"Физика", Андрюшечкин С.М.
Теплота плавления и парообразования описывает энергию, которую вещество получает при переходе из твёрдого состояния в жидкое или из жидкости в пар. Для расчётов используют удельные величины λ и L: они показывают, сколько энергии требуется для изменения состояния 1 кг вещества. Во время плавления и кипения температура чистого вещества не меняется, потому что теплота расходуется на перестройку взаимодействия между частицами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Удельная теплота плавления λ — количество теплоты, необходимое для плавления 1 кг вещества при температуре плавления. Её измеряют в Дж/кг. Эта величина нужна, чтобы сравнивать вещества и рассчитывать энергию плавления любой массы.
Теплота плавления Q — энергия, которую получает тело во время плавления. Для массы m её находят по формуле Q = λm. Формула позволяет связать свойство вещества с количеством вещества в теле.
Удельная теплота парообразования L — количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар при температуре кипения. Единица измерения — Дж/кг. По этой величине определяют, сколько энергии потребуется для испарения заданной массы жидкости.
Теплота парообразования Q — энергия, необходимая для превращения жидкости массой m в пар. Она вычисляется по формуле Q = Lm. Такой расчёт применяют, когда жидкость уже достигла температуры кипения.
При плавлении вещество получает энергию, но его температура не растёт, пока переход не завершён. Эта энергия расходуется на разрушение упорядоченного расположения частиц в твёрдом теле и ослабление связей между ними. Поэтому чистое вещество при постоянном давлении плавится при одной определённой температуре.
Удельная теплота плавления показывает, сколько энергии приходится на единицу массы вещества. Чем больше λ, тем больше теплоты нужно для плавления 1 кг при одинаковых условиях. Значение λ зависит от рода вещества, поэтому одинаковые массы льда, металла и другого материала требуют разного количества энергии.
При парообразовании частицы жидкости должны преодолеть притяжение соседних частиц и удалиться друг от друга. На это расходуется подводимая энергия, а не на увеличение средней скорости движения частиц. Поэтому во время кипения жидкость получает теплоту, но её температура при постоянном давлении не изменяется.
Удельная теплота парообразования показывает энергию, необходимую для превращения в пар 1 кг жидкости. Для одного вещества L обычно больше λ, потому что при плавлении частицы лишь меняют порядок и расстояние между ними, а при парообразовании должны почти покинуть жидкость. Большое значение L объясняет, почему испарение требует значительного подвода энергии.
Обратные переходы идут с выделением энергии. При кристаллизации жидкость превращается в твёрдое тело и отдаёт Q = λm, а при конденсации пар превращается в жидкость и отдаёт Q = Lm. Модуль выделившейся теплоты такой же, как при соответствующем прямом процессе для той же массы.
Таблица помогает быстро сопоставить два фазовых перехода. Если нужно решить задачу, сначала определите процесс, затем выберите соответствующую удельную величину и формулу. Для обратных процессов формула остаётся такой же по модулю, но теплота уже выделяется.
| Характеристика | Плавление | Парообразование |
|---|---|---|
| Изменение состояния вещества | Твёрдое тело превращается в жидкость | Жидкость превращается в пар |
| Удельная теплота и обозначение | Удельная теплота плавления, λ | Удельная теплота парообразования, L |
| Формула для количества теплоты | Q = λm | Q = Lm |
| Единица измерения удельной теплоты | Дж/кг | Дж/кг |
| Что происходит с температурой во время процесса | Не изменяется до окончания плавления | Не изменяется до окончания кипения |
| Обратный процесс и направление теплообмена | Кристаллизация, теплота выделяется | Конденсация, теплота выделяется |
Сколько теплоты нужно, чтобы расплавить 0,5 кг вещества, если λ = 2,0·10⁵ Дж/кг? Вещество уже находится при температуре плавления, поэтому нагревать его дополнительно не нужно. Требуется найти только энергию фазового перехода.
