2.1.17 Преобразование энергии в фазовых переходах

Фазовый переход меняет агрегатное состояние вещества. При этом энергия может поглощаться или выделяться, даже если температура вещества во время перехода остаётся постоянной.

Основные фазовые переходы в этом разделе:

1. Испарение и кипение: жидкость превращается в пар.
2. Конденсация: пар превращается в жидкость.
3. Плавление: твёрдое кристаллическое тело превращается в жидкость.
4. Кристаллизация: жидкость превращается в твёрдое кристаллическое тело.

Почему температура не меняется

Температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения частиц.

Во время фазового перехода подводимая или выделяющаяся энергия в основном связана не с изменением средней кинетической энергии, а с изменением взаимного расположения частиц и их потенциальной энергии взаимодействия.

Поэтому при постоянном внешнем давлении:

пока фазовый переход не закончится.

Термодинамические формулы для $Q$ при плавлении и парообразовании собраны также в пункте 2.2.5 Удельные теплоты парообразования, плавления и сгорания топлива.

Плавление

Чтобы расплавить кристаллическое тело, уже нагретое до температуры плавления, нужно сообщить ему энергию.

Количество теплоты, необходимое для плавления:

где $\lambda$ — удельная теплота плавления, $m$ — масса вещества.

Удельная теплота плавления $\lambda$ — количество теплоты, необходимое для превращения $1$ кг кристаллического вещества при температуре плавления в жидкость той же температуры.

Единица СИ:

Кристаллизация

При кристаллизации выделяется такое же по модулю количество теплоты, какое было бы нужно для плавления той же массы вещества:

Если считать количество теплоты, полученное веществом, положительным, то при кристаллизации:

Минус означает, что вещество отдаёт энергию окружающим телам.

Парообразование и кипение

Чтобы превратить жидкость, уже нагретую до температуры кипения, в пар той же температуры, нужно сообщить ей энергию.

Количество теплоты, необходимое для парообразования:

где $L$ — удельная теплота парообразования, $m$ — масса жидкости.

Удельная теплота парообразования $L$ — количество теплоты, необходимое для превращения $1$ кг жидкости при температуре кипения в пар той же температуры.

Единица СИ:

Важно

Формула $Q_{\text{парообр}}=Lm$ относится к фазовому переходу при температуре кипения. Если жидкость сначала нужно нагреть до кипения, нагревание считают отдельным этапом.

Конденсация

При конденсации пара выделяется такое же по модулю количество теплоты, какое нужно для парообразования той же массы жидкости:

Если количество теплоты, полученное веществом, считать положительным, то:

Минус означает, что пар при конденсации отдаёт энергию.

Что происходит с внутренней энергией

При плавлении и парообразовании внутренняя энергия вещества увеличивается. Частицы становятся менее связанными друг с другом: кристаллическая решётка разрушается или молекулы удаляются друг от друга при переходе в пар.

При кристаллизации и конденсации внутренняя энергия уменьшается. Частицы занимают более связанное состояние, а лишняя энергия выделяется наружу.

В одну строку:

если $Q$ — количество теплоты, полученное веществом.

Как читать график нагревания

На графике зависимости температуры от полученной энергии наклонные участки соответствуют нагреванию одной фазы: твёрдого тела, жидкости или пара.

Горизонтальные участки соответствуют фазовым переходам:

1. Плавление при $T_{\text{пл}}$.
2. Кипение при $T_{\text{кип}}$.

На этих участках температура не растёт, хотя энергия продолжает поступать.

При обратном процессе график идёт в сторону уменьшения энергии: на горизонтальных участках происходят конденсация и кристаллизация, а энергия выделяется.

Коротко

• При фазовом переходе температура может оставаться постоянной, потому что энергия идёт на изменение взаимного расположения частиц.
• Плавление: $Q_{\text{пл}}=\lambda m$.
• Кристаллизация: $|Q_{\text{кр}}|=\lambda m$.
• Парообразование при температуре кипения: $Q_{\text{парообр}}=Lm$.
• Конденсация: $|Q_{\text{конд}}|=Lm$.
• Плавление и парообразование требуют подвода энергии.
• Кристаллизация и конденсация сопровождаются выделением энергии.