11. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ

Одна и та же молекула в разных условиях ведёт себя по-разному: ледяной кубик, что звенит в стакане, и пар из чайника — это та же молекула воды. Переходы между агрегатными состояниями народ называет чудесами, физики — фазовыми переходами.

Агрегатные состояния

Плавление и кристаллизация

Q = λ · m
Теплота плавления (λ — удельная теплота плавления)

Плавление идёт при постоянной температуре (для чистого вещества): пока лёд тает, всё подводимое тепло тратится на разрушение кристаллической решётки, а не на нагрев. Обратный процесс — кристаллизация — отдаёт ровно такое же тепло.

Парообразование и конденсация

Испарение идёт с поверхности при любой температуре. Кипение — когда пар образуется по всему объёму жидкости и пузырьки всплывают. Оба процесса поглощают тепло.

Q = L · m
Теплота парообразования (L — удельная теплота парообразования)

Почему кипит при 100 °C, а в горах при 85 °C

Кипение начинается, когда давление насыщенного пара сравнивается с внешним давлением. На высоте внешнее давление меньше — поэтому кипеть легче. А в скороварке давление выше — вода кипит около 120 °C.

Сублимация и десублимация

Некоторые вещества минуют жидкость: сухой лёд и снег возгоняются (переходят напрямую из твёрдого состояния в газ), иней — обратно (газ напрямую в кристаллы). Сублимация требует много тепла.

Удельная теплоёмкость

Перед фазовым переходом и после него тело нагревается. Нагрев считается по формуле:

Q = c·m·Δt
Нагрев или охлаждение тела

У воды c = 4200 Дж/(кг·°C) — рекордсмен среди жидкостей. Поэтому вода так долго греется и так долго остывает, а море запасает жару на всю осень.

Тепловой баланс

Если в термосе встретились горячее и холодное, они обменяются теплом до одного общего состояния. А сосчитать среднюю температуру помогает уравнение теплового баланса — по сути, первый закон термодинамики для обмена:

Q₁ + Q₂ + Q₃ + … = 0
Сумма всех теплот с учётом знаков равна нулю

Типичная ловушка в задачах

Лёд в горячую воду — не просто «нагреется». Сначала лёд должен растаять (Q = λ·m), потом получившаяся вода нагреться (Q = c·m·Δt). Считай этапы по очереди, иначе ответ разойдётся с реальностью.

Влажность воздуха

В воздухе всегда есть пар. Абсолютная влажность — сколько граммов пара в кубометре. Относительная — сколько процентов от максимума, который воздух может удержать при этой температуре.

Влажность влияет на самочувствие: пот остывает тело только когда он испаряется, а во влажном воздухе испарение медленное. Потому влажная жара — самое душное испытание.

← Назад: Термодинамика Дальше: Физика твёрдого тела →