Šiame straipsnyje panagrinėsime savitosios virimo šilumos sąvoką, jos reikšmę ir praktinį pritaikymą. Remiantis termodinamikos principais, išnagrinėsime energijos virsmus, susijusius su šiluma ir darbu, atkreipiant dėmesį į medžiagos savybes, lemiančias jos elgesį virimo metu.
Vidinė Energija ir Šilumos Mainai
Kiekvienas kūnas turi vidinės energijos, net jei jis nejuda ir nesąveikauja su kitais kūnais makroskopiniu lygmeniu. Vidinė energija susideda iš molekulių kinetinės ir potencinės energijos. Molekulių kinetinė energija susijusi su jų judėjimu, o potencinė - su tarpmolekulinėmis sąveikomis. Medžiagos agregatinė būsena (dujos, skystis ar kietas kūnas) turi įtakos potencinės energijos reikšmei.
Šilumos kiekiu vadinamas vidinės energijos kiekis, kurį kūnas gauna ar kurio netenka šilumos perdavimo būdu. Savitoji šiluma rodo kiek šilumos reikia 1kg. Medžiagos temperatūrai pakelti 1°C. c - savitoji šiluma [c] - 1J/(kg·K). Apskaičiuojama pagal formulę:
Q = mcΔT
kur:
- m - kūno masė,
- c - savitoji šiluminė talpa (medžiagos savybė, rodanti, kiek šilumos reikia suteikti 1 kg medžiagos, kad jos temperatūra pakiltų 1 K (arba 1 °C)), SI vienetas: J/(kg·K),
- ΔT - temperatūros pokytis.
Fazės Virsmai ir Savitoji Šiluma
Medžiaga gali būti vienoje iš trijų pagrindinių agregatinių būsenų: kietoje, skystoje arba dujinėje. Perėjimas iš vienos būsenos į kitą vadinamas fazės virsmu. Dažniausiai pasitaikantys fazės virsmai yra lydymasis (iš kietosios į skystąją būseną), virimas (iš skystosios į dujinę būseną) ir kondensacija (iš dujinės į skystąją būseną).
Fazės virsmų metu temperatūra nekinta, nors šiluma ir toliau tiekiama arba atimama. Šiluma, reikalinga fazės virsmui, vadinama latentine šiluma.
Savitoji Lydymosi Šiluma
Šilumos kiekis, reikalingas 1 kg kietosios medžiagos visiškai išlydyti lydymosi temperatūroje, vadinamas savitąja lydymosi šiluma ($\lambda$).
Savitoji Garavimo (Virimo) Šiluma
Šilumos kiekis, reikalingas 1 kg skysčio visiškai išgarinti virimo temperatūroje, vadinamas savitąja garavimo (virimo) šiluma ($L$). Ji apskaičiuojama pagal formulę:
Q = mL
Savitoji garavimo šiluma priklauso nuo medžiagos prigimties ir temperatūros. Kuo didesnės tarpmolekulinės sąveikos skystyje, tuo daugiau energijos reikia joms įveikti ir tuo didesnė savitoji garavimo šiluma.
Savitoji Kuro Degimo Šiluma
Savitoji kuro degimo šiluma ($q$) rodo, kiek šilumos išsiskiria visiškai sudegus 1 kg kuro.
Šilumos Balanso Lygtis
Kai šilumos mainuose dalyvauja keli kūnai izoliuotoje sistemoje (nevyksta šilumos mainai su aplinka), bendras energijos kiekis išlieka pastovus. Šiltesni kūnai atiduoda šilumą ($Q_{atid} < 0$), šaltesni - gauna ($Q_{gav} > 0$).
∑ Qᵢ = 0
Šilumnešiai
Šilumnešis - tai darbinė medžiaga, naudojama šilumokaičiuose šilumai perduoti iš karštesnės aplinkos šaltesnei. Šilumnešiai gali būti skysti (vanduo, alyva, organiniai junginiai, skystieji metalai, skystosios druskos) arba dujiniai (oras, vandens garai, dujos, degimo produktai). Jie taip pat gali būti vienfaziai arba dvifaziai, kai agregatinė būsena keičiasi (skysčiai verda, garai kondensuojasi) arba nesikeičia (neverdantys skysčiai, perkaitintasis garas, dujos).
Svarbiausios šilumnešio savybės yra tankis, klampa, savitoji šiluma ir šilumos laidumas. Skystųjų šilumnešių savybes lemia temperatūra, o dujinių - temperatūra ir slėgis.
Skystieji Šilumnešiai
- Vanduo: Dažniausiai naudojamas dėl didelio tankio, savitosios šilumos ir šilumos laidumo koeficiento. Tačiau sukelia koroziją ir nusėdusios druskos blogina šilumos perdavimą.
- Transformatorinė alyva: Naudojama transformatoriams aušinti.
- Tepimo ir aušinimo skysčiai: Naudojami besitrinančioms detalėms aušinti ir tepti.
- Organiniai šilumnešiai (fenolis, glicerolis): Pasižymi aukšta virimo temperatūra, nesukelia korozijos, tačiau yra termiškai neatsparūs, degūs ir kartais nuodingi.
