Visi žino paveikslėlį: ant viryklės ant ugnies stovi vandens puodas. Vanduo nuo šalčio pamažu įkaista, todėl ant jo paviršiaus atsiranda pirmieji burbuliukai, o netrukus viskas linksmai šnypščia. Kokia yra vandens garavimo šiluma? Kai kurie iš mūsų mokyklos mokymo programos prisimena, kad vandens temperatūra esant natūraliam atmosferos slėgiui negali viršyti 100 °C. O tie, kurie neprisimena ar netiki, gali naudoti atitinkamą termometrą ir įsitikinti, laikydamiesi saugos priemonių.
Bet kaip tai gali būti? Juk ugnis vis dar kūrenasi po keptuvėje, savo energiją atiduoda skysčiui, o kur ji dingsta, jei nešildo vandens? Atsakymas: energija naudojama vandeniui paversti garais.
Kur dingsta energija
Įprastame gyvenime esame pripratę prie trijų mus supančios materijos būsenų: kietos, skystos ir dujinės. Kietoje būsenoje molekulės yra standžiai pritvirtintos kristalinėje gardelėje. Bet tai nereiškia visiško jų nejudrumo, bet kokioje temperatūroje, kol ji bent laipsniu aukštesnė nei -273 °C (tai yra absoliutus nulis), molekulės vibruoja. Be to, vibracijos amplitudė priklauso nuo temperatūros. Kaitinant, energija perduodamamedžiagos dalelių, ir šie chaotiški judesiai tampa intensyvesni, o vėliau tam tikru momentu pasiekia tokią jėgą, kad molekulės palieka gardelės lizdus – medžiaga tampa skysčiu.
Skystoje būsenoje molekulės yra glaudžiai susijusios viena su kita traukos jėga, nors jos nėra fiksuotos tam tikrame erdvės taške. Medžiagai toliau kaupiant šilumą, dalies molekulių chaotiški virpesiai tampa tokie dideli, kad įveikiama molekulių traukos viena prie kitos jėga ir jos skrenda. Medžiagos temperatūra nustoja kilti, visa energija dabar perduodama kitai ir kitai dalelių partijai, todėl žingsnis po žingsnio visas vanduo iš keptuvės užpildo virtuvę garų pavidalu.
Kiekvienai medžiagai šiam procesui atlikti reikia tam tikro energijos kiekio. Vandens, kaip ir kitų skysčių, garavimo šiluma yra baigtinė ir turi tam tikras reikšmes.
Kokiais vienetais matuojama
Bet kokia energija (net judėjimas, net šiluma) matuojama džauliais. Džaulis (J) pavadintas garsaus mokslininko Jameso Joule vardu. Skaitmeniškai galima gauti 1 J energiją, jei tam tikras kūnas 1 niutono jėga stumiamas 1 metro atstumu.
Anksčiau matuodami šilumą jie naudojo tokią sąvoką kaip „kalorijos“. Buvo tikima, kad šiluma yra tokia fizinė medžiaga, kuri gali tekėti į bet kurį kūną arba iš jo. Kuo daugiau jo „nutekėjo“į fizinį kūną, tuo jis karštesnis. Senuose vadovėliuose vis dar galite rasti šį fizinį dydį. Bet nesunku jį paversti džauliais, pakanka padauginti iš 4,19.
Energija, reikalinga skysčiams paversti dujomis, vadinama specifine garavimo šiluma. Bet kaip tai apskaičiuoti? Vienas dalykas yra vandens mėgintuvėlį paversti garais, o kitas – didžiulį laivo garo variklio baką.
Todėl, pavyzdžiui, H2O šilumos inžinerijoje jie veikia su „savitosios vandens garavimo šilumos“sąvoka (J / kg – matavimo vienetas). Ir pagrindinis žodis čia yra „specifinis“. Tai laikoma energijos kiekiu, kurio reikia norint 1 kg skystos medžiagos paversti garais.
Vertė nurodoma lotyniška raide L. Vertė matuojama džauliais 1 kg.
Kiek energijos reikia vandeniui
Savioji vandens garavimo šiluma matuojama taip: į indą supilamas N kiekis, užvirinama. Energija, sunaudota litre vandens išgarinant, bus norima.
Matuodami, kokia yra savitoji vandens garavimo šiluma, mokslininkai kiek nustebo. Kad vanduo virstų dujomis, jam reikia daugiau energijos nei visiems Žemėje paplitusiems skysčiams: visai alkoholių, suskystintųjų dujų ir net daugiau nei metalams, tokiems kaip gyvsidabris ir švinas.
Taigi vandens garavimo šiluma buvo 2,26 mJ/kg. Palyginimui:
- gyvsidabriui – 0,282 mJ/kg;
- švino yra 0,855 mJ/kg.
O jei būtų atvirkščiai?
Kas atsitiks, jei procesą pakeisite ir skystis kondensuosis? Nieko ypatingo, yra energijos tvermės dėsnio patvirtinimas: kondensuojant vienąkilogramo skysčio iš garų, išsiskiria lygiai tiek pat šilumos, kiek reikia, kad jis vėl virstų garais. Todėl sąvoka „savitoji garavimo ir kondensacijos šiluma“dažniau randama nuorodų lentelėse.
Beje, tai, kad šiluma sugeriama garuojant, sėkmingai naudojama buitiniuose ir pramoniniuose prietaisuose dirbtiniam šalčiui sukurti.
