Физика

Урок 3: Агрегатные состояния. Часть 1

Изменение агрегатных состояний вещества. Часть 1

Вода застывает при 0оС, и лед тает тоже при 0оС. Одна и та же температура, а процессы разные. Нет ли здесь какой – то ошибки? Или, по какому признаку можно сказать, что чайник закипел? Первое что приходит в голову – из горлышка идет пар. Оказывается это вовсе не пар, а туман. Но странно было бы слышать на кухне такую фразу: «Чайник вскипел, над ним туман поднялся». Рассеять сомнения по этим и другим вопросам поможет следующий урок.

Обложка урока взята с источника.


План урока:

Одно и то же вещество в разных состояниях

Плавится или отвердевает

Удельная теплота плавления. Графическое представление процессов

Испарение, конденсация, кипение

Как образуются снег и град?

 

Одно и то же вещество в разных состояниях

Тело образуют молекулы вещества, которое в разных условиях находятся в каком-либо агрегатном состоянии. Стоит напомнить понятие «агрегатное» (изучается в 7 классе). Латинское слово «aggrego» означает «присоединяю». Под воздействием температуры и давления вещество представляется в одном из состояний:

t1

Есть еще одно, достаточно сложное состояние – плазма, но здесь более характерными являются не физические, а химические свойства.

t11

1
Источник

Схема показывает соотношение потенциальной и кинетической энергий молекул внутри тела. В твердом состоянии характерно значительное превышение потенциальной энергии (Еп ˃˃ Ек) над кинетической. Поэтому молекулы движутся по-другому, не как в жидкости, где потенциальная энергия больше (Еп ˃ Ек), но не значительно. В случае с газом расстояния между молекулами велики, и энергия взаимодействия (потенциальная) на много меньше (Еп ˂˂ Ек) энергии движения (кинетической).

Движение частиц в твердом веществе затруднено, поэтому молекулы лишь колеблются или вращаются около одного места, а движения по всему телу нет. Это создает внутренний порядок, неизменную форму, постоянный объем, прочность. Существуют кристаллические (к примеру, поваренная соль, алмаз, золото) и аморфные (многие пластмассы, стекло, смола и др.) вещества. Молекулы в таких состояниях образуют системы, похожие на решетки: кристаллические решетки имеют правильную форму (одинаковые расстояния и равные углы), аморфные решетки – неправильную форму (расстояния различны и углы различны).

2
 Источник

Когда молекулы еще хорошо контактируют, но структура решеток частично нарушается – это уже жидкость. Упорядоченность частиц уменьшается, но все же ее больше, чем в газе. Жидкость – состояние промежуточное между газообразным и твердым.

3
 Источник

Газ или пар обычно рассматривается одинаково. Здесь далекие друг от друга, быстрые молекулы создают сильно разреженную систему частиц. В газе очень большие скорости и незначительные силы взаимодействия частиц. Поэтому между молекулами существует много свободного пространства, что приводит во-первых к стремлению газа занимать большие объемы, а во-вторых, наоборот легко сжиматься.

4
 Источник

 

Плавится или отвердевает

На примере воды всегда можно наблюдать переходные процессы в веществе. Вода удобна для исследований, так как не нужно создавать специальные сложные условия для опытов. Увидеть плавление и отвердевание можно на улице осенью или весной.

5
 Тает снег Источник 

Весной, когда наступает пора солнечных дней, температура воздуха может быть положительной. А если измерить температуру тающего снега, то она будет равной 0оС, пока весь снег в этом месте не растает. Происходит это следующим образом.

Пусть на улице 5 градусов мороза. Воздух, все предметы вокруг и снег – все имеет температуру -5оС. Весенний воздух и все вокруг нагревается. При достижении нуля градусов воздух и окружающие тела продолжают нагреваться, а снег – нет. Он начинает таять, то есть плавиться. Все тепло, поглощаемое снегом, идет не на рост его внутренней энергии и повышение температуры, а на разрыв связей, которые держат кристаллическую решетку. Решетка постепенно разрушается, идет плавление снега. В нем уже есть частично вода, но еще много твердых частей снега. Похоже это на кашеобразную массу. Вот почему иногда говорят: «Снег сегодня сырой». Пока весь снег не растает, температура этой смеси будет 0оС. И как только вода полностью заменит снег, она, как и все окружающее, начнет под действием солнечных лучей нагреваться.

