"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Фазовый переход — изменение агрегатного состояния вещества: твёрдого, жидкого или газообразного. При этом меняются расположение и взаимодействие частиц, а значит, свойства вещества. Разберём, чем отличаются плавление, кристаллизация, испарение, кипение и конденсация, почему во время некоторых переходов температура постоянна и как вычислять необходимое количество теплоты по формулам Q = λm и Q = Lm.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Фазовый переход — переход вещества из одного агрегатного состояния в другое: твёрдого, жидкого или газообразного. При этом меняются свойства вещества и его внутренняя структура, то есть расположение и взаимодействие частиц. Понятие нужно, чтобы отличать изменение состояния от обычного нагревания или охлаждения.
Плавление — переход твёрдого вещества в жидкое, а кристаллизация — обратный переход жидкости в твёрдое состояние. Например, лёд плавится и превращается в воду, а вода кристаллизуется и становится льдом. Эти термины помогают указать направление превращения.
Парообразование — переход жидкости в газообразное состояние, а конденсация — переход пара или газа обратно в жидкость. Парообразование может происходить испарением с поверхности или кипением во всём объёме жидкости. Такое различие важно при объяснении процессов в природе и бытовых устройствах.
Удельная теплота плавления λ показывает, сколько теплоты нужно сообщить 1 кг вещества при температуре плавления, чтобы превратить его в жидкость: Q = λm. Удельная теплота парообразования L показывает энергию для превращения 1 кг жидкости в пар при температуре кипения: Q = Lm. В формулах Q — количество теплоты, m — масса вещества; массу нужно выражать в килограммах.
Агрегатное состояние определяется движением частиц и силами их взаимодействия. При нагревании средняя энергия движения частиц увеличивается, они сильнее удаляются друг от друга и легче меняют порядок. Если температура или внешние условия достигают нужного значения, вещество переходит в другое состояние.
При плавлении твёрдая кристаллическая решётка разрушается, потому что частицы получают достаточно энергии для выхода из устойчивых положений. При кипении жидкость превращается в газ: расстояния между частицами резко увеличиваются, а их взаимодействие становится слабее. Поэтому газ занимает весь доступный объём, тогда как жидкость сохраняет почти постоянный объём.
Во время плавления чистого вещества при постоянном давлении температура не растёт, хотя теплота продолжает поступать. Эта энергия расходуется на перестройку кристаллической структуры и увеличение расстояний между частицами, а не на ускорение их движения. После окончания плавления новая порция теплоты снова повышает температуру жидкости.
При кипении происходит похожий процесс: подводимая энергия разрывает взаимодействия между частицами и переводит жидкость в пар. Пока в сосуде остаются жидкость и её пар, температура чистого вещества при постоянном давлении сохраняется на уровне температуры кипения. При кристаллизации и конденсации частицы сближаются и переходят в более упорядоченное или связанное состояние, поэтому лишняя внутренняя энергия выделяется наружу.
Испарение идёт с поверхности жидкости при любых температурах: прежде всего уходят наиболее быстрые частицы, поэтому оставшаяся жидкость может охлаждаться. Кипение начинается при определённой температуре, когда давление пара в пузырьках сравнивается с внешним давлением. Температура перехода зависит от рода вещества и условий, особенно от давления; количество теплоты зависит ещё и от массы, что отражают формулы Q = λm и Q = Lm.
| Переход | Из какого состояния в какое | Теплообмен с веществом | Обратный переход |
|---|---|---|---|
| Плавление | Твёрдое → жидкое | Поглощение теплоты | Кристаллизация |
| Кристаллизация | Жидкое → твёрдое | Выделение теплоты | Плавление |
| Парообразование | Жидкое → газообразное | Поглощение теплоты | Конденсация |
| Конденсация | Газообразное → жидкое | Выделение теплоты | Парообразование |
| Сублимация | Твёрдое → газообразное | Поглощение теплоты | Десублимация |
| Десублимация | Газообразное → твёрдое | Выделение теплоты | Сублимация |
Сначала определите начальное и конечное состояния, затем найдите строку с нужным переходом. Столбец теплообмена показывает, получает вещество энергию или отдаёт её. Последний столбец помогает быстро проверить направление обратного процесса.
