Пароутворення, кипіння і конденсація

Випаровування — це процес переходу рідини в газоподібний стан (пару), що відбувається з поверхні рідини за будь-якої температури. На відміну від кипіння, випаровування не потребує досягнення певної температури: воно триває за будь-якої температури, навіть у прохолодну погоду (калюжа поступово висихає й восени).

Чому рідина охолоджується під час випаровування? Рідину залишають найшвидші молекули — ті, чия кінетична енергія достатня, щоб подолати сили міжмолекулярного притягання. Середня кінетична енергія молекул, що залишилися, зменшується, а отже, температура рідини знижується. Саме тому після виходу з води в спеку тіло відчуває холод: вода на шкірі випаровується й забирає теплоту.

Чинники, що впливають на швидкість випаровування

Конденсація

Конденсація — це зворотний процес: перехід пари в рідину. Коли молекули пари втрачають енергію (наприклад, під час охолодження), сили міжмолекулярного притягання повертають їх у рідкий стан. Під час конденсації теплота виділяється — це важливо пам'ятати для розрахунків.

Якщо в закритій посудині встановлюється динамічна рівновага між випаровуванням і конденсацією, утворюється насичена пара. У цьому стані число молекул, що вилітають з рідини за одиницю часу, дорівнює числу молекул, що повертаються в рідину.

У повсякденні ми постійно спостерігаємо конденсацію водяної пари: роса на траві вранці, туман, запотівання холодного скла в теплому приміщенні. Усі ці явища виникають, коли повітря охолоджується до так званої точки роси — температури, за якої водяна пара стає насиченою й починає конденсуватися.

Кипіння — це інтенсивне пароутворення, що відбувається не лише з поверхні, а в усьому об'ємі рідини. Усередині рідини утворюються бульбашки пари, які піднімаються вгору й виходять назовні. Кипіння починається, коли тиск насиченої пари всередині бульбашок стає рівним зовнішньому тискові (атмосферному тиску або тиску в посудині).

Стала температура кипіння

Найважливіша особливість кипіння: поки рідина кипить, її температура залишається сталою. Уся теплота, яку підводять до рідини, витрачається не на підвищення температури, а на руйнування міжмолекулярних зв'язків — перетворення рідини на пару. Саме тому сильніше нагрівання киплячої води не робить її гарячішою: воно лише пришвидшує випаровування.

Залежність температури кипіння від тиску

Температура кипіння залежить від зовнішнього тиску. Чим більший тиск, тим вища температура кипіння, і навпаки. Це пояснюється тим, що за вищого зовнішнього тиску бульбашкам пари потрібен більший внутрішній тиск, щоб сплисти, а отже, потрібна вища температура.

Різні рідини мають різну температуру кипіння за одного й того самого тиску, оскільки сили міжмолекулярної взаємодії в них різні. Наприклад, за нормального атмосферного тиску етанол кипить за 78 °C, вода — за 100 °C, а ртуть — за 357 °C.

Важливо запам'ятати: кипіння — це не просто «сильне випаровування». Це принципово інший процес, що відбувається в усьому об'ємі рідини за певної температури, яка залежить від зовнішнього тиску й роду рідини.

Питома теплота пароутворення (позначається літерою r) — це фізична величина, яка показує, яку кількість теплоти потрібно передати 1 кг рідини, щоб перетворити її на пару за температури кипіння. Одиниця вимірювання в СІ — Дж/кг.

Для води питома теплота пароутворення становить приблизно $2,3\cdot 10^6$ Дж/кг. На НМТ це значення завжди дають в умові задачі, але його корисно пам'ятати для оцінки порядку величин. Для порівняння: питома теплота плавлення льоду λ ≈ $3,3\cdot 10^5$ Дж/кг — майже в 7 разів менша. Руйнування зв'язків між молекулами рідини під час пароутворення потребує значно більше енергії, ніж руйнування кристалічної ґратки під час плавлення.

Формула теплоти пароутворення

Кількість теплоти, необхідна для перетворення рідини масою m на пару за температури кипіння, обчислюється за формулою:

$$Q=r\cdot m$$

Під час конденсації пари тієї самої маси виділяється така сама кількість теплоти. Тому для конденсації записують:

$$Q=-r\cdot m$$

Знак «мінус» означає, що теплота виділяється (віддається навколишньому середовищу), а не поглинається.