6
Первый лед на лужах Источник

Осенью, когда температура опускается до 0оС, на лужах образуется первый лед. Вода переходит в твердое состояние. Такой процесс называют отвердеванием или кристаллизацией. А теперь - важный момент. Если температура окружающего воздуха будет понижаться, то количество льда станет больше и лужа застынет до самого дна. Но, пока вся вода в луже не превратится в лед, температура льда и воды останется 0оС. Почему так?

При снижении окружающей температуры вода выделяет (отдает) тепло. Внутренняя энергия соответственно становится меньше. В этой ситуации молекулы начинают объединяться в кристаллическую решетку, происходит отвердевание. В луже есть одновременно и лед, и вода. Пока эта смесь не превратится чисто в лед, тепло будет выделяться наружу, частицы, потерявшие энергию, «будут строить решетку», то есть устанавливать межмолекулярные связи.

Как только лед заполнит всю лужу, его температура начнет снижаться и станет такой же, как и все окружающие предметы.

Кристаллические решетки у веществ различны, соответственно и разрушаются или создаются эти решетки в разных условиях, при разных температурах.

7

По таблице свободно находится ответ на классический вопрос: можно ли расплавить в серебряной ложке медь и олово? Олово – можно, его температура плавления, 232 градуса, меньше, чем у серебра. Медь расплавить нельзя. Серебро расплавится раньше, чем медь. У серебра температура плавления 962 градуса, а у меди – 1085о С. 

8
Олово в серебряной ложке   Источник

Еще одно интересное сравнение, результаты которого применяются в измерении температуры воздуха. В уличных термометрах используется подкрашенный спирт. Его температура плавления, а значит и кристаллизации -114оС. Значит, спирт в стеклянном столбике прибора будет находиться в жидком виде. Ртуть же имеет температуру кристаллизации -39оС. На севере планеты или в Сибири зимние температуры бывают гораздо ниже. Достигнув -39оС, ртуть в термометре затвердеет и стеклянная трубочка лопнет, прибор испортится. Поэтому используется спиртовой термометр.

В настоящее время жизнь человека немыслима без изделий, полученных путем плавления. Цветная и черная металлургия опираются на процесс плавления и отвердевания. Они же лежат в основе технологий литья деталей машин, металлической и пластиковой посуды, прорезиненной обуви и многого другого.

9
Изготовление слитка золота Источник                               Работа со стеклом Источник

Интересен старый пример из жизни сельчан, который помогает сохранить бочки, ведра, бидоны, наполненные водой, от разрывания льдом.

10
Деревянный кол в бочке с водой Источник

Уезжая со своего участка, многие дачники вставляют в бочку с водой деревянный кол. Им хочется оставить запас воды до следующего приезда. Если дело происходит осенью, то велика вероятность, что в течение недели вода застынет. Кол не позволит разорваться бочке. На ней не будет даже трещин. Объясняется это тем, что присутствие в жидкости посторонних твердых тел облегчает процесс кристаллизации. Эти тела становятся центрами кристаллизации, вокруг которых начинают образовываться кристаллы. В данном случае центром будет кол. Первый лед появится именно на нем, а другие кристаллы начнут к нему прилипать, оттягиваясь от стенок бочки. Поэтому на бочку будет оказано минимальное давление, которое не способно ее испортить.

 

Удельная теплота плавления. Графическое представление процессов

Структура вещества, температура тела и его масса обязательно учитываются, если тело нагревают или охлаждают. А в других процессах? Какие характеристики требуются для вычисления количества тепла?

t2

Значит, для вычисления количества теплоты, значение температуры не понадобится. Но структура вещества и его количество (масса) окажут влияние на расчет теплоты. Вещество характеризует удельная теплота плавления. Величина удельная всегда рассчитывается на единицу другой физической величины. В данных процессах – на единицу массы. Тепло, поглощенное (выделившееся) при плавлении (отвердевании) одного килограмма вещества и есть удельная теплота плавления (отвердевания) этого вещества (λ).

