Агрегатни състояния на материята. Промяната на водата от течност в газ се нарича промяната от течност в твърдо състояние се нарича

При достатъчно ниска температура изпарението на течността става от свободната й повърхност и е спокойно. При достигане на определена температура, т.нар точка на кипене, изпарението започва да се извършва не само от свободната повърхност, но и в обема на течността. Вътре в него възникват парни мехурчета, които се увеличават по размер и се издигат на повърхността. Изпарението става бурно и се нарича кипене.Механизмът на кипене е следният.

В течността винаги има най-малките въздушни мехурчета, които подобно на брауновите частици извършват бавни произволни движения в обема на течността. Вътре в мехурчетата, заедно с въздуха, има и наситени пари от околната течност. Условието за стабилност на размера на мехура е равенството на вътрешното и външното налягане върху повърхността му. Външното налягане е равно на сумата от атмосферното налягане и хидростатичното налягане на дълбочината, където се намира мехурчето. Вътрешното налягане е равно на сумата от парциалните налягания на въздуха и парите вътре в мехура. По този начин,

.

За плитки дълбочини, при които хидростатичното налягане е малко в сравнение с атмосферното налягане, можем да поставим , като последното равенство приема формата:

Ако температурата се повиши леко, тогава налягането на наситените пари в мехурчето ще се увеличи и размерът на мехурчето ще се увеличи, налягането на въздуха вътре в него ще намалее, така че сумата ще остане непроменена и условието за равновесие (13.19) ще бъде изпълнено при повишена температура за балон с увеличен размер. Ако обаче температурата се повиши така, че налягането на наситените пари в мехурчето да стане равно на атмосферното налягане,

тогава равенството (13.19) престава да е валидно. Размерът на мехура и масата на парите в него ще се увеличат, мехурът ще се втурне към повърхността на течността под действието на плаващата (Архимедова) сила.Течността ще започне да кипи. И така, равенството (13.20) е условието за кипене на течност в съд на малка дълбочина: кипенето на течност на малка дълбочина става при температура, при която налягането на наситените пари на тази течност става равно на атмосферното налягане . По този начин точката на кипене зависи от атмосферното налягане.

Пример 13.4.Водата при нормално атмосферно налягане кипи при температура . Следователно налягането на наситените пари на водата при тази температура е равно на нормалното атмосферно налягане.

Пример 13.5.При температура обемът на мехурче, намиращо се във вода на малка дълбочина, е равно на . Температурата на водата се изравни. Какъв ще бъде обемът на мехурчето при температура? Атмосферното налягане е нормално. Налягането на наситените пари на водата при температура, равна на , а при температура е равна на .

Означава се с масата на въздуха в мехурчето. Ние имаме:

,

където е моларната маса на въздуха, е налягането на въздуха в обемния мехур при температура . В съответствие с условието за равновесие на размера на мехурчетата (13.19), трябва да се зададе . Получаваме:

Прилагане на последното равенство за две различни температурии получаваме:

От последните равенства намираме:

.

Пример 13.6.Да разгледаме разтвор на нелетливо вещество в някакъв разтворител. Прилагайки закона на Раул (13.3), получаваме за налягането на наситените пари над разтвора:

.

С оглед на нелетливостта на веществото имаме , а последното равенство приема формата:

.

И така, налягането на наситените пари над разтвор е по-малко, отколкото над чист разтворител (при същата температура). От това следва, че разтворът трябва да се нагрее до по-висока температура от чистия разтворител, за да може налягането на наситените пари да се изравни с атмосферното налягане и да започне да кипи. По този начин точката на кипене на въпросния разтвор е по-висока от точката на кипене на чистия разтворител.

Задача 13.5.Намерете точката на кипене на водата в планините на надморска височина. Атмосферното налягане на морското равнище се счита за нормално. Вземете температурата на атмосферата равна на .

Отговор: където е точката на кипене на водата при нормално атмосферно налягане, е моларната маса на въздуха, е латентната моларна топлина на изпарение на водата при температури, близки до .

Инструкция.За да намерите атмосферното налягане на ниво, използвайте барометричната формула. За да намерите налягането на наситените пари при температура, използвайте формула (13.17). Използвайте състоянието на кипене (13.20).

13.7. Трансформации "течност - твърдо»

При достатъчно ниски температури всички течности, с изключение на течния хелий, преминават в твърдо състояние.

Помислете за трансформацията на еднокомпонентна, тоест състояща се от атоми от един вид течност в твърдо тяло. Този процес се нарича кристализация. Кристализацията е преминаването на система от атоми в състояние с повече висока степенред и настъпва при определена температура, т.нар точка на топене(втвърдяване). При тази температура кинетична енергиятоплинното движение на атомите става достатъчно малко и силите на взаимодействие между атомите могат да задържат атомите в определени позиции - възлите на кристалната решетка.

