Фазовые переходы: Часть 2

Удельная теплота парообразования

Количество теплоты при парообразовании записывается как Lm или rm в зависимости от обозначений в учебнике. Раньше чаще использовали L\text{,} сейчас чаще встречается r\text{.}

Q = Lm = rm

Треугольник формул связывает количество теплоты Q = Lm\text{,} массу и удельную теплоту парообразования. Для нахождения массы количество теплоты делится на L\text{.}

Величина L = Q/m определяется делением количества теплоты на массу.

Масса в знаменателе подсказывает первое слово в названии величины — «удельная». Это удельная теплота парообразования. Масса также стоит в знаменателе формул удельной теплоёмкости c = Q/(m\Delta t) и удельной теплоты плавления \lambda\text{=}Q/m\text{.}

Удельная теплота парообразования — физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты нужно сообщить одному килограмму жидкости, находящейся при температуре кипения, чтобы перевести её в газообразное состояние.

Эту величину можно описать и через обратный процесс: она показывает, какое количество теплоты выделяется при переходе одного килограмма вещества из газообразного состояния в жидкое при той же температуре.

В начале XX века существовало представление, согласно которому газы не могут находиться в жидком состоянии, а пары могут быть и жидкими, и газообразными. Примером второго случая служили вода и водяной пар.

Это представление изменилось с освоением сжижения газов при низких температурах. Азот и кислород, ранее не наблюдавшиеся в жидком состоянии, удалось сжижать. Тем самым исчезло основание для такого принципиального разделения газов и паров.

Тепловые процессы на графике

Тепловые процессы можно изобразить на графике. Требуется построить график зависимости температуры воды в градусах Цельсия от времени в секундах. Начальное состояние — лёд при отрицательной температуре - t_{0}\text{.}

Первый процесс — нагревание льда до нуля градусов. Этот процесс описывается формулой

Q_{1} = c_{\text{льда}}m\Delta t_{\text{льда}}

Изменение температуры составляет и имеет положительное значение

\Delta t_{\text{льда}} = 0 - ( - t_{0})

В конце нагревания лёд достигает нуля градусов — температуры плавления. Далее начинается первый фазовый переход. Температура остаётся постоянной. Для льда температура плавления равна нулю градусов Цельсия; для других веществ её нужно проверять по таблице.

Второй процесс — плавление льда:

Q = \lambda m

Температура в эту формулу не входит, поскольку при рассматриваемом фазовом переходе она остаётся постоянной.

Когда весь лёд расплавится, образуется вода при нуле градусов. Затем она нагревается до ста градусов. При нагревании воды используется другая удельная теплоёмкость: у воды она примерно вдвое больше, чем у льда.

Третий тепловой процесс — нагревание воды от нуля до ста градусов. В начале и в конце этого участка вещество остаётся водой. Количество теплоты в третьем процессе рассчитывается аналогично первому:

Q = c_{\text{воды}}m\Delta t_{\text{воды}}

Изменение температуры \Delta t_{\text{воды}} равно разности конечной и начальной температуры

После нагревания до ста градусов вода начинает кипеть и превращается в пар при той же температуре. Это второй фазовый переход на графике и четвёртый из рассматриваемых тепловых процессов. Для кипения воды

Q_{4} = Lm

Пар можно нагревать и дальше, хотя такой процесс в школе рассматривается редко.

Можно построить и обратную последовательность: охлаждение пара, конденсация, охлаждение воды, кристаллизация и охлаждение льда.

Количество теплоты на этих участках определяется формулой cm\Delta t\text{.} При нагревании Q больше нуля. На построенном графике наклонные восходящие участки соответствуют нагреванию льда и воды. Обратный процесс — охлаждение — изображается нисходящим участком. В этом случае Q также рассчитывается как cm\Delta t\text{,} но получается меньше нуля: тело выделяет теплоту. На рассматриваемых графиках наклонные участки соответствуют нагреванию или охлаждению. Аккуратное построение графика позволяет сразу различать эти процессы.

При переходе льда в воду температура сохраняется постоянной, а количество теплоты определяется формулой Q = \lambda m\text{.}

При втором фазовом переходе Q = Lm температура тоже остаётся постоянной. Теплота, получаемая телом при фазовом переходе, изменяет его внутреннюю энергию и расходуется на разрушение кристаллической решётки или образование пара.

Графики позволяют наглядно различать тепловые процессы.

Основные формулы для рассмотренных процессов:

\left\{

\begin{aligned}

Q &= cm\Delta t \\

Q &= \lambda m \\

Q &= Lm

\end{aligned}

\right.