Одне й теж речовина у світі залежно від оточуючих умов може у різних станах. Наприклад, вода може бути у вигляді рідини, в ідеї твердого тіла - лід, у вигляді газу - водяна пара.
- Ці стани називаються агрегатними станами речовини.
Молекули речовини у різних агрегатних станах нічим не відрізняються одна від одної. Конкретний агрегатний стан визначається розташуванням молекул, а також характером їх руху та взаємодії між собою.
Газ - відстань між молекулами значно більша за розміри самих молекул. Молекули у рідині та у твердому тілі розташовані досить близько один до одного. У твердих тілах ще ближчі.
Щоб змінити агрегатний стан тіла,йому необхідно повідомити деяку енергію. Наприклад, щоб перевести воду в пару її треба нагріти. Щоб пара знову стала водою, вона повинна віддати енергію.
Перехід із твердого стану в рідкий
Перехід речовини з твердого стану в рідке називається плавленням. Для того, щоб тіло почало плавитися, його необхідно нагріти до певної температури. Температура, при якій речовина плавиться, називають температурою плавлення речовини.
Кожна речовина має температуру плавлення. У якихось тіл вона дуже низька, наприклад, у криги. А в якихось тіл температура плавлення дуже висока, наприклад залізо. Взагалі, плавлення кристалічного тіла – це складний процес.
Графік плавлення льоду
Нижче на малюнку представлений графік плавлення кристалічного тіла, у разі льоду.
- Графік показує залежність температури льоду від часу, що його нагрівають. На вертикально осі відкладено температуру, по горизонтальній - час.
З графіка, що спочатку температура льоду була -20 градусів. Згодом його почали нагрівати. Температура почала зростати. Ділянка АВ це ділянка нагрівання льоду. З часом температура збільшилася до 0 градусів. Ця температура вважається температурою плавлення льоду. За цієї температури лід почав плавитися, але при цьому перестала зростати його температура, хоча при цьому лід також продовжували нагрівати. Ділянці плавлення відповідає ділянка ПС на графіку.
Потім, коли весь лід розплавився і перетворився на рідину, температура води знову почала збільшуватися. Це показано на графіку променем C. Тобто робимо висновок, що під час плавлення температура тіла не змінюється, вся енергія, що надходить, йде на пліву.
Збільшення обсягу води за її замерзанні має значення у природі. Внаслідок меншої щільності льоду порівняно із щільністю води (при 0 °С щільність льоду 900 кг/м 3 а води 1000 кг/м 3) лід плаває на воді. Маючи погану теплопровідність, шар льоду захищає воду, що знаходиться під ним, від охолодження та вимерзання. Тому риби та інші живі істоти, що у воді, не гинуть під час морозів. Якби лід тонув, то не дуже глибокі водоймища промерзали б за зиму наскрізь.
При розширенні замерзаючої води в закритій посудині виникають величезні сили, здатні розірвати товстостінну чавунну кулю. Подібний досвід легко здійснити з пляшкою, наповненою водою по шийку і виставленою на мороз. На поверхні води утворюється крижана пробка, що закупорює пляшку, і при розширенні води, що замерзає, пляшка буде розірвана.
Замерзання води в тріщинах гірських порід призводить до їхнього руйнування.
Здатність води розширюватися при твердінні повинна враховуватися під час прокладання труб водопроводу та каналізації, а також водяного опалення. Щоб уникнути розриву під час замерзання води, підземні труби повинні укладатися на такій глибині, щоб температура не опускалася нижче О °С. Зовнішні частини труб повинні на зимовий час покриватися теплоізолюючими матеріалами.
Залежність температури плавлення тиску
Якщо плавлення речовини супроводжується збільшенням його обсягу, то зі збільшенням зовнішнього тиску температура плавлення речовини підвищується.Це можна пояснити так. Стиснення речовини (при збільшенні зовнішнього тиску) перешкоджає збільшенню відстані між молекулами і, отже, зростанню потенційної енергії взаємодії молекул, яка потрібна для переходу в рідкий стан. Тому доводиться нагрівати тіло до більшої температури, доки потенційна енергія молекул не досягне необхідного значення.
Якщо плавлення речовини супроводжується зменшенням його обсягу, то зі збільшенням зовнішнього тиску температура плавлення речовини знижується.
Так, наприклад, лід при тиску 6 · 10 7 Па плавиться за температури -5 °С, а при тиску 2,2 · 10 8 Па температура плавлення льоду дорівнює -22 °С.
Зниження точки плавлення льоду зі збільшенням тиску добре ілюструється досвідом (рис. 8.34). Нейлонова нитка проходить крізь лід, не руйнуючи його. Справа в тому, що завдяки значному тиску нитки на лід він підтає під нею. Вода, витікаючи з-під нитки, відразу замерзає.
