Was passiert beim Erhitzen. II. Molekulare Physik. Wir finden die Ursache der Wärmeausdehnung heraus
Beim Erhitzen nimmt der Körper Wärme auf und beim Abkühlen gibt er sie wieder ab.
Die Wärmemenge, die der Körper beim Erhitzen aufnimmt, kann nach folgender Formel berechnet werden:
wobei c die spezifische Wärmekapazität des Stoffes ist,
m ist die Masse des Stoffes,
Die Differenz zwischen End- und Anfangstemperatur.
Die gleiche Formel eignet sich zur Berechnung der beim Abkühlen des Körpers freigesetzten Wärmemenge.
Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Wärme auf 1 kg dieses Stoffes übertragen werden muss, um ihn um 1 °C zu erwärmen.
Die Maßeinheit der spezifischen Wärmekapazität im SI-System:
[s] = 1 J/(kg°C).
Wenn ein Körper auf seine vorherige Temperatur abgekühlt wird, wird die gleiche Wärmemenge freigesetzt, die für die Erwärmung dieses Körpers aufgewendet wurde.
.......................
INTERESSANT
1. Warum erwärmt sich das Wasser in den Stauseen in ausreichender Tiefe im Sommer schlecht?
Wassererwärmung Sonnenstrahlen geschieht von oben. Wasser hat jedoch eine schlechte Wärmeleitfähigkeit.
2. Warum bleibt die Temperatur von +4 Grad Celsius im Winter in einer Tiefe nahe dem Grund des Stausees?
Erstens sinkt Eis nicht.
Zweitens hat Wasser, das auf +4 Grad Celsius abgekühlt ist, die höchste Dichte, also sinkt es zu Boden.
Drittens kann die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Wasser nicht zu einem Temperaturausgleich über die gesamte Tiefe führen.
Erhitzen der Libelle der Wasserwaage
Mit Hilfe dieses Geräts stellen Zimmerleute während der Bauarbeiten eine horizontale Ebene ein.
Liegt das Gerät auf einer waagerechten Fläche, befindet sich die im mit Wasser gefüllten Glasröhrchen vorhandene Luftblase genau in der Mitte. Wenn die Wasserwaage geneigt wird, bewegt sich die Blase zu einem der Enden des Rohrs.
Die Länge einer Luftblase ändert sich mit Temperaturschwankungen. Aber wie? Wenn die Blase größer ist: in warm oder in kaltes Wetter? Unter diesen Bedingungen kann sich das Gas nicht ausdehnen, weil dies wird durch die in der Ebene eingeschlossene Flüssigkeit verhindert. Beim Erhitzen ist die Ausdehnung der Flüssigkeit größer als die Ausdehnung des Rohrs, wodurch die Blase komprimiert wird.
Also, die Wasserwaage sprudelt hinein warmes Wetter weniger als kalt.
Ach, stimmen Sie dem zu?
Sehr oft wird Eis zum Kühlen verwendet. Dies ist möglich, weil beim Schmelzen (Schmelzen) von Eis große Menge Wärme.
Wasser hat erstaunliche Eigenschaften, die es stark von anderen Flüssigkeiten unterscheiden. Aber das ist gut so, sonst wäre der Planet Erde ganz anders, wenn Wasser „normale“ Eigenschaften hätte.Die meisten Stoffe dehnen sich bei Erwärmung aus. Was vom Standpunkt der mechanischen Wärmetheorie aus recht einfach zu erklären ist. Ihrer Meinung nach beginnen sich die Atome und Moleküle einer Substanz beim Erhitzen schneller zu bewegen. In Festkörpern erreichen atomare Schwingungen eine größere Amplitude und sie benötigen mehr Freiraum. Dadurch dehnt sich der Körper aus.
Der gleiche Vorgang findet bei Flüssigkeiten und Gasen statt. Das heißt, aufgrund des Temperaturanstiegs nimmt die Geschwindigkeit der thermischen Bewegung freier Moleküle zu und der Körper dehnt sich aus. Beim Abkühlen zieht sich der Körper entsprechend zusammen. Das gilt für fast alle Stoffe. Außer Wasser.
Bei Abkühlung im Bereich von 0 bis 4°C dehnt sich Wasser aus. Und schrumpft beim Erhitzen. Wenn die Wassertemperaturmarke 4°C erreicht, hat das Wasser in diesem Moment eine maximale Dichte, die 1000 kg/m3 beträgt. Liegt die Temperatur unter oder über dieser Marke, dann ist die Dichte immer etwas geringer.
Aufgrund dieser Eigenschaft tritt in tiefen Gewässern ein interessanter Prozess auf, wenn die Lufttemperatur im Herbst und Winter sinkt. Wenn das Wasser abkühlt, sinkt es tiefer auf den Boden, aber nur bis seine Temperatur +4oC erreicht. Aus diesem Grund befindet sich in großen Gewässern kälteres Wasser näher an der Oberfläche und wärmeres Wasser sinkt auf den Grund. Wenn also die Wasseroberfläche im Winter gefriert, halten die tieferen Schichten weiterhin eine Temperatur von 4 °C. Dank dieses Moments können die Fische sicher in den Tiefen eisbedeckter Stauseen überwintern.
