Čo sa stane pri zahrievaní. II. Molekulárna fyzika. Zisťujeme príčinu tepelnej rozťažnosti
Pri zahriatí telo teplo prijíma a po ochladení ho odovzdáva.
Množstvo tepla prijatého telom pri zahrievaní možno vypočítať podľa vzorca:
kde c je merná tepelná kapacita látky,
m je hmotnosť látky,
Rozdiel medzi konečnou a počiatočnou teplotou.
Rovnaký vzorec je vhodný na výpočet množstva tepla uvoľneného pri ochladzovaní tela.
Merná tepelná kapacita látky je fyzikálna veličina, ktorá vyjadruje množstvo tepla, ktoré je potrebné odovzdať 1 kg tejto látky, aby sa ohriala o 1 °C.
Jednotka merania mernej tepelnej kapacity v sústave SI:
[s] = 1 J/(kg °C).
Keď sa teleso ochladí na predchádzajúcu teplotu, uvoľní sa rovnaké množstvo tepla, aké bolo vynaložené na zahrievanie tohto telesa.
.......................
ZAUJÍMAVÉ
1. Prečo sa voda v dostatočnej hĺbke v nádržiach v lete zle ohrieva?
Ohrev vody slnečné lúče deje sa zhora. Voda má však zlú tepelnú vodivosť.
2. Prečo v zime zostáva teplota +4 stupne Celzia v hĺbke pri dne nádrže?
Po prvé, ľad neklesá.
Druhým je, že voda, ktorá sa ochladila na +4 stupne Celzia, má najväčšiu hustotu, takže klesá ku dnu.
Po tretie, zlá tepelná vodivosť vody nemôže viesť k vyrovnaniu teploty v celej hĺbke.
Ohrev ampulky stolárskej úrovne
Pomocou tohto zariadenia tesári počas stavebných prác nastavujú vodorovnú úroveň.
Ak zariadenie leží na vodorovnom povrchu, vzduchová bublina prítomná v sklenenej trubici naplnenej vodou bude umiestnená presne v strede. Keď je hladina naklonená, bublina sa presunie na jeden z koncov trubice.
Dĺžka vzduchovej bubliny sa mení s teplotnými výkyvmi. Ale ako? Keď je bublina väčšia: v teple alebo v chladné počasie? Za týchto podmienok sa plyn nemôže rozširovať, pretože tomu bráni kvapalina uzavretá v hladine. Pri zahrievaní bude expanzia kvapaliny väčšia ako expanzia trubice, ktorá stláča bublinu.
Takže hladina bubliny dovnútra teplé počasie menej ako zima.
Oh, súhlasíš s tým?
Veľmi často sa na chladenie používa ľad. Je to možné, pretože počas topenia (topenia) ľadu, veľké množstvo teplo.
Voda má úžasné vlastnosti, ktoré ju výrazne odlišujú od iných kvapalín. Ale to je dobré, inak, ak by mala voda „obyčajné“ vlastnosti, planéta Zem by bola úplne iná.Väčšina látok má tendenciu expandovať pri zahrievaní. Čo sa dá celkom ľahko vysvetliť z hľadiska mechanickej teórie tepla. Podľa nej sa pri zahrievaní atómy a molekuly látky začnú pohybovať rýchlejšie. V pevných látkach dosahujú atómové vibrácie väčšiu amplitúdu a potrebujú viac voľného priestoru. V dôsledku toho sa telo rozširuje.
Rovnaký proces prebieha s kvapalinami a plynmi. To znamená, že v dôsledku zvýšenia teploty sa rýchlosť tepelného pohybu voľných molekúl zvyšuje a telo sa rozširuje. Po ochladení sa telo zodpovedajúcim spôsobom stiahne. To platí takmer pre všetky látky. Okrem vody.
Pri ochladzovaní v rozsahu od 0 do 4°C voda expanduje. A pri zahrievaní sa zmršťuje. Keď značka teploty vody dosiahne 4°C, v tom momente má voda maximálnu hustotu, ktorá je 1000 kg/m3. Ak je teplota pod alebo nad touto značkou, potom je hustota vždy o niečo menšia.
Vďaka tejto vlastnosti, keď teplota vzduchu na jeseň av zime klesá, dochádza v hlbokých vodných útvaroch k zaujímavému procesu. Keď voda vychladne, klesne nižšie ku dnu, ale len dovtedy, kým jej teplota nedosiahne +4oC. Práve z tohto dôvodu je na veľkých vodných plochách chladnejšia voda bližšie k povrchu a teplejšia klesá ku dnu. Takže keď povrch vody v zime zamrzne, hlbšie vrstvy si naďalej udržujú teplotu 4oC. Vďaka tomuto momentu môžu ryby bezpečne zimovať v hlbinách ľadom pokrytých nádrží.
