Co se stane při zahřátí. II. Molekulární fyzika. Zjišťujeme příčinu tepelné roztažnosti
Při zahřátí tělo teplo přijímá a při ochlazení ho odevzdává.
Množství tepla přijatého tělem při zahřívání lze vypočítat podle vzorce:
kde c je měrná tepelná kapacita látky,
m je hmotnost látky,
Rozdíl mezi konečnou a počáteční teplotou.
Stejný vzorec je vhodný pro výpočet množství tepla uvolněného při ochlazování těla.
Měrná tepelná kapacita látky je fyzikální veličina, která udává množství tepla, které je potřeba předat 1 kg této látky, aby se ohřála o 1 °C.
Jednotka měření měrné tepelné kapacity v soustavě SI:
[s] = 1 J/(kg °C).
Když se těleso ochladí na předchozí teplotu, uvolní se stejné množství tepla, jaké bylo vynaloženo na zahřátí tohoto tělesa.
.......................
ZAJÍMAVÝ
1. Proč se voda v dostatečné hloubce v nádržích v létě špatně ohřívá?
Ohřev vody sluneční paprsky děje se shora. Voda má však špatnou tepelnou vodivost.
2. Proč se v zimě drží teplota +4 stupně Celsia v hloubce u dna nádrže?
Za prvé, led neklesá.
Druhým je, že voda, která vychladla na +4 stupně Celsia, má největší hustotu, takže klesá ke dnu.
Za třetí, špatná tepelná vodivost vody nemůže vést k vyrovnání teploty v celé hloubce.
Ohřev libely tesařské úrovně
Pomocí tohoto zařízení nastavují tesaři při stavebních pracích vodorovnou úroveň.
Pokud zařízení leží na vodorovném povrchu, vzduchová bublina přítomná ve skleněné trubici naplněné vodou bude umístěna přesně ve středu. Když je hladina nakloněna, bublina se přesune k jednomu z konců trubice.
Délka vzduchové bubliny se mění s kolísáním teploty. Ale jak? Když je bublina větší: v teplé nebo v chladné počasí? Za těchto podmínek se plyn nemůže rozpínat, protože tomu brání kapalina uzavřená v hladině. Při zahřátí bude expanze kapaliny větší než expanze trubice, která stlačuje bublinu.
Takže hladina bublina dovnitř teplé počasí méně než zima.
Oh, souhlasíš s tím?
Velmi často se k chlazení používá led. To je možné, protože během tání (tání) ledu, velký počet teplo.
Voda má úžasné vlastnosti, které ji výrazně odlišují od jiných kapalin. Ale to je dobře, jinak kdyby měla voda „obyčejné“ vlastnosti, byla by planeta Země úplně jiná.Většina látek má tendenci expandovat při zahřívání. Což je docela snadné vysvětlit z hlediska mechanické teorie tepla. Při zahřátí se podle ní začnou atomy a molekuly látky pohybovat rychleji. V pevných látkách dosahují atomové vibrace větší amplitudy a potřebují více volného prostoru. V důsledku toho se tělo rozšiřuje.
Stejný proces probíhá u kapalin a plynů. To znamená, že v důsledku zvýšení teploty se rychlost tepelného pohybu volných molekul zvyšuje a tělo se rozšiřuje. Při ochlazení se tělo odpovídajícím způsobem stáhne. To platí téměř pro všechny látky. Kromě vody.
Při ochlazení v rozmezí od 0 do 4 °C voda expanduje. A při zahřívání se smršťuje. Když značka teploty vody dosáhne 4°C, v tu chvíli má voda maximální hustotu, která je 1000 kg/m3. Pokud je teplota pod nebo nad touto značkou, pak je hustota vždy o něco menší.
Díky této vlastnosti, kdy teplota vzduchu na podzim a v zimě klesá, dochází v hlubokých vodních útvarech k zajímavému procesu. Když se voda ochladí, klesá níže ke dnu, ale jen do doby, než její teplota dosáhne +4oC. Právě z tohoto důvodu je ve velkých vodních plochách chladnější voda blíže k povrchu a teplejší klesá ke dnu. Takže když povrch vody v zimě zamrzne, hlubší vrstvy si nadále udržují teplotu 4oC. Díky tomuto okamžiku mohou ryby bezpečně zimovat v hlubinách ledem pokrytých nádrží.
