Агрегатные состояния вещества и фазовые переходы

Агрегатные состояния вещества

Агрегатное состояние — это форма существования вещества, различающаяся характером движения и взаимного расположения его частиц. Основные агрегатные состояния — твёрдое, жидкое и газообразное. Одно и то же вещество может находиться в разных состояниях: например, вода бывает льдом, жидкостью и паром. Переход вещества из одного состояния в другое называют фазовым переходом, и он всегда сопровождается поглощением или выделением энергии.

Сравнение состояний

В твёрдых телах частицы прочно удерживаются силами притяжения и лишь колеблются. В жидкостях они уже могут перемещаться, поэтому жидкость текуча. В газах частицы движутся свободно и почти не взаимодействуют между собой.

Плавление и кристаллизация

При плавлении твёрдое тело переходит в жидкость при постоянной температуре, называемой температурой плавления. Подводимая теплота при этом идёт не на нагревание, а на разрушение кристаллической решётки:

Q = λ*m

где λ — удельная теплота плавления (Дж/кг), m — масса вещества. Обратный процесс — кристаллизация (отвердевание) — происходит при той же температуре, и при нём ровно такое же количество теплоты выделяется обратно.

Парообразование и конденсация

Переход жидкости в пар называют парообразованием; оно бывает двух видов — испарение (с поверхности при любой температуре) и кипение (по всему объёму при температуре кипения). На превращение жидкости в пар затрачивается энергия:

Q = L*m

где L — удельная теплота парообразования. При обратном процессе — конденсации — пар отдаёт эту энергию обратно. Кипение, как и плавление, идёт при постоянной температуре.

График фазовых переходов

Если нагревать лёд, его температура сначала растёт, затем во время плавления остаётся постоянной (горизонтальный участок графика), потом снова растёт у воды, и наконец снова останавливается во время кипения. Горизонтальные участки графика как раз и соответствуют фазовым переходам, когда вся подводимая теплота идёт на изменение состояния вещества.

Разобранный пример

Сколько теплоты нужно, чтобы расплавить 0,5 кг льда, уже находящегося при температуре плавления 0 °С? Удельная теплота плавления льда λ = 3,4*10^5 Дж/кг:

Q = λ*m = 3,4*10^5 * 0,5 = 1,7*10^5 Дж = 170 кДж

Вся эта теплота расходуется только на плавление, при этом температура остаётся равной 0 °С до тех пор, пока весь лёд не растает.

Частые ошибки. Во время плавления и кипения температура не изменяется, хотя теплота продолжает подводиться — это распространённая ошибка при чтении графиков. Нельзя путать удельную теплоту плавления λ и удельную теплоту парообразования L: это разные величины для разных переходов. В задачах часто нужно отдельно учесть теплоту нагрева и теплоту фазового перехода.

Кратко о главном

• Вещество существует в твёрдом, жидком и газообразном состояниях.
• Теплота плавления: Q = λ*m; теплота парообразования: Q = L*m.
• Во время фазового перехода температура остаётся постоянной.
• При обратных переходах (кристаллизация, конденсация) энергия выделяется.
• Горизонтальные участки графика нагрева соответствуют фазовым переходам.