- Skystieji metalai (natris, kalis, litis, gyvsidabris): Pasižymi aukšta virimo temperatūra, dideliu šilumos ir elektriniu laidumu, tačiau ardo konstrukcines medžiagas, yra nuodingi ir reaguoja su vandeniu.
Dujiniai Šilumnešiai
- Oras: Dažniausiai naudojamas, tačiau ore vyksta konstrukcinių medžiagų oksidacija.
- Vandens garai, dujos, degimo produktai: Naudojami, kai reikia perduoti šilumą aukštoje temperatūroje ir nedideliame slėgyje.
Šilumnešiai naudojami šilumos tiekimo sistemose, technologiniuose įtaisuose ir branduoliniuose reaktoriuose.
Praktinis Pavyzdys: Vandens Virimas
Panagrinėkime vandens virimo procesą. Pradžioje, tiekiant šilumą, vandens temperatūra kyla. Kai vanduo pasiekia virimo temperatūrą (100 °C normaliomis sąlygomis), tolesnis šilumos tiekimas nesukelia temperatūros kilimo. Vietoj to, energija naudojama vandens molekulėms įveikti tarpmolekulines sąveikas ir pereiti į dujinę būseną (garus).
Virimas kaip Fizikinis Reiškinys
Virimas yra fazinis virsmas, kurio metu skystis pereina į dujinę būseną. Skirtingai nuo garavimo, kuris vyksta tik skysčio paviršiuje, virimas apima visą skysčio tūrį. Tai intensyvus procesas, kurio metu susidaro burbuliukai skysčio viduje.
Burbuliukų Susidarymas Virimo Metu
Skystyje visada yra ištirpusių dujų. Šios dujos, šylant skysčiui, mažais burbuliukais nusėda ant indo dugno. Šylant toliau, burbuliukai plečiasi, kyla į viršų ir sprogsta. Tai sukelia skysčio maišymąsi ir intensyvų garavimą.
Virimo Temperatūra
Virimo temperatūra - tai temperatūra, kurioje skystis pradeda virti. Ji priklauso nuo skysčio prigimties ir slėgio. Normaliomis sąlygomis (1 atmosfera) vanduo užverda 100 °C temperatūroje.
Virimo Temperatūros Priklausomybė Nuo Slėgio
Virimo temperatūra priklauso nuo slėgio: kuo didesnis slėgis, tuo aukštesnė virimo temperatūra, ir atvirkščiai.
Kai Kurių Medžiagų Virimo Temperatūros
Skirtingų medžiagų virimo temperatūros skiriasi. Įvairiems vienodos masės virimo temperatūros skysiams paversti garais reikia skirtingo šilumos kiekio. Q - šilumos kiekis, reikalingas skysčiui paversti garais; L - savitoji garavimo šiluma; m - skysčio masė.
Virimas Praktikoje
Virimas yra plačiai naudojamas įvairiose srityse, nuo maisto gaminimo iki pramoninių procesų.
Virimas Maisto Gamyboje
Vienas iš labiausiai paplitusių virimo pavyzdžių yra maisto gaminimas. Pavyzdžiui, verdant kiaušinį, svarbu žinoti, kiek laiko jį virti, kad jis būtų vidutiniškai išviręs.
Virimas Pramonėje
Virimas naudojamas įvairiose pramonės šakose, pavyzdžiui, chemijos, energetikos ir maisto pramonėje.
Termodinamika ir Virimas
Termodinamika nagrinėja šilumos ir kitų energijos formų sąveiką. Virimas yra termodinaminis procesas, kurio metu šiluma naudojama skysčiui paversti garais.
Kiti Fizikiniai Reiškiniai
Šalia virimo, egzistuoja ir kitų susijusių fizikinių reiškinių, tokių kaip elektros išlydis, radioaktyvumas, bangų ilgis ir kiti.
Elektros Išlydis
Elektros išlydis - tai elektros srovės tekėjimas dujose. Nors dujos ir yra dielektrikas, dėl vykstančios jonizacijos, elektros srovė gali tekėti dujomis.
Šilumos perdavimas skysčių ar dujų srautais vadinama konvekcija. Konvekcija gali būti: laisvoji, priverstinė.
Skystos medžiagos virsmas kietąją vadinamas kietėjimu. Temperatūra, kurioje medžiaga kietėja, vadinama kietėjimo temperatūra.
Garavimu vadinamas skysčio virsmas garais skysčio paviršiuje. Skysčio garavimo sparta priklauso nuo:
- Skysčio rūšies
- Skysčio paviršiaus ploto
- Skysčio temperatūros
Garų virsmas skysčiu vadinamas kondensacija.
Virimas yra skysčio virsmas garais skysčio viduje.
YouTube's best convection currents video! Science demonstration for your students
Kiek šilumos reikia 4 kg vandens, kurio temperatūra 40°C užvirinti ir išgarinti? Savitoji vandens garavimo šiluma L=2260kJ/kg, vandens savitoji šiluma c=4200J/(kg·°C). Šilumos, kad pakeltų vandens skysto temperatūrą iki 100 °C reikės: Q1=mc(tvir-t0). Šilumos, kad paverstų skystą vandenį garais reikės: Q2=Lm. Iš viso reikės šilumos: Q=Q1+Q2.