Плавление, кипение, испарение
Почему термометр замирает на 100 °C и куда девается вода из лужи: плавление, кипение и испарение с конкретными числами.
Чайник закипел: из носика валит пар, а термометр стоит на отметке 100 °C и дальше не лезет, сколько газ ни жги. Куда уходит энергия плиты, если температура не растёт? Вещество переключает агрегатные состояния — твёрдое, жидкое и газообразное — и каждое переключение требует энергии. По той же причине на таяние снега весной уходит тепло всей округи, а ожог от пара опаснее ожога кипятком.
Плавление: нагрев, который не греет
Лёд плавится при 0 °C. Пока не растает последняя льдинка, температура смеси держится на нуле: вся подводимая энергия ломает кристаллическую решётку, а не ускоряет молекулы. На 1 кг льда нужно 330 000 Дж — это удельная теплота плавления λ льда. Формула: , значит 2 кг льда требуют 660 000 Дж. При кристаллизации — превращении воды обратно в лёд при тех же 0 °C — столько же энергии выделяется обратно. У каждого вещества своя точка: олово плавится при 232 °C, свинец при 327 °C, железо при 1539 °C.
| Вещество | Температура плавления, °C | λ, кДж/кг |
|---|---|---|
| Лёд | 0 | 330 |
| Олово | 232 | 59 |
| Свинец | 327 | 25 |
| Железо | 1539 | 270 |
Читаем график нагревания
График плавления льда выглядит как лестница. Первый участок — лёд греется от мороза до нуля. Потом идёт горизонтальная площадка: температура стоит на 0 °C, хотя огонь горит, — вся энергия идёт на разрушение кристаллической решётки, это и есть плавление. Дальше линия снова ползёт вверх — вода греется до 100 °C, и на вершине вторая площадка: кипение, пока вся вода не уйдёт в пар.
По горизонтали на таком графике отложено время, по вертикали — температура. Длина площадки подсказывает, сколько энергии съел переход: чем больше масса и чем выше удельная теплота плавления, тем дольше лёд держится на нуле. Убери огонь на середине площадки — смесь льда и воды застынет прямо на 0 °C: без подвода энергии переход просто остановится.
Если вести запись наоборот — от пара ко льду, — график пойдёт вниз, но площадки окажутся на тех же отметках: 100 °C при конденсации и 0 °C при отвердевании. Температуры переходов не зависят от направления: лёд тает при нуле и вода замерзает тоже при нуле.
Кристаллы и аморфные тела
У кристаллических тел — льда, металлов, соли — молекулы выстроены в строгую решётку, поэтому они плавятся при чёткой температуре и держат её до конца плавления. У аморфных тел — стекла, смолы, пластилина — строгого порядка нет: при нагреве они просто постепенно размягчаются, и никакой точки плавления у них нет.
Поэтому стеклодув может часами выдувать из стекла вазу: мягкое, как густой мёд, стекло держит форму и не растекается, пока его не уронят. А расплавленный металл нужно заливать в форму быстро: чуть остыл — уже застыл при своей температуре плавления. Разницу легко увидеть на припое: оловянная проволока из паяльника легко переквалифицируется в каплю и обратно в зависимости от того, горячий ли кончик.
Испарение и кипение
Испарение — вылет самых быстрых молекул с поверхности жидкости. Оно идёт при любой температуре: лужа высыхает и в прохладный апрельский день, просто медленнее. Жидкость при этом остывает — быстрые молекулы уносят энергию, поэтому после купания знобит. Кипение — другая картина: пузыри пара растут по всему объёму, а температура замирает на точке кипения — у воды при нормальном давлении это 100 °C. Превращение 1 кг воды в пар требует 2 300 000 Дж — это удельная теплота парообразования . При конденсации пар отдаёт эту энергию обратно — вот почему ожог паром страшнее кипятка той же температуры.
От чего зависит скорость испарения
Испарение — это вылет с поверхности самых быстрых молекул, и всё, что помогает им разгоняться и освобождает дорогу, ускоряет высыхание.
- температура: горячая лужа высыхает быстрее холодной
- площадь поверхности: расплёсканная вода исчезает быстрее собранной в лужицу
- ветер: он сносит пар от поверхности и не даёт ему вернуться
- род жидкости: спирт и эфир испаряются заметно быстрее воды
Обратная сторона испарения — охлаждение. Вылетают-то самые быстрые молекулы, а средняя энергия оставшихся падает, поэтому жидкость холодеет. Отсюда знобит после купания: капли на коже испаряются и отбирают тепло у тела. Так же работает спиртовой компресс и мокрая повязка на лбу при жаре.
Кипение и давление: горы и скороварка
Кипение начинается, когда давление пара в пузырьках внутри жидкости уравнивается с давлением атмосферы. Поэтому точка кипения зависит от давления: на высоте три километра воздух реже, и вода кипит уже при 90 °C, на высоких перевалах Кавказа — при 80 °C, а на Эвересте — около 70 °C. Яйцо в горах так и не сварится: «кипящая» вода слишком холодная.