В таблице перечислены не только переходы между соседними состояниями, но и переходы напрямую между твёрдым и газообразным состояниями. В реальной ситуации направление перехода зависит от температуры, давления и условий отвода или подвода теплоты.
Условие: лёд нагревают до таяния и продолжают нагревать образовавшуюся воду. Нужно определить происходящие процессы.
Ответ: последовательно происходят нагревание льда, плавление и нагревание воды.
Условие: расплавить 0,5 кг вещества при температуре плавления; λ = 200 000 Дж/кг. Найдите количество теплоты.
Ответ: Q = 100 000 Дж, или 100 кДж. Если масса была бы указана в граммах, её сначала пришлось бы перевести в килограммы.
Условие: нагреть 2 кг льда от −20 °C до 0 °C, расплавить его и нагреть воду до 20 °C. Дано: cл = 2100 Дж/(кг·°C), λ = 330 000 Дж/кг, cв = 4200 Дж/(кг·°C).
Ответ: требуется 912 кДж теплоты. Разбиение на этапы показывает, какая формула относится к нагреванию, а какая — к фазовому переходу.
Температура растёт при плавлении или кипении. Так считают, потому что тепло продолжает поступать, но при переходе чистого вещества оно расходуется на изменение структуры. Проверьте себя: если одновременно присутствуют две фазы и давление постоянно, температура обычно остаётся постоянной.
Испарение путают с кипением. Оба процесса образуют пар, поэтому различие иногда упускают. Проверьте место и условие процесса: испарение идёт с поверхности при разных температурах, кипение — во всём объёме при температуре кипения.
При кристаллизации и конденсации записывают поглощение теплоты. Это происходит из-за неверного переноса правила для плавления и парообразования. Проверьте направление: при сближении и упорядочивании частиц вещество отдаёт энергию окружающей среде.
Массу оставляют в граммах. Ошибка возникает при механической подстановке чисел в Q = λm или Q = Lm. Сверьте единицы: если λ или L указаны в Дж/кг, массу нужно перевести в килограммы, а ответ получится в джоулях.
Для понимания фазовых переходов нужны знания об агрегатных состояниях, внутренней энергии и теплообмене, а также формула нагревания Q = cmΔT. Эти процессы связаны с влажностью и свойствами пара, потому что испарение и конденсация определяют состояние воздуха. Тема также применяется при изучении тепловых двигателей, природного теплообмена и сложных расчётов, где несколько этапов нагревания и переходов складываются.
Почему температура не повышается, когда лёд тает?
При плавлении подводимая энергия расходуется не на увеличение средней скорости частиц, а на разрушение упорядоченной кристаллической структуры и ослабление связей между частицами. Поэтому температура чистого льда при постоянном давлении остаётся равной температуре плавления, пока весь лёд не превратится в воду.
Чем кипение отличается от испарения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и возможно при любой температуре. Кипение идёт во всём объёме жидкости при температуре кипения, когда пузырьки пара могут расти и выходить наружу.
Почему при замерзании воды выделяется теплота?
При кристаллизации частицы воды образуют более упорядоченную структуру и переходят в состояние с меньшей внутренней энергией. Избыток энергии выделяется в окружающую среду в виде теплоты.
От чего зависит количество теплоты, необходимое для плавления?
Оно зависит от массы вещества и его удельной теплоты плавления. Чем больше масса, тем больше энергии требуется; разные вещества при одинаковой массе плавятся с разными затратами энергии.
Может ли вещество перейти из твёрдого состояния сразу в газообразное?
Да, такой переход называется сублимацией. Обратный процесс, когда газ сразу превращается в твёрдое вещество, называют десублимацией.
§ 34. Фазовые переходы
