Чому при плавленні температура не змінюється?

Всі ми знаємо зі шкільного курсу фізики, що при зміні речовиною свого агрегатного стану відбувається фазовий перехід. Речовина в твердому стані може безпосередньо перейти в газоподібний. Наприклад, коли температура сухого льоду (твердого діоксиду вуглецю, CO2) підвищується, він перетворюється в газ. Цей процес називається сублімацією або сублімацією.

Але частіше відбуваються інші процеси. Наприклад, коли вода замерзає, з рідкого стану вона переходить в твердий (кристалізація). Коли камені плавляться в лаві, з твердої речовини вони перетворюються в рідину (плавлення). Коли вода закипає в чайнику, з рідини вона стає газом (випаровування і кипіння). Поки що розглядається речовина при підведенні або відведення додаткового тепла переходить в новий стан - рідке, тверде або газоподібне, температура не змінюється. Чому так відбувається?

Тому що вся надходить теплова енергія йде на руйнування зв'язків між молекулами речовини (в разі плавлення - на руйнування кристалічної решітки, в разі кипіння - на подолання молекулами сил міжмолекулярної тяжіння і виліт за межі рідини). Навпаки, при зворотних фазових переходах (конденсації і кристалізації) температура не зменшується, тому що відбувається утворення зв'язків між молекулами речовини.

Уявіть, що ви спокійно п'єте лимонад (який має приблизно ту ж теплоємність, що і звичайна вода). У цьому лимонад плавають шматочки льоду. Температура цієї наполовину лимонадної, наполовину крижаний суміші знаходиться поблизу нуля градусів за Цельсієм. Поки ви тримаєте в долонях стакан і спостерігаєте за тим, що відбувається в ньому процесом, лід починає танути, проте вміст ємності не нагрівається, поки весь лід в ній не розтане.

Питання. Чому при плавленні температура не змінюється? Теплова енергія, що надходить з навколишнього середовища, плавить лід, не нагріваючи суміш в цілому. Чи робить це рівняння для розрахунку кількості теплоти (, де - кількість теплоти, - маса зразка, - зміна температури) марним? Зовсім ні - це лише означає, що воно не застосовується до фазового переходу.

Можна побудувати графік залежності температури речовини від кількості переданої теплоти. Наприклад, на Рис. 1 представлений графік фазових переходів льоду, взятого з морозильної камери. Ділянка відповідає нагріванню льоду, ділянка - плавлення льоду, ділянка - нагрівання отриманої води, ділянка - кипіння води, ділянка - нагрівання отриманого пара.

Мал. 1. Графік фазових переходів H20.

Як видно, крива зазвичай зростає, тобто збільшення теплоти призводить до зростання температури. Однак крива йде горизонтально при фазових переходах (при температурах і), оскільки зміна стану речовини вимагає енергії. Після того, як перехід завершується, температура знову починає зростати.

Давайте уявимо, що ви взяли мішок з льодом і поставив його на кухонну плиту. Перед цим температура льоду була нижча за температуру замерзання води, скажімо -5 ° C. Але на плиті вона почала змінюватися. Поки фазовий перехід не відбувається, температура льоду лінійно зростає при збільшенні кількості підведеної теплоти, де c = 2100 Дж / (кг⋅ ° C) - питома теплоємність льоду.

Коли ж лід досягає температури в t 1 = 0 ° C, він стає занадто теплим, щоб залишатися в твердому стані, і починає плавитися, відчуваючи фазовий перехід (крива на графіку вирівнюється). Цей процес - руйнування кристалічної решітки льоду - потребує енергії, яка виробляється джерелом тепла. Ось чому при плавленні температура не змінюється.

Спостерігаючи за мішком на плиті протягом деякого часу, ви помічаєте, що весь лід нарешті розплавився. Оскільки плита продовжує виробляти теплову енергію, температура води піднімається. Нарешті в ній з'являються бульбашки. «Ага, - подумаєте ви, - ще один фазовий перехід». Так це так. Вода стає гарячою і при температурі t 2 = 100 ° C закипає. Мішок при цьому починає роздуватися.

Ви вимірюєте температуру води. Дивно, але поки вода кипить, її температура також не змінюється. І знову, для завершення переходу - з рідкого стану в газоподібний - потрібно певну кількість теплоти.

Що ж буде далі, коли мішок розшириться до немислимих розмірів? Краще не перевіряти, оскільки мішок може вибухнути, і ви обшпарити гарячою парою і окропом.

Репетитор з фізики в Москві