Auswirkungen der Wasserausdehnung auf das Klima
Die außergewöhnlichen Eigenschaften von Wasser bei Erwärmung wirken sich stark auf das Klima der Erde aus, da etwa 79% der Oberfläche unseres Planeten mit Wasser bedeckt sind. Durch die Sonnenstrahlen werden die oberen Schichten erwärmt, die dann nach unten fallen und an ihrer Stelle kalte Schichten entstehen. Diese wiederum erwärmen sich allmählich und sinken näher zum Boden.Dadurch verändern sich die Wasserschichten kontinuierlich, was zu einer gleichmäßigen Erwärmung bis zum Erreichen der der maximalen Dichte entsprechenden Temperatur führt. Durch die Erwärmung werden die oberen Schichten dann weniger dicht und sinken nicht mehr nach unten, sondern bleiben oben und werden nur allmählich wärmer. Durch diesen Prozess werden riesige Wasserschichten durch die Sonnenstrahlen ganz einfach erwärmt.
Das Volumen eines Körpers steht in direktem Zusammenhang mit dem interatomaren oder intermolekularen Abstand einer Substanz. Dementsprechend ist die Zunahme des Volumens auf die Zunahme dieser Entfernungen aufgrund verschiedener Faktoren zurückzuführen. Einer dieser Faktoren ist Hitze.
Du wirst brauchen
- Physiklehrbuch, Blatt Papier, Bleistift.
Anweisung
Lesen Sie in einem Lehrbuch nach, wie sich Stoffe mit unterschiedlichem Aggregatzustand anordnen. Wie Sie wissen, unterscheidet sich ein Aggregatzustand eines Stoffes von einem anderen durch offensichtliche äußerliche Unterschiede, z. B. wie Härte, Fließfähigkeit, Masse oder Volumen. Wenn Sie in die einzelnen Substanztypen hineinsehen, werden Sie feststellen, dass der Unterschied in interatomaren oder intermolekularen Abständen ausgedrückt wird.
Beachten Sie, dass die Masse eines bestimmten Gasvolumens immer kleiner ist als die Masse desselben und diese wiederum immer kleiner als die Masse eines Festkörpers. Dies deutet darauf hin, dass die Anzahl der Materieteilchen, die in eine Volumeneinheit passen, bei Gasen viel geringer ist als bei Flüssigkeiten und sogar geringer als bei Feststoffen. Ansonsten können wir sagen, dass die Konzentration von Partikeln festerer Stoffe immer größer ist als die von weniger festen, insbesondere flüssigen oder gasförmigen. Das bedeutet, dass Festkörper in ihrer Struktur eine dichtere Atompackung, einen geringeren Abstand zwischen den Teilchen haben als etwa Flüssigkeiten oder Gase.
Denken Sie daran, was mit Metallen passiert, wenn sie erhitzt werden. Sie schmelzen und erlangen die Eigenschaft der Fließfähigkeit. Das heißt, Metalle werden zu Flüssigkeiten. Wenn Sie ein Experiment durchführen, können Sie sehen, dass beim Schmelzen das Volumen einer metallischen Substanz zunimmt. Denken Sie auch daran, was mit Wasser passiert, wenn es erhitzt und dann gekocht wird. Wasser verwandelt sich in Dampf, das ist der gasförmige Zustand von Wasser. Es ist bekannt, dass das Dampfvolumen viel größer ist als das Volumen der ursprünglichen Flüssigkeit. Wenn also Körper erhitzt werden, vergrößert sich der interatomare oder intermolekulare Abstand, was durch Experimente bestätigt wird.
Themen des USE-Kodifikators: Rückgeld aggregierte Zustände Substanzen, Schmelzen und Kristallisieren, Verdampfen und Kondensieren, Sieden von Flüssigkeiten, Energieänderung bei Phasenübergängen.
Eis, Wasser und Wasserdampf sind Beispiele für drei aggregierte Zustände Stoffe: fest, flüssig und gasförmig. In welchem Aggregatzustand sich dieser Stoff befindet - hängt von seiner Temperatur und anderen äußeren Bedingungen ab, in denen er sich befindet.
Wenn sich äußere Bedingungen ändern (z. B. wenn die innere Energie des Körpers durch Erwärmung oder Abkühlung zunimmt oder abnimmt), können Phasenübergänge auftreten - Änderungen der Aggregatzustände der Körpersubstanz. Uns interessiert folgendes Phasenübergänge.
Schmelzen (fest Flüssigkeit) und Kristallisation(flüssig fest).
Verdampfung(Flüssigkeitsdampf) und Kondensation(Dampfflüssigkeit).
Schmelzen und Kristallisation
Die meisten Feststoffe sind kristallin, d.h. haben Kristallgitter- eine fest definierte, sich periodisch im Raum wiederholende Anordnung seiner Teilchen.
Teilchen (Atome oder Moleküle) eines kristallinen Festkörpers erzeugen thermische Schwingungen in der Nähe fester Gleichgewichtspositionen - Knoten Kristallgitter.
Beispielsweise sind die Knoten des Kristallgitters von Speisesalz die Spitzen der kubischen Zellen aus „dreidimensionalem kariertem Papier“ (siehe Abb. 1, auf dem die Kugeln größere Größe bezeichnen Chloratome (Bild von en.wikipedia.org.)); Wenn Sie das Wasser aus der Salzlösung verdampfen lassen, ist das verbleibende Salz ein Haufen kleiner Würfel.
