Испарение и конденсация

Министерство образования и науки Республики Казахстан

РГКП Семипалатинский финансово-экономический колледж имени

Рымбека Байсеитова

Урок семинар по дисциплине «Физика» на тему

« Испарение и конденсация»

Подготовлен преподавателем

Конкашева К.С.

2017-2018 учебный год.

Урок семинар по дисциплине «Физика» на тему

«Испарение и конденсация»

Цель: обеспечить усвоение понятий «испарение» и «конденсации» с точки зрения  МКТ, научить применять знания для решения качественных  задач; формировать умение самостоятельной работы, развивать мышление учащихся посредством анализа, сравнения, обобщения изучаемого материала.

Образовательные :

- добиться усвоения учащимися понятия о явлении испарения и     конденсации;

- продолжить формирование умения учеников применять основные положения М.К.Т. в объяснении физических явлений.

Развивающие:
- развивать мышление;
- развивать у обучающихся умения обобщать, сравнивать, анализировать и систематизировать знания из смежных наук, фиксировать информацию в форме конспекта,

- развивать у обучающихся потребность в творческой самореализации, самообразовании;

Личностно-ориентированные (воспитательные, социализирующие):
- содействовать в ходе урока формированию основных мировоззренческих идей: познаваемость мира и его закономерностей; причинно-следственные связи явлений.

- формирование умений работать в малой группе, оценивать себя и других.

– формирование личностной культуры ученика, профессиональных его      интересов (организованности, самостоятельности при выполнении заданий).

Тип урока: усвоение новых знаний.

Оборудование для учителя: одинаковые сосуды   с разными жидкостями, две пробирки с водой и блюдце,  опорный конспект.

Оборудование для учащихся: сосуды со спиртом и водой, ватные палочки, пипетка, стеклянные пластины, веер, тетрадь.

Методы проведения урока: лекция с элементами беседы, самостоятельной работой учащихся в группах; проблемный, объяснительно-иллюстративный

Используемые образовательные технологии  

Элементы:

1. технологии индивидуализации обучения

2. личностно-ориентированного развивающего обучения

3. группового, самостоятельного обучения.

Формы организации познавательной деятельности:

фронтальная, индивидуальная, групповая.

Место урока:

Глава "Изменение агрегатных состояний вещества", тема "Испарение, конденсация"

        

Основные этапы урока:

1.       Организационный момент.

2.       Постановка цели и задач урока.

3.       Актуализация опорных знаний.

4.       Освоение нового материала.

5.        Закрепление нового материала (решение качественных задач,

решение    тестов).

6.        Домашнее задание.

7.        Подведение итогов. Рефлексия.

Ход урока.

Эпиграф к уроку

«Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь, чему учиться»

Леонардо да Винчи

1. Подготовка к усвоению нового материала.

Мотивация

Послушайте стихотворение:

(иллюстрация на слайде)

Вода появляется из ручейка,

Ручьи по пути собирает река.

Река полноводно течет на просторе,

Пока, наконец, не вливается в море.

Моря пополняют запас океана,

Над ним формируются клубы тумана.

Они поднимаются выше пока

Не превращаются в облака.

А облака, проплывая над нами,

Дождем проливаются, сыплют снегами.

Весной соберется вода в ручейки,

Они потекут до ближайшей реки.

Как весь процесс называют в природе? Верно, круговорот воды в природе.

1. Формулировка темы урока

     Сегодня мы будем изучать явления, без которых этот процесс был бы невозможен, а значит, и облик нашей планеты был бы иным. Начнем изучать эти явления с опыта. На ваших столах лежат стеклышки, подышите на них. Что вы наблюдаете? (Стекло запотело.) Как называют происходящее явление? (парообразование, испарение). Это и есть тема нашего урока: «Испарение и конденсация»

Постановка цели урока

Наблюдали ли вы эти явления в природе? Где?

Действительно, мокрое белье сохнет, вода, разлитая на пол, исчезает и др.