Vliv expanze vody na klima
Výjimečné vlastnosti vody při zahřívání vážně ovlivňují klima Země, protože asi 79 % povrchu naší planety je pokryto vodou. Vlivem slunečních paprsků se ohřívají horní vrstvy, které pak klesají níže a na jejich místě jsou studené vrstvy. Ty se zase postupně zahřívají a klesají blíže ke dnu.Vrstvy vody se tak neustále mění, což vede k rovnoměrnému zahřívání až do dosažení teploty odpovídající maximální hustotě. Poté, jak se zahřeje, horní vrstvy se stanou méně hustými a již neklesají dolů, ale zůstávají nahoře a jen se postupně ohřívají. Díky tomuto procesu se obrovské vrstvy vody poměrně snadno ohřívají slunečními paprsky.
Objem tělesa přímo souvisí s meziatomovou nebo mezimolekulární vzdáleností látky. V souladu s tím je nárůst objemu způsoben nárůstem těchto vzdáleností v důsledku různých faktorů. Jedním z těchto faktorů je teplo.
Budete potřebovat
- Učebnice fyziky, list papíru, tužka.
Návod
Přečtěte si v učebnici, jak jsou uspořádány látky, které mají jiný stav agregace. Jak víte, jeden stav agregace látky se od druhého liší zjevnými vnějšími rozdíly, například tvrdostí, tekutostí, hmotností nebo objemem. Pokud se podíváte dovnitř každého z typů látek, všimnete si, že rozdíl je vyjádřen v meziatomových nebo mezimolekulárních vzdálenostech.
Vezměte prosím na vědomí, že hmotnost určitého objemu plynu je vždy menší než hmotnost téhož, a to je zase vždy nižší než hmotnost pevného tělesa. To naznačuje, že počet částic hmoty, které se vejdou do jednotkového objemu, je mnohem menší pro plyny než pro kapaliny a dokonce menší než pro pevné látky. Jinak lze říci, že koncentrace částic více pevných látek je vždy větší než koncentrace méně pevných látek, zejména kapalných nebo plynných. To znamená, že pevné látky mají ve své struktuře hustší uspořádání atomů, menší vzdálenost mezi částicemi než například kapaliny nebo plyny.
Pamatujte, co se stane s kovy, když se zahřejí. Roztaví se a získávají vlastnost tekutosti. To znamená, že kovy se stávají kapalinami. Pokud provedete experiment, můžete vidět, že během tavení se objem kovové látky zvyšuje. Pamatujte také na to, co se stane s vodou při zahřátí a následném vaření. Voda se mění v páru, což je plynné skupenství vody. Je známo, že objem páry je mnohem větší než objem původní kapaliny. Při zahřívání těles se tedy meziatomová nebo mezimolekulární vzdálenost zvětšuje, což je potvrzeno experimenty.
Témata kodifikátoru USE: změna agregované stavy látek, tání a krystalizace, vypařování a kondenzace, var kapaliny, změna energie ve fázových přechodech.
Led, voda a vodní pára jsou příklady tří agregované stavy látky: pevné, kapalné a plynné. V jakém stavu agregace se tato látka nachází - závisí na její teplotě a dalších vnějších podmínkách, ve kterých se nachází.
Při změně vnějších podmínek (např. pokud se vnitřní energie těla zvýší nebo sníží v důsledku zahřátí nebo ochlazení) mohou nastat fázové přechody - změny v agregovaných stavech hmoty těla. Nás bude zajímat následující fázové přechody.
Tání (pevný kapalina) a krystalizace(kapalná pevná látka).
vypařování(kapalná pára) a kondenzace(parní kapalina).
Tání a krystalizace
Většina pevných látek je krystalický, tj. mít krystalová mřížka- přesně definované, periodicky se v prostoru opakující uspořádání svých částic.
Částice (atomy nebo molekuly) krystalické pevné látky způsobují tepelné vibrace v blízkosti pevných rovnovážných poloh - uzly krystalová mřížka.