Vplyv expanzie vody na klímu
Výnimočné vlastnosti vody pri zahriatí vážne ovplyvňujú klímu Zeme, keďže asi 79 % povrchu našej planéty je pokrytých vodou. Vplyvom slnečných lúčov sa ohrievajú horné vrstvy, ktoré potom klesajú nižšie a na ich mieste sú studené vrstvy. Tie sa zas postupne zahrievajú a klesajú bližšie ku dnu.Vrstvy vody sa tak neustále menia, čo vedie k rovnomernému ohrevu, kým sa nedosiahne teplota zodpovedajúca maximálnej hustote. Potom, keď sa zahreje, horné vrstvy sa stanú menej hustými a už neklesajú, ale zostávajú na vrchu a postupne sa otepľujú. Vďaka tomuto procesu sa obrovské vrstvy vody celkom ľahko zohrejú slnečnými lúčmi.
Objem telesa priamo súvisí s medziatómovou alebo medzimolekulovou vzdialenosťou látky. V súlade s tým je nárast objemu spôsobený nárastom týchto vzdialeností v dôsledku rôznych faktorov. Jedným z týchto faktorov je teplo.
Budete potrebovať
- Učebnica fyziky, list papiera, ceruzka.
Inštrukcia
Prečítajte si v učebnici, ako sú usporiadané látky, ktoré majú iný stav agregácie. Ako viete, jeden stav agregácie látky sa líši od druhého zjavnými vonkajšími rozdielmi, napríklad tvrdosťou, tekutosťou, hmotnosťou alebo objemom. Ak sa pozriete do vnútra každého z typov látok, všimnete si, že rozdiel je vyjadrený v medziatómových alebo medzimolekulových vzdialenostiach.
Upozorňujeme, že hmotnosť určitého objemu plynu je vždy menšia ako hmotnosť toho istého plynu, a to je zase vždy nižšia ako hmotnosť pevného telesa. To naznačuje, že počet častíc hmoty, ktoré sa zmestia do jednotkového objemu, je oveľa menší pre plyny ako pre kvapaliny a dokonca menší ako pre tuhé látky. V opačnom prípade môžeme povedať, že koncentrácia častíc pevnejších látok je vždy väčšia ako koncentrácia menej pevných látok, najmä kvapalných alebo plynných. To znamená, že pevné látky majú vo svojej štruktúre hustejšie zoskupenie atómov, menšiu vzdialenosť medzi časticami ako napríklad kvapaliny alebo plyny.
Pamätajte, čo sa stane s kovmi, keď sa zahrejú. Roztavia sa a získajú vlastnosť tekutosti. To znamená, že kovy sa stávajú kvapalinami. Ak vykonáte experiment, môžete vidieť, že počas tavenia sa objem kovovej látky zvyšuje. Pamätajte tiež, čo sa stane s vodou, keď sa zohreje a potom uvarí. Voda sa mení na paru, čo je plynné skupenstvo vody. Je známe, že objem pary je oveľa vyšší ako objem pôvodnej kvapaliny. Pri zahrievaní telies sa teda medziatómová alebo medzimolekulová vzdialenosť zväčšuje, čo potvrdzujú experimenty.
Témy kodifikátora USE: zmeniť súhrnné stavy látok, topenie a kryštalizácia, vyparovanie a kondenzácia, varenie kvapaliny, zmena energie pri fázových prechodoch.
Ľad, voda a vodná para sú príklady troch súhrnné stavy látky: pevné, kvapalné a plynné. V akom stave agregácie je táto látka - závisí od jej teploty a iných vonkajších podmienok, v ktorých sa nachádza.
Pri zmene vonkajších podmienok (napríklad ak sa vnútorná energia tela zvýši alebo zníži v dôsledku zahrievania alebo ochladzovania) môžu nastať fázové prechody - zmeny súhrnných stavov hmoty tela. Nás bude zaujímať nasledovné fázové prechody.
Topenie (pevný kvapalina) a kryštalizácia(kvapalná tuhá látka).
odparovanie(kvapalná para) a kondenzácia(parná kvapalina).
Topenie a kryštalizácia
Väčšina pevných látok je kryštalický, t.j. mať kryštálová mriežka- presne definované, periodicky sa v priestore opakujúce usporiadanie jeho častíc.
