沸騰とは何ですか？蒸発の比熱。気化潜熱

このレッスンでは、沸騰などのこのタイプの蒸発に注目し、以前に説明した蒸発プロセスとの違いを説明し、沸騰温度などの値を導入し、それが何に依存するかを説明します。レッスンの最後に、蒸発のプロセスを表す非常に重要な量、つまり蒸発と凝縮の比熱を紹介します。

トピック: 物質の集合状態

教訓：沸騰する。気化比熱と凝縮比熱

前回のレッスンでは、蒸気形成のタイプの 1 つである蒸発についてすでに説明し、このプロセスの特性を強調しました。今日は、このタイプの蒸発である沸騰プロセスについて説明し、蒸発プロセスを数値的に特徴付ける値である蒸発と凝縮の比熱を紹介します。

意味。沸騰(図 1) は、沸点と呼ばれる特定の温度で液体の全体積全体にわたって発生する、蒸気泡の形成を伴う、液体から気体状態への激しい遷移のプロセスです。

2 つのタイプの蒸発を相互に比較してみましょう。沸騰プロセスは蒸発プロセスよりも激しいです。さらに、私たちが覚えているように、蒸発プロセスは融点を超える任意の温度で発生し、沸騰プロセスは厳密には特定の温度で発生します。この温度は物質ごとに異なり、沸点と呼ばれます。また、蒸発は液体の自由表面、つまり液体を周囲のガスから隔てる領域からのみ発生し、沸騰は体積全体から一度に発生することにも注意してください。

沸騰のプロセスをさらに詳しく見てみましょう。私たちの多くが繰り返し遭遇したことがある状況、つまり特定の容器、たとえば鍋で水を加熱して沸騰させる状況を想像してみましょう。加熱中、一定量の熱が水に伝達され、その内部エネルギーが増加し、分子運動の活動が増加します。このプロセスは、分子運動のエネルギーが沸騰を始めるのに十分になるまで、ある段階まで続きます。

水には、その構造内で放出される溶存ガス (またはその他の不純物) が含まれており、いわゆる蒸発中心の発生につながります。つまり、これらの中心で蒸気が放出され始め、水の全体積全体に泡が形成され、沸騰中に観察されます。これらの泡には空気が含まれているのではなく、沸騰プロセス中に形成される蒸気が含まれていることを理解することが重要です。気泡が形成されると、気泡中の水蒸気の量が増加し、気泡のサイズが大きくなり始めます。多くの場合、泡は最初は容器の壁の近くで形成され、すぐには表面には上がりません。まず、アルキメデスの増大する力の影響を受けてサイズが大きくなり、次に壁から離れて表面に上昇し、そこで破裂して蒸気の一部を放出します。

すべての蒸気泡がすぐに水の自由表面に到達するわけではないことは注目に値します。沸騰プロセスの開始時には、水はまだ均一に加熱されておらず、熱伝達プロセスが直接発生する近くの下層は、対流プロセスを考慮しても上層よりもさらに熱くなります。これは、下から上昇する蒸気の泡が、水の自由表面に到達する前に、表面張力の現象により崩壊するという事実につながります。この場合、泡の中にあった蒸気が水の中に入り込み、それによって水がさらに加熱され、水全体が均一に加熱されるプロセスが加速されます。その結果、水がほぼ均等に温まると、ほぼすべての蒸気の泡が水面に到達し始め、激しい蒸気の形成プロセスが始まります。

液体への熱供給の強度が増加しても、沸騰プロセスが起こる温度は変わらないという事実を強調することが重要です。簡単に言うと、沸騰プロセス中に水の入った鍋を加熱するバーナーにガスを追加した場合、これは沸騰の強さの増加につながるだけで、液体の温度の上昇にはつながりません。沸騰プロセスをより真剣に掘り下げると、水中に沸点を超えて過熱する可能性のある領域が現れることに注意する価値がありますが、そのような過熱の量は、原則として1〜2度を超えません液体の総体積に占める割合は微々たるものです。常圧における水の沸点は100℃です。

水を沸騰させる過程で、いわゆる沸騰するような特徴的な音が伴うことに気づくことができます。これらの音はまさに、前述した蒸気泡の崩壊プロセスによって発生します。

他の液体の沸騰プロセスも水の沸騰と同じように進行します。これらのプロセスの主な違いは物質の沸点の違いであり、通常の大気圧ではすでに測定された表の値です。これらの温度の主な値を表に示します。