Například uzly krystalové mřížky kuchyňské soli jsou vrcholy krychlových buněk „trojrozměrného kostkovaného papíru“ (viz obr. 1, na kterém jsou kuličky větší velikost označují atomy chloru (obrázek z en.wikipedia.org.)); pokud necháte odpařit vodu ze solného roztoku, pak zbylá sůl bude hromada malých kostiček.
Rýže. 1. Krystalová mřížka
tání se nazývá přeměna krystalické pevné látky na kapalinu. Můžete roztavit jakékoli tělo - k tomu ho musíte zahřát bod tání, která závisí pouze na hmotě tělesa, nikoli však na jeho tvaru nebo velikosti. Bod tání dané látky lze určit z tabulek.
Naopak, pokud se kapalina ochladí, dříve nebo později přejde do pevného stavu. Přeměna kapaliny na krystalickou pevnou látku se nazývá krystalizace nebo kalení. Tavení a krystalizace jsou tedy vzájemně inverzní procesy.
Teplota, při které kapalina krystalizuje, se nazývá krystalizační teplota. Ukazuje se, že teplota krystalizace je rovna teplotě tání: oba procesy mohou probíhat při této teplotě. Takže, když led taje a voda krystalizuje; co přesně nastává v každém konkrétním případě – závisí na vnějších podmínkách (např. zda je látce teplo dodáváno nebo z ní odebíráno).
Jak dochází k tání a krystalizaci? Jaký je jejich mechanismus? Abychom porozuměli podstatě těchto procesů, uvažujme grafy závislosti tělesné teploty na čase, kdy se zahřívá a ochlazuje - tzv. grafy tání a krystalizace.
Tabulka tání
Začneme grafem tání (obr. 2). Nechť je v počátečním okamžiku (bod na grafu) těleso krystalické a má určitou teplotu.
Rýže. 2. Tabulka tání
Poté se do těla začne dodávat teplo (řekněme, že tělo bylo umístěno do tavicí pece) a teplota těla stoupne na hodnotu - bod tání dané látky. Toto je dějová část.
V oblasti přijímá tělo množství tepla
kde je měrné teplo pevné látky, je hmotnost tělesa.
Po dosažení teploty tání (v bodě ) se situace kvalitativně změní. Navzdory tomu, že teplo je nadále dodáváno, tělesná teplota zůstává nezměněna. Vyskytuje se na místě tání těleso - jeho postupný přechod z pevného do kapalného skupenství. Uvnitř oblasti máme směs pevné látky a kapaliny a čím blíže k bodu , tím méně pevné látky zůstane a tím více se objeví kapalina. Nakonec z původního pevného tělesa v určité chvíli nezůstalo nic: úplně se změnilo v kapalinu.
Oblast odpovídá dalšímu ohřevu kapaliny (nebo, jak se říká, tát). V této sekci kapalina absorbuje množství tepla
kde je měrná tepelná kapacita kapaliny.
Nás ale nyní nejvíce zajímá úsek fázového přechodu. Proč se teplota směsi v této sekci nemění? Teplo je zapnuté!
Vraťme se na začátek procesu zahřívání. Zvýšení teploty pevného tělesa v řezu je důsledkem zvýšení intenzity vibrací jeho částic v uzlech krystalové mřížky: dodané teplo se zvýší kinetický energie částic tělesa (ve skutečnosti se určitá část dodaného tepla vynakládá na vykonávání práce na zvýšení průměrných vzdáleností mezi částicemi - jak víme, tělesa se při zahřívání roztahují. Tato část je však tak malá, že může být ignorován.).
Krystalová mřížka se stále více uvolňuje a při teplotě tání se rozsah kmitů dostává na mezní hodnotu, při které jsou ještě přitažlivé síly mezi částicemi schopny zajistit jejich uspořádané uspořádání vůči sobě. Pevné těleso začne „praskat ve švech“ a další zahřívání ničí krystalovou mřížku – tak začíná tání v oblasti.
