Агрегатные состояния вещества

Ни для кого не секрет, что вода может находиться в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. В твердом состоянии вода является льдом, а в газообразном — водяным паром. Всего в физике разделяют три основных агрегатных состояния (за исключением плазмы), рассмотрим особенности каждого из них:

• твердое. В твердом состоянии молекулы вещества сильно притягиваются друг к другу, из-за чего они находятся на малом расстоянии друг от друга. Более того, в кристаллических твердых телах молекулы расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решетку, и практически неподвижны. Поэтому такие тела имеют объем и форму.

• жидкое. В жидком состоянии притяжение между молекул меньше, чем в твердом, частицы не образуют кристаллическую решетку и расположены неупорядоченно, поэтому такие тела имеют собственный объем, но являются бесформенными.

• газообразное. Молекулы находятся в постоянном неупорядоченном движении и практически не взаимодействуют друг с другом. Расстояние между молекулами гораздо больше, чем размер молекулы. Такие тела не имеют собственную форму и занимают весь предоставленный им объем.

Фазовые переходы

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом.

Фазовый переход происходит при определенной температуре, например, вода превращается в лед при 0 ºC.

Переход из жидкого в твердое состояние называется кристаллизацией,  обратный процесс, из твердого в жидкое, — плавлением. Температура плавления вещества совпадает с температурой кристаллизации для одного и того же вещества, но при кристаллизации вещество отдает тепло в окружающую среду, тем самым, внутренняя энергия вещества понижается, а при плавлении вещество должно поглотить тепло, чтобы увеличить внутреннюю энергию. То есть, вода должна потерять энергию, чтобы превратиться в лед при 0 ºC, а лед при 0 ºC должен получить тепло извне, чтобы растаять.

Переход из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, обратный процесс — конденсацией. Для парообразования вещество должно поглотить энергию, а для конденсации — потерять. Для воды парообразование происходит при 100 ºC, именно при этой температуре весь объем воды начинает превращаться в пар.

Фазовые переходы происходят при постоянной температуре, при этом все тепло, полученное веществом, идет на повышение внутренней энергии вещества и изменения его строения, если вещество отдает тепло, то внутренняя энергия уменьшается.

При плавлении (или кристаллизации) вещество должно получить (или отдать в случае кристаллизации) количество теплоты, равное

где m — масса вещества, [Дж/кг] — удельная теплота плавления (кристаллизации). Удельная теплота плавления является табличной величиной, значение данной величины для различных веществ всегда можно найти в таблице.

При парообразовании (или конденсации) вещество должно получить (или отдать в случае конденсации) количество теплоты, равное

где m — масса вещества, а r — удельная теплота парообразования(конденсации), является табличной.

Чтобы нагреть (или охладить) вещество в данном агрегатном состоянии с температуры до температуры , необходимо сообщить (или отнять) ему количество теплоты, равное

где c — удельная теплоемкость вещества. Эта величина также, как и предыдущие, содержится в справочнике.

Чтобы до конца разобраться в процессах, рассмотрим график изменения температуры t(0 ºC) твердого вещества с течением времени t(с)

1. Участок AB — нагревание твердого тела до температуры плавления
2. Участок BC — плавление твердого тела (превращение в жидкость) при постоянной температуре плавления
3. Участок CD — нагревание жидкости с температуры плавления до температуры кипения
4. участок DE — парообразование жидкости (превращение в пар) при постоянной температуре кипения
5. участок EF — нагревание пара
6. участок FG — охлаждение пара до температуры конденсации
7. участок GI — конденсация пара (превращение в жидкость) при постоянной температуре конденсации
8. Участок IK — охлаждение жидкости до температуры кристаллизации
9. Участок KL — кристаллизация жидкости (превращение в твердое тело) при постоянной температуре кристаллизации
10. Участок LM — охлаждение твердого тела

При взаимодействии тел разных температур между ними происходит теплообмен, вследствие чего тела нагреваются, охлаждаются и даже могут совершить фазовый переход. Подробнее об этом можно изучить в разделе “Уравнение теплового баланса”  

Резюме:

1. В физике разделяют три основных агрегатных состояния вещества — твердое, жидкое газообразное
2. В твердом теле частицы расположены близко друг к другу в определенном порядке, в жидком состоянии частицы хаотично расположены на умеренном расстоянии друг от друга, в газообразном — частицы движутся беспорядочно и удалены друг от друга на большие расстояния, превышающие размер частиц
3. Переход из одного агрегатного состояния в другое называют фазовым переходом. Фазовый переход происходит с выделением или поглощением тепла при постоянной температуре фазового перехода

Примеры задач на эту тему:

Задание 1. Задача № 8 (первая часть)

На рисунке показан график изменения температуры вещества, находящегося в закрытом сосуде, по мере поглощения им количества теплоты. Масса вещества равна 0,5 кг. Первоначально вещество было в жидком состоянии. Какова удельная теплота парообразования вещества? Ответ приведите в кДж/кг.

Задание 2. Задача № 9 (первая часть)

На рисунке представлены графики зависимости температуры t двух тел одинаковой массы от сообщенного им количества теплоты Q. Первоначально тела находились в твердом агрегатном состоянии.

Используя данные графиков, выберите из предложенного перечня все верные утверждения.

1. Оба тела имеют одинаковую удельную теплоемкость в жидком агрегатном состоянии.
2. Температура плавления первого тела в 2 раза ниже, чем температура плавления второго тела.
3. Удельная теплота плавления первого тела в 1,5 раза больше удельной теплоты плавления второго тела.
4. Удельная теплоемкость второго тела в твердом агрегатном состоянии в 3 раза меньше, чем первого.
5. Второе тело, находящееся в твердом агрегатном состоянии, при охлаждении на 10 ºC отдаст в окружающую среду большее количество теплоты, чем первое тело, находящееся в твердом агрегатном состоянии, при таком же охлаждении.

Задание 3.
Задача № 23 (2 часть)

В калориметр с водой, имеющей температуру  и массу 400 г, бросают лед массой 50 г при температуре . Определите, будет ли плавать в воде лёд при наступлении теплового равновесия.