Back to the topics list

изменение состояния материи

Есть три состояния / фазы вещества, а именно твердое, жидкое и газообразное. Одно и то же вещество может существовать во всех трех фазах при различных условиях температуры и давления. Например, лед (твердое) при 0° при нагревании становится водой (жидкостью) при 0°С, которая при дальнейшем нагревании переходит в пар (газ) при 100°С. Таким образом, при одном атмосферном давлении вода находится во всех трех фазах при разных температурах.

Процесс перехода из одного состояния в другое при постоянной температуре называется фазовым переходом . Приводится за счет теплообмена.
Переход из твердой фазы в жидкую называется плавлением , а обратный переход из жидкой фазы в твердую называется замерзанием. Переход из жидкости в пар называется испарением, а обратный переход из газа в жидкость называется конденсацией (или сжижением). Прямое превращение твердого вещества в пар называется сублимацией , а обратное превращение из пара в твердое — осаждением.

ПЛАВЛЕНИЕ И ЗАМОРАЖИВАНИЕ

Переход твердой фазы в жидкую за счет поглощения тепла при постоянной температуре называется плавлением. постоянная температура, при которой твердое вещество переходит в жидкое, называется температурой плавления твердого тела. Обратный переход жидкой фазы в твердую с выделением теплоты при постоянной температуре называется замерзанием, а температура, при которой жидкость замерзает в твердое, называется температурой ее замерзания. Тепловая энергия поглощается при плавлении и отдается при замораживании при постоянной температуре.

Кривая нагрева льда при таянии

Посмотрите на график выше. Температура льда остается постоянной, равной 0 °С, на участке АВ до тех пор, пока не растает весь лед. Подведенное за это время тепло используется для таяния льда. После этого температура воды, образующейся при таянии льда, начинает повышаться от 0 °С (часть до н.э.).

ИСПАРЕНИЕ ИЛИ КИПЕНИЕ

Переход жидкого состояния в газообразное (или парообразное) при поглощении тепла при постоянной температуре называется испарением. Конкретная температура, при которой происходит испарение, называется температурой кипения жидкости. Точно так же переход от пара к жидкой фазе с выделением тепла при постоянной температуре называется конденсацией, а конкретная температура, при которой происходит конденсация, называется точкой конденсации пара.
Тепловая энергия поглощается при постоянной температуре при испарении, тогда как такое же количество тепловой энергии выделяется при конденсации при той же температуре для той же массы вещества.

Кривая нагрева воды

В точке А вода имеет комнатную температуру (20°С), а затем с поглощением тепловой энергии температура воды непрерывно повышается в части АВ, где она находится в жидком состоянии. В точке B начинается кипение, и температура не повышается дальше в части BC, тепловая энергия непрерывно поглощается и представляет собой кипение воды, где B является точкой кипения воды.

Почему мы добавляем соль при приготовлении бобовых? Это основано на том, что добавление примесей повышает температуру кипения воды. Мы добавляем соль во время приготовления бобовых, таким образом, вода передает достаточное количество тепловой энергии своему содержимому перед кипением, поэтому приготовление становится проще и быстрее. Почему в горах готовится еда дольше, чем на равнинах? Это основано на том факте, что температура кипения снижается при понижении давления. На больших высотах, таких как холмы или горы, атмосферное давление низкое, поэтому в этих местах вода кипит при температуре ниже 100 °С и поэтому не дает необходимой тепловой энергии своему содержанию для приготовления пищи. Таким образом, приготовление пищи в таких местах занимает гораздо больше времени.

СКРЫТАЯ ТЕПЛОПРОМЫШЛЕННОСТЬ И УДЕЛЬНАЯ СКРЫТАЯ ТЕПЛОПРОМЫШЛЕННОСТЬ

При фазовом переходе вещества, происходящем при постоянной температуре, поглощается или выделяется значительное количество тепловой энергии.   Поскольку тепловая энергия, поглощаемая или выделяемая при фазовом переходе, внешне не проявляется ни в каком повышении или понижении температуры, ее называют скрытой теплотой.
Скрытая теплота, выраженная для единицы массы вещества, называется удельной скрытой теплотой и обозначается символом L.

