Фазовые переходы
На странице "Перенос тепла" была рассмотрена формула для вычисления изменений тепловой энергии тела при изменении его температуры:
Q = cmΔT
Но, при определенных обстоятельствах данная формула не действует - при притоке или оттоке тепловой энергии температура тела не изменяется. Один из самых простых примеров подобных случаев, с которым мы сталкиваемся каждый день - это кипячение воды. Как известно, при нормальном атмосферном давлении вода закипает при температуре 100°C. Но, продолжая нагревать закипевшую воду, ее температура не увеличивается. Почему? Все дело в так называемых фазовых переходах вещества.
Фазовый переход - изменение агрегатного состояния вещества: из жидкого в твердое (вода-лед); из твердого в жидкое (лед-вода); из жидкого в газообразное (вода-пар); из твердого в газообразное (данный процесс называется сублимацией), например "сухой лед" превращается в углекислый газ.
Если кусок льда нагревать до момента его таяния, затем продолжать нагревать растявшую воду до ее закипания, и продолжать нагрев до выкипания, то кривая зависимости температуры от теплоты будет иметь вид, представленный на рисунке ниже.
Как видно из графика, температурная кривая имеет два плато на 0°C и 100°C. Это связано с фазовым переходом льда в воду и воды в пар. Пока весь лед не растает, температура смеси лед+вода будет держаться на уровне 0°C, аналогично, пока вода не превратится в пар, она будет кипеть при 100°C.
Как же быть в подобных случаях, чтобы правильно рассчитать тепловую энергию?
Для подобных ситуаций существует понятие скрытой теплоты, которую еще называют удельной теплотой фазового превращения (Дж/кг) - кол-во энергии, необходимое для изменения фазового состояния объекта массой 1 кг.
Существуют три вида удельной теплоты фазового превращения:
- Lп (теплота плавления) - кол-во тепловой энергии на 1 кг вещества, необходимое для перехода из твердого состояния в жидкое.
- Lи (теплота испарения) - кол-во тепловой энергии на 1 кг вещества, необходимое для перехода из жидкого состояния в газообразное.
- Lс (теплота сублимации) - кол-во тепловой энергии на 1 кг вещества, необходимое для перехода из твердого состояния в газообразное.
Конкретные значения удельной теплоты фазового превращения для конкретных веществ можно узнать из соответствующих справочников. Например, для воды Lп=3,35·105Дж/кг и Lи=2,26·106Дж/кг.