Častice (atómy alebo molekuly) kryštalickej pevnej látky spôsobujú tepelné vibrácie v blízkosti pevných rovnovážnych polôh - uzly kryštálová mriežka.
Napríklad uzly kryštálovej mriežky kuchynskej soli sú vrcholy kubických buniek „trojrozmerného károvaného papiera“ (pozri obr. 1, na ktorom sú guľôčky väčšia veľkosť označujú atómy chlóru (obrázok z en.wikipedia.org.)); ak necháte vypariť vodu zo soľného roztoku, tak zvyšná soľ bude kopa malých kociek.
Ryža. 1. Kryštálová mriežka
topenie sa nazýva premena kryštalickej pevnej látky na kvapalinu. Môžete roztaviť akékoľvek telo - na to ho musíte zahriať bod topenia, ktorý závisí len od hmoty telesa, nie však od jeho tvaru či veľkosti. Teplotu topenia danej látky možno určiť z tabuliek.
Naopak, ak sa kvapalina ochladí, skôr či neskôr prejde do tuhého stavu. Premena kvapaliny na kryštalickú pevnú látku sa nazýva kryštalizácia alebo otužovanie. Topenie a kryštalizácia sú teda vzájomne inverzné procesy.
Teplota, pri ktorej kvapalina kryštalizuje, sa nazýva kryštalizačná teplota. Ukazuje sa, že teplota kryštalizácie sa rovná teplote topenia: pri tejto teplote môžu prebiehať oba procesy. Takže, keď sa ľad topí a voda kryštalizuje; čo presne vyskytuje sa v každom konkrétnom prípade – závisí od vonkajších podmienok (napríklad či sa látke teplo dodáva alebo z nej odoberá).
Ako prebieha topenie a kryštalizácia? Aký je ich mechanizmus? Aby sme pochopili podstatu týchto procesov, uvažujme o grafoch závislosti telesnej teploty od času, kedy sa zahrieva a ochladzuje - takzvané grafy topenia a kryštalizácie.
Tabuľka topenia
Začnime s grafom topenia (obr. 2). Nech je v počiatočnom okamihu (bod na grafe) teleso kryštalické a má určitú teplotu.
Ryža. 2. Tabuľka topenia
Potom sa do tela začne privádzať teplo (povedzme, že teleso bolo vložené do taviacej pece) a telesná teplota stúpa na hodnotu - bod topenia danej látky. Toto je časť pozemku.
V oblasti tela prijíma množstvo tepla
kde je špecifické teplo tuhej látky, je hmotnosť telesa.
Keď sa dosiahne teplota topenia (v bode ), situácia sa kvalitatívne zmení. Napriek tomu, že teplo je naďalej dodávané, telesná teplota zostáva nezmenená. Vyskytuje sa na mieste topenie teleso - jeho postupný prechod z tuhého do kvapalného skupenstva. Vo vnútri oblasti máme zmes tuhej látky a kvapaliny a čím bližšie k bodu , tým menej tuhej látky zostáva a tým viac sa objavuje kvapalina. Nakoniec, v určitom okamihu, z pôvodného pevného telesa nezostalo nič: úplne sa zmenilo na kvapalinu.
Oblasť zodpovedá ďalšiemu zahrievaniu kvapaliny (alebo, ako sa hovorí, roztopiť). V tejto časti kvapalina absorbuje množstvo tepla
kde je merná tepelná kapacita kvapaliny.
Nás však teraz najviac zaujíma úsek fázového prechodu. Prečo sa teplota zmesi v tejto časti nemení? Teplo je zapnuté!
Vráťme sa na začiatok procesu zahrievania. Zvýšenie teploty tuhého telesa v reze je výsledkom zvýšenia intenzity vibrácií jeho častíc v uzloch kryštálovej mriežky: dodané teplo sa zvýši kinetická energiu častíc telesa (v skutočnosti sa určitá časť dodaného tepla vynakladá na vykonanie práce na zväčšenie priemerných vzdialeností medzi časticami - ako vieme, telesá sa pri zahrievaní rozťahujú. Táto časť je však taká malá, že môže ignorovať.).
Kryštalická mriežka sa čoraz viac uvoľňuje a pri teplote topenia rozsah kmitov dosahuje hraničnú hodnotu, pri ktorej sú ešte príťažlivé sily medzi časticami schopné zabezpečiť ich usporiadané usporiadanie voči sebe. Pevné teleso začne „praskať vo švíkoch“ a ďalšie zahrievanie ničí kryštálovú mriežku – v oblasti sa tak začína taviť.