Reis. 1. Kristallgitter
schmelzen nennt man die Umwandlung eines kristallinen Feststoffs in eine Flüssigkeit. Sie können jeden Körper schmelzen - dazu müssen Sie ihn erhitzen Schmelzpunkt, die nur von der Substanz des Körpers abhängt, nicht aber von seiner Form oder Größe. Der Schmelzpunkt einer bestimmten Substanz kann aus den Tabellen bestimmt werden.
Wird eine Flüssigkeit dagegen abgekühlt, geht sie früher oder später in einen festen Zustand über. Man nennt die Umwandlung einer Flüssigkeit in einen kristallinen Festkörper Kristallisation oder Härten. Somit sind Schmelzen und Kristallisation gegensätzliche Prozesse.
Man nennt die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit kristallisiert Kristallisationstemperatur. Es stellt sich heraus, dass die Kristallisationstemperatur gleich der Schmelztemperatur ist: Bei dieser Temperatur können beide Prozesse ablaufen. Also, wenn Eis schmilzt und Wasser kristallisiert; was genau im Einzelfall auftritt - abhängig von äußeren Bedingungen (z. B. ob dem Stoff Wärme zugeführt oder entzogen wird).
Wie kommt es zum Schmelzen und Kristallisieren? Was ist ihr Mechanismus? Um das Wesen dieser Prozesse zu verstehen, betrachten wir Diagramme der Abhängigkeit der Körpertemperatur von der Zeit, wenn sie erhitzt und abgekühlt wird - die sogenannten Schmelz- und Kristallisationsdiagramme.
Schmelzdiagramm
Beginnen wir mit dem Schmelzdiagramm (Abb. 2). Der Körper sei zum Anfangszeitpunkt (ein Punkt auf dem Diagramm) kristallin und habe eine bestimmte Temperatur.
Reis. 2. Schmelzdiagramm
Dann wird dem Körper Wärme zugeführt (sagen wir, der Körper wurde in einen Schmelzofen gestellt), und die Körpertemperatur steigt auf einen Wert - den Schmelzpunkt der gegebenen Substanz. Dies ist ein Handlungsabschnitt.
In dem Bereich erhält der Körper die Wärmemenge
wo ist die spezifische Wärme eines festen Stoffes, ist die Masse des Körpers.
Beim Erreichen der Schmelztemperatur (am Punkt ) ändert sich die Situation qualitativ. Trotz fortgesetzter Wärmezufuhr bleibt die Körpertemperatur unverändert. Findet vor Ort statt schmelzen Körper - sein allmählicher Übergang von einem festen in einen flüssigen Zustand. Innerhalb des Bereichs haben wir eine Mischung aus fest und flüssig, und je näher am Punkt , desto weniger fest bleibt und desto mehr Flüssigkeit erscheint. Irgendwann war schließlich nichts mehr von dem ursprünglichen festen Körper übrig: Er verwandelte sich vollständig in eine Flüssigkeit.
Die Fläche entspricht der weiteren Erwärmung der Flüssigkeit (oder, wie sie sagen, schmelzen). In diesem Abschnitt nimmt die Flüssigkeit die Wärmemenge auf
wo ist die spezifische Wärmekapazität der Flüssigkeit.
Aber jetzt interessiert uns vor allem der Abschnitt des Phasenübergangs. Warum ändert sich die Temperatur der Mischung in diesem Abschnitt nicht? Die Hitze ist an!
Gehen wir zurück zum Beginn des Erwärmungsprozesses. Eine Erhöhung der Temperatur eines Festkörpers in einem Abschnitt ist das Ergebnis einer Erhöhung der Vibrationsintensität seiner Teilchen in den Knoten des Kristallgitters: Die zugeführte Wärme nimmt zu kinetisch die Energie der Partikel des Körpers (tatsächlich wird ein Teil der zugeführten Wärme für Arbeiten aufgewendet, um die durchschnittlichen Abstände zwischen Partikeln zu vergrößern - wie wir wissen, dehnen sich Körper beim Erhitzen aus. Dieser Teil ist jedoch so klein, dass er es kann ignoriert werden.).
Das Kristallgitter wird immer mehr aufgelockert und bei der Schmelztemperatur erreicht der Schwingungsbereich den Grenzwert, bei dem die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen noch für ihre geordnete Anordnung zueinander sorgen können. Der Festkörper beginnt „an den Nähten zu knacken“, und weiteres Erhitzen zerstört das Kristallgitter – so beginnt das Schmelzen in der Umgebung.
Von diesem Moment an dient die gesamte zugeführte Wärme dazu, die Bindungen aufzubrechen, die die Teilchen in den Knoten des Kristallgitters halten, d.h. erhöhen Potenzial Teilchenenergie. Die kinetische Energie der Teilchen bleibt gleich, die Temperatur des Körpers ändert sich also nicht. An dem Punkt verschwindet die Kristallstruktur vollständig, es gibt nichts mehr zu zerstören, und die zugeführte Wärme dient wieder dazu, die kinetische Energie der Partikel zu erhöhen - um die Schmelze zu erhitzen.
