"Физика (углублённый уровень)", Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Эвенчик Э.Е. и др. / Под ред. Пинского А.А., Кабардина О.Ф.
Агрегатное состояние показывает, как движутся и взаимодействуют частицы вещества. Твёрдые тела сохраняют форму, жидкости — объём, а газы занимают весь доступный объём. При плавлении, кристаллизации, парообразовании и других фазовых переходах меняется внутренняя энергия вещества. Для расчётов используют удельную теплоту плавления и парообразования, а также учитывают давление и постоянство температуры чистого вещества во время перехода.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Агрегатное состояние — состояние вещества, определяемое движением и взаимодействием его частиц. В твёрдом теле частицы колеблются около устойчивых положений, в жидкости перемещаются, сохраняя близкое расположение, а в газе движутся почти свободно. Это понятие помогает объяснить форму, объём и сжимаемость вещества.
Фазовый переход — переход вещества из одного агрегатного состояния в другое. К нему относятся плавление и кристаллизация, парообразование и конденсация, сублимация и десублимация. Название перехода показывает, в каком направлении меняется состояние вещества.
Удельная теплота плавления — количество теплоты, необходимое для плавления 1 кг вещества при температуре плавления; обозначается λ. Для массы m теплота плавления определяется формулой Q = λm. Величина λ нужна, чтобы сравнивать, сколько энергии требуют разные вещества при переходе из твёрдого состояния в жидкое.
Удельная теплота парообразования — количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар при температуре кипения; обозначается L. Расчёт проводят по формуле Q = Lm. Эта величина показывает энергетические затраты на образование пара без изменения температуры жидкости.
В твёрдом теле частицы расположены близко и удерживаются силами взаимодействия около определённых мест. Поэтому тело сохраняет форму, хотя частицы не неподвижны, а колеблются. В жидкости частицы тоже находятся рядом, но могут перемещаться, поэтому жидкость сохраняет объём и принимает форму сосуда.
В газе расстояния между частицами намного больше их размеров, а притяжение проявляется слабее. Частицы быстро и беспорядочно движутся, сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда. Поэтому газ заполняет весь доступный объём и легко сжимается, а его объём определяется сосудом.
Изменение состояния меняет взаимное расположение частиц и энергию их взаимодействия, то есть внутреннюю энергию вещества. При плавлении или парообразовании энергию обычно подводят, чтобы ослабить связи между частицами; при обратных переходах энергия выделяется. Поэтому фазовый переход нельзя описать только изменением температуры: теплота может расходоваться на перестройку вещества.
При плавлении и кипении чистого вещества при постоянном давлении температура не растёт, пока переход не завершён. Поступающая теплота увеличивает потенциальную часть внутренней энергии: частицы меняют расположение или удаляются друг от друга. После полного плавления или испарения новая порция теплоты снова начнёт повышать температуру вещества.
Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре: самые быстрые частицы могут покинуть жидкость. Кипение начинается во всём объёме, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению, поэтому пузырьки пара не схлопываются. При понижении внешнего давления это равенство достигается при более низкой температуре.
При кристаллизации и конденсации частицы переходят в более связанное состояние, поэтому внутренняя энергия уменьшается и теплота выделяется. Сублимация — переход твёрдого тела сразу в газ, а десублимация — обратный переход газа в твёрдое состояние. Температура фазового перехода зависит от давления, поскольку давление изменяет условия равновесия между фазами.
| Свойство | Твёрдое тело | Жидкость | Газ |
|---|---|---|---|
| Расположение частиц | Близко, около устойчивых положений | Близко, но без строгого порядка | На больших расстояниях друг от друга |
| Характер движения частиц | Колебательное | Перемещение с частыми столкновениями | Быстрое беспорядочное движение |
| Сила взаимодействия между частицами | Сильная | Заметная, но частицы могут перемещаться | Слабая на больших расстояниях |
| Форма и объём | Сохраняет форму и объём | Сохраняет объём, принимает форму сосуда | Не сохраняет форму и объём |
| Сжимаемость | Очень малая | Малая | Большая |
| Основные фазовые переходы | Плавление, сублимация | Кристаллизация, парообразование, конденсация | Конденсация, десублимация |
Таблицу удобно использовать для сравнения состояний по одному свойству: например, сначала проследить, как меняется движение частиц. В последней строке переходы указаны со стороны соответствующего состояния, поэтому один и тот же процесс может встречаться в двух столбцах.
