Агрегатное состояние. Фазовые переходы. Удельная теплота. Энергия

Конечно мы замечали, что одно и то же вещество (например, вода) может находится в разных состояниях (лёд, жидкость, пар). Эти состояния принято называть агрегатными состояниями. Таким образом, агрегатное состояние — состояние одного и того же вещества, которое при определённых внешних условиях (температура, давление) характеризуется одними и теми же свойствами. В природе вещество может находится в трех агрегатных состояниях:

газ (занимает весь предоставленный объём, не имеет формы)
жидкость (принимает форму части сосуда)
твёрдое тело (сохраняет форму)

В рамках школьной физики изучаются переходы из одного агрегатного состояния в другое, а также процессы, происходящие в рамках одного агрегатного состояния (рис. 1).

Рис. 1. Процессы перехода

Итак, каждый переход из одного агрегатного состояния в другое имеет своё название:

плавление — переход из твёрдого тела в жидкость,
парообразование/кипение — переход из жидкости в газообразное состояние,
конденсация — переход из газообразного состояния в жидкое,
кристаллизация (отвердевание) — переход из жидкого состояния в твёрдое.

Процессы плавления и парообразования требуют привнесения энергии (тепла) в систему, процессы конденсации и кристаллизации происходят из-за того, что система теряет энергию (тепло). Кроме того, логично предположить, что для одной и той же массы вещества энергия, которую необходимо внести в систему для плавления, равна энергии, которую необходимо изъять из системы для кристаллизации той же массы вещества. Аналогично и для процессов кипения и конденсации.

Тогда:

процессы плавления и кристаллизации энергетически равнозначны (обозначим $\displaystyle {{Q}_{L}}$ ):

$\displaystyle {{Q}_{L}}=Lm$ (1)

где
- $\displaystyle {{Q}_{L}}$ — теплота, необходимая для плавления ( $\displaystyle {{Q}_{L}}>0$ ) и кристаллизации $\displaystyle {{Q}_{L}}<0$ ,
- $\displaystyle L$ — удельная теплота плавления и кристаллизации,
- $\displaystyle m$ — масса вещества.

процессы кипения и конденсации энергетически равнозначны (обозначим ):
$\displaystyle {{Q}_{r}}=rm$ (2)
- где
  - $\displaystyle {{Q}_{r}}$ — теплота, необходимая для кипения ( $\displaystyle {{Q}_{r}}>0$ и конденсации ( $\displaystyle {{Q}_{r}}<0$ ),
  - $\displaystyle r$ — удельная теплота кипения и конденсации,
  - $\displaystyle m$ — масса вещества.

Обе теплоты ( $\displaystyle {{Q}_{L}}$ и $\displaystyle {{Q}_{r}}$ ), по сути, являются энергией перехода из одного состояния во второе определённой массы вещества ( $\displaystyle m$ ). Удельные теплоты процессов ( $\displaystyle L$ и $\displaystyle r$ ) — табличные величины, характеризующие вещество, претерпевающее переход (чаще всего дано в задаче).

Уравнения (1) и (2) описывают способы подсчёта необходимой для процесса энергии.

Кроме самих переходов, в задачах присутствуют процессы нагревания и охлаждения (опять же процессы энергетически одинаковые), формульное описание которых:

$\displaystyle {{Q}_{C}}=cm\Delta T$ (3)

где
- $\displaystyle {{Q}_{C}}$ — теплота, необходимая для нагревания ( $\displaystyle {{Q}_{C}}>0$ ) и для охлаждения ( $\displaystyle {{Q}_{C}}<0$ ),
- $\displaystyle c$ — удельная теплоёмкость,
- $\displaystyle m$ — масса нагреваемого/охлаждаемого вещества,
- $\displaystyle \Delta T$ — изменение температуры вещества.

Важно: т.к. процессы нагревания и охлаждения описывают переходы только в рамках одного агрегатного состояния, важно помнить, что каждое агрегатное состояние вещества ограничено температурой кипения ( $\displaystyle {{T}_{k}}$ ) и температурой замерзания ( $\displaystyle {{T}_{z}}$ ). Эти температуры для каждого вещества также являются табличными.

Отдельным процессом, описываемым в школьных задачах, является процесс сжигания топлива. Энергия, выделяющаяся в ходе этого процесса, может быть описана как:

$\displaystyle {{Q}_{q}}=qm$ (4)

где
- $\displaystyle {{Q}_{q}}$ — энергия, выделяющаяся при сгорании топлива,
- $\displaystyle q$ — удельная теплота сгорания топлива (табличная величина),
- $\displaystyle m$ — масса сгораемого вещества.

Вывод: Таким образом, каждый процесс, происходящий с веществом, может быть описан энергетически, достаточно проследить за конкретными процессами и описать их (1) — (4).

Поделиться ссылкой:

Добавить комментарий Отменить ответ