Od tohoto okamžiku jde všechno dodané teplo do práce na rozbití vazeb, které drží částice v uzlech krystalové mřížky, tzn. zvýšit potenciál energie částic. Kinetická energie částic zůstává stejná, takže teplota tělesa se nemění. V místě krystalická struktura zcela zmizí, už není co ničit a dodané teplo jde opět ke zvýšení kinetické energie částic - k ohřevu taveniny.
Měrné teplo tání
Takže pro přeměnu pevné látky na kapalinu nestačí přivést ji k bodu tání. Je potřeba dodatečně (již při teplotě tání) předat tělu určité množství tepla pro úplnou destrukci krystalové mřížky (tj. průchod řezem).
Toto množství tepla se využívá ke zvýšení potenciální energie interakce částic. Proto je vnitřní energie taveniny v bodě větší než vnitřní energie pevné látky v bodě o hodnotu .
Zkušenosti ukazují, že hodnota je přímo úměrná tělesné hmotnosti:
Koeficient úměrnosti nezávisí na tvaru a velikosti tělesa a je vlastností látky. To se nazývá specifické teplo tání látky. Měrné skupenské teplo tání dané látky najdete v tabulkách.
Měrné skupenské teplo tání se číselně rovná množství tepla potřebného k přeměně jednoho kilogramu dané krystalické látky na kapalinu přivedenou k bodu tání.
Měrné teplo tání ledu se tedy rovná kJ/kg, olovo - kJ/kg. Vidíme, že zničení krystalové mřížky ledu vyžaduje téměř krát více energie! Led patří k látkám s vysokým měrným skupenským teplem tání, a proto na jaře hned netaje (příroda přijala vlastní opatření: kdyby měl led stejné měrné skupenské teplo tání jako olovo, celá masa ledu a sněhu by roztála s prvním tání, zaplavování všeho kolem).
Graf krystalizace
Nyní se pojďme podívat na krystalizace- obrácený proces tavení. Vycházíme z bodu předchozího obrázku. Předpokládejme, že ohřev taveniny se v bodě zastavil (pec byla vypnuta a tavenina byla vystavena vzduchu). Další změna teploty taveniny je znázorněna na Obr. (3) .
Rýže. 3. Graf krystalizace
Kapalina se ochlazuje (sekce ), dokud její teplota nedosáhne krystalizační teploty, která se shoduje s teplotou tání .
Od tohoto okamžiku se teplota taveniny přestává měnit, i když teplo z ní stále uniká do okolí. Vyskytuje se na místě krystalizace tavenina – její postupný přechod do pevného skupenství. Uvnitř řezu máme opět směs pevné a kapalné fáze a čím blíže k bodu, tím je hmota pevnější a tím méně tekutá.Nakonec v bodě kapalina nezůstává vůbec - má úplně vykrystalizoval.
Další sekce odpovídá dalšímu ochlazování pevného tělesa v důsledku krystalizace.
Opět nás zajímá oblast fázového přechodu: proč zůstává teplota nezměněna, navzdory ztrátě tepla?
Vraťme se k věci. Po zastavení přívodu tepla se teplota taveniny snižuje, protože její částice postupně ztrácejí kinetickou energii v důsledku srážek s molekulami okolního prostředí a emise elektromagnetických vln.
Když teplota taveniny klesne na teplotu krystalizace (bod ), její částice se zpomalí natolik, že je přitažlivé síly dokážou správně "rozvinout" a dát jim přesně definovanou vzájemnou orientaci v prostoru. Vzniknou tak podmínky pro nukleaci krystalové mřížky a ta se vlastně začne tvořit díky dalšímu úniku energie z taveniny do okolního prostoru.
Současně se spustí protiproces uvolňování energie: když částice zaujmou svá místa v uzlech krystalové mřížky, jejich potenciální energie se prudce sníží, díky čemuž se zvýší jejich kinetická energie - krystalizující kapalina je zdrojem tepla (často můžete vidět ptáky sedící poblíž ledové díry. Hřejí se tam!) . Teplo uvolněné při krystalizaci přesně kompenzuje ztráty tepla do okolí, a proto se teplota v oblasti nemění.
