График тепловых процессов
График теплового процесса показывает, как изменяется температура тела со временем или при передаче ему энергии. По наклону участков определяют нагревание и охлаждение, а по горизонтальным участкам — фазовые переходы: плавление, кристаллизацию, кипение или конденсацию.
Как устроен график теплового процесса
Обычно по горизонтальной оси откладывают время \(t\), а по вертикальной — температуру \(T\). Иногда вместо времени используют количество переданной теплоты \(Q\). Важно сначала прочитать подписи осей и единицы измерения: секунды, минуты, градусы Цельсия или джоули.
Температурный график — зависимость температуры тела от времени или количества полученной теплоты. Наклонный участок означает изменение температуры, горизонтальный участок — постоянную температуру в течение некоторого времени.
Нагревание и охлаждение
Если график поднимается слева направо, температура увеличивается: тело нагревается. Если график опускается, температура уменьшается: тело охлаждается. Чем круче наклон при одинаковых осях, тем быстрее изменяется температура.
На участке нагревания полученная энергия увеличивает внутреннюю энергию тела. Для расчёта количества теплоты используют материал страницы количестве теплоты. При охлаждении тело отдаёт энергию окружающей среде, поэтому изменение температуры берут со знаком минус или рассматривают модуль отданной теплоты.
Здесь \(Q\) — количество теплоты, \(c\) — удельная теплоёмкость вещества, \(m\) — масса, а \(\Delta T = T_2-T_1\) — изменение температуры. Если масса и вещество постоянны, то большее количество теплоты вызывает большее изменение температуры.
Время идёт слева направо. Подъём графика означает нагревание, спуск — охлаждение, горизонтальный участок — постоянную температуру. Наклон нельзя сравнивать без учёта масштаба обеих осей.
Что происходит на участке графика, который наклонён вниз слева направо?
Горизонтальный участок и фазовый переход
Горизонтальный участок означает, что температура не меняется, хотя тело получает или отдаёт энергию. Эта энергия расходуется не на увеличение средней кинетической энергии частиц, а на изменение их взаимного расположения и связей. Происходит фазовый переход.
При нагревании твёрдого вещества горизонтальный участок может соответствовать плавлению. При дальнейшем нагревании жидкости он может соответствовать кипению. При охлаждении газа горизонтальный участок соответствует конденсации, а при охлаждении жидкости — кристаллизации.
Фазовый переход — превращение вещества из одного агрегатного состояния в другое: из твёрдого в жидкое, из жидкого в газообразное и обратно. При постоянном давлении температура чистого вещества во время фазового перехода не изменяется.
Температура горизонтального участка — температура фазового перехода. Например, участок при \(100\,^{\circ}\mathrm{C}\) для воды при нормальном атмосферном давлении соответствует кипению. Участок при температуре плавления показывает плавление при нагревании или кристаллизацию при охлаждении.
Для плавления или кристаллизации используют удельную теплоту плавления \(\lambda\). Для парообразования и конденсации используют формулу с удельной теплотой парообразования: подробности приведены на странице удельной теплоте парообразования.
Здесь \(L\) — удельная теплота парообразования. При кипении жидкость получает теплоту, а при конденсации пар отдаёт такое же по модулю количество теплоты при той же массе и температуре перехода.
Горизонтальный участок не означает, что теплота не поступает. Энергия поступает или выделяется, но расходуется на фазовый переход. Поэтому температура остаётся постоянной.
Как определить состояние вещества по участкам
| Участок графика | Процесс при нагревании | Что происходит с веществом |
|---|---|---|
| Наклон вверх до горизонтального участка | Нагревание твёрдого тела или жидкости | Температура увеличивается |
| Горизонтальный участок после нагревания твёрдого тела | Плавление | Твёрдое и жидкое состояния существуют одновременно |
| Наклон вверх после плавления | Нагревание жидкости | Температура жидкости увеличивается |
| Горизонтальный участок после нагревания жидкости | Кипение | Жидкость и пар существуют одновременно |
| Наклон вниз | Охлаждение | Температура уменьшается |
| Горизонтальный участок при охлаждении | Конденсация или кристаллизация | Два агрегатных состояния превращаются друг в друга |
При плавлении часть вещества уже стала жидкостью, а часть ещё остаётся твёрдой. При кипении одновременно присутствуют жидкость и пар. Поэтому неверно называть всё вещество в этот момент только жидкостью или только газом.
Сначала определите оси и направление времени. Затем отметьте все вершины и горизонтальные отрезки. Для каждого наклонного участка укажите нагревание или охлаждение, а для горизонтального — фазовый переход и его температуру.
Разобранный пример
По графику нагревания вещества известно: от \(0\) до \(3\) минут температура выросла от \(20\,^{\circ}\mathrm{C}\) до \(80\,^{\circ}\mathrm{C}\); от \(3\) до \(7\) минут температура оставалась равной \(80\,^{\circ}\mathrm{C}\); затем до \(10\) минут температура снова возрастала до \(110\,^{\circ}\mathrm{C}\). Определим процессы на участках и найдём среднюю скорость нагревания на первом участке.
Показать Шешім Шешім
Первый участок — нагревание со средней скоростью \(20\,^{\circ}\mathrm{C}/\text{мин}\). Второй участок — фазовый переход при постоянной температуре \(80\,^{\circ}\mathrm{C}\). Третий участок — дальнейшее нагревание вещества после перехода.
Если по оси отложено количество теплоты
Иногда строят график \(T(Q)\): по горизонтали откладывают количество теплоты, полученное телом, а по вертикали — температуру. Смысл участков сохраняется: подъём температуры означает нагревание, горизонтальный отрезок — фазовый переход.
По длине горизонтального участка можно сравнивать количество теплоты, затраченное на переход. Чем больше этот отрезок по оси \(Q\), тем больше энергия перехода при выбранной массе. Если участок нагревания более пологий, для одинакового повышения температуры потребовалось больше теплоты; это связано с большей теплоёмкостью.
В задачах, где учитываются давление, объём и работа газа, полезно обратиться к страницам работе газа и первому закону термодинамики. Но для обычного чтения температурного графика достаточно определить направление наклона и наличие горизонтальных участков.
Пологий наклон не означает обязательно охлаждение, а крутой наклон — обязательно кипение. Направление наклона отвечает за нагревание или охлаждение, горизонтальность — за постоянство температуры и возможный фазовый переход.
Проверка перед решением тапсырмалар
- Прочитать названия и единицы осей.
- Тексеру, что время или количество теплоты увеличивается слева направо.
- Іздеу горизонтальные участки и записать их температуры.
- Для каждого наклонного участка назвать нагревание или охлаждение.
- Уточнить, какой фазовый переход возможен при данном направлении процесса.
- При необходимости вычислить \(\Delta T\), время участка или количество теплоты.
Жылдам тест
Главное
- Подъём графика означает нагревание, спуск — охлаждение.
- Горизонтальный участок при постоянном давлении показывает фазовый переход и постоянную температуру.
- Температура горизонтального участка — температура плавления, кристаллизации, кипения или конденсации.
- Для нагревания используют \(Q=cm\Delta T\), для плавления — \(Q=\lambda m\), для парообразования — \(Q=Lm\).
- Решая тапсырманы, сначала прочитайте оси, затем последовательно разберите каждый участок графика.