Единицей удельной скрытой теплоты в системе СИ является Дж кг ^-1 , другими распространенными единицами измерения являются кал г ^-1 .
1 кал г ^-1 = 4,2 × 10 ³ Дж кг ^-1

Теплота плавления — это тепловая энергия, которая должна быть отведена для затвердевания определенной массы или количества жидкости или добавлена для расплавления определенной массы или количества твердого вещества. Ее также называют скрытой теплотой плавления. Скрытая теплота парообразования — это тепло, потребляемое или выделяемое при распаде вещества, переходя из жидкого состояния в газообразное при постоянной температуре.
Удельная скрытая теплота плавления льда — это тепловая энергия, необходимая для плавления единицы массы льда при 0°С до воды при 0°С без изменения температуры. Удельная скрытая теплота замерзания льда - это тепловая энергия, выделяющаяся/выделяющаяся при замерзании единицы массы воды при 0 °C до льда при 0 °C без какого-либо изменения температуры. Для льда удельная скрытая теплота плавления составляет 336000 Дж·кг ^-1 , что означает, что 1 кг льда при 0°C поглощает 336000 Дж тепловой энергии для преобразования в воду при 0°C. Для парообразования это количество тепла (540 кал ^/ г), которое, как ожидается, преобразуется при превращении 1 г воды в 1 г водяного пара. Аналогичное количество теплоты выделяется в ступенчатом движении при нагревании 1 г водяного пара до 1 г воды.

Объяснение скрытой теплоты плавления на основе кинетической модели
Согласно кинетической модели, молекулы в твердом теле колеблются вокруг своего среднего положения. Полная энергия молекулы представляет собой сумму кинетической энергии (которая зависит от температуры) из-за ее движения и ее потенциальной энергии (которая зависит от силы притяжения между молекулами и расстояния между ними). Когда твердое тело превращается в жидкость без изменения температуры, средняя кинетика молекул не изменяется, но расстояние между молекулами в среднем увеличивается. Некоторая энергия требуется для увеличения расстояния против сил притяжения между молекулами (т. е. для увеличения потенциальной энергии молекул). Таким образом, тепловая энергия, поступающая при плавлении, расходуется только на увеличение потенциальной энергии молекул и называется скрытой теплотой плавления.

Примеры

• Снег в горах сразу не тает: Причина в том, что лед имеет большую удельную теплоту плавления (336000 Дж ^/кг ). Он медленно превращается в воду, получая тепловую энергию от солнца. Если бы скрытая теплота была низкой, весь снег растаял бы за короткое время под действием солнечного тепла и были бы разливы рек.
• В холодных странах вода в озерах и прудах не замерзает сразу: Причина в том, что удельная скрытая теплота плавления льда достаточно велика, из-за чего вода в озерах и прудах должна будет выделять большое количество тепла для окружающее перед замерзанием. Слой льда, образующийся над поверхностью воды, являясь плохим проводником тепла, также будет препятствовать потере тепла водой озера, поэтому она не замерзнет сразу.
• Напитки охлаждаются быстрее при добавлении кусочка льда, чем ледяная вода при 0 °C: это связано с тем, что 1 грамм льда при 0 °C требует 336 Дж тепловой энергии от напитка, чтобы растворить его в воде при 0 °C. С. При этом напитки выделяют дополнительно 336 Дж тепловой энергии на 1 грамм льда при 0 °С, чем на 1 грамм ледяной воды при 0 °С.

• Потоотделение вызывает охлаждение. Потоотделение — это жизненно важная функция организма, которая помогает регулировать температуру тела. Когда погода жаркая или температура вашего тела повышается из-за физических упражнений или лихорадки, пот выделяется через протоки в вашей коже. Содержит 90% воды. Капли пота, присутствующие на вашем теле, используют тепло тела для фазового перехода из жидкости в пар. Это приводит к охлаждающему эффекту, который помогает поддерживать температуру тела и охлаждает тело.
• Всегда будьте осторожны, открывая крышку кастрюли, когда вода в ней кипит: вода имеет большую удельную скрытую теплоту парообразования. При конденсации пара на коже руки выделяется очень большое количество скрытого тепла, что вызывает серьезные ожоги.

Вопрос 1: Какое количество тепловой энергии потребуется, чтобы растопить 10 кг льда? (Удельная скрытая теплоемкость льда = 336 Дж г ^-1 )
Решение: m = 10 кг, L = 336 Дж г ^-1
Требуемая тепловая энергия = мл = 10000 × 336 = 3360000 Дж

Вопрос 2: Температуру 250 граммов воды при 40 °С понизили до 0 °С, добавив в нее лед. Найдите массу добавленного льда. (Удельная скрытая теплоемкость льда 336 Дж·г ^-1 , а удельная теплоемкость воды 4,2 Дж·г ^-1 ·К ^-1 ).
Решение: Тепловая энергия, потерянная водой = тепловая энергия, полученная льдом.
Падение температуры составляет 40 − 0 = 40 °C.
Потери тепла водой = m⋅c⋅Δt = 250 × 4,2 × 40 = 42000 Дж
Тепло, полученное льдом = 42000 = масса льда × 336 ⇒ масса льда = 42000 ∕ 336 = 125 г.

Вопрос 3: 10125 Дж тепловой энергии выкипает из 4,5 г воды при 100°С в пар при 100°С, найдите скрытую теплоту пара в единицах СИ.
Решение: Скрытая теплота пара L = 10125 Дж/(4,5× ^10-3 ) кг = 2250× ¹⁰³ Дж/кг