Приклад розрахунку

Скільки теплоти потрібно, щоб випарувати 100 г води за температури кипіння 100 °C? Питома теплота пароутворення води r = $2,3\cdot 10^6$ Дж/кг.

Розв'язання: m = 100 г = 0,1 кг. Q = r · m = $2,3\cdot 10^6\cdot 0,1=230000$ Дж = 230 кДж.

Опіки парою значно небезпечніші, ніж опіки окропом тієї самої температури. Коли пара потрапляє на шкіру, вона конденсується, виділяючи додаткову теплоту конденсації (r·m). Тому пара передає шкірі набагато більше енергії, ніж вода тієї самої температури.

У реальних задачах рідина не завжди вже перебуває за температури кипіння. Спочатку її потрібно нагріти до кипіння, а вже потім випаровувати. Повна кількість теплоти складається з двох частин: нагрівання рідини до температури кипіння та власне пароутворення.

Формула для нагрівання рідини від початкової температури t₀ до кипіння й перетворення на пару:

$$Q=c\cdot m\cdot (t_{\text{кип}}-t_0)+r\cdot m$$

Формула для конденсації пари за температури кипіння й охолодження отриманої води до кінцевої температури t:

$$Q=r\cdot m+c\cdot m\cdot (t_{\text{кип}}-t)$$

Тут c — питома теплоємність води (4200 Дж/(кг·К)), t_кип — температура кипіння (для води 100 °C).

Приклад: конденсація пари й охолодження води

100 г водяної пари за 100 °C конденсують, а отриману воду охолоджують до 20 °C. Знайдіть виділену теплоту. r = 2,3·10⁶ Дж/кг, c = 4200 Дж/(кг·К).

Розв'язання: m = 0,1 кг. Q = r·m + c·m·(t_кип − t) = 2,3·10⁶·0,1 + 4200·0,1·(100 − 20) = 230000 + 33600 = 263600 Дж = 263,6 кДж.

Приклад: нагрівання води й перетворення на пару

1 кг води за 20 °C нагрівають до кипіння й повністю випаровують. Скільки теплоти потрібно?

Нагрівання: Q₁ = 4200·1·(100 − 20) = 336000 Дж = 336 кДж. Пароутворення: Q₂ = 2,3·10⁶·1 = 2300000 Дж = 2300 кДж. Повна теплота: Q = 336 + 2300 = 2636 кДж. Пароутворення потребує майже в 7 разів більше енергії, ніж нагрівання до кипіння.

Графік нагрівання рідини

На графіку залежності температури від часу нагрівання можна побачити характерну горизонтальну ділянку — це кипіння. Поки вся рідина не випарується, температура не зростає, навіть якщо нагрівання триває. Після повного випаровування температура пари знову почне підвищуватися.

Приклад 1. Теплота пароутворення (коротка відповідь)

Завдання: Скільки теплоти (у кДж) потрібно для перетворення 200 г води за температури 100 °C на пару? Питома теплота пароутворення води r = 2,3·10⁶ Дж/кг.

Розв'язання: Маса m = 200 г = 0,2 кг. Оскільки вода вже за температури кипіння, додаткове нагрівання не потрібне. Q = r·m = 2,3·10⁶·0,2 = 460000 Дж = 460 кДж.

Відповідь: 460 кДж.

Типова помилка: забути перевести грами в кілограми. Якщо підставити m = 200 г, отримаємо 460·10⁶ Дж, що в 1000 разів більше.

Приклад 2. Температура кипіння (вибір однієї відповіді)

Завдання: Як зміниться температура киплячої води у відкритій каструлі, якщо значно збільшити вогонь?

• А) Зросте

• Б) Зменшиться

• В) Не зміниться

• Г) Спочатку зросте, потім зменшиться

Розв'язання: Під час кипіння вся підведена теплота витрачається на пароутворення, а не на підвищення температури. Температура киплячої води визначається зовнішнім тиском, а не інтенсивністю нагрівання. У відкритій каструлі атмосферний тиск не змінюється, тому температура кипіння залишається 100 °C.

Відповідь: В) Не зміниться.

Чому інші варіанти неправильні: А — температура кипіння не залежить від інтенсивності нагрівання; Б — зменшення температури можливе лише за зменшення тиску; Г — температура кипіння стала, вона не змінюється з часом.

Приклад 3. Конденсація й охолодження (коротка відповідь)

Завдання: 50 г водяної пари за 100 °C конденсують, а отриману воду охолоджують до 40 °C. Визначте виділену теплоту (у кДж). r = 2,3·10⁶ Дж/кг, c = 4200 Дж/(кг·К).