Ваши примеры являются фактами, констатацией того, что мы наблюдаем в природе и быту. В конце урока мы объясним эти факты, изучив явления испарения и конденсации. То есть цель нашего урока – изучить явление испарения и конденсации с точки зрения М.К.Т. строении вещества.

1.  Актуализация опорных знаний.

Для достижения поставленной нами цели необходимо вспомнить ранее изученный вами материал.

     Вопросы:

•        Из чего состоят все вещества? Как ведут себя молекулы?

•        В каких агрегатных состояниях может находиться вещество?

         Может ли тело перейти из одного состояния в другое?

•        Изменяются ли молекулы при переходе вещества из одного состояния в другое?

•       От чего зависит скорость движения молекул?

1. Изучение нового материала.

     Итак, на основе знаний о строении вещества рассмотрим модели явлений испарения и конденсации, с помощью которых объясним наблюдаемые явления. На доске изображен сосуд. Предположим, что внутри него находится жидкость. Изобразим молекулярную модель этой жидкости. Учтите, что молекулы жидкости расположены достаточно плотно. С помощью стрелок изображено направление движения некоторых молекул.  

• Каким молекулам легче всего покинуть жидкость? (Которые находятся на поверхности).  

• У какой из них больше вероятность покинуть жидкость? (У которой скорость движения больше, т.е. больше кинетическая энергия)  

• Почему молекуле движущейся с меньшей скоростью это сделать труднее?

    Итак, жидкость могут покинуть молекулы, находящиеся у поверхности, кинетическая энергия которых больше потенциальной энергии их взаимодействия с соседними молекулами.

• Что образуется над жидкостью в результате ее испарения? (Пар)

• Следовательно, что такое испарение?  (парообразование)

• Происходящее с чего?  (с поверхности жидкости)

Испарение – это парообразование, происходящее с поверхности жидкости.

    Перед вами два сосуда с горячей водой один закрыт, другой открыт.

• В каком из сосудов будет изменяться масса жидкости?

• Происходит ли испарение в закрытом сосуде?

• Почему масса жидкости при этом не изменяется?

• Какое определение конденсации вы бы дали?

Конденсация – это явление превращения пара в жидкость.

     Дополним нашу модель, изобразив, молекулу возвращающуюся в жидкость.

 Итак, нами рассмотрены модели явлений испарение и конденсация. Так как из жидкости улетают наиболее быстрые молекулы, то средняя кинетическая энергия оставшихся молекул жидкости уменьшается. Поэтому когда нет притока энергии извне, испарение ведет к уменьшению внутренней энергии жидкости, вследствие чего она охлаждается. 

Проверим это утверждение на опыте.

Смажьте руку водой. Что вы ощущаете? Почему?

Рука охлаждается, потому что, испаряясь, жидкость отнимает часть внутренней энергии руки, вследствие чего ее температура понижается.

А теперь выясним, от каких факторов зависит скорость испарения.

Чтобы ответить на этот вопрос, проведем небольшие экспериментальные исследования.

Задание 1. Оборудование: 2 стеклянные пластины, пипетка, сосуд со спиртом, сосуд с водой. Нанесите пипеткой на стеклянные пластины по капле воды и спирта. Наблюдайте за их испарением. Сделайте вывод о скорости испарения жидкостей.  (Быстрее испаряется, та жидкость, молекулы которой притягиваются друг к другу с меньшей силой.)

Задание 2. Оборудование: 2 стеклянные пластины, пипетка, сосуд со спиртом, электрическая лампа. Капните на стеклянные пластины по капле жидкости. Одну из пластин поместите над электрической лампой. Сделайте вывод о зависимости скорости испарения от температуры жидкости.  (Чем выше температура жидкости, тем быстрее происходит испарение)

Когда лужи, образовавшиеся после дождя, высыхают быстрее: летом в жару или осенью, когда уже холодно? Правильно, летом они высыхают быстрее. Значит, чем выше температура жидкости, тем быстрее происходит испарение.

Задание 3. Оборудование: 2 стеклянные пластины, пипетка, сосуд со спиртом. Капните на пластины по капле жидкости. На одной из пластин распределите каплю так, чтобы она заняла максимальную площадь. Сделайте вывод о зависимости скорости испарения от площади свободной поверхности.

