Var

Var a vypařování

Vypařování a var znamená změnu skupenství kapalného na plynné. Jaký je tedy mezi nimi rozdíl? Již víme, že k vypařování dochází z povrchu kapaliny za každé teploty. Při varu, kdy kapalina dosáhne určité teploty, se však kapalina začne měnit na páru i uvnitř. Odpařuje se tedy z celého objemu (ne jen z povrchu).

Když vaříme vodu, vidíme, jak se uvnitř vody tvoří bublinky, zvětšují se a stoupají k hladině. Teplota, při které k varu dochází, se nazývá teplota varu (t_v) a závisí na druhu kapaliny a tlaku vzduchu. V MFChT (Matematické, fyzikální a chemické tabulky) jsou teploty varu uvedeny za normálního tlaku, což je 101235 Pa. Například teplota varu vody je 100 °C, olova 1740 °C, etanolu 78,3 °C, rtuti 357 °C.

Změna teploty varu při změně atmosférického tlaku

Jak již bylo zmíněno, voda má teplotu varu 100 °C za normálního tlaku. Při nižší teplotě bublinky nedokáží přetlačit tlak, který na ně shora působí. Jsou atmosférickým tlakem zamáčknuty. Zvyšujeme-li teplotu vody, zvýší se i tlak bublin. Ty při dosažení teploty 100 °C přetlačí atmosférický tlak, stoupají vzhůru a uvolňují se formou páry. Fyzikálně je teplota varu definována jako teplota, při které se právě vyrovná tlak par kapaliny s tlakem okolního plynu. Pokud by na hladinu vody nepůsobil žádný tlak, vařila by se i při pokojové teplotě.

Je-li atmosférický tlak nižší, stačí nám i nižší teplota k tomu, aby jej bubliny přetlačily. To, že voda vře při teplotě nižší než je 100 °C, můžeme pozorovat na horách, kde je tlak vzduchu nižší než v nížině. Nebo to můžeme ověřit experimentem, když stříkačku naplníme zčásti vodou, vzduchotěsně uzavřeme a posuneme píst ven (vyžaduje to hodně síly), abychom vytvořili vakuum (na obrázku jako V). Voda pod vakuuem začne vřít, i když nemá teplotu 100 °C.

V opačném případě, je-li tlak vzduchu vyšší, začne voda vřít až při vyšší teplotě, neboť bubliny musí tento tlak přetlačit, aby se mohly dostat na povrch. Tohoto jevu se využívá v tlakových hrncích (též Papinův hrnec, odtud hovorově papiňák), v nichž se vaří při vyšším tlaku a hlavně vyšší teplotě. To znamená, že jídlo je uvařené za kratší časový úsek.

Skupenské teplo varu kapaliny

Pokud látku zahříváme (dodáváme teplo), její teplota roste, protože částice se začnou rychleji pohybovat (vzroste jejich vnitřní energie). U určité teploty dojde ke změně skupenství - zde se růst teploty látky zastavuje, dodávané teplo se spotřebuje na změnu skupenství. Graf dole ukazuje, jak se teplota látky mění s rostoucím množstvím dodávaného tepla.

Skupenské teplo varu (L_v) je množství tepla, jež je třeba dodat kapalině při teplotě varu, aby mohla změnit své skupenství na plynné (o stejné teplotě). Jinými slovy, jedná se o nárůst vnitřní energie tělesa nutné k tomu, aby změnila svoji strukturu částic.

Měrné skupenské teplo varu

Měrné skupenské teplo varu (l_v) je teplo, jež musí přijmout 1 kg kapaliny při teplotě varu a normálním tlaku, aby došlo k její změně na páru o stejné teplotě. Měrné skupenské teplo varu udáváme v J/kg nebo kJ/kg.

Měrné skupenské teplo varu vody je 2256 kJ/kg, což znamená, že toto teplo je třeba dodat 1 kg vařící se vody, aby se mohl přeměnit na páru. Pokud bychom potřebovali přeměnit na páru 3 kg vody o teplotě 100 °C, vynásobili bychom měrné skupenské teplo varu vody třemi. Z toho můžeme odvodit vzorec pro výpočet:

Kde L_v je skupenské teplo varu, m je hmotnost a l_v je měrné skupenské teplo varu.

Již víme, že abychom ohřáli těleso z určité látky o jeden stupeň, potřebujeme znát jeho hmotnost a měrnou tepelnou kapacitu dané látky. Měrná tepelná kapacita vody c_v= 4.2 ${kJ}/{kg×°C}$ a páry c_p=1.95 ${kJ}/{kg×°C}$.

Příklad:
Kolik tepla bychom potřebovali, kdybychom chtěli 2 litry vody zahřáté na teplotu 20 °C přeměnit ve vodní páru o teplotě 120 °C? Hustota vody je 1 kg/m³, takže její hmotnost je 2 kg.

Zajímá nás vlastně množství tepla potřebné na ohřátí vody na 100 °C (Q₁- tlustá zelená čára), pak skupenské teplo potřebné pro změnu skupenství na páru (L_v-tlustá modrá čára) a pak ohřátí vzniklej páry na 120 °C (Q₂- tlustá růžová čára).

Teplo potřebné k ohřátí na 100 °C vypočteme jako (Δt je rozdíl teplot):

Nyní máme vodu zahřátou na 100 °C. Teplo potřebné k varu 2 kg vody vypočteme jako:

Teď jsme dosáhli vodní páry o teplotě 100 °C. Teplo potřebné k jejímu ohřátí na 120 °C vypočteme jako:

Potřebné celkové teplo Q vypočteme jako:

Tato proměna a ohřátí společně spotřebovaly spolu 5.2 MJ tepla.

Pokud bychom se snažili rozmrazit kostky ledu o teplotě nižší než 0 °C a změnit je na vodní páru o teplotě nad 100 °C, museli bychom započíst teplo potřebné k zahřátí ledu na 0 °C, pak skupenské teplo roztání, následně ohřátí vody na 100 °C, pak skupenské teplo varu a ještě ohřátí páry na požadovanou teplotu nad 100 °C.