Физика 8 класс учебник Перышкин, Иванов - страница 59

   График демонстрирует, как энергия влияет на состояние и температуру льда и воды.
   Участок AB: На этом этапе лед, начиная с –40 °C, поглощает тепловую энергию. Эта энергия преобразуется в кинетическую энергию молекул льда, вызывая повышение его температуры до 0 °C.
   Участок BC: При достижении 0 °C происходит фазовый переход — плавление льда. Энергия, поступающая в систему, используется для преодоления сил межмолекулярного взаимодействия в кристаллической решетке льда, а не для изменения температуры. К концу этого участка весь лед переходит в жидкое состояние.
   Участок CD: Нагревание воды происходит при температуре выше 0 °C. Поглощаемая энергия увеличивает среднюю кинетическую энергию молекул воды, что проявляется в росте температуры.
   Участок DE: Вода при температуре выше 0 °C отдает тепло окружающей среде. Это приводит к уменьшению кинетической энергии молекул воды и, как следствие, к снижению ее температуры.
   Участок EF: При 0 °C наблюдается процесс кристаллизации (замерзания) воды. При образовании упорядоченной структуры льда происходит выделение энергии.
   Участок FK: После полного превращения воды в лед, дальнейшее охлаждение льда сопровождается отводом тепловой энергии. Это снижает кинетическую энергию молекул льда и приводит к понижению его температуры.

   Процессы, связанные с водой, можно разделить на две группы: получение энергии (нагревание и плавление) и отдача энергии (охлаждение и замерзание).

   При получении энергии:
   Нагревание льда (АВ): Температура льда повышается, так как энергия увеличивает скорость движения его молекул.
   Плавление льда (ВС): При постоянной температуре 0 °C энергия расходуется на разрушение структуры льда и переход в жидкое состояние.
   Нагревание воды (CD): Температура воды растет, поскольку энергия увеличивает кинетическую энергию молекул воды.

   При отдаче энергии:
   Охлаждение воды (DE): Температура воды понижается, так как энергия отводится, замедляя движение молекул.
   Замерзание воды (EF): При 0 °C вода превращается в лед, выделяя энергию при формировании кристаллической решетки.
   Охлаждение льда (FK): Температура льда снижается, поскольку энергия отводится, уменьшая скорость движения молекул.
   Суть этих явлений заключается в том, что при нагревании и плавлении вещество поглощает энергию, увеличивая свою внутреннюю энергию. Напротив, при охлаждении и замерзании вещество отдает энергию, уменьшая свою внутреннюю энергию.

   При плавлении льда и отвердевании воды температура остаётся постоянной по следующим причинам:

   При плавлении льда (участок ВС):
   • вся подводимая энергия идёт на разрушение кристаллической решётки льда — преодоление сил притяжения между молекулами, а не на повышение их кинетической энергии;
   • пока весь лёд не расплавится, температура остаётся на уровне 0 °C;
   • это энергия называется удельной теплотой плавления.

   При отвердевании воды (участок EF):
   • при кристаллизации воды энергия выделяется при образовании кристаллической решётки — молекулы «закрепляются» в упорядоченной структуре;
   • эта энергия компенсирует охлаждение, поэтому температура остаётся на уровне 0 °C до полного замерзания;
   • это тот же объём энергии (удельная теплота плавления/кристаллизации), но выделяющийся, а не поглощаемый.

   Итог: на этапах плавления и кристаллизации энергия идёт не на изменение кинетической энергии молекул (температуры), а на изменение потенциальной энергии их взаимодействия (разрушение или создание кристаллической решётки), поэтому температура остаётся постоянной.

   Когда вода превращается в лёд (кристаллизуется), происходит выделение энергии. На молекулярном уровне это означает, что молекулы воды перестраиваются в более стабильную кристаллическую решетку льда, что ведет к уменьшению их потенциальной энергии.
   При этом кинетическая энергия молекул, а значит, и температура, остаются постоянными на отметке 0 °C в течение всего процесса замерзания. Количество выделяемой теплоты определяется удельной теплотой кристаллизации, которая численно равна удельной теплоте плавления.

   Стекло:
   • нагреть кусок стекла. Оно будет постепенно размягчаться и становиться более текучим по мере повышения температуры, без чёткой точки перехода в жидкое состояние.
   • если разбить стекло, его осколки будут иметь неправильную, изогнутую форму.
   Эти свойства указывают на отсутствие строгой кристаллической решётки и определённой температуры плавления, что характерно для аморфных тел.

   Поваренная соль (NaCl):
   • нагреть кристаллы поваренной соли. Они будут плавиться при строго определённой температуре (для NaCl это 801 °C).
   • если раздробить кристалл поваренной соли, его осколки будут иметь правильную геометрическую форму (например, маленькие кубики), отражающую внутреннюю кристаллическую структуру.
   Эти свойства указывают на наличие строгой кристаллической решётки и определённой температуры плавления, что характерно для кристаллических тел.

   Кинетическая энергия: Важно отметить, что в процессе плавления цинка его температура остается стабильной. Температура, как известно, является мерой средней кинетической энергии составляющих его частиц. Поэтому, пока цинк плавится, средняя кинетическая энергия его частиц не претерпевает изменений.
   Потенциальная энергия: Энергия, которая подводится к цинку во время плавления, направлена на разрушение его кристаллической структуры. Это означает, что энергия тратится на преодоление сил притяжения между частицами. В результате частицы начинают располагаться дальше друг от друга, что приводит к увеличению их потенциальной энергии взаимодействия.

   Исходный график (Рис. 32): начальный наклонный участок: нагрев твёрдого олова до температуры плавления; горизонтальный участок на уровне 232 °C: плавление олова (температура постоянна).
   Продолжение графика:
   Участок 1 (горизонтальный): после завершения плавления олово находится в жидком состоянии при 232 °C. Начинается процесс кристаллизации (отвердевания). Температура остаётся постоянной на уровне 232 °C, пока всё олово не затвердеет. Этот участок будет параллелен оси времени.
   Участок 2 (наклонный вниз): после завершения кристаллизации твёрдое олово начинает остывать. Температура олова будет равномерно снижаться по мере отвода тепла. Линия графика будет наклонена вниз.
   Участок 3 (конечная точка): график должен достичь начальной температуры, с которой начиналось нагревание олова.

   Действительно, в период ледохода наблюдается понижение температуры воздуха в непосредственной близости от реки. Причина этого явления кроется в фазовом переходе льда. Процесс плавления требует затрат энергии, известной как удельная теплота плавления. Эта энергия активно поглощается из окружающей среды, в данном случае — из воздуха. Следовательно, тепловая энергия, которая могла бы способствовать повышению температуры воздуха, расходуется на эндотермический процесс разрушения кристаллической структуры льда.

   Температура плавления — это критическая температура, при которой твердое и жидкое состояния вещества сосуществуют в равновесии. Изменение атмосферного давления оказывает влияние на плотность вещества в различных агрегатных состояниях.
   Для большинства веществ, где твердая фаза более плотная, повышение давления смещает равновесие в сторону этой более плотной фазы. Это означает, что для перехода в жидкое состояние потребуется больше энергии (более высокая температура), поэтому температура плавления увеличивается с ростом давления.
   В противоположность этому, для веществ вроде воды, где жидкая фаза плотнее твердой, увеличение давления благоприятствует переходу к жидкой фазе. В результате плавление происходит легче, и температура плавления снижается при повышении давления.
   Связь между изменением температуры плавления и давлением формализована в уравнении Клапейрона-Клаузиуса, которое устанавливает зависимость от изменения объема при фазовом переходе и величины давления.