Где жидкость одинакового объема испарится быстрее: в блюдце или стакане? (Чем больше площадь поверхности, тем быстрее происходит испарение)

Какое белье высыхает быстрее: развешанное или скомканное? Сделайте вывод – от чего еще зависит скорость испарения жидкости?

 Задание 4. Оборудование: 2 стеклянные пластины, пипетка, сосуд со спиртом, бумажный веер. Капните на стеклянные пластины по капле жидкости. Обмахивайте веером одну из пластин. Сделайте вывод о зависимости скорости испарения от наличия ветра.

(При наличии ветра скорость испарения повышается)

     Вы пьете чай, он очень горячий. Что вы сделаете, чтобы он остыл   быстрее?

     Белье высыхает быстрее в какую погоду – в ветреную или тихую?

1. Закрепление нового материала.

   Итак, мы изучили, явления испарение и конденсация используя, цикл естественнонаучного познания. В начале урока мы установили факты, свидетельствующие о существовании явлений испарение и конденсация. Затем мы построили модели этих явлений, опираясь на знания о строении вещества, в результате чего установили следствие, свидетельствующее о том, что температура жидкости при испарении понижается, и на основе следствия провели эксперимент.

Посмотрим, как вы закрепили новый материал

    -  Зачем жители полярных стран смазывают жиром лицо в сильный    мороз?     (скорость испарения зависит от рода жидкости, жир испаряется медленно, поэтому кожа лица не переохлаждается.)

- Сосуды с жидкостями закрывают крышками. А зачем? Разве крышка может как-то повлиять на испарение? (Да, может. Наряду с испарением происходит процесс конденсации. В закрытом сосуде объем жидкости не уменьшается, так как эти процессы друг друга компенсируют.)

- Приходилось ли вам ускорять испарение? Как и для чего вы это делали?

- Как будете жарить картошку – накрывая сковородку крышкой или нет? А хрустящий картофель? (хрустящий картофель жарят с открытой крышкой, т.к. конденсация   не происходит, а с закрытой крышкой пар, конденсируясь, делает картофель мягким).

   - Зачем человек в жаркую погоду пытается сохранить сливочное масло в     банке с водой? (скорость испарения зависит от рода вещества, сначала испарится вода, а потом будет таять сливочное масло).

1. Домашнее задание.

  Дома вы отработаете эту тему по конспекту урока. Желающим получить дополнительную оценку: написать реферат на тему «Роль  испарения и конденсации в жизни человека»

1. Рефлексия.

1.Что узнали нового из урока?

2.Удалось ли понять и представить явления испарения и конденсации?

3.Какие моменты урока для вас были наиболее интересными?

4.Что показалось наиболее трудным на уроке?

   Мне было очень приятно общаться с вами. Спасибо за урок.

Преподаватель: Конкашева К.С

Министерство образования и науки Республики Казахстан

РГКП Семипалатинский финансово-экономический колледж имени

Рымбека Байсеитова

Урок семинар по дисциплине «Физика» на тему

«Испарение и конденсация»

Подготовлен преподавателем

Конкашева К.С.

2017-2018 учебный год.

Испарение, конденсация, кипение. Насыщенные и ненасыщенные пары

Любое вещество при определенных условиях может находиться в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое называется фазовым переходом. Испарение и конденсация являются примерами фазовых переходов.

Все реальные газы (кислород, азот, водород и т. д.) при определенных условиях способны превращаться в жидкость. Однако такое превращение может происходить только при температурах ниже определенной, так называемой критической температуры T_кр. Например, для воды критическая температура равна 647,3 К, для азота 126 К, для кислорода 154,3 К. При комнатной температуре (≈ 300 К) вода может находиться и в жидком, и в газообразном состояниях, а азот и кислород существуют только в виде газов.

Испарением называется фазовый переход из жидкого состояния в газообразное. С точки зрения молекулярно-кинетической теории, испарение – это процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, т. е. к охлаждению жидкости (если нет подвода энергии от окружающих тел).