興味深い事実は、液体の沸点は大気圧の値に依存するということです。そのため、表内のすべての値は通常の大気圧で与えられていると示しました。気圧が上昇すると液体の沸点も上昇し、逆に降下すると沸点が低下します。

圧力鍋などのよく知られたキッチン用品の動作原理は、この沸点の周囲圧力への依存性に基づいています (図 2)。これはしっかりと閉まる蓋が付いた鍋で、その下で水を蒸すプロセス中に、蒸気による気圧が最大2気圧に達し、その中の水の沸点が2気圧に上昇します。このため、その中の水と食品は通常よりも高い温度まで加熱される機会があり ()、調理プロセスが加速されます。この効果により、この装置の名前が付けられました。

米。 2.圧力鍋（）

大気圧の低下に伴う液体の沸点の低下という状況も日常的な例ですが、多くの人にとってもはや日常的なものではありません。この例は、高山地域での登山者の旅行に当てはまります。標高3,000～5,000メートルの地域では、気圧の低下により水の沸点が低くなり、登山中の食料の準備が困難になることがわかっています。この場合、通常よりも大幅に時間がかかります。標高約7000メートルでは水の沸点がに達し、そのような条件では多くの製品を調理することができなくなります。

物質を分離する技術の中には、物質ごとに沸点が異なるという事実に基づいているものもあります。たとえば、多くの成分からなる複雑な液体である加熱用油を考えると、沸騰プロセス中にそれはいくつかの異なる物質に分割できます。この場合、灯油、ガソリン、ナフサ、重油は沸点が異なるため、異なる温度で気化・凝縮して分離することができます。このプロセスは通常分別と呼ばれます (図 3)。

米。 3 油の留分への分離 ()

他の物理プロセスと同様に、沸騰は何らかの数値を使用して特徴付ける必要があります。この値は蒸発比熱と呼ばれます。

この値の物理的意味を理解するために、次の例を考えてみましょう。1 kg の水を沸点まで上げ、この水を完全に蒸発させるのに必要な熱量を測定します (熱損失は考慮しません)。この値は水の蒸発比熱に等しくなります。別の物質の場合、この熱量は異なり、この物質の蒸発の比熱になります。

蒸発比熱は、現代の金属製造技術において非常に重要な特性であることが判明しています。たとえば、鉄の溶解と蒸発、その後の凝固と凝固の過程で、元のサンプルよりも高い強度をもたらす構造の結晶格子が形成されることがわかっています。

指定: 蒸発および凝縮の比熱 ( と表記される場合もあります)。

測定単位: .

物質の蒸発の比熱は実験室実験を使用して決定され、塩基性物質のその値は該当する表にリストされます。

物質

水（または他の液体）の沸騰を維持するには、バーナーで加熱するなどして、熱を継続的に供給する必要があります。この場合、水と容器の温度は上昇しませんが、単位時間ごとに一定量の蒸気が生成されます。このことから、結晶（氷）が液体に変化するときに起こるのと同じように、水が蒸気に変化するには熱の流入が必要であることがわかります（§ 269）。単位質量の液体を同じ温度の蒸気に変換するのに必要な熱量は、特定の液体の蒸発比熱と呼ばれます。キログラムあたりのジュールで表されます。

蒸気が液体に凝縮すると、同じ量の熱が放出されるはずであることを理解するのは難しくありません。実際に、ボイラーに接続されたチューブをコップ一杯の水の中に下げてみましょう (図 488)。加熱を開始してしばらくすると、水に浸したチューブの端から気泡が出始めます。この空気は水の温度をあまり上昇させません。その後、ボイラー内の水が沸騰します。その後、管の端から出てくる泡が上昇しなくなり、鋭い音とともにすぐに減少して消えます。これらは水中に凝縮した蒸気の泡です。空気の代わりに蒸気がボイラーから出てくるとすぐに、水は急速に加熱され始めます。蒸気の比熱容量は空気の比熱容量とほぼ同じであるため、この観察から、このような水の急速な加熱はまさに蒸気の凝縮の結果として起こることがわかります。

米。 488. ボイラーから空気が出ている間、温度計はほぼ同じ温度を示します。蒸気が空気と入れ替わり、ガラス内で凝縮し始めると、温度計が急速に上昇し、温度の上昇を示します。