Процесът на превръщане на твърдо вещество в течност се нарича топенеи е обратен процес на кристализация. Този процес протича при същата температура като топенето.

Ако топлината непрекъснато се подава към твърдо тяло, тогава неговата температура ще се променя с времето, както е показано на фиг. 13.4 а. Разделът съответства на нагряването на твърдото вещество, разделът съответства на двуфазното състояние на веществото, при което твърдата и течната фаза на това вещество са в равновесие. По този начин мястото съответства на топенето на твърдото вещество. В този момент цялото вещество става течно и по-нататъшното подаване на топлина е придружено от повишаване на температурата на течността.

Топлината, която се подава към системата "твърдо-течно" на етапа на топене, не води до промяна на температурата на системата и отива до разрушаване на връзките между атомите. Тази топлина се нарича латентна топлина на топене.

Ако течността отделя топлина, тогава нейната температура зависи от времето, както е показано на фиг. 13.4 б. Етапът съответства на охлаждането на течността, етапът - на нейната кристализация (двуфазни състояния на системата), а етапът - на охлаждането на твърдото тяло. Топлината, отделена от системата на етапа на кристализация, се нарича латентна топлина на кристализация. Тя е равна на латентната топлина на топене.

Зависимостите на температурата на системата от времето, показани на фиг. 13.4 са характерни за кристалните тела. За аморфните вещества, когато се нагряват (охлаждат), графиката на температурата спрямо времето е монотонна крива, която съответства на постепенното омекване (втвърдяване) на аморфно вещество с повишаване (понижаване) на неговата температура.

Кристализацията започва в течността близо до центъра или центрове на кристализация.Те са произволни асоциации на атоми, към които след това се присъединяват други атоми, подреждайки се, докато цялата течност се превърне в твърдо вещество. Ролята на кристализационни центрове могат да играят и чужди макроскопични частици, ако има такива в течността.

Обикновено, когато течността се охлади, се появяват много центрове на кристализация. Около тези центрове се образуват атомни структури, които в крайна сметка се образуват поликристал, състоящ се от множество малки кристали. Условната схема на поликристал е показана на фиг. 13.5.

При специални условиясе оказва възможно да се получи ("отгледа") единичен кристал - единичен кристал, образувани около един център на кристализация. Ако в същото време се осигурят еднакви условия за всички посоки за прикрепване на частици от течността към получения кристал, тогава ще се окаже правилно изрязаниспоред неговите свойства на симетрия.

Температурата на топене всъщност зависи от налягането, на което е подложено твърдото вещество, възможният ход на тази зависимост е показан графично на фиг. 13.6. Експерименталната зависимост може да бъде отстранена например чрез поставяне на тигел с разтопено вещество в газова атмосфера, чието налягане може да се променя. Кривата на зависимост е крива на равновесие между течна и твърда фаза. Точки под кривата съответстват на твърдото състояние на веществото, а над кривата - на течното състояние. Ако при постоянна температура налягането над течността се увеличи от точка , тогава при налягане ( точка ) в течността ще се появи твърда фаза и с по-нататъшно увеличаване на налягането цялата течност ще се втвърди ( точка ) .

Теоретичната връзка между налягането и температурата на топене може да бъде установена чрез разглеждане на цикъла на Карно, изпълняван от двуфазна система "твърдо вещество - течност" по точно същия начин, както е установена връзката (13.12) между налягането на наситените пари върху течност и температурата . След като направихме формални замествания в (13.12), , , където е латентната моларна топлина на топене, е моларният обем на твърдата фаза, е моларният обем на течната фаза, получаваме:

. (13.21)

Ако едно вещество не е чисто, но е сплав, тоест съдържа хетерогенни атоми, тогава в общия случай втвърдяването може да настъпи в определен температурен диапазон, а не при определена температура, както при чистите вещества.

Задача 13.6. Оцетната киселина се топи при атмосферно налягане при. Разликата между специфичните обеми (т.е. обемите на единица маса киселина) на течната и твърдата фаза . Точката на топене на оцетната киселина се измества при промяна на налягането с . Намерете специфичната (т.е. за единица маса) топлина на топене на оцетна киселина.

Отговор: .

Инструкция.Използвайте формулата (13.21). Имайте предвид, че моларният обем е свързан със специфичния обем чрез съотношението , където е моларната маса. Моларната топлина на топене е свързана със специфичната топлина на топене чрез съотношението .

Агрегатни преобразувания на материята.

Три състояния на материята.

агрегатни трансформации.

процес на топене и втвърдяване.

• Преходът от твърдо към течно състояние се нарича топене. Обратното се нарича закаляване. Ако по време на втвърдяване на течност се получи кристално твърдо вещество, тогава такова втвърдяване се нарича кристализация.