Потрійна точка
Рідина може перебувати в рівновазі зі своєю парою (насиченою парою). На малюнку 6.5 (див. § 6.3) представлена залежність тиску насиченої пари від температури (крива АВ),отримана експериментально. Так як кипіння рідини відбувається при тиску, що дорівнює тиску її насиченої пари, то ця ж крива дає залежність температури кипіння від тиску. Область, що лежить нижче за криву АВ,відповідає газовому стану, а вище – рідкому.
Кристалічні тіла плавляться за певної температури, при якій тверда фаза знаходиться в рівновазі з рідкою. Температура плавлення залежить від тиску. Цю залежність можна показати тому ж малюнку, де зображена залежність температури кипіння від тиску.
На малюнку 8.35 крива ТКхарактеризує залежність температури кипіння від тиску. Вона закінчується у точці До,відповідної критичної температури, так як вище цієї температури рідина не може існувати. Лівіше кривої ТКза експериментальними точками побудована крива ТСзалежності температури плавлення від тиску (лівіше, тому що твердій фазі відповідають менші температури, ніж рідкій). Обидві криві перетинаються у точці Т.
Що буде з речовиною при температурі нижче температури tт p , відповідної точки Т? Рідка фаза за цієї температури вже існувати неспроможна. Речовина буде або у твердому, або у газоподібному стані. Крива ВІД(див. рис. 8.35) відповідає рівноважним станам тверде тіло - газ, що виникає під час сублімації твердих тіл.
Три криві КТ, ТЗі ВІДділять фазову площину втричі області, у яких речовина може бути у однієї з трьох фаз. Самі криві описують рівноважні стани рідина – пар, рідина – тверде тіло та тверде тіло – пар. Існує лише одна точка Т,у якій усі три фази перебувають у рівновазі. Це і є потрійна точка.
Потрійній точці відповідають єдині значення температури та тиску. Її можна точно відтворювати, і вона є однією з найважливіших опорних точок при побудові абсолютної шкали температур. Для води абсолютна температура потрійної точки прийнята рівною Т тр = 273,16 К, або tт p = 0,01 ° C.
На малюнку 8.35 зображено фазову діаграму води, у якій температура плавлення зменшується зі зростанням тиску. Для звичайних речовин крива ТСнахилена у протилежний бік стосовно вертикалі, що проходить через точку Т.
Наприклад, такий вигляд матиме фазова діаграма оксиду вуглецю 2 . Температура потрійної точки СО 2 tтр = -56,6 ° С, а тиск р тр = 5,1 атм. Тому при звичайному атмосферному тиску та температурі, близькій до кімнатної, вуглекислота не може перебувати у рідкому стані. Тверда фаза 2 називається зазвичай сухим льодом. Він має дуже низьку температуру і не плавиться, а одразу випаровується (сублімація).
Зміна обсягу при плавленні та затвердінні безпосередньо пов'язане із залежністю температури плавлення від тиску. У переважної більшості речовин температура плавлення зростає із тиском. У води та інших речовин вона, навпаки, знижується. Для мешканців Землі на високих географічних широтах це велике благо.
Існує єдина точка на діаграмі р-Т (потрійна точка), де всі три фази речовини перебувають у рівновазі.
На закінчення відзначимо велике значення фізики твердого тіла у розвиток техніки та цивілізації взагалі.
Людство завжди використовувало і використовуватиме тверді тіла. Але якщо раніше фізика твердого тіла не встигала за розвитком технології, що базується на безпосередньому досвіді, то тепер становище змінилося. Теоретичні дослідження починають приводити до створення твердих тіл, властивості яких абсолютно незвичайні і отримати які методом «проб та помилок» було б неможливо. Винахід транзисторів, про які йтиметься надалі, яскравий приклад того, як розуміння структури твердих тіл призвело до революції у всій радіотехніці.
Створення матеріалів із заданими механічними, магнітними та іншими властивостями – один із основних напрямків фізики твердого тіла. Приблизно половина фізиків усього світу працює зараз у сфері фізики твердого тіла.
Кожному відомо, що вода може перебувати в природі у трьох агрегатних станах – твердому, рідкому та газоподібному. При плавленні відбувається перетворення твердого льоду в рідину, а при подальшому нагріванні рідина випаровується, утворюючи водяну пару. Які ж умови плавлення, кристалізації, випаровування та конденсації води? При якій температурі тане лід чи утворюється пара? Про це ми поговоримо у цій статті.