Spezifische Schmelzwärme
Für die Umwandlung eines Feststoffs in eine Flüssigkeit reicht es also nicht aus, ihn auf den Schmelzpunkt zu bringen. Zur vollständigen Zerstörung des Kristallgitters (d. h. zum Passieren des Schnitts) muss dem Körper zusätzlich (bereits bei Schmelztemperatur) eine gewisse Wärmemenge zugeführt werden.
Diese Wärmemenge wird verwendet, um die potenzielle Energie der Teilchenwechselwirkung zu erhöhen. Daher ist die innere Energie der Schmelze an der Stelle um den Wert größer als die innere Energie des Festkörpers an der Stelle.
Erfahrungsgemäß ist der Wert direkt proportional zum Körpergewicht:
Der Proportionalitätskoeffizient hängt nicht von Form und Größe des Körpers ab und ist eine Eigenschaft des Stoffes. Es wird genannt spezifische Schmelzwärme eines Stoffes. Die spezifische Schmelzwärme eines bestimmten Stoffes kann den Tabellen entnommen werden.
Die spezifische Schmelzwärme ist numerisch gleich der Wärmemenge, die erforderlich ist, um ein Kilogramm einer gegebenen kristallinen Substanz in eine Flüssigkeit umzuwandeln, die auf den Schmelzpunkt gebracht wird.
Die spezifische Schmelzwärme von Eis ist also gleich kJ/kg, Blei - kJ/kg. Wir sehen, dass die Zerstörung des Kristallgitters des Eises fast ein Vielfaches an Energie erfordert! Eis gehört zu den Stoffen mit hoher spezifischer Schmelzwärme und schmilzt daher im Frühling nicht sofort (die Natur hat ihre eigenen Maßnahmen ergriffen: Hätte Eis die gleiche spezifische Schmelzwärme wie Blei, würde die gesamte Eis- und Schneemasse mit dem ersten schmelzen taut auf, überschwemmt alles um sich herum).
Kristallisationsdiagramm
Nun werfen wir einen Blick auf Kristallisation- der umgekehrte Prozess des Schmelzens. Wir gehen vom Punkt der vorherigen Abbildung aus. Nehmen wir an, dass die Erwärmung der Schmelze an dem Punkt aufhörte (der Ofen wurde abgeschaltet und die Schmelze der Luft ausgesetzt). Eine weitere Änderung der Schmelztemperatur ist in Abb. 1 dargestellt. (3) .
Reis. 3. Diagramm der Kristallisation
Die Flüssigkeit kühlt ab (Abschnitt ), bis ihre Temperatur die Kristallisationstemperatur erreicht, die mit dem Schmelzpunkt zusammenfällt.
Ab diesem Zeitpunkt ändert sich die Temperatur der Schmelze nicht mehr, entweicht aber dennoch Wärme aus ihr in die Umgebung. Findet vor Ort statt Kristallisation schmelzen - sein allmählicher Übergang in einen festen Zustand. Im Inneren des Abschnitts haben wir wieder eine Mischung aus festen und flüssigen Phasen, und je näher man dem Punkt kommt, desto fester wird die Materie und desto weniger flüssig wird es schließlich, am Punkt bleibt die Flüssigkeit überhaupt nicht zurück, sondern vollständig kristallisiert.
Der nächste Abschnitt entspricht der weiteren Abkühlung des aus der Kristallisation resultierenden Festkörpers.
Uns interessiert wieder der Phasenübergangsbereich: Warum bleibt die Temperatur trotz Wärmeverlust unverändert?
Kommen wir zurück zum Punkt. Nach dem Stoppen der Wärmezufuhr sinkt die Temperatur der Schmelze, da ihre Partikel durch Kollisionen mit Umgebungsmolekülen und die Emission elektromagnetischer Wellen allmählich kinetische Energie verlieren.
Wenn die Temperatur der Schmelze auf die Kristallisationstemperatur (Punkt ) sinkt, werden ihre Partikel so stark abgebremst, dass die Anziehungskräfte sie richtig „entfalten“ und ihnen eine genau definierte gegenseitige Orientierung im Raum geben können. Damit ergeben sich Bedingungen für die Keimbildung eines Kristallgitters, das sich durch das weitere Entweichen von Energie aus der Schmelze in den umgebenden Raum tatsächlich zu bilden beginnt.
Gleichzeitig beginnt ein Gegenprozess der Energiefreisetzung: Wenn die Partikel ihren Platz in den Knoten des Kristallgitters einnehmen, nimmt ihre potentielle Energie stark ab, wodurch ihre kinetische Energie zunimmt - die kristallisierende Flüssigkeit ist eine Wärmequelle (Oft sieht man Vögel, die in der Nähe des Eislochs sitzen. Sie wärmen sich dort!) . Die bei der Kristallisation freigesetzte Wärme kompensiert genau den Wärmeverlust an die Umgebung, daher ändert sich die Temperatur in der Umgebung nicht.
An diesem Punkt verschwindet die Schmelze und zusammen mit der Vollendung der Kristallisation verschwindet auch dieser interne "Wärmeerzeuger". Durch die fortwährende Energieabgabe in Außenumgebung die Temperaturabnahme setzt fort, aber nur der bereits gebildete Festkörper (Abschnitt ) kühlt ab.
Erfahrungsgemäß wird während der Kristallisation genauso die Wärmemenge, die beim Schmelzen an der Stelle aufgenommen wurde.
Verdampfung und Kondensation
Verdampfung ist der Übergang eines flüssigen in einen gasförmigen Zustand Dampf). Es gibt zwei Arten der Verdampfung: Verdampfung und Sieden.
durch Verdunstung Verdampfung genannt, die bei jeder Temperatur auftritt von der freien Oberfläche Flüssigkeiten. Wie Sie sich aus dem Prospekt Sattdampf erinnern, ist die Ursache der Verdunstung die Freisetzung der schnellsten Moleküle aus der Flüssigkeit, die in der Lage sind, die Kräfte der zwischenmolekularen Anziehung zu überwinden. Diese Moleküle bilden Dampf über der Oberfläche der Flüssigkeit.
Verschiedene Flüssigkeiten verdunsten unterschiedlich schnell: Je größer die Anziehungskraft der Moleküle zueinander ist, desto weniger Moleküle können sie pro Zeiteinheit überwinden und herausfliegen, und desto geringer ist die Verdunstungsrate. Ether, Aceton, Alkohol verdunsten schnell (sie werden manchmal als flüchtige Flüssigkeiten bezeichnet), Wasser verdunstet langsamer, Öl und Quecksilber verdunsten viel langsamer als Wasser.
Die Verdunstungsrate steigt mit steigender Temperatur (in der Hitze trocknet die Wäsche schneller), da die durchschnittliche kinetische Energie der Flüssigkeitsmoleküle zunimmt und damit die Zahl der schnellen Moleküle, die ihre Grenzen verlassen können, zunimmt.
Die Verdunstungsrate hängt von der Oberfläche der Flüssigkeit ab: mehr Fläche, desto mehr Moleküle gelangen an die Oberfläche und die Verdunstung ist schneller (deshalb wird die Wäsche beim Aufhängen sorgfältig geglättet).
Gleichzeitig mit der Verdampfung wird auch der umgekehrte Vorgang beobachtet: Dampfmoleküle, die sich zufällig über der Flüssigkeitsoberfläche bewegen, kehren teilweise in die Flüssigkeit zurück. Der Wechsel von Dampf zu Flüssigkeit wird genannt Kondensation.
Kondensation verlangsamt die Verdunstung von Flüssigkeit. Bei trockener Luft trocknet die Wäsche also schneller als bei feuchter Luft. Es trocknet schneller im Wind: Der Dampf wird vom Wind weggeblasen und die Verdunstung ist intensiver.
In einigen Situationen kann die Kondensationsrate gleich der Verdunstungsrate sein. Dann kompensieren sich beide Prozesse und es stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein: Aus einer fest verschlossenen Flasche verdunstet die Flüssigkeit jahrelang nicht, und in diesem Fall befindet sich eine Flüssigkeit über der Flüssigkeitsoberfläche. gesättigter Dampf.
Wir beobachten ständig die Kondensation von Wasserdampf in der Atmosphäre in Form von Wolken, Regen und morgens fallendem Tau; Es sind Verdunstung und Kondensation, die den Wasserkreislauf in der Natur bilden und das Leben auf der Erde unterstützen.
Da die Verdunstung der Austritt der schnellsten Moleküle aus der Flüssigkeit ist, nimmt die durchschnittliche kinetische Energie der Flüssigkeitsmoleküle während des Verdunstungsprozesses ab, d.h. Flüssigkeit kühlt ab. Das Gefühl von Kühle und manchmal sogar Frösteln (besonders bei Wind) beim Aussteigen aus dem Wasser kennen Sie gut: Wasser, das über die gesamte Körperoberfläche verdunstet, entzieht Wärme, während der Wind den Verdunstungsprozess beschleunigt ( jetzt ist klar, warum wir weiterblasen heißer Tee. Noch besser ist es übrigens, Luft in sich hineinzuziehen, denn dann kommt Trockenheit an die Oberfläche des Tees. Umgebungsluft, und nicht nasse Luft aus unserer Lunge ;-)).
Die gleiche Kühle spürt man, wenn man ein Stück Watte, das mit einem flüchtigen Lösungsmittel (z. B. Aceton oder Nagellackentferner) getränkt ist, über die Hand fährt. Bei einer Hitze von 40 Grad halten wir aufgrund der erhöhten Verdunstung von Feuchtigkeit durch die Poren unseres Körpers unsere Temperatur auf einem normalen Niveau. Ohne diesen Thermoregulationsmechanismus würden wir bei solcher Hitze einfach sterben.
Im Gegensatz dazu erwärmt sich die Flüssigkeit während des Kondensationsprozesses: Wenn die Dampfmoleküle in die Flüssigkeit zurückkehren, werden sie durch die Anziehungskräfte benachbarter Flüssigkeitsmoleküle beschleunigt, wodurch sich die mittlere kinetische Energie der Flüssigkeitsmoleküle erhöht (Vergleiche dieses Phänomen mit der Energiefreisetzung bei der Kristallisation der Schmelze!).