Температура на топене и кристализация.

• точка на топенеДадено вещество се нарича температурата, при която твърдото и течното състояние на това вещество съществуват едновременно. Температурата на топене не зависи от скоростта на нагряване. До края на топенето температурата на тялото и на стопилката остава същата.

• Температурата, при която веществото преминава от течно в твърдо състояние, се нарича температура на кристализация.

ТЕМПЕРАТУРНА ГРАФИКА НА ИЗМЕНЕНИЕТО НА АГРЕГАТНИТЕ СЪСТОЯНИЯ НА ВОДАТА.

Изчисляване на количеството топлина по време на топене (кристализация)

Обяснение на процеса на топене.

• Течното състояние на материята в сравнение с твърдото кристално състояние се характеризира с:

• висока скорост на движение на молекулите;

• по-голямо разстояние между молекулите;

• липсата на строго подреждане на молекулите.

• Следователно, за да се превърне твърдото тяло в течност, трябва да се придаде допълнителна енергия на неговите молекули.

• Течното състояние съответства на голяма вътрешна енергия.

Изпаряване Преминаването на вещество от течно състояние в газообразно състояние

• Изпаряване - изпаряване, което се случва от повърхността

• течности при всякакви температури

условия на изпаряване.

• свободната повърхност е първият фактор, влияещ върху скоростта на изпаряване.

кипене.

• Изпаряването, протичащо в целия обем на течността поради появата и изкачването на повърхността на множество мехурчета от наситена пара, се нарича кипене.

Случва се кипене с поеманетоплина. По-голямата част от вложената топлина се използва за разкъсване на връзкимежду частиците на материята, останалата част - за работата, извършена по време на разширяването на парата. В резултат на това енергията на взаимодействие между частиците на парата става по-голяма, отколкото между частиците на течността, така че вътрешната енергия на парата е по-голяма от вътрешната енергия на течността при същата температура.

Специфична топлина на изпарение.

• Количеството топлина, необходимо за прехвърляне на течност в пара по време на процеса на кипене, може да се изчисли по формулата:

• където m е масата на течността (kg), L е специфичната топлина на изпаряване.

• Специфична топлина на изпарениепоказва колко топлина е необходима, за да се превърне 1 kg от дадено вещество в пара при точката на кипене. Мерна единицаспецифична топлина на изпарение в системата SI: [ L ] = 1 J/kg

Температура на кипене.

По време на кипене температуратечности не се променя..Температура на кипене Зависиот налягането, упражнявано върху течността. Всяко вещество при еднакво налягане има моятемпература на кипене. С повишаване на атмосферното налягане, кипенето започва при повече висока температура, с намаляване на налягането - обратно .. Така например водата кипи при 100 ° C само при нормално атмосферно налягане.

В зависимост от условията телата могат да бъдат в течно, твърдо или газообразно състояние. Тези състояния се наричат агрегатни състояния на материята .

В газовете разстоянието между молекулите е много по-голямо от размера на молекулите. Ако стените на съда не пречат на газа, неговите молекули се разлитат.

В течности и твърди вещества молекулите са по-близо една до друга и следователно не могат да се раздалечават.

Преходът от едно агрегатно състояние към друго се нарича фазов преход .

Преминаването на веществото от твърдо в течно състояние се нарича топене , а температурата, при която това се случва, е точка на топене . Преминаването на веществото от течно в твърдо състояние се нарича кристализация , а температурата на преход е температура на кристализация .

Количеството топлина, което се отделя при кристализацията на тялото или се поглъща от тялото при топенето, на единица маса на тялото, се нарича специфична топлина на топене (кристализация) λ:

По време на кристализацията се отделя същото количество топлина, каквото се абсорбира при топенето.

Преминаването на веществото от течно състояние в газообразно състояние се нарича изпаряване . Преминаването на веществото от газообразно състояние в течно състояние се нарича кондензация . Количеството топлина, необходимо за изпаряване (освободено при кондензация):

Q = Lm,

където L е специфична топлина на изпарение (кондензация).

Изпаряването от повърхността на течността се нарича изпарение . Изпарението може да се извърши при всяка температура. Преходът на течност към пара, който се случва в целия обем на тялото, се нарича кипене , а температурата, при която кипи течността е точка на кипене .

накрая сублимация - това е преходът на вещество от твърдо състояние директно в газообразно състояние, заобикаляйки течния етап.

Ако други параметри на външната среда (по-специално налягане) остават постоянни, тогава температурата на тялото не се променя по време на топене (кристализация) и кипене.

Ако броят на молекулите, напускащи течността, е равен на броя на молекулите, които се връщат в течността, тогава те казват, че е настъпило динамично равновесие между течността и нейните пари. Пара в динамично равновесие с течността се нарича

Процесът на преминаване на водата от течно състояние в газообразно състояние се нарича изпарение.