V bodě tavenina mizí a spolu s dokončením krystalizace mizí i tento vnitřní „generátor“ tepla. Vzhledem k pokračující ztrátě energie v vnější prostředí pokles teploty se obnoví, ale ochladí se pouze již vytvořené pevné těleso (úsek ).
Jak ukazuje zkušenost, během krystalizace přesně to samé množství tepla, které bylo absorbováno během tavení v místě.
Vaporizace a kondenzace
vypařování je přechod kapaliny do plynného skupenství pára). Existují dva typy odpařování: odpařování a vaření.
odpařováním tzv. odpařování, ke kterému dochází při jakékoli teplotě z volné hladiny kapaliny. Jak si pamatujete z letáku Saturated Steam, příčinou vypařování je uvolňování nejrychlejších molekul z kapaliny, které jsou schopny překonat síly mezimolekulární přitažlivosti. Tyto molekuly tvoří páru nad povrchem kapaliny.
Různé kapaliny se vypařují různou rychlostí: čím větší je síla přitahování molekul k sobě, tím menší je počet molekul za jednotku času, které je budou moci překonat a vyletět, a tím nižší je rychlost odpařování. Éter, aceton, alkohol se rychle odpařují (někdy se jim říká těkavé kapaliny), voda se odpařuje pomaleji, olej a rtuť se odpařují mnohem pomaleji než voda.
Rychlost odpařování se zvyšuje se zvyšující se teplotou (v horku prádlo rychleji schne), protože se zvyšuje průměrná kinetická energie molekul kapaliny, a tím se zvyšuje počet rychlých molekul, které mohou opustit své limity.
Rychlost odpařování závisí na ploše povrchu kapaliny: více oblasti, tím větší množství molekul získá přístup k povrchu a odpařování je rychlejší (proto se prádlo při věšení pečlivě rovná).
Současně s vypařováním je pozorován i opačný proces: molekuly páry, které se náhodně pohybují nad povrchem kapaliny, se částečně vracejí zpět do kapaliny. Přeměna z páry na kapalinu se nazývá kondenzace.
Kondenzace zpomaluje odpařování kapaliny. Takže na suchém vzduchu bude prádlo schnout rychleji než na vlhkém vzduchu. Ve větru rychleji schne: pára je odfouknuta větrem a odpařování je intenzivnější.
V některých situacích může být rychlost kondenzace rovna rychlosti odpařování. Poté se oba procesy vzájemně kompenzují a nastává dynamická rovnováha: kapalina se z pevně zazátkované láhve roky nevypařuje a v tomto případě nasycená pára.
Neustále pozorujeme kondenzaci vodní páry v atmosféře v podobě mraků, dešťů a ranní rosy; Právě vypařování a kondenzace zajišťují koloběh vody v přírodě a podporují život na Zemi.
Vzhledem k tomu, že vypařování je odchod nejrychlejších molekul z kapaliny, průměrná kinetická energie molekul kapaliny se během procesu odpařování snižuje, tzn. kapalina se ochladí. Pocit chladu a někdy i mrazu (zejména při větru) si dobře uvědomujete, když vylezete z vody: voda, která se odpařuje po celém povrchu těla, odebírá teplo, zatímco vítr urychluje proces odpařování ( teď je jasné, proč foukáme dál horký čaj. Mimochodem, ještě lepší je do sebe nasávat vzduch, protože pak na povrch čaje přichází suchý. okolni vzduch, ale ne vlhký vzduch z našich plic ;-)).
Stejný chlad můžete pociťovat, pokud si na ruku přejedete kouskem vaty namočené v těkavém rozpouštědle (řekněme aceton nebo odlakovač). Ve čtyřicetistupňových vedrech si díky zvýšenému odpařování vlhkosti póry našeho těla udržujeme teplotu na normální úrovni; bez tohoto termoregulačního mechanismu bychom v takovém horku prostě zemřeli.
Naopak, během kondenzačního procesu se kapalina zahřívá: když se molekuly páry vracejí do kapaliny, jsou urychlovány přitažlivými silami blízkých molekul kapaliny, v důsledku čehož se průměrná kinetická energie molekul kapaliny zvyšuje. (srovnejte tento jev s uvolňováním energie při krystalizaci taveniny!).