Sieden
Sieden ist die auftretende Verdampfung im gesamten Band Flüssigkeiten.
Sieden ist möglich, weil immer etwas Luft in der Flüssigkeit gelöst ist, die durch Diffusion dorthin gelangt ist. Wenn die Flüssigkeit erhitzt wird, dehnt sich diese Luft aus, die Luftblasen nehmen allmählich an Größe zu und werden mit bloßem Auge sichtbar (in einem Topf mit Wasser fallen sie auf den Boden und die Wände). In den Luftblasen befindet sich gesättigter Dampf, dessen Druck, wie Sie sich erinnern, mit steigender Temperatur schnell ansteigt.
Je größer die Blasen werden, desto stärker wirkt die archimedische Kraft auf sie und einen bestimmten Moment Blasen beginnen abzubrechen und aufzusteigen. Die aufsteigenden Blasen treten in die weniger erhitzten Schichten der Flüssigkeit ein; der Dampf in ihnen kondensiert und die Blasen schrumpfen wieder. Das Zusammenfallen der Blasen verursacht das bekannte Geräusch, das dem Sieden des Kessels vorausgeht. Schließlich erwärmt sich die gesamte Flüssigkeit mit der Zeit gleichmäßig, die Blasen erreichen die Oberfläche und platzen, wobei Luft und Dampf ausgestoßen werden - das Geräusch wird durch Gurgeln ersetzt, die Flüssigkeit kocht.
Blasen dienen somit als "Leiter" von Dampf aus dem Inneren der Flüssigkeit zu ihrer Oberfläche. Während des Kochens findet neben der üblichen Verdampfung im gesamten Volumen eine Umwandlung der Flüssigkeit in Dampf statt - Verdampfung in die Luftblasen, gefolgt von der Entfernung des Dampfes nach außen. Deshalb verdunstet eine kochende Flüssigkeit sehr schnell: Ein Wasserkocher, aus dem viele Tage lang das Wasser verdunsten würde, ist in einer halben Stunde verkocht.
Im Gegensatz zur Verdunstung, die bei jeder Temperatur auftritt, beginnt die Flüssigkeit erst zu kochen, wenn sie erreicht ist Siedepunkt- genau die Temperatur, bei der Luftblasen aufsteigen und an die Oberfläche gelangen können. Am Siedepunkt wird der Sättigungsdampfdruck gleich dem Außendruck auf die Flüssigkeit(insbesondere, Luftdruck). Je größer also der Druck von außen, desto mehr hohe Temperatur das Kochen beginnt.
Unter normal Luftdruck(atm oder Pa) Der Siedepunkt von Wasser ist . Deshalb der Druck von gesättigtem Wasserdampf bei einer Temperatur gleich Pa. Diese Tatsache muss bekannt sein, um Probleme zu lösen – sie wird oft standardmäßig als bekannt vorausgesetzt.
An der Spitze des Elbrus herrscht atmosphärischer Druck, und das Wasser kocht dort bei einer Temperatur von . Und unter Druck atm beginnt Wasser erst bei zu kochen.
Der Siedepunkt (bei normalem atmosphärischem Druck) ist ein für eine gegebene Flüssigkeit streng definierter Wert (die in den Tabellen von Lehrbüchern und Nachschlagewerken angegebenen Siedepunkte sind die Siedepunkte von chemisch reinen Flüssigkeiten. Das Vorhandensein von Verunreinigungen in einer Flüssigkeit kann den Wert verändern Siedepunkt Angenommen, Leitungswasser enthält gelöstes Chlor und einige Salze, sodass sein Siedepunkt bei normalem atmosphärischem Druck leicht von abweichen kann). Alkohol siedet also bei , Äther - bei , Quecksilber - bei . Beachten Sie, dass je flüchtiger eine Flüssigkeit ist, desto niedriger ist ihr Siedepunkt. In der Tabelle der Siedepunkte sehen wir auch, dass Sauerstoff bei kocht. Bei normalen Temperaturen ist Sauerstoff also ein Gas!
Wir wissen, dass das Kochen sofort aufhört, wenn der Wasserkocher vom Herd genommen wird - der Kochvorgang erfordert eine kontinuierliche Wärmezufuhr. Gleichzeitig ändert sich die Temperatur des Wassers im Wasserkocher nach dem Kochen nicht mehr und bleibt die ganze Zeit über gleich. Wohin geht die zugeführte Wärme?
Die Situation ist ähnlich wie beim Schmelzprozess: Wärme erhöht die potenzielle Energie von Molekülen. In diesem Fall, um die Moleküle auf solche Entfernungen zu entfernen, dass die Anziehungskräfte die Moleküle nicht nahe beieinander halten können und die Flüssigkeit in einen gasförmigen Zustand übergeht.
Siedediagramm
Betrachten Sie eine grafische Darstellung des Erwärmungsprozesses einer Flüssigkeit - die sogenannte Siedediagramm(Abb. 4).
Reis. 4. Kochplan
Die Stelle geht dem Einsetzen des Siedens voraus. An der Stelle kocht die Flüssigkeit, ihre Masse nimmt ab. An diesem Punkt verkocht die Flüssigkeit vollständig.