Od tohto momentu všetko dodané teplo ide na dielo rozbitia väzieb, ktoré držia častice v uzloch kryštálovej mriežky, t.j. zvýšiť potenciál energia častíc. Kinetická energia častíc zostáva rovnaká, takže teplota telesa sa nemení. V bode kryštálová štruktúra úplne zmizne, už nie je čo ničiť a dodané teplo opäť ide na zvýšenie kinetickej energie častíc - na ohrev taveniny.
Špecifické teplo topenia
Na premenu tuhej látky na kvapalinu teda nestačí priviesť ju k bodu topenia. Je potrebné dodatočne (už pri teplote topenia) odovzdať telu určité množstvo tepla na úplné zničenie kryštálovej mriežky (t.j. prechod cez sekciu).
Toto množstvo tepla sa využíva na zvýšenie potenciálnej energie interakcie častíc. Preto je vnútorná energia taveniny v bode väčšia ako vnútorná energia tuhej látky v bode o hodnotu .
Skúsenosti ukazujú, že hodnota je priamo úmerná telesnej hmotnosti:
Koeficient úmernosti nezávisí od tvaru a veľkosti telesa a je charakteristikou látky. To sa nazýva špecifické teplo topenia látky. Merné teplo topenia danej látky nájdete v tabuľkách.
Špecifické teplo topenia sa číselne rovná množstvu tepla potrebného na premenu jedného kilogramu danej kryštalickej látky na kvapalinu privedenú k bodu topenia.
Špecifické teplo topenia ľadu sa teda rovná kJ/kg, olovo - kJ/kg. Vidíme, že zničenie kryštálovej mriežky ľadu si vyžaduje takmer krát viac energie! Ľad patrí k látkam s vysokým špecifickým teplom topenia, a preto sa na jar hneď neroztopí (príroda urobila vlastné opatrenia: ak by mal ľad rovnaké špecifické teplo topenia ako olovo, celá masa ľadu a snehu by sa roztopila s prvým topí, zaplavuje všetko okolo).
Graf kryštalizácie
Teraz sa na to poďme pozrieť kryštalizácia- opačný proces tavenia. Vychádzame z bodu predchádzajúceho obrázku. Predpokladajme, že ohrev taveniny sa v bode zastavil (pec bola vypnutá a tavenina bola vystavená vzduchu). Ďalšia zmena teploty taveniny je znázornená na obr. (3).
Ryža. 3. Graf kryštalizácie
Kvapalina sa ochladzuje (sekcia ), kým jej teplota nedosiahne kryštalizačnú teplotu, ktorá sa zhoduje s teplotou topenia .
Od tohto momentu sa teplota taveniny prestáva meniť, hoci teplo z nej stále uniká do okolia. Vyskytuje sa na mieste kryštalizácia tavenina – jej postupný prechod do tuhého skupenstva. Vo vnútri sekcie máme opäť zmes tuhej a kvapalnej fázy a čím bližšie k bodu, tým je hmota pevnejšia a menej tekutá.Nakoniec v bode kvapalina nezostáva vôbec - má úplne vykryštalizoval.
Ďalší úsek zodpovedá ďalšiemu ochladzovaniu pevného telesa, ktoré je výsledkom kryštalizácie.
Opäť nás zaujíma oblasť fázového prechodu: prečo zostáva teplota nezmenená napriek strate tepla?
Vráťme sa k veci. Po zastavení dodávky tepla teplota taveniny klesá, pretože jej častice postupne strácajú kinetickú energiu v dôsledku zrážok s molekulami prostredia a emisie elektromagnetických vĺn.
Keď teplota taveniny klesne na teplotu kryštalizácie (bod ), jej častice sa spomalia natoľko, že ich príťažlivé sily dokážu správne „rozmiestniť“ a dať im presne definovanú vzájomnú orientáciu v priestore. Vzniknú tak podmienky na nukleáciu kryštálovej mriežky a tá sa vlastne začne vytvárať ďalším únikom energie z taveniny do okolitého priestoru.
Zároveň sa spustí opačný proces uvoľňovania energie: keď častice zaujmú svoje miesta v uzloch kryštálovej mriežky, ich potenciálna energia prudko klesá, čím sa zvyšuje ich kinetická energia - kryštalizujúca kvapalina je zdrojom tepla (často môžete vidieť vtáky sediace v blízkosti ľadovej diery. Vyhrievajú sa tam!) . Teplo uvoľnené pri kryštalizácii presne kompenzuje straty tepla do okolia, a preto sa teplota v priestore nemení.
