Back to the topics list

зміна стану речовини

Існує три стани/фази речовини, а саме твердий, рідкий і газоподібний. Та сама речовина може існувати у всіх трьох фазах за різних умов температури та тиску. Наприклад, лід (твердий) при 0 ° при нагріванні стає водою (рідиною) при 0 ° C, яка при подальшому нагріванні перетворюється на пару (газ) при 100 ° C. Таким чином, при одному атмосферному тиску вода знаходиться у всіх трьох фазах при різних температурах.

Процес переходу з одного стану в інший при постійній температурі називається зміною фази . Приноситься за рахунок теплообміну.
Перехід від твердої фази до рідкої фази відомий як плавлення , тоді як перехід від рідкої до твердої фази називається замерзанням. Перехід від рідини до пари відомий як випаровування, тоді як зворотний перехід від газу до рідини називається конденсацією (або зрідженням). Прямий перехід від твердої речовини до пари називається сублімацією , а зворотний перехід від пари до твердої речовини називається осадженням.

ПЛАВЛЕННЯ ТА ЗАМОРОЖУВАННЯ

Перехід твердої фази в рідку шляхом поглинання тепла при постійній температурі називається плавленням. The Постійна температура, при якій тверда речовина перетворюється на рідку, називається температурою плавлення твердої речовини. Зворотний перехід з рідкої фази в тверду з виділенням тепла при постійній температурі називається замерзанням, а температура, при якій рідина замерзає в тверду, називається температурою замерзання. Під час плавлення теплова енергія поглинається, а під час заморожування при постійній температурі відводиться.

Крива нагрівання льоду при таненні

Подивіться на графік вище. Температура льоду залишається постійною і дорівнює 0 °С у частині АВ, доки весь лід не розтане. Тепло, що надходить за цей час, використовується для розтоплення льоду. Після цього температура води, утвореної таненням льоду, починає зростати від 0 °C (частина до н. е.).

ВИПАРУВАННЯ АБО КИПІННЯ

Перехід від рідкої до газової (або пароподібної) фази в результаті поглинання тепла при постійній температурі називається пароутворенням. Конкретна температура, при якій відбувається пароутворення, називається температурою кипіння рідини. Подібним чином перехід від пароподібної до рідкої фази при виділенні тепла при постійній температурі називається конденсацією, а конкретна температура, при якій відбувається конденсація, називається точкою конденсації пари.
Теплова енергія поглинається при постійній температурі під час пароутворення, тоді як така ж кількість теплової енергії виділяється під час конденсації при цій температурі для тієї самої маси речовини.

Крива нагрівання води

У точці А вода має кімнатну температуру (20°C), а потім із поглинанням теплової енергії температура води постійно підвищується в частині AB, де вона перебуває в рідкому стані. У точці B починається кипіння, і температура далі не підвищується в частині BC, теплова енергія безперервно поглинається і являє собою кипіння води, оскільки B є точкою кипіння води.

Чому ми додаємо сіль під час приготування бобових? Це засновано на тому, що додавання домішок підвищує температуру кипіння води. Ми додаємо сіль під час варіння бобових, таким чином вода забезпечує достатньо теплової енергії для свого вмісту перед закипанням, тому приготування стає легшим і швидшим. Чому на пагорбах приготування їжі займає більше часу, ніж на рівнині? Це засновано на тому, що температура кипіння знижується зі зниженням тиску. На великих висотах, таких як пагорби чи гори, атмосферний тиск низький, тому в цих місцях вода кипить при температурі нижче 100 °C, тому вона не забезпечує необхідну теплову енергію своєму вмісту для приготування їжі. Тому приготування в таких місцях займає набагато більше часу.

ПРИХОВАНА ТЕПЛОТА ТА ПИТОМА ПРИХОВАНА ТЕПЛОТА

Під час зміни фази речовини, що відбувається при постійній температурі, поглинається або виділяється значна кількість теплової енергії.   Оскільки теплова енергія, поглинена або вивільнена при зміні фази, не проявляється ззовні будь-яким підвищенням або зниженням температури, її називають прихованою теплотою.
Прихована теплота, виражена через одиницю маси речовини, називається питомою прихованою теплотою і позначається символом L.