Задача 1. Какое количество теплоты нужно сообщить 2 кг льда при температуре плавления, чтобы полностью получить воду? Дано λ = 3,3·105 Дж/кг. Температура уже равна температуре плавления, поэтому отдельный нагрев не требуется.
Задача 2. Нужно превратить 0,5 кг льда при −10 °C в воду при 20 °C. Процесс состоит из нагревания льда до 0 °C, его плавления и нагревания воды. Поэтому теплоты отдельных этапов складываются: Q = cлm(0 − tн) + λm + cвm(tк − 0).
Задача 3. В теплоизолированном сосуде смешали горячую воду и лёд. Нужно определить массу растаявшего льда и конечную температуру, причём лёд может расплавиться не полностью. Теплота не выходит наружу, поэтому составляем баланс: теплота, отданная водой, равна теплоте, полученной льдом.
Температура растёт во время плавления или кипения. Так считают, смешивая нагревание с фазовым переходом. Проверьте условие: для чистого вещества при постоянном давлении на участке перехода температура постоянна.
Формула Q = cmΔT применяется к плавлению и кипению. Она описывает нагревание без изменения состояния, а при переходе нужна скрытая теплота: Q = λm или Q = Lm. Спросите себя, изменяется ли температура в данном этапе.
Испарение путают с кипением. Испарение идёт с поверхности при любой температуре, а кипение — во всём объёме при определённом условии давления. Если в описании нет пузырьков во всём объёме, речь, скорее всего, об испарении.
Температуру кипения считают всегда равной 100 °C. Значение 100 °C относится к воде при нормальном атмосферном давлении. Проверьте давление и род жидкости: при изменении любого из этих условий температура кипения меняется.
Для изучения фазовых переходов нужны знания о строении вещества, внутренней энергии, количестве теплоты, удельной теплоёмкости и тепловом балансе. Позже эти понятия помогут разобраться во влажности воздуха, насыщенном паре, тепловых машинах и фазовых диаграммах.
Эксперимент связывает формулы с наблюдением: при нагревании, плавлении, кипении и конденсации можно измерять температуру и строить график её зависимости от времени. Наклонные участки показывают нагревание, а горизонтальные — фазовый переход.
Почему при кипении вода не нагревается выше температуры кипения?
Подводимая теплота расходуется не на увеличение температуры, а на преодоление притяжения между молекулами и превращение воды в пар. Поэтому при постоянном давлении температура кипящей чистой воды остаётся постоянной.
Чем испарение отличается от кипения?
Испарение происходит только с поверхности жидкости и возможно при любой температуре. Кипение идёт во всём объёме жидкости при определённой температуре, когда давление пара сравнивается с внешним давлением.
Почему при плавлении лёд поглощает теплоту, но его температура не меняется?
Полученная теплота расходуется на разрушение кристаллической структуры льда и увеличение расстояний между частицами. Пока одновременно существуют лёд и вода, температура смеси при постоянном давлении остаётся равной температуре плавления.
От чего зависит температура кипения жидкости?
Она зависит от рода жидкости и внешнего давления. При понижении давления жидкость кипит при более низкой температуре, а при повышении давления температура кипения возрастает.
Почему при конденсации пара выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при парообразовании?
Конденсация является обратным фазовым переходом по отношению к парообразованию. При одинаковой массе и температуре перехода вещество возвращает ту же внутреннюю энергию, которая была затрачена на образование пара.
§ 20. Агрегатные состояния и фазовые переходы
