Физика·8 класскод 1.3·10 мин

Изменение агрегатных состояний вещества

Плавление, кристаллизация, парообразование и конденсация идут при постоянной температуре и описываются формулами Q = λm и Q = Lm.

Тренировать тему

Температура при фазовом переходе

Пока кристаллическое вещество плавится или жидкость кипит, температура не меняется, хотя энергия продолжает подводиться: она идёт на разрушение связей между частицами, то есть на увеличение потенциальной энергии их взаимодействия. Температура плавления и температура кристаллизации у одного вещества совпадают.

Плавление и кристаллизация

Q = λ·m, где λ — удельная теплота плавления, Дж/кг; m — масса вещества, кг; Q — количество теплоты, Дж. При плавлении теплота поглощается (Q > 0), при кристаллизации выделяется (Q < 0). Для льда λ = 3,4·10⁵ Дж/кг.

Парообразование и конденсация

Q = L·m, где L — удельная теплота парообразования, Дж/кг; m — масса жидкости, кг; Q — количество теплоты, Дж. Для воды L = 2,3·10⁶ Дж/кг. КПД теплового двигателя: η = A_полезн / Q_затрач = A/(q·m), доля в процентах.

Разбор формулы Q = L·m

Qколичество теплоты, Дж

Lудельная теплота парообразования, Дж/кг

mмасса испарившейся жидкости, кг

В формуле нет температуры: переход идёт при постоянной температуре кипения.

Характеристики фазовых переходов

Вещество	t плавления, °C	λ, Дж/кг	t кипения, °C	L, Дж/кг
Лёд / вода	0	3,4·10⁵	100	2,3·10⁶
Спирт	−114	1,1·10⁵	78	9,0·10⁵
Свинец	327	2,5·10⁴	1740	8,6·10⁵
Алюминий	660	3,9·10⁵	2450	1,08·10⁷

Тепловой двигатель

Нагревательсгорающее топливо, отдаёт Q₁, Дж

Рабочее телогаз или пар, совершает работу A, Дж

Холодильникуносит Q₂, Дж (выхлоп, окружающий воздух)

Полезная работаA = Q₁ − Q₂, Дж

КПДη = A/Q₁, у ДВС около 25–40 %

Любой тепловой двигатель превращает лишь часть подведённой энергии в механическую работу.

Путь льда от −20 °C до пара

Нагревание льда

Q = c_льда·m·Δt, c = 2100 Дж/(кг·°C)

Плавление при 0 °C

Q = λ·m, температура постоянна

Нагревание воды

Q = c·m·Δt, c = 4200 Дж/(кг·°C)

Кипение при 100 °C

Q = L·m, температура постоянна

Четыре участка: на двух температура растёт, на двух остаётся постоянной.

Испарение и кипение

Испарение

·Идёт при любой температуре
·Только со свободной поверхности
·Скорость зависит от площади, ветра, рода жидкости
·Сопровождается охлаждением жидкости

Кипение

·Только при температуре кипения
·Во всём объёме, с образованием пузырьков
·Температура кипения зависит от давления
·Требует Q = L·m при постоянной температуре

Оба процесса — парообразование, но условия разные.

График нагревания и плавления льда

Горизонтальная площадка при 0 °C — участок плавления: энергия подводится, температура постоянна.

Расплавить лёд и нагреть воду

Дано: m = 0,5 кг льда при t = 0 °C; λ = 3,4·10⁵ Дж/кг; c воды = 4200 Дж/(кг·°C); нагреть получившуюся воду до 30 °C. Решение: плавление Q₁ = λ·m = 3,4·10⁵ · 0,5 = 1,7·10⁵ Дж = 170 кДж; нагревание Q₂ = c·m·Δt = 4200 · 0,5 · 30 = 63 000 Дж = 63 кДж; всего Q = Q₁ + Q₂ = 170 кДж + 63 кДж = 233 кДж. Ответ: Q = 2,33·10⁵ Дж = 233 кДж.

Считают Q = c·m·Δt для участка плавления

На горизонтальной площадке графика Δt = 0, поэтому формула Q = c·m·Δt дала бы нуль, хотя энергия реально подводится. Для плавления берут Q = λ·m, для кипения Q = L·m. Ещё одна ловушка: у льда и воды разные удельные теплоёмкости (2100 и 4200 Дж/(кг·°C)), их нельзя использовать вперемешку.

Проверьте себя

✓Задача разбита на участки: нагревание, плавление, нагревание, кипение
✓Для фазовых переходов использованы Q = λ·m и Q = L·m без Δt
✓Взяты правильные значения c для твёрдого вещества и для жидкости
✓Массы в килограммах, ответ в джоулях или килоджоулях
✓КПД теплового двигателя получился меньше 100 %

← Количество теплоты при нагревании и энергия топлива Электризация тел и электрический ток →