Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

13.3: Зміна фази та приховане тепло

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    74847

    • Boundless
    • Boundless
    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    цілі навчання

    • Опишіть приховане тепло як форму енергії

    Прихована спека

    Раніше ми обговорювали зміну температури за рахунок тепловіддачі. Ніякої зміни температури не відбувається від теплопередачі, якщо лід тане і стає рідкою водою (тобто під час зміни фази). Для прикладу розглянемо воду, що капає від бурульок, що тануть на прогрітій Сонцем даху. І навпаки, вода замерзає в лотку для льоду, охолодженому середовищем з нижчою температурою.

    зображення

    Танення бурульки: Тепло від повітря переходить до льоду, змушуючи його танути.

    Енергія потрібна для розплавлення твердого тіла, оскільки зв'язкові зв'язки між молекулами в твердому тілі повинні бути розірвані, щоб молекули могли рухатися при порівнянних кінетичних енергіях; таким чином, не відбувається підвищення температури. Аналогічно, енергія потрібна для випаровування рідини, оскільки молекули в рідині взаємодіють один з одним за допомогою привабливих сил. Немає зміни температури, поки зміна фази не буде завершена. Температура склянки лимонаду спочатку при 0 ºC залишається на рівні 0 ºC, поки весь лід не розтане. І навпаки, енергія виділяється при замерзанні і конденсації, як правило, у вигляді теплової енергії. Робота проводиться силами згуртованості при зведенні молекул. Відповідна енергія повинна віддаватися (розсіюватися), щоб дозволити їм залишатися разом.

    Енергія, що бере участь у зміні фази, залежить від двох основних факторів: кількості та міцності зв'язків або пар сил. Кількість зв'язків пропорційно кількості молекул і, таким чином, масі зразка. Сила сил залежить від типу молекул. Теплота Q, необхідна для зміни фази зразка масою m, дається

    \(\mathrm{Q=mL_f}\)(плавлення або заморожування)

    \(\mathrm{Q=mL_v}\)(Випаровування або конденсація)

    де прихована теплота плавлення, L f, і прихована теплота випаровування, L v, є матеріальними константами, які визначаються експериментальним шляхом.

    зображення

    Фазові переходи: (а) Енергія потрібна для часткового подолання сил привабливості між молекулами в твердому тілі для утворення рідини. Ця ж енергія повинна бути видалена, щоб відбулося заморожування. (b) Молекули розділяються великими відстанями при переході від рідини до пари, що вимагає значної енергії для подолання молекулярного тяжіння. Та ж енергія повинна бути видалена, щоб відбулася конденсація. Немає зміни температури, поки зміна фази не буде завершена.

    Прихована теплота - це інтенсивне властивість, що вимірюється в одиницях Дж/кг. І L f, і L v залежать від речовини, особливо від сили його молекулярних сил, як зазначалося раніше. L f і L v в сукупності називаються прихованими тепловими коефіцієнтами. Вони є прихованими або прихованими, тому що при фазових змінях енергія входить або залишає систему, не викликаючи зміни температури в системі; так, по суті, енергія прихована. Зверніть увагу, що плавлення та випаровування - це ендотермічні процеси в тому, що вони поглинають або вимагають енергії, тоді як заморожування та конденсація є екзотермічним процесом, оскільки вони виділяють енергію.

    Нагрівання льоду: Ендрю Ванден Heuvel досліджує приховану спеку, намагаючись охолодити його соду.

    Значні обсяги енергії беруть участь у фазових змінях. Давайте подивимося, наприклад, скільки енергії потрібно для розтоплення кілограма льоду при 0º С для отримання кілограма води при 0° C. використовуючи рівняння для зміни температури і значення для води (334 кДж/кг), ми виявимо, що Q = MLF= (1.0kg) (334 кДж/кг) =334 кДж - це енергія, щоб розтопити кілограм льоду. Це багато енергії, оскільки вона являє собою таку ж кількість енергії, необхідної для підвищення температури 1 кг рідкої води з 0ºC до 79.8ºC. Ще більше енергії потрібно для випаровування води; потрібно 2256 кДж, щоб змінити 1 кг рідкої води при нормальній температурі кипіння (100ºC при атмосферному тиску) на пару (водяну пару). Цей приклад показує, що енергія для зміни фази величезна порівняно з енергією, пов'язаною зі змінами температури без зміни фази.

    Фазові зміни можуть мати величезний стабілізуючий ефект (див. Малюнок нижче). Розгляньте можливість додавання тепла з постійною швидкістю до зразка льоду спочатку при -20 ºC. Спочатку температура льоду піднімається лінійно, поглинаючи тепло з постійною швидкістю 0,50 кал/г⋅С, поки не досягне 0 ºC. Опинившись при цій температурі, лід починає танути, поки весь зразок не розтане, поглинаючи в цілому 79,8 кал/г тепла. Температура залишається постійною на рівні 0 ºC під час цієї зміни фази. Як тільки весь лід розтане, температура рідкої води підвищується, поглинаючи тепло з новою постійною швидкістю 1,00 кал/г⋅С (пам'ятайте, що питомі теплоти залежать від фази). При 100ºC вода починає кипіти, і температура знову залишається постійною, поки вода не поглине 539 кал/г тепла, щоб завершити цю зміну фази. Коли вся рідина стала парою, температура знову підвищується, поглинаючи тепло зі швидкістю 0,482 кал/г⋅С.

    зображення

    Нагрівання та фазові зміни води: графік температури в порівнянні з доданою енергією. Система побудована таким чином, що жодна пара не випаровується, поки лід нагрівається, щоб стати рідкою водою, і так що, коли відбувається випаровування, пар залишається в системі. Довгі розтяжки постійних значень температури при 0ºC і 100ºC відображають велику приховану теплоту плавлення та випаровування відповідно.

    Зміна фази, яку ми нехтували згадкою до цього часу, - це сублімація, перехід твердої речовини безпосередньо в пару. Протилежний випадок, коли пари переходять безпосередньо в тверде тіло, називається осадженням. Сублімація має власну приховану теплоту L s і може використовуватися так само, як L v і L f.

    Ключові моменти

    • Енергія потрібна для зміни фази речовини, наприклад енергії, щоб розірвати зв'язки між молекулами в брилі льоду, щоб вона могла розтанути.
    • Під час зміни фази енергія може додаватися або відніматися від системи, але температура не зміниться. Температура зміниться тільки тоді, коли зміна фази завершиться.
    • Теплота Q, необхідна для зміни фази зразка маси m, віддається\(\mathrm{Q=mL_f}\) (плавлення або заморожування) і\(\mathrm{Q=mL_v}\) (випаровування або конденсація), де\(\mathrm{L_f}\) і\(\mathrm{L_v}\) є прихованою теплотою плавлення і прихованою теплотою випаровування відповідно.

    Ключові умови

    • прихована теплота плавлення: енергія, необхідна для переходу однієї одиниці речовини з твердої речовини в рідину; еквівалентно, енергія, що виділяється при переході однієї одиниці речовини з рідини в тверду.
    • прихована теплота випаровування: енергія, необхідна для переходу однієї одиниці речовини від рідини до пари; еквівалентно, енергія, що виділяється при переході однієї одиниці речовини від пари до рідини.
    • сублімація: перехід речовини з твердої фази безпосередньо в пароподібний стан таким чином, щоб воно не проходило через проміжну, рідку фазу

    ЛІЦЕНЗІЇ ТА АВТОРСТВА

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ КОНТЕНТ, РАНІШЕ ДІЛИВСЯ

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ ВМІСТ, СПЕЦИФІЧНА АТРИБУЦІЯ