Конденсация – это процесс, обратный процессу испарения. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость.

В закрытом сосуде жидкость и ее пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара, т. е. когда скорости процессов испарения и конденсации одинаковы. Такую систему называют двухфазной. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара. Отсюда следует, что для данного вещества концентрация молекул пара при равновесии жидкости и ее пара определяется их равновесной температурой. Установление динамического равновесия между процессами испарения и конденсации при повышении температуры происходит при более высоких концентрациях молекул пара. Так как давление газа (пара) определяется его концентрацией и температурой, то можно сделать вывод: давление насыщенного пара p₀ данного вещества зависит только от его температуры и не зависит от объема. Поэтому изотермы реальных газов на плоскости (p, V) содержат горизонтальные участки, соответствующие двухфазной системе (рис. 3.4.1).

Рисунок 3.4.1. Изотермы реального газа. Область I – жидкость, область II – двухфазная система «жидкость + насыщенный пар», область III – газообразное вещество. K – критическая точка

При повышении температуры давление насыщенного пара и его плотность возрастают, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. При температуре, равной критической температуре T_кр для данного вещества, плотности пара и жидкости становятся одинаковыми. При T  T_кр исчезают физические различия между жидкостью и ее насыщенным паром.

Если изотермически сжимать ненасыщенный пар при T _кр, то его давление будет возрастать, пока не станет равным давлению насыщенного пара. При дальнейшем уменьшении объема на дне сосуда образуется жидкость и устанавливается динамическое равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. С уменьшением объема все большая часть пара конденсируется, а его давление остается неизменным (горизонтальный участок на изотерме). Когда весь пар превращается в жидкость, давление резко возрастает при дальнейшем уменьшении объема вследствие малой сжимаемости жидкости.

Из газообразного состояния в жидкое можно перейти, минуя двухфазную область. Для этого нужно совершить процесс в обход критической точки K. Один из возможных процессов такого рода показан на рис. 3.4.1 ломаной линией ABC.

Испарение - это парообразование, происходящее с поверхности жидкости. Разные молекулы жидкости при одной и той же температуре движутся с разными скоростями. Если достаточно «быстрая» молекула окажется у поверхности жидкости, то она может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. Вылетевшие с поверхности жидкости молекулы образуют пар. Одновременно с испарением происходит перенос молекул из пара в жидкость. Явление превращения пара в жидкость называется

конденсацией. Конденсация пара сопровождается выделением энергии. Скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости и от ее температуры, от площади ее поверхности, от движения воздушных масс (ветра) над поверхностью жидкости.

Модель. Изотермы реального газа

В атмосферном воздухе всегда присутствуют пары воды при некотором парциальном давлении p, которое, как правило, меньше давления насыщенного пара p₀. Отношение p / p₀, выраженное в процентах, называется относительной влажностью воздуха.

Ненасыщенный пар можно теоретически описывать с помощью уравнения состояния идеального газа при обычных для реальных газов ограничениях: давление пара должно быть не слишком велико (практически p ≤ (10⁶–10⁷) Па), а его температура выше некоторого определенного для каждого вещества значения. К насыщенному пару также можно приближенно применять законы идеального газа при условии, что для каждой температуры T давление p₀ насыщенного пара определяется по кривой равновесия p₀(T) для данного вещества.

Давление p₀ насыщенного пара очень быстро возрастает с ростом температуры T. Зависимость p₀ (T) нельзя получить из законов идеального газа. Давление газа при постоянной концентрации молекул растет прямо пропорционально температуре. В насыщенном паре при повышении температуры возрастает не только средняя кинетическая энергия движения молекул, но и их концентрация. Поэтому давление насыщенного пара при повышении температуры возрастает быстрее, чем давление идеального газа при постоянной концентрации молекул.

Испарение может происходить не только с поверхности, но и в объеме жидкости. В жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки газа. Если давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению (т. е. давлению газа в пузырьках) или превышает его, жидкость будет испаряться внутрь пузырьков. Пузырьки, наполненные паром, расширяются и всплывают на поверхность. Этот процесс называется кипением. Таким образом, кипение жидкости начинается при такой температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению.