Розв'язання: m = 50 г = 0,05 кг. Q = r·m + c·m·(t_кип − t) = 2,3·10⁶·0,05 + 4200·0,05·(100 − 40) = 115000 + 12600 = 127600 Дж = 127,6 кДж.

Відповідь: 127,6 кДж.

Типова помилка: забути додати теплоту охолодження води після конденсації або не врахувати, що під час конденсації теплота виділяється (плюс, а не мінус).

Приклад 4. Кипіння у високогір'ї (вибір однієї відповіді)

Завдання: Чому у високогір'ї вода кипить за нижчої температури, ніж на рівні моря?

• А) Через нижчу температуру повітря в горах

• Б) Через менший атмосферний тиск

• В) Через меншу густину води

• Г) Через більшу вологість повітря

Розв'язання: Температура кипіння залежить від зовнішнього тиску: чим менший тиск, тим нижча температура кипіння. У горах атмосферний тиск менший, тому вода кипить за температури нижче 100 °C.

Відповідь: Б) Через менший атмосферний тиск.

Чому інші варіанти неправильні: А — температура повітря впливає на швидкість охолодження, але не на температуру кипіння; В — густина води майже не змінюється з висотою; Г — вологість повітря не впливає на температуру кипіння.

• Вважати, що від сильнішого нагрівання киплячої води її температура зростає. Насправді під час кипіння вся підведена теплота йде на пароутворення, а температура залишається сталою. Сильніший вогонь лише пришвидшує випаровування.

• Плутати випаровування з кипінням. Випаровування відбувається за будь-якої температури лише з поверхні рідини. Кипіння — це інтенсивне пароутворення в усьому об'ємі за певної температури (температури кипіння).

• Забувати нагріти воду до кипіння перед розрахунком теплоти пароутворення. Якщо в задачі дано початкову температуру рідини нижче температури кипіння, спочатку обчислюють теплоту нагрівання Q₁ = c·m·(t_кип − t₀), а потім теплоту пароутворення Q₂ = r·m.

• Не враховувати, що під час конденсації теплота виділяється, а не поглинається. У рівнянні теплового балансу теплоту конденсації записують зі знаком «плюс» для тіла, яке її отримує, або зі знаком «мінус» для пари, яка її віддає.

• Брати питому теплоту плавлення λ замість питомої теплоти пароутворення r. Це різні величини: λ ≈ 3,3·10⁵ Дж/кг (для льоду), r ≈ 2,3·10⁶ Дж/кг (для води). Пароутворення потребує приблизно в 7 разів більше енергії, ніж плавлення.

Формули Q = rm і Q = cmΔt є в довідкових матеріалах НМТ, тому їх не потрібно запам'ятовувати. Однак питомі теплоти пароутворення (r) у довідці відсутні — їх завжди дають в умові задачі.

Програма НМТ (тема 2.3 «Властивості газів, рідин і твердих тіл») вимагає розрізняти агрегатні стани речовини й складати рівняння теплового балансу. У демонстраційному варіанті НМТ 2026 року задача № 19 (коротка відповідь, 0 або 2 бали) перевіряє рівняння теплового балансу під час змішування.

Важливо: формулювання залежності температури кипіння від тиску й різниці між випаровуванням і кипінням у довідкових матеріалах немає. Ці знання потрібно засвоїти з теорії. На НМТ можуть бути якісні запитання на цю тему у форматі вибору однієї правильної відповіді.

Стратегія: уважно читайте умову — чи дано початкову температуру рідини, чи вона вже за температури кипіння. Перевіряйте, чи потрібно враховувати нагрівання до кипіння. Не забувайте переводити масу в кілограми.

• Випаровування — перехід рідини в пару з поверхні за будь-якої температури; кипіння — інтенсивне пароутворення в усьому об'ємі за температури кипіння.

• Температура кипіння залежить від зовнішнього тиску й роду рідини; під час кипіння температура рідини залишається сталою.

• Питома теплота пароутворення r — кількість теплоти для перетворення 1 кг рідини на пару за температури кипіння (одиниця — Дж/кг).

• Теплота пароутворення: Q = r·m (поглинається); теплота конденсації: Q = −r·m (виділяється).

• Повна теплота для перетворення рідини на пару: нагрівання до кипіння + пароутворення.

• Під час конденсації пари виділяється така сама кількість теплоти, яка була витрачена на пароутворення.