Все мы знаем из школьного курса физики, что при изменении веществом своего агрегатного состояния происходит фазовый переход. Вещество в твёрдом состоянии может напрямую перейти в газообразное. Например, когда температура сухого льда (твёрдого диоксида углерода, CO2) повышается, он превращается в газ. Этот процесс называется сублимацией или возгонкой.
Но чаще происходят другие процессы. К примеру, когда вода замерзает, из жидкого состояния она переходит в твёрдое (кристаллизация). Когда камни плавятся в лаве, из твёрдого вещества они превращаются в жидкость (плавление). Когда вода закипает в чайнике, из жидкости она становится газом (испарение и кипение). Пока рассматриваемое вещество при подведении или отведении дополнительного тепла переходит в новое состояние – жидкое, твёрдое или газообразное, температура не меняется. Почему так происходит?
| Краткий ответ. Потому что вся поступающая тепловая энергия идет на разрушение связей между молекулами вещества (в случае плавления — на разрушение кристаллической решетки, в случае кипения — на преодоление молекулами сил межмолекулярного притяжение и вылет за пределы жидкости). Наоборот, при обратных фазовых переходах (конденсации и кристаллизации) температура не уменьшается, потому что происходит образование связей между молекулами вещества. |
Подробное объяснение почему при плавлении температура не меняется
Представьте, что вы спокойно пьёте лимонад (который имеет примерно ту же теплоёмкость, что и обычная вода). В этом лимонаде плавают кусочки льда. Температура этой наполовину лимонадной, наполовину ледяной смеси находится вблизи нуля градусов по Цельсию. Пока вы держите в ладонях стакан и наблюдаете за происходящим в нём процессом, лёд начинает таять, однако содержимое ёмкости не нагревается, пока весь лёд в ней не растает.
Вопрос. Почему при плавлении температура не меняется? Тепловая энергия, поступающая из окружающей среды, плавит лёд, не нагревая смесь в целом. Делает ли это уравнение для расчёта количества теплоты (
, где 
— количество теплоты, 
— масса образца, 
— изменение температуры) бесполезным? Вовсе нет – это лишь означает, что оно неприменимо к фазовому переходу.
Можно построить график зависимости температуры вещества 
от количества переданной теплоты . К примеру, на Рис. 1 представлен график фазовых переходов льда, взятого из морозильной камеры. Участок 
соответствует нагреванию льда, участок 
— плавлению льда, участок 
— нагреванию получившейся воды, участок 
— кипению воды, участок 
— нагреванию полученного пара.
Рис. 1. График фазовых переходов H20.
Как видно, кривая обычно возрастает, то есть увеличение теплоты приводит к возрастанию температуры. Однако кривая идёт горизонтально при фазовых переходах (при температурах 
и 
), поскольку изменение состояния вещества требует энергии. После того, как переход завершается, температура вновь начинает возрастать.
Давайте представим, что вы взяли мешок со льдом и поставил его на кухонную плиту. Перед этим температура льда была ниже температуры замерзания воды, скажем -5 °C. Но на плите она начала изменяться. Пока фазовый переход не происходит, температура льда линейно возрастает при увеличении количества подведенной теплоты 
, где c = 2100 Дж/(кг⋅°C) — удельная теплоемкость льда.
Когда же лёд достигает температуры в t1 = 0 °C, он становится слишком тёплым, чтобы оставаться в твёрдом состоянии, и начинает плавиться, испытывая фазовый переход (кривая на графике выравнивается). Этот процесс – разрушение кристаллической решётки льда – нуждается в энергии, которая вырабатывается источником тепла. Вот почему при плавлении температура не меняется.
Наблюдая за мешком на плите в течение некоторого времени, вы замечаете, что весь лёд наконец расплавился. Поскольку плита продолжает вырабатывать тепловую энергию, температура воды поднимается. Наконец в ней появляются пузырьки. «Ага, – подумаете вы, – ещё один фазовый переход». Да, это так. Вода становится горячей и при температуре t2 = 100 °C закипает. Мешок при этом начинает раздуваться.
Вы измеряете температуру воды. Удивительно, но пока вода кипит, её температура также не изменяется. И снова, для завершения перехода – из жидкого состояния в газообразное – требуется определённое количество теплоты.
Что же произойдёт дальше, когда мешок расширится до немыслимых размеров? Лучше не проверять, поскольку мешок может взорваться, и вы ошпаритесь горячим паром и кипящей водой.
Спасибо, помогло