В частности, при нормальном атмосферном давлении вода кипит при температуре 100 °С. Это значит, что при такой температуре давление насыщенных паров воды равно 1 атм. При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, и поэтому температура кипения воды понижается (приблизительно на 1 °С на каждые 300 метров высоты). На высоте 7 км давление составляет примерно 0,4 атм, и температура кипения понижается до 70 °С.

В герметически закрытом сосуде жидкость кипеть не может, т. к. при каждом значении температуры устанавливается равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. По кривой равновесия p₀ (T) можно определять температуру кипения жидкости при различных давлениях.

Изображенная на рис. 3.4.1 картина изотерм реального газа описывает процессы испарения и конденсации, т. е. фазовый переход между газообразной и жидкой фазами вещества. На самом деле эта картина является неполной, т. к. из газообразного и жидкого любое вещество может перейти в твердое состояние. При заданной температуре T термодинамическое равновесие между двумя фазами одного и того же вещества возможно лишь при определенном значении давления в системе. Зависимость равновесного давления от температуры называется кривой фазового равновесия. Примером может служить кривая равновесия p₀ (T) насыщенного пара и жидкости. Если кривые равновесия между различными фазами данного вещества построить на плоскости (p, T), то они разбивают эту плоскость на отдельные области, в которых вещество существует в однородном агрегатном состоянии – твердом, жидком или газообразном (рис. 3.4.2). Изображенные в координатной системе (p, T) кривые равновесия называются фазовой диаграммой.

Рисунок 3.4.2. Типичная фазовая диаграмма вещества. K – критическая точка, T – тройная точка. Область I – твердое тело, область II – жидкость, область III – газообразное вещество

Кривая 0T, соответствующая равновесию между твердой и газообразной фазами, называется кривой сублимации. Кривая TK равновесия между жидкостью и паром называется кривой испарения, она обрывается в критической точке K. Кривая TM равновесия между твердым телом и жидкостью называется кривой плавления.

Кривые равновесия сходятся в точке T, в которой могут сосуществовать в равновесии все три фазы. Эта точка называется тройной точкой.

Для многих веществ давление p_тр в тройной точке меньше 1 атм ≈ 10⁵ Па. Такие вещества при нагревании при атмосферном давлении плавятся. Например, тройная точка воды имеет координаты T_тр = 273,16 К, p_тр = 6,02·10² Па и используется в качестве опорной для калибровки абсолютной температурной шкалы Кельвина (см. §3.2). Существуют, однако, и такие вещества, у которых p_тр превышает 1 атм. Так для углекислоты (CO₂) давление p_тр = 5,11 атм и температура T_тр = 216,5 К. Поэтому при атмосферном давлении твердая углекислота может существовать только при низкой температуре, а в жидком состоянии при p = 1 атм она вообще не существует. В твердом состоянии в равновесии со своим паром при атмосферном давлении углекислота находится при температуре 173 К или –80 °С. Это широко применяемый «сухой лед», который никогда не плавится, а только испаряется (сублимирует).

Кипение - это испарение изнутри и с поверхности жидкости. При нагревании жидкости пузырьки воздуха (он растворен в ней) внутри нее постепенно растут. Архимедова сила, действующая на пузырьки, увеличивается, они всплывают и лопаются. Эти пузырьки содержат не только воздух, но и водяной пар, так как жидкость испаряется внутрь этих пузырьков.

Температура кипения - это температура, при которой жидкость кипит. В процессе кипения к жидкости следует подводить энергию путем теплообмена, т.е. подводить теплоту парообразования (Q_П): Q_П = r·m. Теплота парообразования пропорциональна массе вещества, превратившегося в пар.

Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо для превращения 1 кг жидкости в пар при постоянной температуре. Она измеряется в Дж/кг, кДж/кг. Наибольшая часть теплоты парообразования расходуется на разрыв связей между частицами, некоторая ее часть идет на работу, совершаемую при расширении пара. С ростом давления температура кипения жидкости повышается, а удельная теплота парообразования уменьшается.

Подготовил: