1. Плавлення та кристалізація
2. Випаровування та конденсація
1. ПЛАВЛЕННЯ ТА КРИСТАЛІЗАЦІЯ
Перехід речовини із кристалічного стану в рідинний називають плавленням.
Зворотний процес, коли речовина переходить з рідинного стану в кристалічний, називають кристалізацією або твердненням.
Температура плавлення. Досліди свідчать, що температура тіла протягом процесу плавлення залишається сталою. Цю температуру називають температурою плавлення.
Саме завдяки сталості температури протягом процесу плавлення температуру танення льоду (або температуру кристалізації води, що те ж саме) і вибрали однією з реперних точок температурної шкали Цельсія.
Температури плавлення різних речовин можуть відрізнятися на тисячі градусів.
Приклади
Як відомо, вода замерзає, а лід тане за температури 0 °С.
Дуже низькі температури плавлення у речовин, які ми звикли вважати газами: наприклад, водень плавиться за температури -259 °С, а кисень — за температури -218 °С.
Залізо плавиться за температури 1539 °С, а найбільш тугоплавкий метал — вольфрам — має температуру плавлення 3387 °С. Однак є метал, що перебуває в рідинному стані навіть за кімнатної температури, — це ртуть (температура її плавлення дорівнює -39 °С).
2. ВИПАРОВУВАННЯ ТА КОНДЕНСАЦІЯ
ВИПАРОВУВАННЯ
Процес перетворення рідини в пару називають пароутворенням.
Якщо пароутворення відбувається з вільної поверхні рідини, його називають випаровуванням.
Випаровування відбувається за будь-якої температури: наприклад, вода поступово «звітрюється» з відкритої посудини, а калюжі після дощу висихають.
Чи можуть випаровуватися тверді тіла? Як відомо, білизна, що замерзла на морозі, висихає: лід випаровується, тобто перетворюється в пару, минаючи рідкий стан (воду). Можна помітити також, як із твердого стану в газоподібний переходить йод: жовта пляма від йоду світлішає і згодом зникає.
Однак лід та йод не є винятками: досліди показують, що випаровуються усі тверді тіла, але більшість із них випаровуються так повільно, що ми цього не помічаємо.
Чому рідина під час випаровування охолоджується? Під час випаровування з рідини вилітають найбільш швидкі молекули: їхня кінетична енергія достатня, щоб вирватися з рідини, незважаючи на притягання решти молекул. Унаслідок цього середня кінетична енергія молекул, що залишилися, зменшується. А оскільки температура пропорційна середній кінетичній енергії молекул, то рідина під час випаровування охолоджується.
Що швидше випаровується рідина, то сильніше вона охолоджується. Потріть руку ваткою, змоченою у воді, а потім — ваткою, змоченою в одеколоні: у другому випадку відчуття прохолоди буде сильніше, бо одеколон випаровується швидше, ніж вода.
Усім знайоме відчуття прохолоди після виходу з річки або моря. Якщо дме вітерець, відчуття прохолоди підсилюється, оскільки випаровування відбувається швидше.
НАСИЧЕНА ІНЕНАСИЧЕНА ПАРА
Динамічна рівновага. Добре відомо: якщо посудина з рідиною щільно закрита, рівень рідини в посудині залишається незмінним. Чи означає це, що процес випаровування в закритій посудині не відбувається?
Ні, не означає: адже в рідині, як і раніше, є «швидкі* молекули, що безперестанно вилітають з неї.
Але річ у тім, що одночасно з випаровуванням завжди відбувається і протилежний процес — конденсація: з пари, що є над поверхнею рідини, молекули влітають назад у рідину.
Якщо рівень рідини згодом: не змінюється, це означає, що процеси випаровування та конденсації відбуваються з однаковою швидкістю: щосекунди з рідини вилітає в середньому стільки ж молекул, скільки і влітає в рідину.
У такому разі говорять, що рідина і пара перебувають у динамічній рівновазі.
Насичена пара. Пару, що перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою парою. На рисунку 23.1 схематично зображено процеси випаровування та конденсації у випадку насиченої пари.
Саме насичена пара і міститься над поверхнею рідини в щільно закритій посудині — тому рівень рідини в посудині залишається постійним.
Ненасичена пара. Якщо посудину з рідиною відкрити, пара почне виходити назовні. Її концентрація в посудині зменшиться, і внаслідок цього молекули пари влітатимуть у рідину рідше, тобто процес конденсації сповільниться. А оскільки процес випаровування продовжує відбуватися з тією самою швидкістю, рівень рідини в посудині почне знижуватися.
Якщо процес випаровування проходить швидше, ніж процес конденсації, говорять, що над рідиною знаходиться ненасичена пара. На рисунку 23.2 схематично зображено проце-
си випаровування і конденсації у випадку ненасиченої пари. Зверніть увагу на відмінність цього рисунку від рис. 23.2.
Над морями й океанами знаходиться зазвичай ненасичена пара, тобто випаровування йде інтенсивніше, ніж конденсація. Пара, що піднімається вгору, охолоджується й конденсується, утворюючи хмари, які уносяться вітром та згодом проливаються дощами.
Якщо дощ ллє на сушу, то річки та підземні води потім несуть воду назад — у моря та океани.
Кипіння. У рідині завжди є маленькі бульбашки повітря. Рідина випаровується усередину цих бульбашок, у результаті чого пара всередині бульбашок стає насиченою. Якщо тиск насиченої пари менший від тиску всередині рідини (для неглибоких посудин він практично дорівнює атмосферному), ці бульбашки не зможуть рости, тобто пароутворення відбуватиметься тільки з вільної поверхні рідини.
Однак тиск насиченої пари швидко збільшується з підвищенням температури: адже що вища температура, то більшою є середня кінетична енергія молекул, а отже, більша їх частина може вирватися з рідини, подолавши притягання решти молекул. Якщо нагрівати рідину, то за певної температури тиск насиченої пари зрівняється з тиском у рідині (приблизно рівним атмосферному) і почнеться інтенсивне випаровування рідини всередину бульбашок. Наповнюючись паром, бульбашки швидко зростатимуть, здійматимуться під
дією архімедової сили та лопатимуться на поверхні рідини. Ця картина усім добре знайома — йдеться про кипіння.
Отже, кипіння рідини відбувається за температури, коли тиск насиченої пари зрівнюється із зовнішнім тиском. Цю температуру називають температурою кипіння.
Температура кипіння води за атмосферного тиску дорівнює 100 °С.
Чи може вода кипіти за температури вищої чи нижчої від
100 °С? Оскільки тиск насиченої пари з підвищенням температури збільшується, то, збільшуючи зовнішній тиск, можна збільшити й температуру кипіння. На цьому заснована дія каструль-скороварок: у них утворюється тиск, удвічі більший від атмосферного, унаслідок чого температура кипіння підвищується до 120 °С. Це прискорює готування їжі в кілька разів.
У разі ж зменшення зовнішнього тиску температура кипіння знижується. Наприклад, у горах, де тиск менший, ніж на рівні моря, вода кипить за температури нижче 100 °С: на висоті 5 км — за температури 83 °С. Так що зварити м’ясо в горах непросто.
ПОСТАВИМО ДОСЛІД
Доведемо воду в колбі до кипіння та щільно закриємо колбу. Коли вода трохи остигне, перевернемо колбу й почнемо поливати дно колби холодною водою. Вода в колбі закипить, хоча її температура істотно нижча від 100 °С (рис. 23.3). Річ у тім, що під час охолодження водяна пара над поверхнею води сконде-сувалася, у результаті чого тиск у колбі різко впав. А за зниженого тиску вода кипить за температури нижче 100 °С.
ВОЛОГІСТЬ
Вміст водяної пари в повітрі характеризують тиском, який створювала б ця пара, якби інших газів не було.
Наприклад, тиск насиченої водяної пари за кімнатної температури становить близько 2% від звичайного атмосферного тиску.
Тиск ненасиченої пари менший, ніж тиск насиченої. Тому ступінь «насиченості» водяної пари можна визначити як відношення тиску водяної пари до тиску насиченої пари за тієї самої температури.
Цю величину, виражену у відсотках, називають відносною вологістю і позначають <р. Отже,
відносна вологість
тиск водяної пари
за даної температури, ря — тиск насиченої пари за тієї самої температури.
Комфортна для людини вологість повітря близько 50-60%.
Вологість повітря вимірюють за допомогою приладів, один з яких називають психрометром (див. лабораторну роботу № 9). Психрометр складається з двох термометрів: сухого і вологого. Через випаровування води вологий термометр показує більш низьку температуру, ніж сухий, причому чим нижча відносна вологість, тим більша різниця показів термометрів. На основі показів цих двох термометрів за допомогою так званої психометрічної таблиці визначають відносну вологість повітря.
Чому роса випадає рано-вранці? Тиск насиченої пари ри зменшується, коли знижується температура повітря. Тому відповідно до формули <р = (р/р„) • 100% за однакового тиску водяної пари р його відносна вологість збільшується і за деякої температури може дорівнювати 100%. За цієї температури, що називають точкою роси, починається конденсація водяної пари, тобто випадає роса.
Найхолодніший час доби — рано-вранці. От чому роса випадає до сходу сонця. І літнього ранку ми милуємося крапельками роси, що іскряться на траві, а зимового — деревами, вдягненими в мережива інею (іній — це замерзла роса).
ПРО ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ
Перехід речовини з кристалічного стану в рідкий називають плавленням. Зворотний процес, коли речовина переходить з рідкого стану в кристалічний, називають кристалізацією.
Процес перетворення рідини в пару називають пароутворенням.
Пару, що перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою парою.
Кипіння рідини відбувається за температури, коли тиск насиченої пари дорівнює зовнішньому тиску. Цю температуру називають температурою кипіння. Температура кипіння води за атмосферного тиску дорівнює 100° С.
Відносною вологістю ф повітря називають відношення тиску р водяної пари за даної температури до тиску рн насиченої пари за тієї самої температури, виражене у відсотках: ф = (р/ря) • 100%.
11. Чому крапля води, потрапивши на розжарену сковороду, не випаровується відразу, а починає підстрибувати?
12. Чи може вода кипіти за температури, відмінній від 100 °С? Наведіть приклади, що ілюструють вашу відповідь.
13. Що таке насичена пара? Чим вона відрізняється від ненасиченоі?
14. Яка відносна вологість повітря за температури 20 °С, коли тиск водяної пари дорівнює 840 Па, якщо тиск насиченої водяної пари за цієї температури дорівнює 2,33 кПа?
15. Чи впливає вітер на покази мокрого термометра? сухого? Термометри розміщено в тіні.
16. Чому роса випадає рано-вранці?
17. Чому шибка запітніває, якщо на неї подихати?
18. Складіть задачу за темою «Фазові переходи», відповіддю якої було б «Потрібно 460 кДж».
ГОЛОВНЕ В ЦЬОМУ РОЗДІЛІ
Усі речовини складаються з дрібних частинок, що перебувають у безперестанному хаотичному русі та взаємодіють одна з одною. Величини, що характеризують стан макроскопічних тіл у цілому, називають макроскопічними параметрами. Основні макроскопічні параметри — тиск, об'єм і температура.
Величини, що характеризують властивості окремих молекул речовини, називають мікроскопічними параметрами. Приклади мікроскопічних параметрів — маса молекули та її середня кінетична енергія.
Рівнянням стану називають співвідношення між макроскопічними параметрами (температурою, об’ємом і тиском).
Основне завдання молекулярно-кінетичної теорії— вивести рівняння стану речовини, установивши зв’язок між макроскопічними та мікроскопічними параметрами.
Атомна одиниця маси (а.о.м.) дорівнює 1/12 маси атома Карбону. Відносна молекулярна маса Мг дорівнює масі молекули, вираженої в атомних одиницях маси.
Один моль — це кількість речовини, що містить стільки ж молекул, скільки атомів Карбону міститься в 12 г вуглецю. Кількість речовини в молях позначається v.
Сталою Авогадро називають кількість молекул в одному молі: NА = 6 • 1023 1/моль. Кількість молекул у тілі N = WVA.
Молярна маса М дорівнює масі одного моля. Маса тіла т пов'язана з молярною масою співвідношенням т = Mv. Температура характеризує стан теплової рівноваги: тіла, що перебувають у тепловій рівновазі, мають однакову температуру. Абсолютною температурою називають температуру за абсолютною шкалою температур (шкалою Кельвіна), а нуль за цією шкалою — абсолютним нулем температури. Він відповідає t = -273 °С за шкалою Цельсія. Абсолютну температуру позначають Т. Абсолютна температура Т і температура t за шкалою Цельсія пов’язані співвідношенням: Т =* t + 273.
Ідеальний газ — модель газу, розмірами молекул якого можна знехтувати, а взаємодія між молекулами відбувається тільки під час їх зіткнень.
Ізопроцеси: для даної маси газу
(ізо
барний процес);
(ізохорний про
цес);
(ізотермічний процес).
Рівняння Клапейрона:
Закон Авогадро: за однакових температури і тиску в рівних об’ємах різних газів міститься однакова кількість молекул.
Наслідками рівняння Клапейрона і закону Авогадро є співвідношення
стала Больцмана:
Рівняння Менделєєва—Клапейрона:
маса газу, М — його молярна маса. Універсальна газова стала
У кристалах атоми або молекули розташовані упорядковано, утворюючи кристалічні ґратки', кристали плавляться за певної температури, що називають температурою плавлення.
В аморфних тілах є тільки «ближній порядок» у розташуванні атомів і молекул; аморфні тіла мають плинність і не мають певної температури плавлення.
У розташуванні молекул у рідині існує тільки «ближній порядок».
Перехід речовини з кристалічного стану в рідкий називають плавленням. Зворотний процес, коли речовина переходить з рідкого стану в кристалічний, називають кристалізацією.
Процес перетворення рідини в пару називають пароутворенням.
Пару, що перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою парою.
Кипіння рідини відбувається за температури, коли тиск насиченої пари дорівнює зовнішньому тиску. Цю температуру називають температурою кипіння. Температура кипіння води за атмосферного тиску дорівнює 100° С.
Відносною вологістю ф повітря називають відношення тиску р водяної пари за даної температури до тиску ри насиченої пари за тієї самої температури, виражене у відсотках:
Це матеріал з підручника Фізика 10 клас Генденштейн, Ненашев