Не можна сказати, що водяна пара і лід рідко зустрічаються у повсякденному житті. Однак найбільш поширеним є рідкий стан - звичайна вода. Фахівці з'ясували, що на нашій планеті знаходиться понад 1 млрд. кубічних кілометрів води. Проте не більше 3 млн км 3 води належать прісним водойм. Досить велика кількість прісної води «покоїться» у льодовиках (близько 30 млн. кубічних кілометрів). Проте розтопити лід таких величезних брил далеко не просто. Решта ж солона вода, що належить морям Світового океану.
Вода оточує сучасну людину всюди, під час більшості щоденних процедур. Багато хто вважає, що запаси води невичерпні, і людство зможе завжди використовувати ресурси гідросфери Землі. Однак це не так. Водні ресурси нашої планети поступово виснажуються, і вже за кілька сотень років прісної води Землі може залишитися зовсім. Тому абсолютно кожній людині потрібно дбайливо ставитись до прісної води та економити її. Адже навіть у наш час існують держави, де запаси води катастрофічно малі.
Властивості води
Перш ніж говорити про температуру танення льоду, варто розглянути основні властивості цієї унікальної рідини.
Отже, воді притаманні такі властивості:
- Відсутність кольорів.
- Відсутність запаху.
- Відсутність смаку (проте якісна питна вода має приємний смак).
- Прозорість.
- Текучість.
- Здатність розчиняти різні речовини (наприклад, солі, луги тощо).
- Вода не має власної постійної форми і здатна набувати форми судини, в яку потрапляє.
- Здатність очищатися у вигляді фільтрування.
- Під час нагрівання вода розширюється, а при охолодженні стискається.
- Вода може випаровуватися, перетворюючись на пару, і замерзати, утворюючи кристалічний лід.
У цьому списку наведено основні властивості води. Тепер розберемося, якими є особливості твердого агрегатного стану цієї речовини, і при якій температурі тане лід.
Лід - це тверда кристалічна речовина, яка має досить нестійку структуру. Він, як і вода, прозорий, не має кольору та запаху. Також лід має такі властивості, як крихкість і слизькість; він холодний на дотик.
Сніг також являє собою замерзлу воду, проте має пухку структуру і має білий колір. Саме сніг щороку випадає у більшості країн світу.
Як сніг, так і лід – вкрай нестійкі речовини. Щоб розтопити кригу, не потрібно прикладати особливих зусиль. Коли він починає танути?
У природі твердий лід існує лише за температури 0 °C і нижче. Якщо температура навколишнього середовища піднімається і стає більше 0 ° C, лід починає танути.
При температурі танення льоду при 0 °C відбувається і інший процес - замерзання, або кристалізація, рідкої води.
Цей процес можна спостерігати всім мешканцям помірно континентального клімату. Взимку, коли температура на вулиці опускається нижче 0 °C, досить часто випадає сніг, який не тане. А вода, що знаходилася на вулицях, замерзає, перетворюючись на твердий сніг або лід. Навесні можна побачити зворотний процес. Температура навколишнього середовища піднімається, тому лід та сніг тануть, утворюючи численні калюжі та бруд, яку можна вважати єдиним мінусом весняного потепління.
Таким чином, можна зробити висновок, що при якій температурі починає танути лід, при такій же температурі починається і процес замерзання води.
Кількість теплоти
У такій науці як фізика часто використовується поняття кількості теплоти. Ця величина показує кількість енергії, необхідної для нагрівання, плавлення, кристалізації, кипіння, випаровування або конденсації різних речовин. Причому кожен із перелічених процесів має свої особливості. Поговоримо про те, скільки теплоти для нагрівання льоду потрібно в звичайних умовах.
Щоб нагріти кригу, потрібно спочатку її розтопити. Для цього потрібна кількість теплоти, необхідна для плавлення твердої речовини. Теплота дорівнює добутку маси льоду на питому теплоту його плавлення (330-345 тисяч Джоулів/кг) і виявляється у Джоулях. Допустимо, що нам дано 2 кг твердого льоду. Таким чином, щоб його розтопити нам знадобиться: 2 кг * 340 кДж/кг = 680 кДж.
Після цього нам необхідно нагріти воду, що утворилася. Кількість теплоти для цього процесу розрахувати буде трохи складніше. Для цього потрібно знати початкову і кінцеву температуру води, що нагрівається.
Отже, припустимо, що нам потрібно нагріти воду, що вийшла в результаті плавлення льоду, на 50 °C. Тобто різниця початкової та кінцевої температури = 50 ° C (початкова температура води - 0 ° C). Тоді слід помножити різницю температур на масу води та її питому теплоємність, що дорівнює 4 200 Дж*кг/°C. Тобто кількість теплоти, необхідне нагрівання води, = 2 кг * 50 °C * 4 200 Дж*кг/°C = 420 кДж.
