"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Агрегатные состояния вещества изменяются при нагревании, охлаждении и передаче энергии. Твёрдое вещество может плавиться, жидкость — испаряться или кипеть, а пар — конденсироваться. Для чистого кристаллического вещества плавление и кипение при постоянном давлении происходят при неизменной температуре. В теме важно различать процессы, понимать движение молекул и правильно выбирать формулы для расчёта количества теплоты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Плавление — переход вещества из твёрдого состояния в жидкое. У кристаллических веществ он происходит при определённой температуре плавления. Это помогает определить, когда энергия начинает расходоваться на разрушение кристаллической решётки.
Кристаллизация — переход вещества из жидкого состояния в твёрдое. Для чистого вещества температура кристаллизации равна температуре плавления при одинаковом давлении. По этому процессу можно понять, как жидкость превращается в кристалл и отдаёт энергию.
Испарение — переход жидкости в газ, происходящий с её свободной поверхности при любой температуре. Молекулы покидают жидкость не одновременно, а только те, которым хватает энергии. Поэтому испарение идёт и у холодной воды, хотя медленнее, чем у горячей.
Кипение — интенсивное парообразование, которое происходит не только с поверхности, но и внутри жидкости. Оно начинается при определённой для данного давления температуре кипения. В отличие от испарения, кипение сопровождается пузырьками пара во всём объёме.
При плавлении кристаллическая решётка разрушается, поэтому подведённая энергия увеличивает внутреннюю энергию вещества, а не скорость движения молекул. Из-за этого температура чистого кристаллического вещества во время плавления не растёт. При кристаллизации частицы выстраиваются в более упорядоченную структуру, и такая же энергия выделяется наружу. Поэтому температура остаётся постоянной до завершения перехода.
Во время испарения жидкость покидают прежде всего самые быстрые молекулы. Оставшиеся частицы в среднем движутся медленнее, поэтому жидкость охлаждается. Чем выше температура, тем больше быстрых молекул и тем быстрее идёт испарение. Увеличение площади поверхности и движение воздуха тоже ускоряют процесс: новые молекулы легче получают возможность покинуть поверхность.
При кипении пузырьки пара образуются внутри жидкости, потому что в нагретой жидкости возникают области, где давление пара может сравняться с внешним. Поднимаясь вверх, пузырьки увеличиваются и выходят наружу. Температура кипения определяется давлением: при меньшем внешнем давлении жидкости легче образовать пар, поэтому она закипает при более низкой температуре.
При конденсации молекулы пара сближаются и переходят в жидкость, отдавая часть внутренней энергии окружающей среде. Поэтому возле конденсирующегося пара можно получить нагрев. Испарение и конденсация являются обратными процессами: первый поглощает энергию, второй выделяет её. Для плавления и парообразования также требуется энергия, а при кристаллизации она выделяется.
| Переход | Из какого состояния в какое | Где происходит | Изменение температуры во время перехода | Энергия вещества |
|---|---|---|---|---|
| Плавление | Из твёрдого в жидкое | Во всём кристалле | Не меняется у чистого вещества при постоянном давлении | Поглощается |
| Кристаллизация | Из жидкого в твёрдое | Во всём объёме или в местах образования кристаллов | Не меняется у чистого вещества при постоянном давлении | Выделяется |
| Испарение | Из жидкого в газообразное | С свободной поверхности | Температура жидкости обычно понижается | Поглощается |
| Кипение | Из жидкого в газообразное | Во всём объёме и на поверхности | Не меняется при постоянном давлении до окончания кипения | Поглощается |
| Конденсация | Из газообразного в жидкое | На поверхности охлаждённых тел или внутри газа | Температура конденсирующегося чистого вещества постоянна при заданных условиях | Выделяется |
Сначала определите, какое состояние было у вещества и каким оно стало: это сразу указывает нужный переход. Затем выясните, происходит ли процесс только на поверхности или во всём объёме и поглощается ли энергия либо выделяется.
Если вещество просто нагревается или охлаждается, применяют формулу Q = cmΔt. Во время фазового перехода используют удельную теплоту перехода: Q = λm для плавления и кристаллизации, Q = Lm для парообразования и конденсации.
Условие: лёд при температуре плавления получил 33,4 кДж теплоты. Найдём массу растаявшего льда, если λ = 334 кДж/кг.
Ответ: растаяло 0,1 кг льда, или 100 г.
Условие: превратить 0,2 кг воды при температуре кипения в пар. Удельная теплота парообразования воды L = 2,3 МДж/кг.
Ответ: потребуется 0,46 МДж, или 460 кДж теплоты.
Условие: охладить и закристаллизовать 0,5 кг вещества, которое сначала остывает от 30 °C до 10 °C. Дано c = 2 кДж/(кг·°C), λ = 100 кДж/кг.
Ответ: при охлаждении и полной кристаллизации выделится 70 кДж теплоты.
Ошибка: считать, что испарение бывает только при кипении. Её допускают, потому что в быту чаще замечают бурное кипение воды. Проверьте себя: если процесс идёт с поверхности при любой температуре, это испарение.
Ошибка: путать испарение и кипение. Причина — оба процесса превращают жидкость в пар. Посмотрите, где образуется пар: только на поверхности — испарение, во всём объёме с пузырьками — кипение.
Ошибка: считать, что температура обязательно меняется во время плавления или кипения. Так происходит при смешении процессов нагревания и перехода или при неверном учёте условий. Для чистого вещества при постоянном давлении температура не меняется до окончания фазового перехода.
Ошибка: применять Q = cmΔt для самого плавления или парообразования. Эта формула описывает изменение температуры, а не переход между состояниями. Если температура перехода уже достигнута, используйте Q = λm или Q = Lm.
Для понимания фазовых переходов нужны знания о строении вещества, движении и взаимодействии молекул, температуре, внутренней энергии и количестве теплоты. Именно движение частиц объясняет испарение, нагревание и охлаждение.
Эти процессы встречаются в природе и быту: образовании облаков, выпадении росы, таянии снега, работе холодильника и чайника. Позже они помогут изучать тепловые двигатели и решать задачи на тепловой баланс, где энергия распределяется между несколькими телами.
Почему испаряющаяся жидкость охлаждается?
С поверхности улетают наиболее быстрые молекулы, обладающие большей энергией. В оставшейся жидкости средняя энергия молекул уменьшается, поэтому её температура понижается.
Чем кипение отличается от испарения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и при любой температуре. При кипении пузырьки пара образуются также внутри жидкости, а сам процесс идёт при определённой температуре.
Почему при кипении температура жидкости не повышается?
Подводимая энергия расходуется не на увеличение скорости движения молекул, а на их удаление друг от друга и превращение жидкости в пар. Поэтому температура чистой жидкости при постоянном давлении остаётся постоянной до окончания кипения.
От чего зависит температура кипения?
Она зависит от рода жидкости и внешнего давления. При уменьшении давления температура кипения понижается, а при увеличении давления повышается.
Почему при конденсации пара выделяется теплота?
При сближении молекул пара и образовании жидкости уменьшается их внутренняя энергия. Избыточная энергия передаётся окружающей среде в виде теплоты.
II. ИЗМЕНЕНИЯ АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА
