Изменение агрегатных состояний
⚡ Физика · 8 класс
Плавление, кристаллизация, испарение и кипение.
Изменение агрегатных состояний вещества
Вещество может находиться в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. При нагревании или охлаждении вещество переходит из одного состояния в другое. Эти переходы связаны с поглощением или выделением энергии и происходят при определённых температурах.
Плавление и кристаллизация
Плавление — переход вещества из твёрдого состояния в жидкое. Происходит при температуре плавления, которая у каждого вещества своя (у льда 0 °C). Во время плавления температура не меняется, хотя тело продолжают нагревать: вся энергия идёт на разрушение кристаллической решётки.
Кристаллизация (отвердевание) — обратный процесс: жидкость превращается в твёрдое тело. Она идёт при той же температуре, что и плавление, но энергия при этом выделяется.
Испарение и кипение
Испарение — переход жидкости в пар с её поверхности. Происходит при любой температуре: лужи высыхают и в прохладную погоду. Скорость испарения растёт с температурой, площадью поверхности и ветром.
Кипение — бурное парообразование во всём объёме жидкости при определённой температуре кипения (у воды 100 °C при нормальном давлении). Во время кипения температура жидкости не меняется, вся подводимая теплота идёт на образование пара.
Почему испарение охлаждает
При испарении жидкость покидают самые быстрые молекулы, поэтому средняя энергия оставшихся молекул уменьшается — жидкость остывает. Именно поэтому мы мёрзнем, выйдя мокрыми из воды, а вспотевшее тело охлаждается. Конденсация — обратный процесс, превращение пара в жидкость; при ней энергия, наоборот, выделяется. Так образуются роса, туман и капли на холодном стекле.
Удельная теплота плавления и парообразования
Чтобы расплавить тело, уже нагретое до температуры плавления, нужна дополнительная энергия. Удельная теплота плавления показывает, сколько теплоты нужно, чтобы расплавить 1 кг вещества без изменения температуры. Аналогично удельная теплота парообразования показывает, сколько теплоты требуется, чтобы превратить 1 кг жидкости в пар при температуре кипения.
| Процесс | Переход | Энергия |
|---|---|---|
| Плавление | твёрдое → жидкое | поглощается |
| Кристаллизация | жидкое → твёрдое | выделяется |
| Испарение / кипение | жидкое → газ | поглощается |
| Конденсация | газ → жидкое | выделяется |
Разбор схемы нагревания льда
1) лёд при −10 °C нагревают → температура растёт;
2) при 0 °C лёд плавится → температура стоит на месте;
3) вода нагревается от 0 до 100 °C → температура растёт;
4) при 100 °C вода кипит → температура снова стоит на месте.
На участках плавления и кипения вся теплота идёт на смену состояния.
Частые ошибки. Во время плавления и кипения температура НЕ растёт, хотя тело нагревают, — об этом часто забывают. Не путайте испарение и кипение: испарение идёт при любой температуре с поверхности, а кипение — при строго определённой во всём объёме.
Почему жидкость может остаться жидкой ниже точки замерзания
Школьная горизонтальная площадка на графике фазового перехода описывает равновесный процесс чистого вещества при заданном давлении. Но переходу нужно начаться. Для образования кристалла важен устойчивый зародыш новой фазы; примеси, стенки и уже существующие кристаллики могут облегчать его появление.
Переохлаждённая жидкость имеет температуру ниже равновесной температуры кристаллизации, но ещё не превратилась в твёрдое тело. Это метастабильное состояние: начало кристаллизации может вызвать быстрое образование части твёрдой фазы. Выделяющаяся энергия повышает температуру оставшейся жидкости, если теплообмен с окружением мал.
Учебный энергетический расчёт
В условной задаче 0,10 кг воды имеет температуру −2 °C. После начала кристаллизации часть воды замерзает и смесь нагревается до 0 °C. Считаем систему теплоизолированной, c = 4200 Дж/(кг·К), λ = 3,34·10⁵ Дж/кг. Для нагрева требуется Q ≈ mcΔT = 840 Дж. Это даёт массу образовавшегося льда mльда ≈ Q/λ ≈ 0,0025 кг, то есть около 2,5 г. Это приближённая учебная оценка, а не указание замораживать воду таким способом.
Перегрев
Перегретая жидкость остаётся жидкой выше равновесной температуры кипения при данном давлении. Возникновение пузырьков затруднено, пока нет подходящих центров парообразования. Резкое начало кипения может сопровождаться выбросом горячей жидкости. Не устраивайте такой опыт дома и не встряхивайте нагретый закрытый сосуд.
Не смешивайте перегрев с повышением температуры кипения из-за давления: в скороварке вода может быть выше 100 °C и при этом не быть перегретой относительно своей новой температуры кипения. Переохлаждение тоже не означает, что табличная температура «отменилась»: равновесное условие и задержка начала перехода — разные вещи.
Справочные материалы: Изменение агрегатных состояний вещества — исходная тема. Связанные уроки: Основы молекулярно-кинетической теории, Что такое влажность воздуха.
Кратко о главном
- Вещество бывает в трёх состояниях: твёрдом, жидком, газообразном.
- Плавление и кристаллизация идут при температуре плавления.
- В простой равновесной модели чистого вещества при постоянном давлении температура фазового перехода остаётся постоянной; вне этих условий нужны оговорки.
- Испарение идёт при любой температуре, кипение — при температуре кипения.
- При переходе в более «свободное» состояние энергия поглощается, при обратном — выделяется.