Фазовые переходы
Фазовый переход — это превращение вещества из одного агрегатного состояния в другое. В этой теме разберём плавление и кристаллизацию, испарение и конденсацию, а также научимся рассчитывать энергию, которую вещество получает или отдаёт при переходе.
Что такое фазовые переходы
Агрегатное состояние вещества определяется расположением, движением и взаимодействием его частиц. При нагревании частицы обычно движутся быстрее, а при охлаждении — медленнее. Фазовый переход сопровождается изменением внутренней энергии вещества и его свойств.
Фазовый переход — превращение вещества из одного агрегатного состояния в другое: из твёрдого в жидкое, из жидкого в газообразное или наоборот.
- Плавление — переход из твёрдого состояния в жидкое.
- Кристаллизация, или отвердевание — переход из жидкого состояния в твёрдое.
- Испарение — переход жидкости в газ с поверхности жидкости.
- Конденсация — переход газа в жидкость.
При плавлении и испарении вещество получает энергию, а при кристаллизации и конденсации — отдаёт её окружающей среде. Температура чистого кристаллического вещества во время плавления остаётся постоянной. Во время кристаллизации она также постоянна и равна температуре плавления при том же давлении.
Во время фазового перехода чистого кристаллического вещества при постоянном давлении температура не изменяется, хотя теплообмен продолжается. Полученная энергия расходуется на изменение взаимодействия частиц, а не на увеличение их средней кинетической энергии.
Плавление и кристаллизация
Чтобы расплавить кристаллическое вещество, его сначала нагревают до температуры плавления, а затем продолжают подводить тепло. Например, лёд сначала нагревается до \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\), затем плавится при постоянной температуре. Подробное рассмотрение этих процессов приведено на странице плавления и кристаллизации.
Количество теплоты, необходимое для плавления массы вещества, находящегося при температуре плавления, зависит от массы и рода вещества. Коэффициент пропорциональности называют удельной теплотой плавления.
Удельная теплота плавления \(\lambda\) — количество теплоты, необходимое для плавления \(1\) кг вещества при температуре плавления. Единица СИ — \(\mathrm{Дж/кг}\).
При кристаллизации такая же масса вещества отдаёт количество теплоты \(Q=\lambda m\). Если требуется сначала нагреть твёрдое тело до температуры плавления, а затем расплавить, используют сумму: \(Q=cm(t_{\text{пл}}-t_0)+\lambda m\). Здесь \(c\) — удельная теплоёмкость, а первый этап описан в теме количество теплоты.
Испарение и конденсация
Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре. В жидкости всегда есть быстрые молекулы; некоторые из них преодолевают притяжение соседних частиц и покидают поверхность. Поэтому при испарении жидкость охлаждается, если не получает энергию извне.
Испарение ускоряется при повышении температуры, увеличении площади свободной поверхности, движении воздуха и уменьшении влажности воздуха. В закрытом сосуде одновременно с испарением идёт обратный процесс — конденсация. Страница испарение и конденсация разбирает эти процессы подробнее, а влажность рассматривается на странице влажность воздуха.
Удельная теплота парообразования \(L\) — количество теплоты, необходимое для превращения \(1\) кг жидкости в пар при температуре кипения. При конденсации \(1\) кг пара выделяется такое же количество теплоты.
Если жидкость сначала нагревают от температуры \(t_0\) до температуры кипения \(t_{\text{кип}}\), а затем полностью превращают в пар, то \(Q=cm(t_{\text{кип}}-t_0)+Lm\). Если пар конденсируется, выделившееся тепло по модулю равно \(Lm\).
Почему во время плавления льда при нормальном давлении температура остаётся равной \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\)?
Расчёт теплоты фазового перехода
В задачах нужно определить, какие этапы проходит вещество. Если температура меняется, используется формула \(Q=cm\Delta t\). Если происходит плавление или парообразование при постоянной температуре, используется формула фазового перехода. Для нескольких этапов теплоты складывают с учётом знака или отдельно считают полученную и отданную энергию.
1. Запишите, в каком состоянии находится вещество в начале и в конце. 2. Определите этапы: нагревание, охлаждение, плавление, кристаллизация, испарение или конденсация. 3. Для каждого этапа выберите формулу. 4. Приведите массу к килограммам. 5. Сложите теплоты и проверьте единицы.
Какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить \(2\) кг льда, взятого при температуре \(-10\,^{\circ}\mathrm{C}\)? Дано: \(m=2\,\mathrm{кг}\), \(t_0=-10\,^{\circ}\mathrm{C}\), \(t_{\text{пл}}=0\,^{\circ}\mathrm{C}\), \(c=2100\,\mathrm{Дж/(кг\cdot ^\circ C)}\), \(\lambda=3{,}4\cdot10^5\,\mathrm{Дж/кг}\).
Ответ: \(Q\approx7{,}22\cdot10^5\,\mathrm{Дж}\), или \(722\) кДж. Большая часть энергии пошла именно на плавление, а не на нагревание льда.
Не путайте \(c\) и \(\lambda\) или \(L\): \(c\) используется при изменении температуры, \(\lambda\) — при плавлении, \(L\) — при парообразовании. Не подставляйте массу в граммах без перевода в килограммы. При охлаждении и кристаллизации тепло отдаётся, поэтому в энергетическом балансе его знак отрицателен. Испарение возможно при любой температуре, а кипение происходит во всём объёме жидкости при определённой температуре.
Энергия и график теплового процесса
На графике нагревания горизонтальный участок означает фазовый переход: подвод энергии продолжается, но температура постоянна. Наклонные участки соответствуют нагреванию или охлаждению в одном агрегатном состоянии. Подробнее читать такой график помогает страница график нагревания и охлаждения.
Фазовый переход может быть обратимым: плавлению соответствует кристаллизация, а испарению — конденсация. В состоянии равновесия оба противоположных процесса могут идти одновременно с одинаковыми средними скоростями; это разобрано на странице фазовое равновесие.
- Плавление и испарение требуют подвода энергии.
- Кристаллизация и конденсация сопровождаются выделением энергии.
- При фазовом переходе чистого вещества температура постоянна.
- Для последовательных этапов теплового процесса теплоты складываются.
Быстрая проверка
Главное
- Фазовые переходы изменяют агрегатное состояние вещества и сопровождаются обменом энергией.
- При плавлении и кристаллизации используют \(Q=\lambda m\); при парообразовании и конденсации — \(Q=Lm\).
- При изменении температуры используют \(Q=cm\Delta t\). Для нескольких этапов теплоты складывают.
- Во время фазового перехода чистого вещества при постоянном давлении температура не изменяется.
- Испарение происходит с поверхности при любой температуре, а конденсация является обратным процессом.