Одиницею СІ питомої прихованої теплоти є Дж кг ^-1 , іншими поширеними одиницями є кал г ^-1 .
1 кал г ^-1 = 4,2 × 10 ³ Дж кг ^-1

Теплота плавлення — це теплова енергія, яку потрібно відібрати, щоб затвердіти певна маса чи кількість рідини, або додати, щоб розплавити певну масу чи кількість твердої речовини. Її також називають прихованою теплотою плавлення. Прихована теплота випаровування — це тепло, яке споживається або виділяється, коли речовина розпадається, змінюючи стан із рідкого стану на газоподібний при постійній температурі.
Питома прихована теплота плавлення льоду — це теплова енергія, необхідна для розплавлення одиниці маси льоду при 0 °C до води при 0 °C без будь-яких змін температури. Питома прихована теплота замерзання льоду - це теплова енергія, що виділяється, коли одиниця маси води при 0 °C замерзає в лід при 0 °C без будь-якої зміни температури. Для льоду питома прихована теплота плавлення становить 336000 Дж кг ^-1 , що означає, що 1 кг льоду при 0 °C поглинає 336000 Дж теплової енергії для перетворення у воду при 0 °C. Для випаровування це кількість тепла (540 кал г ⁻¹ ), яка, як очікується, змінить 1 г води на 1 г водяного диму. Подібна кількість тепла виділяється під час переміщення ступіні під час накопичення 1 г водяного диму на 1 г води.

Пояснення прихованої теплоти плавлення на основі кінетичної моделі
Відповідно до кінетичної моделі, молекули в твердому тілі вібрують навколо свого середнього положення. Повна енергія молекули — це сума кінетичної енергії (яка залежить від температури), зумовленої її рухом, і її потенціальної енергії (яка залежить від сили притягання між молекулами та відстані між ними). Коли тверда речовина перетворюється на рідину без зміни температури, середня кінетика молекул не змінюється, але відстань між молекулами в середньому збільшується. Для збільшення відстані проти сил притягання між молекулами (тобто для збільшення потенційної енергії молекул) потрібна певна енергія. Таким чином, теплова енергія, що надходить під час плавлення, використовується лише для збільшення потенціальної енергії молекул і називається прихованою теплотою плавлення.

Приклади

• Сніг у горах не тане відразу: причина в тому, що лід має високу питому приховану теплоту плавлення (336000 Дж кг ^-1 ). Він повільно перетворюється на воду, оскільки отримує теплову енергію від сонця. Якби приховане тепло було низьким, весь сніг розтанув би за короткий час, отримуючи тепло від сонця, і в річках були б повені.
• У холодних країнах вода в озерах і ставках не замерзає відразу: причина в тому, що питома прихована теплота плавлення льоду досить висока, через що вода в озерах і ставках повинна буде виділяти велику кількість тепла, щоб навколишнє середовище перед замерзанням. Шар льоду, який утворюється над поверхнею води, є поганим провідником тепла, також запобігає втраті тепла з води в озері, тому воно не замерзає все відразу.
• Напої охолоджуються швидше, додавши шматочок льоду, ніж крижана вода при 0 °C: Це пояснюється тим, що 1 грам льоду при 0 °C потребує 336 Дж теплової енергії від напою, щоб розчинитися у воді при 0 °C. C. При цьому напої виділяють додатково 336 Дж теплової енергії на 1 грам льоду при 0 °C, ніж на 1 грам крижаної води при 0 °C.

• Потовиділення спричиняє охолодження: потовиділення – це важлива функція організму, яка допомагає регулювати температуру тіла. Коли погода спекотна або температура тіла підвищується через фізичні вправи чи лихоманку, піт виділяється через протоки у вашій шкірі. Він містить 90% води. Краплі поту, присутні на вашому тілі, використовують тепло тіла для фазового переходу від рідини до пари. Це призводить до ефекту охолодження, який допомагає підтримувати температуру тіла та охолоджує тіло.
• Завжди будьте обережні, відкриваючи кришку каструлі, коли вода в ній кипить: вода має велику питому приховану теплоту випаровування. Коли пара конденсується на шкірі вашої руки, виділяється дуже велика кількість прихованого тепла, що викликає серйозні опіки.

Запитання 1: Скільки теплової енергії потрібно, щоб розплавити 10 кг льоду? (Питома прихована теплота льоду = 336 Дж г ^-1 )
Розв’язання: m = 10 кг, L = 336 Дж г ^-1
Необхідна теплова енергія = мл = 10000 × 336 = 3360000 Дж

Запитання 2: Температуру 250 грамів води при 40 °C знижують до 0 °C, додавши до неї лід. Знайдіть масу доданого льоду. (Питома прихована теплота льоду становить 336 Дж г ^-1 , а питома теплоємність води 4,2 Дж г ^-1 К ^-1 )
Розв’язання: Теплова енергія, яку втрачає вода, = теплова енергія, отримана льодом
Зниження температури становить 40 − 0 = 40 °C.
Тепло, що втрачається водою = m⋅c⋅Δt = 250 × 4,2 × 40 = 42000 Дж
Тепло, отримане льодом = 42000 = маса льоду × 336 ⇒ маса льоду = 42000 ∕ 336 = 125 г

Запитання 3: 10125 Дж теплової енергії википає з 4,5 г води при 100°c до пари при 100°c, знайдіть приховану теплоту пари в одиницях СІ.
Рішення: прихована теплота пари L = 10125 Дж ∕ (4,5 × 10 ^-3 ) кг = 2250 × 10 ³ Дж ∕ кг