Ответ: для плавления нужно 1,0·10⁵ Дж теплоты.
Какую массу воды можно превратить в пар, сообщив ей 4,6·10⁶ Дж теплоты, если L = 2,3·10⁶ Дж/кг? В условии известны теплота и удельная теплота парообразования, а масса неизвестна. Поэтому из основной формулы нужно выразить массу.
Ответ: можно превратить в пар 2 кг воды.
Какое количество теплоты выделится при конденсации 0,2 кг водяного пара и последующей кристаллизации воды? Обозначим удельную теплоту парообразования воды через L, а удельную теплоту плавления льда через λ. Оба процесса идут последовательно, поэтому выделившуюся энергию для каждого этапа нужно найти отдельно.
Ответ: Qобщ = 0,2(L + λ) Дж; теплота выделяется на обоих этапах.
Первая ошибка — путать удельную теплоту λ или L с количеством теплоты Q. Удельная величина относится к 1 кг, а Q зависит ещё и от массы тела. Проверьте себя: в формуле обязательно должна присутствовать масса, если требуется энергия для всего тела.
Иногда массу подставляют в граммах, хотя удельная теплота дана в Дж/кг. Из-за этого ответ получается в тысячу раз неверным. Перед расчётом переведите массу: 1 г = 0,001 кг.
Некоторые считают, что при плавлении или кипении температура обязательно повышается. Для чистого вещества при постоянном давлении во время самого фазового перехода температура не меняется. Убедитесь, что в условии не требуется сначала нагреть вещество до температуры плавления или кипения.
При кристаллизации и конденсации иногда ставят знак поглощения теплоты. На самом деле обратные процессы сопровождаются выделением энергии, хотя её количество по модулю вычисляется той же формулой. В ответе укажите не только число, но и направление теплообмена.
Для понимания темы нужны знания о массе, температуре, количестве теплоты и удельной теплоёмкости. Формула Q = cmΔt описывает нагревание или охлаждение, когда агрегатное состояние вещества не меняется. Формулы Q = λm и Q = Lm применяют уже на этапе фазового перехода.
В сложной задаче несколько процессов могут следовать друг за другом: нагревание, плавление, кипение и охлаждение. Для каждого этапа выбирают свою формулу, вычисляют энергию и затем складывают результаты с учётом поглощения или выделения теплоты. Так находят полное количество теплоты.
Фазовые переходы встречаются в природе и технике. Испарение охлаждает поверхность, конденсация используется в тепловых машинах, а кристаллизация объясняет образование льда. Эти знания помогают описывать реальные тепловые процессы количественно.
Почему при плавлении температура не повышается, хотя веществу сообщают теплоту?
Полученная теплота расходуется не на увеличение скорости движения частиц, а на разрушение их упорядоченной структуры и ослабление взаимодействия. Поэтому температура чистого вещества при постоянном давлении остаётся постоянной до окончания плавления.
Что показывает удельная теплота плавления?
Она показывает, какое количество теплоты нужно сообщить 1 кг вещества, чтобы расплавить его при температуре плавления. Величина зависит от рода вещества и измеряется в Дж/кг.
Как найти количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар?
Нужно умножить массу жидкости на её удельную теплоту парообразования: Q = Lm. Массу следует подставлять в килограммах, а L брать в Дж/кг.
Почему при конденсации теплота выделяется?
При конденсации частицы пара сближаются и образуют жидкость, поэтому их энергия уменьшается. Избыток энергии передаётся окружающим телам в виде теплоты.
Чем удельная теплота парообразования отличается от удельной теплоты плавления?
Удельная теплота парообразования L относится к превращению 1 кг жидкости в пар, а удельная теплота плавления λ — к превращению 1 кг твёрдого вещества в жидкость. Для одного и того же вещества L обычно больше λ, потому что при испарении частицы сильнее удаляются друг от друга.
§ 13. Теплота плавления. Теплота парообразования