Vařící
Vařící je odpařování, ke kterému dochází v celém objemu kapaliny.
Vaření je možné, protože v kapalině je vždy rozpuštěno nějaké množství vzduchu, které se tam dostalo difúzí. Při zahřívání kapaliny se tento vzduch rozpíná, vzduchové bubliny se postupně zvětšují a stávají se viditelnými pouhým okem (v hrnci s vodou vysrážejí dno a stěny). Uvnitř vzduchových bublin je nasycená pára, jejíž tlak, jak si pamatujete, se s rostoucí teplotou rychle zvyšuje.
Čím větší jsou bubliny, tím větší na ně působí Archimédova síla a určitý okamžik bubliny se začnou odlamovat a stoupat. Bubliny stoupají vzhůru a vstupují do méně zahřátých vrstev kapaliny; pára v nich kondenzuje a bubliny se zase zmenšují. Kolaps bublin způsobuje známý zvuk, který předchází varu konvice. Nakonec se po čase celá tekutina rovnoměrně prohřeje, bublinky se dostanou na povrch a prasknou, vyvrhnou vzduch a páru – hluk vystřídá bublání, tekutina se vaří.
Bubliny tak slouží jako „vodiče“ páry z nitra kapaliny na její povrch. Při varu spolu s obvyklým odpařováním dochází v celém objemu k přeměně kapaliny na páru - odpařování na vzduchové bubliny s následným odvodem páry ven. Vroucí tekutina se proto velmi rychle odpařuje: konvice, ze které by se voda odpařovala mnoho dní, se vyvaří za půl hodiny.
Na rozdíl od odpařování, ke kterému dochází při jakékoli teplotě, se kapalina začne vařit, až když dosáhne bod varu- přesně taková teplota, při které jsou vzduchové bubliny schopny stoupat a dosahovat povrchu. Při bodu varu se tlak nasycených par rovná vnějšímu tlaku na kapalinu(zejména, atmosférický tlak). V souladu s tím, čím větší je vnější tlak, tím více vysoká teplota začne vařit.
Za normálních okolností atmosférický tlak(atm nebo Pa) bod varu vody je . Proto tlak nasycené vodní páry při teplotě rovné Pa. Tato skutečnost musí být známa, aby bylo možné řešit problémy – často se předpokládá, že je známá jako výchozí.
Na vrcholu Elbrusu je atmosférický tlak atm a voda se tam bude vařit o teplotě . A pod tlakem atm se voda začne vařit pouze při.
Bod varu (při normálním atmosférickém tlaku) je hodnota přesně definovaná pro danou kapalinu (body varu uvedené v tabulkách učebnic a příruček jsou body varu chemicky čistých kapalin. Přítomnost nečistot v kapalině může změnit Řekněme, že voda z vodovodu obsahuje rozpuštěný chlór a některé soli, takže její bod varu při normálním atmosférickém tlaku se může mírně lišit od ). Alkohol tedy vře na , éter - na , rtuť - na . Všimněte si, že čím je kapalina těkavější, tím nižší je její bod varu. V tabulce bodů varu také vidíme, že kyslík vře při . Takže při běžných teplotách je kyslík plyn!
Víme, že pokud je konvice odstavena z ohně, var se okamžitě zastaví – proces varu vyžaduje nepřetržitý přísun tepla. Zároveň se teplota vody v konvici po uvaření přestane měnit a zůstává stále stejná. Kam jde dodané teplo?
Situace je podobná procesu tání: teplo zvyšuje potenciální energii molekul. V tomto případě provést práci při odstraňování molekul na takové vzdálenosti, že přitažlivé síly nebudou schopny udržet molekuly blízko sebe a kapalina přejde do plynného stavu.
Tabulka varu
Uvažujme grafické znázornění procesu ohřevu kapaliny – tzv graf varu(obr. 4).
Rýže. 4. Plán varu
Místo předchází začátku varu. Na místě se kapalina vaří, její hmotnost klesá. V okamžiku se kapalina zcela vyvaří.