V bode tavenina mizne a spolu s dokončením kryštalizácie mizne aj tento vnútorný „generátor“ tepla. V dôsledku pokračujúceho rozptylu energie v vonkajšie prostredie pokles teploty sa obnoví, ale ochladí sa len už vytvorené pevné teleso (úsek ).
Ako ukazuje skúsenosť, počas kryštalizácie presne to isté množstvo tepla, ktoré bolo absorbované počas tavenia na mieste.
Vyparovanie a kondenzácia
odparovanie je prechod kvapaliny do plynného skupenstva para). Existujú dva typy odparovania: odparovanie a varenie.
odparovaním nazývaná vaporizácia, ku ktorej dochádza pri akejkoľvek teplote z voľnej hladiny kvapaliny. Ako si pamätáte z letáku Saturated Steam, príčinou vyparovania je uvoľnenie najrýchlejších molekúl z kvapaliny, ktoré sú schopné prekonať sily medzimolekulovej príťažlivosti. Tieto molekuly tvoria paru nad povrchom kvapaliny.
Rôzne kvapaliny sa vyparujú rôznou rýchlosťou: čím väčšia je sila priťahovania molekúl k sebe, tým menší je počet molekúl za jednotku času, ktoré ich budú môcť prekonať a vyletieť, a tým nižšia je rýchlosť vyparovania. Éter, acetón, alkohol sa rýchlo vyparujú (niekedy sa im hovorí prchavé kvapaliny), voda sa vyparuje pomalšie, olej a ortuť sa vyparujú oveľa pomalšie ako voda.
Rýchlosť vyparovania sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou (v teple bielizeň rýchlejšie schne), pretože priemerná kinetická energia molekúl kvapaliny sa zvyšuje, a tým sa zvyšuje počet rýchlych molekúl, ktoré môžu opustiť svoje hranice.
Rýchlosť odparovania závisí od plochy povrchu kvapaliny: viac plochy, čím väčší počet molekúl získa prístup k povrchu a odparovanie je rýchlejšie (preto sa pri vešaní bielizne opatrne narovnáva).
Súčasne s vyparovaním sa pozoruje aj opačný proces: molekuly pary, ktoré sa náhodne pohybujú nad povrchom kvapaliny, sa čiastočne vracajú späť do kvapaliny. Premena pary na kvapalinu sa nazýva kondenzácia.
Kondenzácia spomaľuje odparovanie kvapaliny. Takže na suchom vzduchu bude bielizeň schnúť rýchlejšie ako na vlhkom vzduchu. Vo vetre schne rýchlejšie: para je odfúknutá vetrom a odparovanie je intenzívnejšie.
V niektorých situáciách sa rýchlosť kondenzácie môže rovnať rýchlosti vyparovania. Potom sa oba procesy navzájom kompenzujú a nastáva dynamická rovnováha: kvapalina sa z tesne uzavretej fľaše roky nevyparuje a v tomto prípade nasýtená para.
Neustále pozorujeme kondenzáciu vodnej pary v atmosfére v podobe mrakov, dažďov a padajúcej rosy ráno; Práve vyparovanie a kondenzácia zabezpečujú kolobeh vody v prírode a podporujú život na Zemi.
Keďže vyparovanie je odchod najrýchlejších molekúl z kvapaliny, priemerná kinetická energia molekúl kvapaliny sa počas procesu vyparovania znižuje, t.j. kvapalina sa ochladí. Pocit chladu a niekedy až chladu (najmä pri vetre) dobre poznáte, keď vyjdete z vody: voda, ktorá sa vyparuje po celom povrchu tela, odoberá teplo, zatiaľ čo vietor urýchľuje proces odparovania ( teraz je jasné, prečo fúkame ďalej horúci čaj. Mimochodom, je ešte lepšie nasať vzduch do seba, pretože potom sa na povrch čaju dostane suchý. okolitého vzduchu, ale nie vlhký vzduch z našich pľúc ;-)).
Rovnaký chlad pocítite, ak si na ruku prejdete kúskom vaty namočenej v prchavom rozpúšťadle (povedzme acetón alebo odstraňovač laku na nechty). V štyridsaťstupňových horúčavách si vďaka zvýšenému odparovaniu vlhkosti cez póry nášho tela udržiavame teplotu na normálnej úrovni; bez tohto termoregulačného mechanizmu by sme v takom teple jednoducho zomreli.
