Изучение физики неразрывно связано с пониманием того, как устроен мир вокруг нас. Одним из фундаментальных вопросов, который часто возникает у школьников и просто любознательных людей, является вопрос о классификации физических процессов. Относится ли изменение агрегатных состояний вещества к тепловым явлениям?
Ответ однозначен: да, относится. Изменение агрегатного состояния вещества — это классический и один из самых важных примеров тепловых явлений в природе и технике. Чтобы понять, почему это так, необходимо разобраться в сути этих процессов и их связи с внутренней энергией и температурой.
Что такое тепловые явления?
Тепловые явления — это физические процессы, которые связаны с изменением внутренней энергии тела, его температуры или агрегатного состояния. В основе всех тепловых явлений лежит беспорядочное тепловое движение частиц (молекул, атомов, ионов), из которых состоит вещество. Поскольку огромное количество молекул непрерывно совершает это беспорядочное движение, и разные молекулы движутся с разной скоростью, образуются три классических состояния вещества: твёрдое, жидкое и газообразное.
Когда мы нагреваем или охлаждаем тело, мы изменяем его внутреннюю энергию. Именно изменение внутренней энергии (поглощение или выделение количества теплоты) является главным условием для перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое. Без теплообмена изменение агрегатного состояния не произойдёт. Например, лёд при 0°C, помещённый в воздух с такой же температурой 0°C, не будет плавиться, так как нет притока тепла.
Шесть видов изменений агрегатных состояний
В физике процесс перехода вещества из одного состояния в другое называется изменением агрегатного состояния. Три основных состояния могут взаимно превращаться друг в друга, поэтому существует шесть видов таких изменений. Все они сопровождаются либо поглощением, либо выделением теплоты:
- Плавление (твёрдое состояние → жидкое состояние). Процесс поглощает тепло. Пример: лёд тает и превращается в воду.
- Кристаллизация / Затвердевание (жидкое состояние → твёрдое состояние). Процесс выделяет тепло. Пример: вода замерзает, превращаясь в лёд.
- Парообразование (жидкое состояние → газообразное состояние). Процесс поглощает тепло. Пример: вода высыхает на солнце или кипит в чайнике.
- Конденсация (газообразное состояние → жидкое состояние). Процесс выделяет тепло. Пример: образование капель росы на траве утром.
- Сублимация / Возгонка (твёрдое состояние → газообразное состояние, минуя жидкое). Процесс поглощает тепло. Пример: кусок сухого льда (твёрдый CO2) уменьшается, превращаясь в газ.
- Десублимация (газообразное состояние → твёрдое состояние, минуя жидкое). Процесс выделяет тепло. Пример: образование узоров на стекле в мороз (инея).
Почему это тепловое явление: связь энергии и фазовых переходов
Фазовые переходы интересны тем, что при них изменяется внутренняя энергия вещества, но температура во время самого процесса перехода (для кристаллических тел и кипения жидкостей) остаётся постоянной. Вся поступающая или уходящая энергия идёт исключительно на разрушение или создание связей между молекулами. Это называется скрытой теплотой фазового перехода.
Плавление и кристаллизация
Каждое кристаллическое вещество имеет свою температуру плавления. Чтобы лёд при 0°C превратился в воду при 0°C, необходимо затратить количество теплоты (Q), которое рассчитывается по формуле:
Q = λ · m
Где λ — удельная теплота плавления (Дж/кг), а m — масса тела (кг). При кристаллизации ровно такое же количество теплоты выделяется в окружающую среду.
Парообразование: испарение и кипение
Парообразование делится на два вида: испарение и кипение. Это ярчайшие примеры тепловых явлений, так как они напрямую зависят от температуры и притока тепла.
- Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы, и тем больше молекул может покинуть жидкость (поглотив тепло). Скорость испарения можно увеличить, если:
- Увеличить площадь поверхности жидкости;
- Увеличить скорость потока воздуха над поверхностью (в ветреную погоду бельё сохнет быстрее);
- Повысить температуру жидкости;
- Снизить содержание пара в окружающей среде.
- Кипение происходит при определённой и постоянной для каждой жидкости температуре (температуре кипения). Во время кипения температура жидкости не меняется, а вся поступающая энергия идёт на парообразование. Жидкость закипит, когда давление внутри её сравняется с внешним давлением. Количество теплоты для парообразования вычисляется по формуле: Q = L · m, где L — удельная теплота парообразования.
Значение в природе и технике
Все живое на Земле существует лишь благодаря тому, что вода умеет превращаться в лед или пар — это глобальные тепловые явления, формирующие наш климат и обеспечивающие круговорот воды в природе. В металлургии и микроэлектронике важнейшую роль играют процессы кристаллизации, плавления, парообразования и конденсации. Поглощение тепла при испарении охлаждает наше тело (потение в жару), а выделение тепла при кристаллизации воды не даёт озерам промерзать до дна.