Um die Sektion zu bestehen, d.h. Damit sich eine zum Sieden gebrachte Flüssigkeit vollständig in Dampf umwandelt, muss ihr eine gewisse Wärmemenge zugeführt werden. Die Erfahrung zeigt, dass eine bestimmte Wärmemenge direkt proportional zur Masse der Flüssigkeit ist:
Der Proportionalitätsfaktor wird aufgerufen spezifische Verdampfungswärme Flüssigkeiten (am Siedepunkt). Die spezifische Verdampfungswärme ist rechnerisch gleich der Wärmemenge, die 1 kg am Siedepunkt entnommener Flüssigkeit zugeführt werden muss, um sie vollständig in Dampf umzuwandeln.
Somit ist bei die spezifische Verdampfungswärme von Wasser gleich kJ/kg. Interessant ist der Vergleich mit der spezifischen Schmelzwärme von Eis (kJ/kg) – die spezifische Verdampfungswärme ist fast siebenmal größer! Kein Wunder, schließlich muss zum Schmelzen von Eis nur die geordnete Anordnung der Wassermoleküle in den Knoten des Kristallgitters zerstört werden; während die Abstände zwischen den Molekülen ungefähr gleich bleiben. Aber um Wasser in Dampf umzuwandeln, müssen Sie viel mehr Arbeit leisten, um alle Bindungen zwischen Molekülen aufzubrechen und Moleküle in beträchtlichen Abständen voneinander zu entfernen.
Kondensationsdiagramm
Der Prozess der Dampfkondensation und anschließenden Abkühlung der Flüssigkeit sieht in der Grafik symmetrisch zum Prozess des Erhitzens und Siedens aus. Hier ist das Relevante Kondensationsdiagramm für den bei Problemen am häufigsten anzutreffenden Wasserdampf in der Temperatur (Abb. 5).
Reis. 5. Kondensationsdiagramm
An dem Punkt haben wir Wasserdampf bei . Es gibt Kondensation im Bereich; in diesem Bereich - eine Mischung aus Dampf und Wasser bei . An der Stelle ist kein Dampf mehr, an der Stelle ist nur noch Wasser. Der Ort ist die Kühlung dieses Wassers.
Die Erfahrung zeigt, dass beim Kondensieren der Dampfmasse (d. h. beim Durchgang durch den Abschnitt) genau die gleiche Wärmemenge freigesetzt wird, die aufgewendet wurde, um die flüssige Masse bei einer bestimmten Temperatur in Dampf umzuwandeln.
Vergleichen wir interessehalber die folgenden Wärmemengen:
die bei der Kondensation von g Wasserdampf freigesetzt wird;
, das freigesetzt wird, wenn das resultierende Celsius-Wasser auf eine Temperatur abkühlt, sagen wir, .
J;
J.
Diese Zahlen zeigen deutlich, dass eine Dampfverbrennung viel schlimmer ist als eine Verbrennung mit kochendem Wasser. Wenn kochendes Wasser auf die Haut gelangt, wird „nur“ freigesetzt (kochendes Wasser kühlt ab). Bei einer Dampfverbrennung wird jedoch zunächst eine Größenordnung mehr Wärme freigesetzt (Dampf kondensiert), es entsteht kühles Wasser, danach wird der gleiche Wert hinzugefügt, wenn dieses Wasser abkühlt.
Ein Zweig der Molekularphysik, der die Übertragung von Energie untersucht, die Muster der Umwandlung einiger Energiearten in andere. Im Gegensatz zur molekularkinetischen Theorie wird die Thermodynamik nicht berücksichtigt Interne Struktur Substanzen und Mikroparameter.
Thermodynamisches System
Dies ist eine Ansammlung von Körpern, die untereinander oder miteinander Energie (in Form von Arbeit oder Wärme) austauschen Umgebung. Beispielsweise kühlt sich das Wasser in der Teekanne ab, es findet ein Wärmeaustausch des Wassers mit der Teekanne und der Teekanne mit der Umgebung statt. Zylinder mit Gas unter dem Kolben: Der Kolben verrichtet Arbeit, wodurch das Gas Energie erhält und sich seine Makroparameter ändern.
Wärmemenge
Das Energie, die vom System beim Wärmeaustausch empfangen oder abgegeben wird. Bezeichnet mit dem Symbol Q, gemessen wie jede Energie in Joule.
Durch verschiedene Wärmeübertragungsvorgänge wird die übertragene Energie auf ihre Weise bestimmt.
Heizung und Kühlung
Dieser Vorgang ist durch eine Änderung der Temperatur des Systems gekennzeichnet. Die Wärmemenge wird durch die Formel bestimmt
Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes mit gemessen an der Wärmemenge, die zum Aufheizen benötigt wird Masseneinheiten dieser Substanz um 1K. Das Erhitzen von 1 kg Glas oder 1 kg Wasser erfordert eine unterschiedliche Energiemenge. Die spezifische Wärmekapazität ist ein bekannter Wert, der bereits für alle Stoffe in physikalischen Tabellen berechnet wurde.
Wärmekapazität von Stoff C- Dies ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um den Körper zu erwärmen, ohne seine Masse um 1K zu berücksichtigen.
Schmelzen und Kristallisation
Schmelzen ist der Übergang eines Stoffes von einem festen in einen flüssigen Zustand. Den umgekehrten Übergang nennt man Kristallisation.