Naopak, počas kondenzačného procesu sa kvapalina zahrieva: keď sa molekuly pary vracajú do kvapaliny, sú urýchlené príťažlivými silami blízkych molekúl kvapaliny, v dôsledku čoho sa zvyšuje priemerná kinetická energia molekúl kvapaliny. (porovnajte tento jav s uvoľňovaním energie pri kryštalizácii taveniny!).
Vriaci
Vriaci je odparovanie, ku ktorému dochádza v celom objeme kvapaliny.
Var je možný, pretože v kvapaline sa vždy rozpustí určité množstvo vzduchu, ktoré sa tam dostalo difúziou. Pri zahrievaní kvapaliny sa tento vzduch rozpína, vzduchové bubliny sa postupne zväčšujú a stávajú sa viditeľnými voľným okom (v hrnci s vodou zrážajú dno a steny). Vo vnútri vzduchových bublín je nasýtená para, ktorej tlak, ako si pamätáte, sa so zvyšujúcou sa teplotou rýchlo zvyšuje.
Čím väčšie sú bubliny, tým väčšia je Archimedova sila, ktorá na ne pôsobí a určitý moment bubliny sa začnú odlamovať a stúpať. Bubliny stúpajú nahor a vstupujú do menej zahriatych vrstiev kvapaliny; para v nich kondenzuje a bubliny sa opäť zmenšujú. Kolaps bublín spôsobuje známy zvuk, ktorý predchádza vareniu kanvice. Nakoniec sa po čase celá tekutina rovnomerne zahreje, bublinky sa dostanú na povrch a prasknú, vyvrhnú vzduch a paru – hluk vystrieda grganie, tekutina vrie.
Bubliny tak slúžia ako „vodiče“ pár z vnútra kvapaliny na jej povrch. Počas varu spolu s obvyklým vyparovaním dochádza k premene kvapaliny na paru v celom objeme - vyparovaniu do vzduchových bublín s následným odvodom pary von. Preto sa vriaca tekutina vyparuje veľmi rýchlo: kanvica, z ktorej by sa voda vyparovala dlhé dni, sa vyvarí za pol hodiny.
Na rozdiel od vyparovania, ku ktorému dochádza pri akejkoľvek teplote, kvapalina začne vrieť až vtedy, keď dosiahne bod varu- presne taká teplota, pri ktorej sú vzduchové bubliny schopné stúpať a dostať sa na povrch. Pri bode varu sa tlak nasýtených pár rovná vonkajšiemu tlaku kvapaliny(najmä atmosferický tlak). V súlade s tým, čím väčší je vonkajší tlak, tým viac vysoká teplota začne vrieť.
Za normálnych atmosferický tlak(atm alebo Pa) bod varu vody je . Preto tlak nasýtenej vodnej pary pri teplote rovnajúcej sa Pa. Táto skutočnosť musí byť známa, aby bolo možné riešiť problémy – často sa predpokladá, že je štandardne známa.
Na vrchole Elbrusu je atmosferický tlak atm a voda tam bude vrieť pri teplote . A pod tlakom atm voda začne vrieť iba pri.
Bod varu (pri normálnom atmosférickom tlaku) je hodnota presne definovaná pre danú kvapalinu (body varu uvedené v tabuľkách učebníc a referenčných kníh sú teploty varu chemicky čistých kvapalín. Prítomnosť nečistôt v kvapaline môže zmeniť Povedzme, že voda z vodovodu obsahuje rozpustený chlór a niektoré soli, takže jej bod varu pri normálnom atmosférickom tlaku sa môže mierne líšiť od ). Takže alkohol vrie pri , éter - pri , ortuť - pri . Všimnite si, že čím je kvapalina prchavejšia, tým je jej bod varu nižší. V tabuľke bodov varu tiež vidíme, že kyslík vrie pri . Takže pri bežných teplotách je kyslík plyn!
Vieme, že ak kanvicu odstavíme z ohňa, var sa okamžite zastaví – proces varu si vyžaduje nepretržitý prísun tepla. Zároveň sa teplota vody v kanvici po uvarení prestane meniť a zostáva stále rovnaká. Kam putuje dodané teplo?
Situácia je podobná procesu topenia: teplo zvyšuje potenciálnu energiu molekúl. V tomto prípade vykonať prácu pri odstraňovaní molekúl na také vzdialenosti, že príťažlivé sily nebudú schopné udržať molekuly blízko seba a kvapalina prejde do plynného stavu.
Tabuľka varu
Uvažujme o grafickom znázornení procesu ohrevu kvapaliny – tzv graf varu(obr. 4).
Ryža. 4. Plán varu
Miesto predchádza začiatku varu. Na mieste kvapalina vrie, jej hmotnosť klesá. V okamihu sa kvapalina úplne vyvarí.
