Фазовые переходы
Фазовый переход — это изменение агрегатного состояния вещества: например, превращение льда в воду или воды в пар. При таких переходах меняется расположение и характер движения частиц, а энергия вещества расходуется не только на изменение температуры, но и на перестройку связей между частицами.
Что такое фазовые переходы
Вещество может находиться в твёрдом, жидком или газообразном состоянии. Их признаки разобраны на странице агрегатные состояния. При фазовом переходе вещество обычно сохраняет свой химический состав, но изменяет физические свойства: форму, объём, плотность, подвижность частиц.
| Переход | Из какого состояния в какое | Поглощается или выделяется теплота |
|---|---|---|
| Плавление | твёрдое → жидкое | поглощается |
| Кристаллизация | жидкое → твёрдое | выделяется |
| Парообразование | жидкое → газообразное | поглощается |
| Конденсация | газообразное → жидкое | выделяется |
| Сублимация | твёрдое → газообразное | поглощается |
| Десублимация | газообразное → твёрдое | выделяется |
Фазовый переход — превращение вещества из одного агрегатного состояния в другое, сопровождающееся изменением внутренней энергии и обычно изменением объёма и плотности.
При переходе в более свободное состояние — из твёрдого в жидкое или из жидкого в газообразное — вещество поглощает энергию. При обратном переходе энергия выделяется.
Плавление и кристаллизация
Плавление и кристаллизация — взаимно обратные процессы. Плавление происходит, когда твёрдое тело нагрето до температуры плавления. Для данного вещества при определённом давлении эта температура постоянна. Во время плавления подводимая теплота расходуется на разрушение упорядоченной структуры кристалла, поэтому температура идеального кристаллического вещества не растёт до полного расплавления.
Здесь \(Q\) — количество теплоты, необходимое для плавления, \(m\) — масса тела, а \(\lambda\) — удельная теплота плавления. В СИ \(Q\) измеряется в джоулях, \(m\) — в килограммах, \(\lambda\) — в джоулях на килограмм.
Удельная теплота плавления \(\lambda\) — количество теплоты, необходимое для плавления 1 кг вещества, взятого при температуре плавления, без изменения температуры.
Если жидкость охлаждается до температуры кристаллизации, а затем затвердевает, выделяется такое же количество теплоты по модулю:
На графике нагревания участок плавления имеет вид горизонтальной площадки: время идёт, энергия поступает, но температура остаётся постоянной. После полного плавления температура жидкости снова начинает повышаться.
Парообразование и конденсация
Парообразование — переход жидкости в газ. Оно бывает двух видов: испарение и кипение. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре, а его скорость увеличивается при повышении температуры, увеличении площади поверхности, движении воздуха и уменьшении влажности воздуха.
Кипение происходит во всём объёме жидкости. При кипении внутри жидкости образуются пузырьки пара, которые всплывают и лопаются на поверхности. Кипение начинается при температуре кипения, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. Поэтому при уменьшении внешнего давления температура кипения снижается, а при увеличении давления повышается.
В этой формуле \(L\) — удельная теплота парообразования. Она показывает, сколько теплоты нужно сообщить 1 кг жидкости при температуре кипения, чтобы превратить её в пар без изменения температуры.
Удельная теплота парообразования \(L\) — количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар при постоянной температуре кипения.
При конденсации пара в жидкость выделяется количество теплоты \(Q=Lm\). Если пар сначала охлаждается, а затем конденсируется, процессы рассматривают отдельно: сначала используют формулу нагревания или охлаждения, затем формулу конденсации.
Что происходит с температурой чистого кристаллического вещества во время плавления при постоянном давлении?
Энергетические расчёты при фазовых переходах
В задачах важно определить, какие этапы проходит тело. Если твёрдое тело сначала нагревают до температуры плавления, а потом плавят, количество теплоты складывается из двух частей. Для нагревания используют формулу \(Q=cm\Delta t\), а для плавления — формулу \(Q=\lambda m\).
Если жидкость сначала нагревают до температуры кипения, а затем превращают в пар, используют выражение:
Здесь \(c\) — удельная теплоёмкость, \(t_0\) — начальная температура, \(t_{\text{пл}}\) — температура плавления, \(t_{\text{кип}}\) — температура кипения. Если часть энергии теряется, полезное количество теплоты умножают на КПД: \(Q_{\text{пол}}=\eta Q_{\text{зат}}\).
Сколько теплоты нужно, чтобы расплавить 2 кг льда, взятого при температуре \(-10\ ^\circ\text{C}\)? Пусть \(c=2100\ \text{Дж/(кг·}^\circ\text{C)}\), \(\lambda=3{,}3\cdot10^5\ \text{Дж/кг}\), температура плавления льда \(0\ ^\circ\text{C}\).
Сначала составьте цепочку состояний: начальное состояние → нагревание или охлаждение → температура перехода → сам фазовый переход. Для каждого этапа запишите отдельную формулу, затем сложите результаты.
Как читать график фазовых переходов
На графике зависимости температуры от времени наклонный участок означает нагревание или охлаждение: температура изменяется. Горизонтальный участок означает фазовый переход при постоянной температуре. По длине горизонтального участка нельзя непосредственно сравнивать количества теплоты без учёта мощности нагревателя: при постоянной мощности большее время означает больше энергии.
1. Не путайте \(c\) и \(\lambda\) или \(L\): \(c\) относится к изменению температуры, а \(\lambda\) и \(L\) — к фазовому переходу. 2. Не используйте \(Q=\lambda m\), если тело ещё не нагрето до температуры плавления. 3. При испарении температура жидкости не обязана быть равна температуре кипения. 4. Массу в формулах переводите в килограммы. 5. При обратном переходе энергия выделяется, но в расчётах количество теплоты обычно записывают положительным числом и указывают направление передачи энергии словами.
Плавление и парообразование требуют подвода энергии: \(Q=\lambda m\) и \(Q=Lm\). Кристаллизация и конденсация сопровождаются выделением такой же энергии по модулю.
Связь с тепловыми расчётами
В более сложных задачах фазовый переход входит в уравнение теплового баланса. Например, горячее тело может отдать энергию, чтобы нагреть холодное тело и расплавить лёд. Для измерения переданной теплоты применяют калориметр, а саму энергию плавления находят с использованием теплоты плавления. При задачах о влажном воздухе полезны страницы насыщенный пар и влажность воздуха.
Быстрая проверка
Главное
- Фазовые переходы изменяют агрегатное состояние вещества и его внутреннюю энергию.
- Для плавления используют \(Q=\lambda m\), для парообразования — \(Q=Lm\).
- Во время плавления и кипения чистого вещества при постоянном давлении температура не изменяется до завершения перехода.
- Испарение идёт с поверхности при любой температуре, а кипение — во всём объёме при температуре кипения.
- В составной задаче разбивайте процесс на этапы и складывайте количества теплоты.