Агрегатные превращения

Зачем это нужно

Лёд тает, вода кипит, лужи высыхают, на траве появляется роса, металл плавят и отливают в формы. Все эти процессы — переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое. Почему лёд при таянии не нагревается выше 0 °C, пока не растает весь? Почему после купания холодно на ветру? Почему ожог паром опаснее ожога кипятком? Знание агрегатных превращений нужно в металлургии, холодильной технике, метеорологии, медицине и кулинарии.

Плавление и кристаллизация

Плавление — переход вещества из твёрдого состояния в жидкое. Кристаллизация (отвердевание) — обратный переход.

• Кристаллические тела плавятся при определённой температуре плавления: лёд — 0 °C, олово — 232 °C, свинец — 327 °C, железо — 1539 °C. Кристаллизация идёт при той же температуре.
• Во время плавления температура не меняется: вся подводимая энергия идёт на разрушение кристаллической решётки.
• Аморфные тела (стекло, воск, пластилин) определённой температуры плавления не имеют — они размягчаются постепенно.

Удельная теплота плавления $\lambda$ — количество теплоты, необходимое, чтобы расплавить 1 кг вещества, взятого при температуре плавления:

$Q = \lambda m.$

Для льда $\lambda = 3{,}4 \cdot 10^5$ Дж/кг. При кристаллизации выделяется такое же количество теплоты.

Испарение и конденсация

Парообразование — переход из жидкого состояния в газообразное. Оно происходит двумя способами: испарением и кипением.

Испарение — парообразование с поверхности жидкости при любой температуре. Его скорость растёт:

• при повышении температуры;
• при увеличении площади поверхности;
• при наличии ветра (уносит пар);
• зависит от рода жидкости (спирт испаряется быстрее воды).

При испарении жидкость охлаждается: её покидают самые быстрые молекулы. Поэтому после купания на ветру холодно, а в жару мы потеем.

Конденсация — переход пара в жидкость; при этом энергия выделяется. Так образуются роса, туман, облака.

Кипение

Кипение — интенсивное парообразование по всему объёму жидкости: внутри образуются пузырьки пара, которые поднимаются и лопаются.

• Кипение происходит при определённой температуре кипения, которая зависит от внешнего давления: при нормальном давлении вода кипит при 100 °C, в горах — ниже (на Эльбрусе около 82 °C), в скороварке — выше.
• Во время кипения температура не меняется.

Удельная теплота парообразования $L$ — количество теплоты, необходимое, чтобы обратить в пар 1 кг жидкости при температуре кипения:

$Q = L m.$

Для воды $L = 2{,}3 \cdot 10^6$ Дж/кг — почти в 7 раз больше, чем теплота плавления льда. Поэтому ожог паром опаснее: при конденсации на коже пар отдаёт огромную энергию.

График нагревания

На горизонтальных участках вещество получает энергию, но температура не растёт: энергия идёт на изменение агрегатного состояния.

Разобранный пример 1

Сколько теплоты нужно, чтобы расплавить 2 кг льда, взятого при 0 °C?

$Q = 3{,}4 \cdot 10^5 \cdot 2 = 6{,}8 \cdot 10^5$ Дж $= 680$ кДж.

Разобранный пример 2

Сколько теплоты нужно, чтобы 0,5 кг льда при −10 °C превратить в воду при 20 °C? Удельная теплоёмкость льда 2100 Дж/(кг·°C).

1. Нагрев льда до 0 °C: $2100 \cdot 0{,}5 \cdot 10 = 10\,500$ Дж.
2. Плавление: $3{,}4 \cdot 10^5 \cdot 0{,}5 = 170\,000$ Дж.
3. Нагрев воды до 20 °C: $4200 \cdot 0{,}5 \cdot 20 = 42\,000$ Дж.
4. Всего: $222\,500$ Дж $\approx 223$ кДж.

Разобранный пример 3

Сколько теплоты выделится при конденсации 200 г водяного пара при 100 °C?

$Q = 2{,}3 \cdot 10^6 \cdot 0{,}2 = 4{,}6 \cdot 10^5$ Дж $= 460$ кДж.

Где используют агрегатные превращения

• Холодильник. Внутри трубок испаряется специальная жидкость (хладагент); испаряясь, она отбирает энергию у продуктов. Снаружи, в решётке на задней стенке, пар конденсируется и отдаёт эту энергию воздуху комнаты.
• Литьё металлов. Металл расплавляют, заливают в форму, и при кристаллизации он принимает её очертания. Так делают колокола, детали двигателей, памятники.
• Погода. Испарение воды с поверхности океанов и её конденсация в облаках переносят огромную энергию — это «двигатель» циклонов и гроз.
• Медицина и быт. Влажный компресс снижает температуру, а глиняный кувшин сохраняет воду прохладной: вода просачивается через поры и испаряется с поверхности.

Типичные ошибки

• Считать, что во время плавления или кипения температура растёт.
• Применять $Q = \lambda m$ к телу, которое ещё не нагрето до температуры плавления: сначала нужно рассчитать нагрев.
• Путать испарение (с поверхности, при любой температуре) и кипение (по всему объёму, при определённой температуре).
• Забывать, что при конденсации и кристаллизации энергия выделяется.
• Считать, что температура кипения воды всегда 100 °C — она зависит от давления.

Что дальше

• Влажность воздуха. Тепловые двигатели — влажность воздуха и тепловые двигатели.