Projet úsek, tzn. aby se kapalina přivedená k bodu varu zcela přeměnila v páru, musí se do ní přivést určité množství tepla. Zkušenosti ukazují, že dané množství tepla je přímo úměrné hmotnosti kapaliny:
Faktor proporcionality se nazývá specifické výparné teplo kapaliny (při bodu varu). Měrné výparné teplo se číselně rovná množství tepla, které je třeba dodat 1 kg kapaliny odebrané při bodu varu, aby se zcela přeměnila na páru.
Takže při , měrné skupenské teplo vypařování vody se rovná kJ/kg. Zajímavé je srovnání s měrným teplem tání ledu (kJ/kg) – měrné skupenské teplo vypařování je téměř sedmkrát větší! To není překvapivé: vždyť k tání ledu je nutné zničit pouze uspořádané uspořádání molekul vody v uzlech krystalové mřížky; přičemž vzdálenosti mezi molekulami zůstávají přibližně stejné. Ale abyste přeměnili vodu na páru, musíte udělat mnohem více práce, abyste přerušili všechny vazby mezi molekulami a odstranili molekuly ve značné vzdálenosti od sebe.
Kondenzační graf
Proces kondenzace par a následné ochlazování kapaliny vypadá na grafu symetricky k procesu ohřevu a varu. Zde je relevantní kondenzační graf pro případ vodní páry Celsia, se kterou se v problémech nejčastěji setkáváme (obr. 5).
Rýže. 5. Kondenzační graf
V bodě máme vodní páru na . V oblasti dochází ke kondenzaci; uvnitř této oblasti - směs páry a vody při . V místě už není pára, v místě je pouze voda. Místo je chlazení této vody.
Zkušenosti ukazují, že při kondenzaci páry hmoty (tj. při průchodu řezem) se uvolní přesně stejné množství tepla, jaké bylo vynaloženo na přeměnu hmotné kapaliny na páru při dané teplotě.
Pro zajímavost porovnejme následující množství tepla:
Který se uvolňuje při kondenzaci g vodní páry;
, který se uvolní, když se výsledná voda o stupních Celsia ochladí na teplotu, řekněme, .
J;
J.
Tato čísla jasně ukazují, že popálení párou je mnohem horší než popálení převařenou vodou. Když se vařící voda dostane na pokožku, uvolňuje se „pouze“ (vařící voda se ochlazuje). Ale při hoření párou se nejprve uvolní řádově více tepla (pára kondenzuje), vytvoří se Celostupňová voda, načež se při ochlazení této vody přidá stejná hodnota.
Obor molekulární fyziky, který studuje přenos energie, vzorce přeměny některých typů energie na jiné. Na rozdíl od molekulárně-kinetické teorie termodynamika nebere v úvahu vnitřní struktura látek a mikroparametrů.
Termodynamický systém
Jedná se o soubor těles, která si vyměňují energii (ve formě práce nebo tepla) mezi sebou nebo mezi sebou životní prostředí. Voda v konvici se například ochladí, dochází k výměně tepla vody s konvičkou a konvice s okolím. Válec s plynem pod pístem: píst vykonává práci, v důsledku čehož plyn přijímá energii a mění se jeho makro parametry.
Množství tepla
to energie, který je přijímán nebo dáván systémem v procesu výměny tepla. Označuje se symbolem Q, měřeno jako každá energie v joulech.
V důsledku různých procesů přenosu tepla je přenášená energie určena svým vlastním způsobem.
Vytápění a chlazení
Tento proces je charakterizován změnou teploty systému. Množství tepla je určeno vzorcem
Měrná tepelná kapacita látky s měřeno množstvím tepla potřebného k zahřátí hmotnostní jednotky této látky o 1K. Ohřev 1 kg skla nebo 1 kg vody vyžaduje jiné množství energie. Měrná tepelná kapacita je známá hodnota, již vypočtená pro všechny látky, ve fyzikálních tabulkách.
Tepelná kapacita látky C- to je množství tepla, které je nutné k zahřátí tělesa bez zohlednění jeho hmotnosti o 1K.
Tání a krystalizace
Tání je přechod látky z pevného do kapalného stavu. Reverzní přechod se nazývá krystalizace.