Тоді отримуємо, що для плавлення льоду і подальшого нагрівання води, що вийшла нам потрібно: 680 000 Дж + 420 000 Дж = 1 100 000 Джоулей, або 1,1 Мегаджоуль.
Знаючи, за якої температури тане лід, можна вирішити безліч непростих завдань з фізики або хімії.
На закінчення
Отже, у цій статті ми дізналися деякі факти про воду і про дві її агрегатні стани - твердий і рідкий. Водяна пара, однак, є не менш цікавим об'єктом для вивчення. Наприклад, у нашій атмосфері міститься приблизно 25*1016 кубічних метрів водяної пари. До того ж, на відміну від замерзання, випаровування води відбувається за будь-якої температури і прискорюється при її нагріванні або за наявності вітру.
Ми дізналися, за якої температури тане лід і замерзає рідка вода. Такі факти завжди знадобляться нам у повсякденному житті, оскільки вода оточує нас усюди. Вода, особливо прісна, є вичерпним ресурсом Землі і потребує дбайливого до неї ставлення.
Плавлення
Плавлення- Це процес перетворення речовини з твердого стану в рідке.
Спостереження показують, що якщо подрібнений лід, що має, наприклад, температуру 10 ° С, залишити в теплій кімнаті, його температура буде підвищуватися. При 0 °С лід почне танути, а температура при цьому не змінюватиметься доти, поки весь лід не перетвориться на рідину. Після цього температура води, що утворилася з льоду, буде підвищуватися.
Це означає, що кристалічні тіла, до яких належить і лід, плавляться за певної температури, яку називають температурою плавлення. Важливо, що під час процесу плавлення температура кристалічної речовини і рідини, що утворилася в процесі його плавлення, залишається незмінною.
В описаному вище досвіді лід отримував кілька теплоти, його внутрішня енергія збільшувалася рахунок збільшення середньої кінетичної енергії руху молекул. Потім лід плавився, його температура у своїй не змінювалася, хоча лід отримував кілька теплоти. Отже, його внутрішня енергія збільшувалася, але не рахунок кінетичної, а рахунок потенційної енергії взаємодії молекул. Одержувана ззовні енергія витрачається на руйнування кристалічних ґрат. Подібним чином відбувається плавлення будь-якого кристалічного тіла.
Аморфні тіла немає певної температури плавлення. При підвищенні температури вони поступово розм'якшуються, доки не перетворяться на рідину.
Кристалізація
Кристалізація- Це процес переходу речовини з рідкого стану в твердий стан. Охолоджуючись, рідина віддаватиме деяку кількість теплоти навколишньому повітрю. У цьому буде зменшуватися її внутрішня енергія рахунок зменшення середньої кінетичної енергії його молекул. При певній температурі розпочнеться процес кристалізації, під час цього процесу температура речовини не змінюватиметься, поки вся речовина не перейде в твердий стан. Цей перехід супроводжується виділенням певної кількості теплоти і зменшенням внутрішньої енергії речовини рахунок зменшення потенційної енергії взаємодії його молекул.
Таким чином, перехід речовини з рідкого стану в твердий стан відбувається за певної температури, званої температурою кристалізації. Ця температура залишається постійною протягом усього процесу плавлення. Вона дорівнює температурі плавлення цієї речовини.
На малюнку наведено графік залежності температури твердої кристалічної речовини від часу в процесі його нагрівання від кімнатної температури до температури плавлення, плавлення, нагрівання речовини в рідкому стані, охолодження рідкої речовини, кристалізації та подальшого охолодження речовини в твердому стані.
Питома теплота плавлення
Різні кристалічні речовини мають різну будову. Відповідно, для того щоб зруйнувати кристалічну решітку твердого тіла при температурі його плавлення, необхідно йому повідомити різну кількість теплоти.
Питома теплота плавлення- це кількість теплоти, яку необхідно повідомити 1 кг кристалічної речовини, щоб перетворити його на рідину при температурі плавлення. Досвід показує, що питома теплота плавлення дорівнює питомої теплоти кристалізації .
Питома теплота плавлення позначається буквою λ . Одиниця питомої теплоти плавлення - [λ] = 1 Дж/кг.
Значення питомої теплоти плавлення кристалічних речовин наведено у таблиці. Питома теплота плавлення алюмінію 3,9*105 Дж/кг. Це означає, що для плавлення 1 кг алюмінію при температурі плавлення необхідно витратити кількість теплоти 3,9 * 10 5 Дж. Цьому ж значення дорівнює збільшення внутрішньої енергії 1 кг алюмінію.
Щоб обчислити кількість теплоти Q, необхідне для плавлення речовини масою m, взятого при температурі плавлення, слідує питома теплота плавлення λ помножити на масу речовини: Q = λm.