11

Тепловые процессы наглядно представляют в виде графиков, которые можно объединить в одной координатной системе.

12
 Источник

На оси абсцисс отмечается время (единичный отрезок можно выбрать любой), по оси ординат – температура. В физике эти величины обозначаются одинаково, буквой t. В координатной системе отличие вносят с помощью единиц измерения, записываемых около осей после запятой.

Исходная температура тела t1. Наклонные отрезки (обе величины: и температура, и время меняются) представляют нагревание и охлаждение. Горизонтальные отрезки получаются так: время проходит, а температура t2 постоянна – плавление или отвердевание. Поглощается тепло, значит, Q ˃ 0, тепло выделяется – Q ˂ 0. После плавления вещество нагревается до t3, а затем снова остывает до температуры кристаллизации t2, затем остывает до t1.

 

Испарение, конденсация, кипение

Если оставить в стакане какую-нибудь жидкость, к примеру, воду, можно заметить, что воды через пару дней в стакане станет намного меньше, если даже никаких действий со стаканом не предпринимать. Это означает, что некоторые молекулы, преодолевая действия других, вылетают с поверхности открытой жидкости. Происходит это постоянно. Процесс этот носит название испарение.

13
 Источник

В результате испарения у оставшихся молекул изменяется скорость, а соответственно происходит изменение теплового движения. Испарение – тепловой процесс, происходящий на поверхности жидкости. Зависит испарение:

14

Молекулы, попавшие в воздух над поверхностью жидкости, беспорядочно движутся вблизи нее. Некоторые из них случайно возвращаются назад, но таких молекул немного.

Покидают жидкость частицы с наибольшей скоростью. Остаются молекулы с меньшей скоростью, значит, и меньшей кинетической энергией. Следовательно,

15

Если температуру жидкости значительно повысить, испарение будет происходить очень интенсивно. Когда жидкость нагревается, в ней образуются пузырьки, содержащие пар. С ростом температуры пузырьки увеличиваются, и наступает момент, когда архимедова сила вытолкнет их вверх, а затем на поверхность. Образуется очень много пузырьков, поэтому в жидкости начинается бурление. Жидкость кипит, процесс называют кипением. Добравшись до края жидкости, пузырьки лопаются, пар попадает в воздух.

16
 Источник

17
18

Как и в других тепловых процессах, для вычисления количества теплоты, потребляемого при кипени (выделяемого при конденсации), нужна удельная величина. Ею является удельная теплота парообразования.

19

Удельная теплота парообразования определяется именно при температуре кипения, так как пар образуется при кипении и испарении. Испарение происходит при любой температуре, поэтому удельная величина не всегда определяется. Когда вся жидкость выкипит, дальше нагревается уже пар и температура начинает расти.

20

Итак, парообразование происходит двумя способами:

21

После жаркого летнего дня во время ночной прохлады наблюдается красивое природное явление – выпадение росы. Это образованные днем водяные пары с понижением температуры объединились в небольшие капли воды и осели на листьях, земле и траве. Произошла так называемая конденсация – переход пара обратно в жидкость. В результате процесса конденсации происходит выделение энергии в количестве, которое пошло на образование пара. 

22
 Роса Источник

 

Как образуются снег и град?

В природе никогда не останавливается процесс круговорота воды. С листьев деревьев и кустарников, травы, почвы, с поверхности рек, озер и морей пар поднимается вверх. Там пар сгущается, из него образуются облака. Густые облака растут в тучи, и в форме дождя, града или снега вода вновь выпадает на землю.

Вода, испаряется всегда, при 100оС кипит, при более высоких температурах существует только как пар.

Обычный пар невиден. Выходящие из чайника светлые клубы – это не пар, а мелкие капельки воды, образованные при попадании невидимых частиц горячего пара в воздух комнаты. Это конденсированный водяной пар, как и туман над полями летним вечером.

23
 Источник                                                                               Источник

Наличие водяного пара в воздухе имеет свой предел. Наступает момент, когда уравнивается количество испарившихся молекул и количество молекул возвращающихся обратно в жидкость. В 1 м3 воздуха может быть 9,5 г пара при 10оС, а при 20оС – не больше 17 г. В таком состоянии воздух считается насыщенным. Если его количество будет больше, наступит перенасыщение воздуха паром и в любой момент пар начнет сгущаться в мелкие водяные капли.