単位質量の水蒸気が同じ温度の液体に凝縮すると、蒸発比熱に等しい量の熱が放出されます。これはエネルギー保存の法則に基づいて予測できたはずです。実際、そうでなければ、液体が最初に蒸発し、次に凝縮する機械を構築することが可能です。蒸発熱と凝縮熱の差は、すべての物体の総エネルギーの増加を表すことになります。検討中のプロセスに参加する。そしてこれはエネルギー保存則に反します。

蒸発比熱は、融解比熱を求める場合と同様に、熱量計を使用して求めることができます (§ 269)。熱量計に水を一定量入れて温度を測ってみましょう。次に、ボイラーから出た試験液の蒸気を水中にしばらく導入し、液滴が出ずに蒸気だけが出てくるようにします。これを行うには、蒸気を蒸気室に通過させます (図 489)。この後、再び熱量計で水の温度を測定します。熱量計の重さを量ることにより、液体に凝縮した蒸気の量をその質量の増加によって判断できます。

米。 489. スチーマー - 蒸気とともに移動する水滴を保持するための装置

エネルギー保存の法則を使用すると、このプロセスの熱平衡方程式を作成することができ、これにより水の蒸発の比熱を決定することができます。熱量計内の水の質量 (熱量計の水当量を含む) が、蒸気の質量 - 、水の熱容量 - 、熱量計内の水の初期温度と最終温度 - 、および熱量計の沸点に等しいとします。水 - と蒸発比熱 - 。熱平衡方程式は次の形式になります。

常圧におけるいくつかの液体の蒸発比熱を測定した結果を表に示します。 20. ご覧のとおり、この熱はかなり大きいです。自然界では蒸発プロセスが壮大なスケールで発生するため、水の高い蒸発熱は自然界において非常に重要な役割を果たします。

表 20. 一部の液体の蒸発比熱

物質		物質

アルコール（エチル）

表に含まれる蒸発比熱の値は常圧での沸点を指すことに注意してください。液体が異なる温度で沸騰したり、単に蒸発したりすると、その気化比熱も異なります。液体の温度が上昇すると、必ず気化熱が減少します。これについては後ほど説明します。

295.1. 20 g の水を沸点まで加熱し、で蒸気にするのに必要な熱量を求めます。

295.2. 200 gの水が入ったグラスに3 gの蒸気を導入すると、温度は何度になりますか? ガラスの熱容量は無視します。

比熱容量

比熱は、物質の温度を上げるのに必要な熱量 (ジュール (J) 単位) です。比熱容量は温度の関数です。気体の場合、一定圧力と一定体積における比熱容量を区別する必要があります。

融解比熱

固体の融解比熱は、1 kg の物質をその融点で固体から液体に変換するのに必要な熱量 (J) です。

気化潜熱

液体の蒸発潜熱は、1 kg の液体を沸点で蒸発させるのに必要な熱量 (J) です。蒸発潜熱は圧力に大きく依存します。例: 1 kg の水が入った容器に 100°C (海面) で熱を加えると、水は温度計の指示値に変化を与えることなく 1023 kJ の潜熱を吸収します。ただし、液体から気体へ凝集状態が変化します。水が吸収する熱を蒸発潜熱といいます。

このエネルギーは凝集状態を変化させるのに必要だったので、蒸気は 1023 kJ を保持します。

凝縮潜熱

逆のプロセスでは、100°C (海抜ゼロメートル) で 1 kg の水蒸気から熱が除去されると、蒸気は温度計の測定値を変えることなく 1023 kJ の熱を放出します。ただし、凝集状態は気体から液体に変化します。水が吸収する熱を凝縮潜熱といいます。

温度と圧力

温度、または熱の強さは温度計で測定されます。このマニュアルのほとんどの温度は摂氏 (°C) で表されますが、華氏 (°F) が使用される場合もあります。

温度値は熱の強さまたは感受性熱を示すだけであり、実際の熱量ではありません。人が快適に感じる温度は21～27℃です。この温度範囲では、人は最も快適に感じます。温度がこの範囲を上回るか下回ると、人はそれを暖かいか寒いと認識します。科学には、「絶対零度」、つまり体からすべての熱が除去される温度という概念があります。絶対零度の温度は –273°C と定義されています。絶対零度以上の温度にある物質は、ある程度の熱を含みます。空調の基本を理解するには、圧力、温度、物質の状態の関係を理解することも必要です。私たちの地球は空気、つまりガスに囲まれています。ガス内の圧力は全方向に均等に伝わります。私たちの周囲のガスは、酸素 21% と窒素 78% で構成されています。