Energie vynaložená na destrukci krystalové mřížky látky je určena vzorcem
Specifické teplo tání je známá hodnota pro každou látku ve fyzikálních tabulkách.
Odpařování (odpařování nebo var) a kondenzace
Vaporizace je přechod látky z kapalného (pevného) skupenství do plynného skupenství. Opačný proces se nazývá kondenzace.
Měrné výparné teplo je známá hodnota pro každou látku,
Jedna z nejběžnějších látek na Zemi: voda. Potřebujeme to, jako vzduch, ale někdy si toho vůbec nevšimneme. Ona prostě je. Ale ukazuje se
Jedna z nejběžnějších látek na Zemi: voda. Potřebujeme to, jako vzduch, ale někdy si toho vůbec nevšimneme. Ona prostě je. Ukazuje se ale, že obyčejná voda může změnit svůj objem a vážit buď více, nebo méně. Jak se voda odpařuje, zahřívá a ochlazuje, dějí se skutečně úžasné věci, o kterých se dnes dozvíme.
Muriel Mandell ve své zábavné knize „Fyzikální pokusy pro děti“ uvádí ty nejzajímavější úvahy o vlastnostech vody, na jejichž základě se nejen mladí fyzici mohou dozvědět spoustu nového, ale i dospělí si osvěží znalosti, že již dlouho nemuseli žádat, takže se ukázalo, že se na ně trochu zapomnělo.Dnes si povíme o objemu a hmotnosti vody. Ukazuje se, že stejný objem vody neváží vždy stejně. A pokud do sklenice nalijete vodu a ta se nepřelije přes okraj, neznamená to, že se do ní za žádných okolností vejde.
1. Voda se při zahřátí rozpíná
Vložte sklenici naplněnou vodou do hrnce naplněného pěti centimetry vroucí vody. vodou a na mírném ohni vařte. Voda ze sklenice začne přetékat. Voda totiž při zahřátí, stejně jako jiné kapaliny, začne zabírat více místa. Molekuly se navzájem odpuzují s větší intenzitou a to vede ke zvětšení objemu vody.2. Voda se ochlazováním smršťuje
Vodu v dóze necháme vychladnout na pokojovou teplotu, nebo slijeme nová voda a dejte do lednice. Po chvíli zjistíte, že dříve plná sklenice již není plná. Při ochlazení na teplotu 3,89 stupně Celsia voda s klesající teplotou zmenšuje svůj objem. Důvodem bylo snížení rychlosti pohybu molekul a jejich vzájemná konvergence pod vlivem chlazení.Zdálo by se, že vše je velmi jednoduché: než studenější voda, tím menší objem zabírá, ale...
3. ... při zamrznutí se objem vody opět zvětší
Sklenici naplňte vodou až po okraj a přikryjte kusem lepenky. Dejte do mrazáku a počkejte, až zmrzne. Zjistíte, že kartonové „víko“ bylo vysunuto. V rozmezí teplot mezi 3,89 a 0 stupni Celsia, tedy na cestě k bodu mrazu, se voda začne znovu rozpínat. Je jedna z mála známé látky mající podobnou vlastnost.Pokud použijete těsné víko, led jednoduše rozbije sklenici. Slyšeli jste někdy, že i vodovodní potrubí se může rozbít ledem?4. Led je lehčí než voda
Vložte pár kostek ledu do sklenice vody. Na hladině bude plavat led. Voda se při zamrznutí rozpíná. A v důsledku toho je led lehčí než voda: jeho objem je asi 91 % odpovídajícího objemu vody.Tato vlastnost vody existuje v přírodě z nějakého důvodu. Má velmi specifický účel. Říká se, že řeky v zimě zamrzají. Ale ve skutečnosti to není tak úplně pravda. Většinou zamrzne jen malá vrchní vrstva. Tento ledový štít neklesá, protože je lehčí než kapalná voda. Zpomaluje zamrzání vody v hloubce řeky a slouží jako jakási přikrývka, chránící ryby a další říční a jezerní živočichy před silnými zimními mrazy. Když studujete fyziku, začnete chápat, že spousta věcí v přírodě je uspořádána účelně.