Атмосферный воздух всегда содержит мельчайшие пылинки, кристаллики, которые становятся центрами конденсации, притягивая к себе частицы пара. Пар сгущается вокруг таких центров в виде водяной оболочки, которая выглядит, как капля воды.

Теплый воздух с паром воды, поднимаясь вверх, при охлаждении все больше приближается к насыщенному состоянию. Достигнув холодных температур, пар конденсирует в капли воды, которые образуют нижние слои облаков.

24
 Источник

Оставшийся пар вместе с воздухом попадет выше, утягивая за собой часть водяных капель. Там, где атмосфера уже имеет температуру ниже 0оС, эти капли замерзают, образуя градины. Если капли мелкие, застывают они в виде снежинок.

Постепенно градины или снежинки укрупняются за счет прилипания к ним других капель, и наступает момент, когда сила тяжести перебарывает выталкивающую силу воздуха, и выпадает град или снег.

Летом, когда воздух вблизи земли теплый, снежинки при падении успевают растаять, и идет дождь. Зимой и около земли холодно, поэтому снежинки не только не тают, а еще и обрастают новыми кристаллами.

Градины не всегда успевают растаять в воздухе, так как имеют более плотную структуру, чем снежинки. Выпадение града довольно частое явление в летнее время.

На строение снежинок оказывает влияние температура зимнего воздуха.

25

Тогда снежинки все сильнее обрастают кристаллами, ветвятся. Выпадает снег хлопьями. Воздух холоднее - пара меньше, образуются снежные иголки, пластинки. О таком снегопаде говорят, что снег выпадает «крупой». 

26
 Снежные хлопья Источник                                                  «Алмазная пыль» Источник

При сильных морозах снежинки почти не растут, образуя «алмазную» пыль.

Вот так проявляют себя в природе тепловые процессы парообразования, кристаллизации и плавления.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
В каком агрегатном состоянии молекулы обладают наибольшей скоростью?
1В твёрдом
2В газе
3В жидкости
Ответить
2
Вопрос: 2
Можно ли расплавить свинец в алюминиевой посуде?
1Нет нельзя. Свинец и алюминий расплавятся одновременно
2Нет нельзя. Алюминий расплавится быстрее, так как его температура плавления выше
3Можно, так как температура плавления у свинца ниже, чем у алюминия
Ответить
3
Вопрос: 3
Какое количество тепла потребуется, чтобы растаяло 2 кг льда?
1680 000 Дж
26,8 Дж
368 кДж
Ответить
1
Вопрос: 4
Назовите два способа парообразования
1Испарение и конденсация
2Испарение и кипение
3Кипение и конденсация
Ответить
2
Вопрос: 5
От чего зависит форма снежинок?
1От количества пара в воздухе
2От времени года
3От температуры воздуха
Ответить
3
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

В каком агрегатном состоянии молекулы обладают наибольшей скоростью?
1) В твёрдом 2) В газе 3) В жидкости
2 вопрос:

Можно ли расплавить свинец в алюминиевой посуде?
1) Нет нельзя. Свинец и алюминий расплавятся одновременно 2) Нет нельзя. Алюминий расплавится быстрее, так как его температура плавления выше 3) Можно, так как температура плавления у свинца ниже, чем у алюминия
3 вопрос:

Какое количество тепла потребуется, чтобы растаяло 2 кг льда?
1) 680 000 Дж 2) 6,8 Дж 3) 68 кДж
4 вопрос:

Назовите два способа парообразования
1) Испарение и конденсация 2) Испарение и кипение 3) Кипение и конденсация
5 вопрос:

От чего зависит форма снежинок?
1) От количества пара в воздухе 2) От времени года 3) От температуры воздуха
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: В газе
2 вопрос: Можно, так как температура плавления у свинца ниже, чем у алюминия
3 вопрос: 680 000 Дж
4 вопрос: Испарение и кипение
5 вопрос: От температуры воздуха