Na prejdenie úseku, t.j. aby sa kvapalina privedená k bodu varu úplne premenila na paru, treba do nej priviesť určité množstvo tepla. Skúsenosti ukazujú, že dané množstvo tepla je priamo úmerné hmotnosti kvapaliny:
Faktor proporcionality je tzv špecifické teplo vyparovania kvapaliny (pri bode varu). Merné teplo vyparovania sa číselne rovná množstvu tepla, ktoré sa musí dodať 1 kg kvapaliny odobratej pri bode varu, aby sa úplne zmenila na paru.
Takže pri , merné skupenské teplo vyparovania vody sa rovná kJ/kg. Zaujímavé je porovnanie so špecifickým teplom topenia ľadu (kJ/kg) – špecifické teplo vyparovania je takmer sedemkrát väčšie! To nie je prekvapujúce: koniec koncov, na topenie ľadu je potrebné zničiť iba usporiadané usporiadanie molekúl vody v uzloch kryštálovej mriežky; pričom vzdialenosti medzi molekulami zostávajú približne rovnaké. Ale aby ste premenili vodu na paru, musíte urobiť oveľa viac práce, aby ste prerušili všetky väzby medzi molekulami a odstránili molekuly v značnej vzdialenosti od seba.
Kondenzačný graf
Proces kondenzácie pár a následné ochladzovanie kvapaliny vyzerá na grafe symetricky k procesu zahrievania a varu. Tu je relevantné kondenzačný graf pre prípad vodnej pary Celzia, s ktorou sa najčastejšie stretávame pri problémoch (obr. 5).
Ryža. 5. Kondenzačný graf
V bode máme vodnú paru na . V oblasti dochádza ku kondenzácii; vnútri tejto oblasti - zmes pary a vody pri . Na mieste už nie je para, na mieste je len voda. Miestom je chladenie tejto vody.
Skúsenosti ukazujú, že pri kondenzácii masovej pary (t. j. pri prechode cez sekciu) sa uvoľní presne také množstvo tepla, aké bolo vynaložené na premenu masovej kvapaliny na paru pri danej teplote.
Pre zaujímavosť porovnajme nasledovné množstvá tepla:
Ktorý sa uvoľňuje pri kondenzácii g vodnej pary;
, ktorý sa uvoľní, keď sa výsledná voda o stupňoch Celzia ochladí na teplotu, povedzme, .
J;
J.
Tieto čísla jasne ukazujú, že popálenie parou je oveľa horšie ako popálenie prevarenou vodou. Keď sa vriaca voda dostane na pokožku, uvoľní sa „iba“ (vriaca voda sa ochladí). Ale pri parnom horeni sa najprv uvolni radovo viac tepla (kondenzuje para), vznikne stupenska voda, po ktorej sa ta ista hodnota prida, ked sa tato voda ochladí.
Odvetvie molekulárnej fyziky, ktoré študuje prenos energie, vzorce transformácie niektorých druhov energie na iné. Na rozdiel od molekulárno-kinetickej teórie termodynamika neberie do úvahy vnútorná štruktúra látky a mikroparametre.
Termodynamický systém
Ide o súbor telies, ktoré si navzájom alebo medzi sebou vymieňajú energiu (vo forme práce alebo tepla). životné prostredie. Napríklad voda v kanvici sa ochladzuje, dochádza k výmene tepla vody s kanvicou a kanvice s okolím. Valec s plynom pod piestom: piest vykonáva prácu, v dôsledku čoho plyn dostáva energiu a menia sa jeho makro parametre.
Množstvo tepla
to energie, ktorý prijíma alebo dáva systém v procese výmeny tepla. Označené symbolom Q, merané ako každá energia v jouloch.
V dôsledku rôznych procesov prenosu tepla sa prenášaná energia určuje vlastným spôsobom.
Kúrenie a chladenie
Tento proces je charakterizovaný zmenou teploty systému. Množstvo tepla je určené vzorcom
Merná tepelná kapacita látky s merané množstvom tepla potrebného na zahriatie hmotnostných jednotiek tejto látky o 1K. Ohrev 1 kg skla alebo 1 kg vody vyžaduje iné množstvo energie. Špecifická tepelná kapacita je známa hodnota, už vypočítaná pre všetky látky vo fyzikálnych tabuľkách.
Tepelná kapacita látky C- toto je množstvo tepla, ktoré je potrebné na zahriatie tela bez zohľadnenia jeho hmotnosti o 1K.