Различни състояния на водата в природата

Водата е единственото вещество в природата, което има три агрегатни състояния при естествени условия. Течната вода заема най-големия обем на планетата, тъй като всички океани, реки и езера са пълни с нея. В студените райони на планетата (например в териториите около полюсите) постоянно се намира лед, което е твърдото състояние на водата. Преход прясна водаот течно в твърдо състояние става при 0°C или -1°C. Морската вода, поради съдържанието на соли в нея, замръзва, когато температурата падне до -2-3°C.

Друг вариант за твърдо състояние на водата е снегът, който пада в субполярните и умерените зони на Земята през зимата. Градушката също се счита за една от формите на втвърдена вода, която можем да срещнем в природата.

Газообразната форма на водата се образува при почти всяка температура, с изключение на критично ниските. Ако загреете вода до 100°C, тя напълно ще се изпари.

Значението на различните състояния на водата за природата

С помощта на водата се извършва кръговратът на веществата на планетата. Става така:

1. Водата се изпарява от течно състояние, превръща се в газ и се издига на голяма височина.
2. Поради това се образуват облаци, които се разпространяват от вятъра.
3. Докато водата се охлажда, тя се връща на повърхността на Земята в течно или твърдо състояние.
4. С помощта на реките отново се насочва към океана.

По време на това движение водата разтваря много микроелементи и подпомага движението на веществата, както и обогатява почвата и почиства атмосферата по време на дъжд от много вредни отпадъци.

Валежите, образувани след изпаряването на водата, са много разнообразни и зависят от температурата. заобикаляща средаи височини на облаците. При положителни температури валежите почти винаги са течни и падат под формата на дъжд. Ако обаче в горни слоеветам, където са облаците, температурата е минусова, тогава пада градушка под формата на парчета лед, дори и да е горещо близо до повърхността на Земята.

Какво е "тройна точка" и как да определим нейните координати? Експериментите показват, че за всяко вещество има условия (налягане и температура), при които пара, течност и кристал могат да съществуват едновременно за произволно дълго време. Например, ако поставите вода с плаващ лед в затворен съд при нула градуса, тогава и водата, и ледът ще се изпарят в свободното пространство. Въпреки това, при налягане на парите от 0,006 atm. (това е тяхното „собствено“ налягане, без да се взема предвид налягането, създадено от въздуха) и температура от 0,01 ° C, увеличаването на масата на парата ще спре. Отсега нататък ледът, водата и парата ще запазят масите си за неопределено време. Това е тройната точка за водата (лявата диаграма). Ако вода или пара се поставят в условията на левия регион, те ще се превърнат в лед. Ако течност или твърдо тяло се въведе в "долната област", тогава ще се получи пара. В дясната област водата ще кондензира и ледът ще се стопи.

Подобна диаграма може да се построи за всяко вещество. Целта на такива диаграми е да отговорят на въпроса: какво състояние на материята ще бъде стабилно при такова и такова налягане и такава и такава температура. Например диаграмата вдясно е за въглероден диоксид. Тройната точка за това вещество има координата на „налягане“ от 5,11 atm, което е много повече от нормалното атмосферно налягане. Следователно при нормални условия (налягане 1 atm) можем да наблюдаваме само преходи "под тройната точка", т.е. независима трансформациятвърдо до газ. При налягане от 1 atm това ще се случи при температура от -78 °C (вижте пунктираните координатни линии под тройната точка).

Ние всички живеем "близо" до стойностите на "нормалните условия", тоест предимно при налягане, близко до една атмосфера. Следователно, ако атмосферното налягане е по-ниско от налягането, съответстващо на тройната точка, когато тялото се нагрява, няма да видим течност, твърдото вещество веднага ще се превърне в пара. Точно така се държи "сухият лед", което е много удобно за продавачите на сладолед. Брикетите от сладолед могат да бъдат изместени с парчета "сух лед" и да не се страхувате, че сладоледът ще се намокри. Ако налягането, съответстващо на тройната точка, е по-малко от атмосферното, тогава веществото принадлежи към "топенето" - когато температурата се повиши, първо се превръща в течност и след това кипи.

Както можете да видите, характеристиките на агрегатните трансформации на веществата пряко зависят от това как текущите стойности на налягането и температурата корелират с координатите на "тройната точка" на диаграмата "налягане-температура".

И в заключение, нека назовем известните ви вещества, които винаги сублимират при нормални условия. Това е йод, графит, "сух лед". При налягания и температури, различни от нормалните, тези вещества могат да се наблюдават както в течно, така и дори в кипящо състояние.

(C) 2013. Physics.ru с участието на A.V. Kuznetsova (Самара)