Фазовий перехід
На сторінці “Перенесення тепла” було розглянуто формулу для обчислення змін теплової енергії тіла при зміні її температури:
Але, за певних обставин, дана формула не діє – при припливі або відпливі теплової енергії температура тіла не змінюється. Один із найпростіших прикладів подібних випадків, з яким ми стикаємося щодня – це кип’ятіння води. Як відомо, за нормального атмосферного тиску вода закипає при температурі 100°C. Але, продовжуючи нагрівати воду, що закипіла, її температура не збільшується. Чому? Вся справа у так званих фазових переходах речовини.
Фазовий перехід – зміна агрегатного стану речовини: з рідкого в тверде (вода-лід); з твердого в рідке (лід-вода); з рідкого в газоподібне (вода-пар); з твердого в газоподібне (цей процес називається сублімацією), наприклад “сухий лід” перетворюється на вуглекислий газ.
Якщо шматок льоду нагрівати до моменту його танення, потім продовжувати нагрівати воду, що розтанула, до її закипання, і продовжувати нагрівання до википання, то крива залежності температури від теплоти буде мати вигляд, представлений на малюнку нижче.
Як видно з графіка, температурна крива має два плато на 0°C та 100°C. Це пов’язано з фазовим переходом льоду у воду та води у пару. Поки весь лід не розтане, температура суміші лід+вода триматиметься на рівні 0°C, аналогічно, поки вода не перетвориться на пару, вона кипітиме при 100°C.
Як же бути в таких випадках, щоб правильно розрахувати теплову енергію?
Для подібних ситуацій існує поняття прихованої теплоти, яку ще називають питомою теплотою фазового перетворення (Дж/кг) – кількість енергії, яка необхідна для зміни фазового стану об’єкта масою 1 кг.
Існують три види питомої теплоти фазового перетворення:
- Lп (теплота плавлення) – кількість теплової енергії на 1 кг речовини, яка необхідна для переходу з твердого стану в рідке.
- Lв (теплота випаровування) – кількість теплової енергії на 1 кг речовини, яка необхідна для переходу з рідкого стану в газоподібний.
- Lс (теплота сублімації) – кількість теплової енергії на 1 кг речовини, яка необхідна для переходу з твердого стану в газоподібний.
Конкретні значення питомої теплоти фазового перетворення для конкретних речовин можна дізнатися з відповідних довідників. Наприклад, для води Lп=3,35·105Дж/кг та Lв=2,26·106Дж/кг.