Die Energie, die für die Zerstörung des Kristallgitters einer Substanz aufgewendet wird, wird durch die Formel bestimmt
Die spezifische Schmelzwärme ist ein bekannter Wert für jede Substanz in physikalischen Tabellen.
Verdampfung (Verdunstung oder Sieden) und Kondensation
Verdampfung ist der Übergang eines Stoffes von einem flüssigen (festen) Zustand in einen gasförmigen Zustand. Den umgekehrten Vorgang nennt man Kondensation.
Die spezifische Verdampfungswärme ist für jeden Stoff ein bekannter Wert,
Eine der häufigsten Substanzen auf der Erde: Wasser. Wir brauchen es wie Luft, aber manchmal nehmen wir es gar nicht wahr. Sie ist einfach. Aber es stellt sich heraus
Eine der häufigsten Substanzen auf der Erde: Wasser. Wir brauchen es wie Luft, aber manchmal nehmen wir es gar nicht wahr. Sie ist einfach. Aber es stellt sich heraus, dass gewöhnliches Wasser sein Volumen ändern und mehr oder weniger wiegen kann. Wenn Wasser verdunstet, sich erwärmt und abkühlt, passieren wirklich erstaunliche Dinge, von denen wir heute erfahren werden.
Muriel Mandell legt in seinem unterhaltsamen Buch „Physikalische Experimente für Kinder“ die interessantesten Gedanken zu den Eigenschaften des Wassers dar, anhand derer nicht nur junge Physiker viel Neues lernen können, sondern auch Erwachsene ihr Wissen auffrischen werden mussten sich schon lange nicht mehr bewerben, so dass sie sich als etwas vergessen herausstellten.Heute werden wir über das Volumen und Gewicht von Wasser sprechen. Es stellt sich heraus, dass die gleiche Wassermenge nicht immer gleich wiegt. Und wenn Sie Wasser in ein Glas gießen und es nicht über den Rand schwappt, heißt das nicht, dass es auf keinen Fall hineinpasst.
1. Wasser dehnt sich bei Erwärmung aus
Stellen Sie ein mit Wasser gefülltes Glas in einen Topf, der mit fünf Zentimeter kochendem Wasser gefüllt ist. gießen und bei schwacher Hitze köcheln lassen. Das Wasser aus dem Gefäß beginnt überzulaufen. Dies liegt daran, dass Wasser, wie andere Flüssigkeiten, beim Erhitzen mehr Platz einnimmt. Moleküle stoßen sich stärker ab und dies führt zu einer Zunahme des Wasservolumens.2. Wasser schrumpft beim Abkühlen
Lassen Sie das Wasser im Glas auf Raumtemperatur abkühlen oder gießen Sie es ein neues Wasser und in den Kühlschrank stellen. Nach einer Weile werden Sie feststellen, dass das zuvor volle Glas nicht mehr voll ist. Beim Abkühlen auf eine Temperatur von 3,89 Grad Celsius nimmt das Volumen des Wassers mit sinkender Temperatur ab. Der Grund dafür war eine Abnahme der Bewegungsgeschwindigkeit von Molekülen und ihre Konvergenz miteinander unter dem Einfluss von Kühlung.Es scheint, dass alles sehr einfach ist: als kälteres Wasser, desto weniger Volumen nimmt es ein, aber ...
3. ... das Wasservolumen beim Gefrieren wieder zunimmt
Füllen Sie das Glas bis zum Rand mit Wasser und decken Sie es mit einem Stück Pappe ab. Legen Sie es in den Gefrierschrank und warten Sie, bis es gefriert. Sie werden feststellen, dass der „Deckel“ aus Pappe herausgedrückt wurde. Im Temperaturbereich zwischen 3,89 und 0 Grad Celsius, also auf dem Weg zum Gefrierpunkt, beginnt sich das Wasser wieder auszudehnen. Sie ist eine der wenigen bekannte Stoffe eine ähnliche Eigenschaft haben.Wenn Sie einen dichten Deckel verwenden, zerschmettert das Eis einfach das Glas. Haben Sie schon einmal gehört, dass sogar Wasserleitungen mit Eis brechen können?4. Eis ist leichter als Wasser
Legen Sie ein paar Eiswürfel in ein Glas Wasser. Eis schwimmt auf der Oberfläche. Wasser dehnt sich aus, wenn es gefriert. Und folglich ist Eis leichter als Wasser: Sein Volumen beträgt etwa 91 % des entsprechenden Wasservolumens.Diese Eigenschaft des Wassers existiert nicht ohne Grund in der Natur. Es hat einen ganz bestimmten Zweck. Sie sagen, dass die Flüsse im Winter zufrieren. Aber in Wirklichkeit ist dies nicht ganz richtig. Meist friert nur eine kleine oberste Schicht ein. Diese Eisdecke sinkt nicht, weil sie leichter als flüssiges Wasser ist. Es verlangsamt das Gefrieren des Wassers in der Tiefe des Flusses und dient als eine Art Decke, die Fische und andere Fluss- und Seetiere vor strengen Winterfrösten schützt. Wenn man Physik studiert, beginnt man zu verstehen, dass vieles in der Natur sinnvoll angeordnet ist.