Topenie a kryštalizácia
Topenie je prechod látky z pevného do kvapalného stavu. Reverzný prechod sa nazýva kryštalizácia.
Energia vynaložená na deštrukciu kryštálovej mriežky látky je určená vzorcom
Špecifické teplo topenia je známa hodnota pre každú látku vo fyzikálnych tabuľkách.
Vyparovanie (vyparovanie alebo varenie) a kondenzácia
Vyparovanie je prechod látky z kvapalného (tuhého) do plynného skupenstva. Opačný proces sa nazýva kondenzácia.
Špecifické teplo vyparovania je známa hodnota pre každú látku,
Jedna z najbežnejších látok na Zemi: voda. Potrebujeme to ako vzduch, ale niekedy si to vôbec nevšimneme. Ona proste je. Ale ukazuje sa
Jedna z najbežnejších látok na Zemi: voda. Potrebujeme to ako vzduch, ale niekedy si to vôbec nevšimneme. Ona proste je. Ale ukazuje sa, že obyčajná voda môže zmeniť svoj objem a vážiť buď viac alebo menej. Ako sa voda vyparuje, ohrieva a ochladzuje, dejú sa skutočne úžasné veci, o ktorých sa dnes dozvieme.
Muriel Mandell vo svojej zábavnej knihe „Fyzikálne pokusy pre deti“ uvádza najzaujímavejšie myšlienky o vlastnostiach vody, na základe ktorých sa nielen mladí fyzici môžu naučiť veľa nového, ale aj dospelí si osviežia svoje vedomosti, že už dlho nemuseli žiadať, a tak sa ukázalo, že sa na ne trochu zabudlo.Dnes si povieme niečo o objeme a hmotnosti vody. Ukazuje sa, že rovnaký objem vody neváži vždy rovnako. A ak do pohára nalejete vodu a tá sa nepreleje cez okraj, neznamená to, že sa doň za každých okolností zmestí.
1. Voda sa pri zahrievaní rozširuje
Vložte nádobu naplnenú vodou do hrnca naplneného vriacou vodou s piatimi centimetrami. vodou a dusíme na miernom ohni. Voda z nádoby začne pretekať. Voda totiž pri zahriatí, podobne ako iné kvapaliny, začne zaberať viac miesta. Molekuly sa navzájom odpudzujú s väčšou intenzitou a to vedie k zväčšeniu objemu vody.2. Voda sa chladnutím zmršťuje
Vodu v dóze necháme vychladnúť na izbovú teplotu, prípadne zlejeme nová voda a dáme do chladničky. Po chvíli zistíte, že predtým plná nádoba už nie je plná. Pri ochladzovaní na teplotu 3,89 stupňov Celzia voda zmenšuje svoj objem s poklesom teploty. Dôvodom bolo zníženie rýchlosti pohybu molekúl a ich vzájomná konvergencia pod vplyvom chladenia.Zdalo by sa, že všetko je veľmi jednoduché: než studenšia voda, čím menší objem zaberá, ale...
3. ... pri zamrznutí sa objem vody opäť zväčší
Nádobu naplňte vodou až po okraj a prikryte kusom kartónu. Vložte ju do mrazničky a počkajte, kým zamrzne. Zistíte, že kartónové „viečko“ bolo vytlačené. V rozmedzí teplôt od 3,89 do 0 stupňov Celzia, teda na ceste k bodu mrazu, sa voda začne opäť rozpínať. Je jedna z mála známe látky majúci podobnú vlastnosť.Ak použijete tesné veko, ľad jednoducho rozbije nádobu. Počuli ste už o tom, že aj vodovodné potrubie môže prasknúť ľadom?4. Ľad je ľahší ako voda
Vložte pár kociek ľadu do pohára vody. Ľad bude plávať na povrchu. Voda sa pri zamrznutí rozširuje. A v dôsledku toho je ľad ľahší ako voda: jeho objem je asi 91% zodpovedajúceho objemu vody.Táto vlastnosť vody existuje v prírode z nejakého dôvodu. Má veľmi špecifický účel. Hovorí sa, že rieky v zime zamŕzajú. Ale v skutočnosti to nie je celkom pravda. Väčšinou zamrzne len malá vrchná vrstva. Tento ľadový štít neklesá, pretože je ľahší ako tekutá voda. Spomaľuje zamŕzanie vody v hĺbke rieky a slúži ako akási prikrývka, chrániaca ryby a iné riečne a jazerné živočíchy pred silnými zimnými mrazmi. Keď študujete fyziku, začnete chápať, že veľa vecí v prírode je usporiadaných účelne.
