу температуру тому, що ефір випаровується швидше і під час випаровування температура буде знижуватися).
2. Яке значення для організму людини має потовиділення? (Уникає перегріву тіла людини, бо при потовиділенні температура тіла знижується).
3. Чому скошена трава висихає за вітряної погоди швидше? (Випаровування залежить від вітру, вітер відносить пару від поверхні трави і вона висихає швидше).
4. Чому у людини в окулярах, яка увійшла в тепле приміщення з морозу, запотівають скельця? (пара, що є в приміщенні при зниженні температури конденсується на холодних скельцях).
5. Як у лазні за зовнішнім виглядом відрізнити труби з гарячою і холодною водою? (на трубах з холодною водою буде осідати пара у вигляді конденсату).
6. Для чого горці, що випасають худобу високо в горах, коли варять м’ясо, накривають казан кришкою і кладуть зверху камені? (в горах атмосферний тиск буде меншим ніж у підніжжя гір, а також температура кипіння води буде меншою ніж 100 °С. Вода кипить там при температурі 80 °С. Зварити м'ясо в цих умовах неможливо. Щоб підвищити тиск і температуру кипіння води, каструлю накривають кришкою).
7. Навіщо, стерилізуючи консерви парою за температури 120 °С, в автоклавах спеціально підвищують тиск пари? (Процес стерилізації з такою температурою відбувається значно швидше, ніж у звичайному окропі).
8. Як пояснити, що динамічна рівновага рідини і пари в різних рідинах настає за різних температур? (тому, що питома теплота пароутворення у різних рідин різна, пароутворення залежить від роду рідини).
VІІ. Рефлексія та підсумок уроку (3 хв)
1. Підсумкова бесіда.
2. Оцінювання роботи здобувачів освіти на уроці.
3. Загальна оцінка діяльності групи.
Викладач: всі здобувачі освіти добре працювали на уроці, були активними та одержали оцінки. Провідники груп, будь ласка, виставте оцінки в групах та прошу озвучити їх.
Провідники: виставляють та коментують оцінки.
Викладач: наш урок-подорож підходить до кінця і давайте підведемо підсумок уроку та відповімо на питання:
Що нового, цікавого ви узнали на уроці?
Наведіть ключові слова уроку.
Для чого ми вивчаємо цю тему?
Здобувачі освіти: (мікрофон) відповідають по колу по черзі.
VІІІ. Домашнє завдання практичного характеру (1 хв)
Викладач коментує д/з: Опрацювати п. 47-48, розв’язати 1 задачу за рівнем
впр. 27(…..)
Творче завдання: підготувати презентацію з будь-якого питання уроку.
Викладач: урок закінчено. Дякую, здобувачі освіти, за урок!