Скороварка решает задачу наоборот: клапан поднимает давление внутри, и вода кипит уже при 110-120 °C. Продукты готовятся вдвое-втрое быстрее. В обычной кастрюле, сколько ни жги, вода выше 100 °C не поднимется: лишняя энергия уходит не в нагрев, а в пар.
Ты сушишь бельё на морозе: вода замерзает, но бельё всё равно высыхает, потому что лёд испаряется прямо в пар. А чайник при кипении перестаёт нагреваться: на превращение 1 кг воды в пар уходит 2,26 МДж — вся мощность плиты уходит на пар, а не на рост температуры.
Отвердевание возвращает энергию
При кристаллизации энергия возвращается: застывающий килограмм воды отдаёт те же 330 000 Дж. Садовники этим пользуются: перед заморозками они поливают деревья — вода замерзает на ветках и отдаёт тепло почкам, и те выдерживают мороз, который без полива убил бы их. Тепловая грелка-аккумулятор работает ровно на этом: после щелчка пересыщенный раствор кристаллизуется и держит тепло часами.
Формулы при этом зеркальные: плавление требует Q = λm, отвердевание выделяет столько же при том же λ. Задача «сколько энергии выделит застывающая лужа» решается так же, как «сколько нужно на таяние», — меняется только знак вопроса.
Словарь урока
- Плавление#
- переход вещества из твёрдого состояния в жидкое при температуре плавления
- Кристаллизация#
- переход из жидкого состояния в твёрдое с выделением той же энергии
- Удельная теплота плавления#
- энергия для плавления 1 кг вещества при температуре плавления, λ
- Испарение#
- вылет быстрых молекул с поверхности жидкости, идёт при любой температуре
- Кипение#
- бурное испарение по всему объёму при постоянной температуре
- Удельная теплота парообразования#
- энергия для превращения 1 кг жидкости в пар, L
- Условие: 0,5 кг льда при 0 °C нужно превратить в пар при 100 °C. Считаем энергию по этапам.
- Этап первый — плавление льда: Q = λm, λ льда 330 000 Дж/кг.
- Этап второй — нагрев воды от 0 до 100 °C: Q = cmΔt.
- Этап третий — испарение: Q = Lm, L воды 2 300 000 Дж/кг.
- Складываем все три этапа.
- Ответ: примерно 1,5 МДж. Заметь: три четверти энергии съело испарение — превращение в пар всегда дороже нагрева.
Сколько килоджоулей нужно, чтобы расплавить 2 кг льда при 0 °C?
Переход из твёрдого состояния в жидкое называют , а обратный — . Переход жидкости в пар — это , а пара в жидкость — .
Банк слов
Как это спрашивают на проверочных
- почему температура не растёт при плавлении и при кипении
- рассчитай Q = λm для расплавления и Q = Lm для испарения
- что ускоряет испарение: четыре фактора
- почему в горах вода кипит ниже 100 °C
- найди на графике нагревания участки плавления и кипения
Ключ к баллам — слова «энергия идёт не на нагрев, а на разрыв связей молекул» для любой площадки графика. В расчётных задачах разбирай переход по этапам, как в разборе выше: плавление, нагрев, испарение. Забытый этап — самая частая ошибка, из-за неё ответ выходит в разы меньше правильного.
Проверь себя
Клавиши 1–9 выбирают вариант, Enter — «Проверить»
1 Во время плавления температура льда растёт.
2 Сколько джоулей нужно, чтобы расплавить 2 кг льда при 0 °C? (λ = 330 000 Дж/кг)
3 Что происходит с самой быстрой молекулой на поверхности жидкости?
4 Сколько джоулей нужно, чтобы превратить в пар 1 кг воды, уже нагретой до 100 °C? (L = 2 300 000 Дж/кг)
5 Что верно для кипения воды при нормальном давлении?
6 Соедини процесс и превращение.
Нажми на элемент слева, затем на его пару справа. Повторное нажатие отменяет связь.
7 Меняется ли температура в процессе?
Разложи элементы по категориям: нажми на элемент, потом на категорию.
8 Дополни про испарение и кипение.
Выбери подходящее слово в каждом пропуске.
Испарение идёт с жидкости при любой температуре, а кипение начинается только при определённой .
Было понятно? Скажи — так мы видим, какие темы переписать.
Частые вопросы
Почему пар обжигает сильнее кипятка?
Пар при конденсации отдаёт не только тепло остывания, но и 2 300 000 Дж с каждого килограмма на превращение в воду. Поэтому ожог паром глубже.
Почему лужа высыхает, даже если на улице холодно?
Испарение идёт при любой температуре: с поверхности всё время вылетают самые быстрые молекулы. В холод процесс медленнее, но не останавливается.
Можно ли заставить воду кипеть ниже 100 °C?
Можно: температура кипения падает вместе с давлением. В горах вода кипит при 80-90 °C, и яйца там варятся заметно дольше.
Можно ли вскипятить воду в бумажной коробке?
Можно, если вода целиком закрывает дно: вода отбирает тепло у бумаги и не даёт ей нагреться выше 100 °C. Пока в коробке есть вода, бумага не дотягивается до температуры возгорания.