残りの 1% は他の希ガスで占められます。このガスの組み合わせを大気と呼びます。それは地表から数百キロメートル上に広がり、重力によって保持されています。海面では、大気圧は 1.0 bar、水の沸点は 100°C です。

実験により、100℃の温度で1kgの重さの水が蒸発するには2.3×10 6 Jのエネルギーが必要であることが証明されました。 35℃の温度で採取したエーテル1kgを蒸発させるには、0.4×10 6 Jのエネルギーが必要です。

したがって、蒸発する液体の温度が変化しないためには、液体にある程度の熱を供給する必要があります。

1kgの液体を温度を変えずに蒸気に変えるのにどれだけの熱が必要かを示す物理量を気化比熱といいます。

蒸発比熱は文字 L で示されます。その単位は 1 J/kg です。

実験により、100 °C における水の蒸発比熱は 2.3×10 6 J/kg であることが証明されました。言い換えれば、1kgの水を100℃の温度で蒸気に変換するには、2.3×10 6 Jのエネルギーが必要です。したがって、沸点では、蒸気状態の物質の内部エネルギーは、液体状態の同じ質量の物質の内部エネルギーよりも大きくなります。

表6.
特定の物質の蒸発の比熱（沸点および常圧における）

冷たい物体と接触すると、水蒸気が凝縮します (図 25)。これにより、蒸気の形成中に吸収されたエネルギーが放出されます。正確な実験では、蒸気が凝縮すると、その形成に費やされた量のエネルギーが放出されることが示されています。

米。 25. 蒸気の凝縮

したがって、100℃の温度の水蒸気1kgが同じ温度の水に変換されると、2.3×10 6 Jのエネルギーが放出されます。他の物質と比較すると分かるように（表６）、このエネルギーは非常に高い。

蒸気の凝縮時に発生するエネルギーを利用できます。大型の火力発電所では、タービンから排出される蒸気が水を加熱するために使用されます。

このようにして加熱された水は、建物の暖房、風呂、洗濯、その他の家庭用に使用されます。

沸点で採取された任意の質量の液体を蒸気に変換するのに必要な熱量 Q を計算するには、蒸発比熱 L に質量 m を掛ける必要があります。

この式から次のように判断できます。

m = Q / L、L = Q / m

沸点で凝縮する質量 m の蒸気によって放出される熱量は、同じ式で求められます。

例。 20℃の温度で取られた2kgの水を蒸気に変えるのに必要なエネルギー量はどれくらいですか? 問題の条件を書き出して解いてみましょう。

質問

沸騰中に液体に供給されるエネルギーは何に費やされますか?
蒸発比熱は何を示しますか?
蒸気が凝縮するとエネルギーが放出されることを実験的に示すにはどうすればよいでしょうか?
1 kgの水蒸気が凝縮時に放出するエネルギーはいくらですか?
水蒸気の凝縮中に放出されるエネルギーはテクノロジーのどこで使用されますか?

演習 16

水の蒸発比熱が 2.3 10 6 J/kg であることをどのように理解すればよいでしょうか?
アンモニアの凝縮比熱が 1.4×10 6 J/kg であることをどのように理解すればよいでしょうか?
表にある6つの物質のうち、液体から気体に変化したときに内部エネルギーが最も大きくなるのはどれですか? あなたの答えを正当化してください。
150 g の水を 100 °C の温度で蒸気に変えるのに必要なエネルギー量はどれくらいですか?
0℃の温度で採取した5kgの水を沸騰させて蒸発させるには、どのくらいのエネルギーを費やさなければなりませんか?
重さ2kgの水が100℃から0℃に冷却されると、どのくらいのエネルギーが放出されますか? 水の代わりに同じ量の 100 °C の水蒸気を取り込んだ場合、どのくらいのエネルギーが放出されますか?

エクササイズ

表 6 を使用して、液体から蒸気に変化するときに内部エネルギーがより大きく増加する物質はどれかを判断してください。あなたの答えを正当化してください。
いずれかのトピックに関するレポートを作成します (オプション)。
露、霜、雨、雪がどのように形成されるか。
自然界における水の循環。
金属鋳造。