Теория:
1. Преобразование и конденсация
Парообразование — переход вещества из жидкого состояния в газообразное.
Конденсация — процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.
Оба процесса протекают одновременно, но их интенсивность зависит от условий.
Парообразование существует в двух формах. Испарение происходит со свободной поверхности жидкости при любой температуре. Молекулы с достаточно высокой кинетической энергией преодолевают притяжение соседей и покидают жидкость. Чем выше температура, тем быстрее испарение.
Кипение — это парообразование по всему объему жидкости. Оно начинается при достижении определенной температуры, называемой температурой кипения. Внутри жидкости образуются пузырьки насыщенного пара, которые растут и поднимаются на поверхность. Во время кипения температура жидкости остается неизменной, даже если продолжать подвод тепла.
 |  |
Рис. \(1\). Испарение | Рис. \(2\). Кипение |
Конденсация происходит при охлаждении пара. Молекулы теряют энергию и вновь образуют связи, возвращаясь в жидкость. Конденсация ускоряется при понижении температуры, увеличении площади поверхности или повышении давления.
2. Насыщенный пар и влажность воздуха
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным. В таком состоянии число молекул, покидающих жидкость, равно числу молекул, возвращающихся обратно. Плотность и давление насыщенного пара при неизменной температуре не зависят от объема — они определяются только температурой. С ростом температуры давление насыщенного пара увеличивается быстрее, чем по линейному закону.
Для характеристики содержания водяного пара в воздухе используют две величины.
Абсолютная влажность — это плотность водяного пара в воздухе:
\(\rho = \frac{m}{V}\),
где \(m\) — масса пара;
\(V\) — объем воздуха.
Единица измерения в СИ — \(кг/м^3\).
Относительная влажность показывает, насколько пар близок к насыщению:
\( \phi = \frac{\rho}{\rho_0} \cdot 100% \)
где \(\rho\) — абсолютная влажность;
\(\rho_0\) — плотность насыщенного пара при данной температуре.
Относительная влажность измеряется в процентах.
3. Количество теплоты при парообразовании и плавлении
Для превращения жидкости в пар при постоянной температуре требуется подвести определенное количество теплоты. Удельная теплота парообразования \(L\) — это энергия, необходимая для превращения \(1\) \(кг\) жидкости в пар:
\(L=\frac{Q}{m}\), \(Q=L \cdot m\)
Единица измерения — \(Дж/кг\).
Аналогично, для плавления кристаллического тела используют удельную теплоту плавления \(\lambda\). Это количество теплоты, которое нужно сообщить \(1\) \(кг\) вещества при температуре плавления, чтобы полностью перевести его в жидкое состояние:
\(Q=\lambda m\)
Температура плавления и кристаллизации для данного вещества совпадают. Во время плавления или кристаллизации температура тела не изменяется, пока процесс не завершится.
Рис.\(3\). График плавления и отвердевания вещества
Зависимость температуры кипения от давления описывается законом: при повышении внешнего давления температура кипения возрастает, при понижении — уменьшается. Это объясняется тем, что кипения начинается, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнивается с внешним давлением.
4. Твердые тела. Кристаллы и аморфные вещества
Твердые тела сохраняют форму и объем. По структуре их делят на кристаллические и аморфные.
Кристаллическими называют тела, которые обладают упорядоченной структурой — кристаллической решёткой, периодически повторяющейся в пространстве.
Для них характерна анизотропия: физические свойства (механические, тепловые, оптические) зависят от направления внутри кристалла. Кристаллы имеют четкую температуру плавления.
Аморфными называют тела, которые не имеют порядка в расположении атомов.
К таким телам, например, относятся стекло, смолы, пластмассы. Они изотропны — свойства одинаковы по всем направлениям. У низ нет фиксированной температуры плавления: при нагреве они постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние. Аморфное состояние является неустойчивым: со временем вещество может кристаллизоваться.
Обрати внимание!
Жидкие кристаллы сочетают текучесть жидкости с анизотропией кристаллов. Их молекулы имеют вытянутую форму и могут упорядочиваться под действием электрического поля, что используется в дисплеях.
5. Фазовые переходы в твердых телах
Плавление — переход из кристаллического состояния в жидкое.
Кристаллизация (отвердевание) — переход из жидкого состояния в кристаллическое.
Для начала кристаллизации в жидкости необходимы центры кристаллизации (пузырьки газа, инородные частицы).
Сублимация (возгонка) — это прямой переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Так, например, сухой лед при нормальных условиях не тает, а сразу превращается в газ. Сублимация сопровождается поглощением теплоты.
6. Тепловой баланс и измерительные приборы
При теплообмене между телами выполняется закон сохранения энергии.
Уравнение теплового баланса имеет вид:
\(Q_1+Q_2+Q_3+...=0\)
где количество теплоты, полученное телами, считается положительным, а отданное — отрицательным.
Для измерения влажности воздуха используют гигрометры (изменение свойств материалов) и психрометры (разность показаний сухого и увлажненного термометров). Калориметр позволяет измерять количество теплоты, выделяемой или поглощаемой в процессах.
Современные материалы, такие как полимеры, композиты и графен, получают с использованием нанотехнологий, позволяющих создавать структуры с размером элементов от \(1\) до \(100\) \(нм\). Это открывает возможности для управления свойствами материалов на молекулярном уровне.