Глава 16. Свойства газов, жидкостей и твердых тел.Фазовые переходы. Влажность

Задачи и вопросы, в которых рассматриваются свойства газов, жидкостей и твердых тел, а также переходы между ними (фазовые переходы), входят в программу школьного курса физики и часто включаются в ЕГЭ.

Начнем со свойств трех агрегатных состояний вещества. Плотности жидкостей и твердых тел близки друг к другу, но сильно отличаются от плотности газа. Отсюда следует, что расстояния между молекулами в жидкости и твердом теле не сильно отличаются друг от друга, но гораздо меньше расстояния между молекулами в газе. Различие же молекулярного строения жидкостей и твердых тел заключается в том, что большинство твердых тел имеют кристаллическую структуру: их молекулы располагаются в определенном порядке, повторяя определенную структурную единицу, которая называется элементарной ячейкой. Различают моно- и поликристаллы. Монокристаллом называется такое кристаллическое тело, порядок в расположении молекул которого имеет место вдоль всего тела. Очень часто монокристаллическое тело обладает правильной геометрической формой. Поликристалл представляет собой совокупность связанных друг с другом, хаотически ориентированных по отношению друг к другу маленьких монокристаллов.

Из-за того, что разные направления в элементарной ячейке кристалла неэквивалентны, ряд его физических свойств, таких как прочность, электро- или теплопроводность неодинаковы в различных направлениях. Это свойство кристалла называется анизотропией. Конечно, это касается только монокристалла. Поликристаллы из-за различных ориентаций монокристаллических частей являются изотропными. Также изотропными являются жидкости, молекулы которых расположены беспорядочно.

Существуют, однако, такие тела, которые являются твердыми, но в расположении молекул которых нет кристаллического порядка. Такие тела называются аморфными. Аморфными являются биополимеры, стекло и ряд других веществ. Отсутствие порядка в расположении молекул проявляется в отсутствие у аморфных тел строго определенной температуры плавления (см. ниже).

Как показывает опыт, при изменении температуры и внешнего давления возможны переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое. Переход кристаллического твердого тела в жидкое называется плавлением, обратный процесс — кристаллизацией. Переход жидкости в пар называется испарением (или кипением, если этот процесс сопровождается образованием пузырьков пара в жидкости), обратный процесс — конденсацией. Плавление и кристаллизация твердых (кристаллических) тел происходит при строго определенной для каждого вещества (при фиксированном давлении) температуре. При плавлении необходимо сообщить твердому телу энергию, которая расходуется не на нагревание тела, а на разрыв кристаллических связей между его молекулами. При кристаллизации эта дополнительная энергия выделяется. Плавление аморфных тел происходит по-другому: при увеличении температуры они плавятся постепенно (т.е. становятся более мягкими и пластичными), и невозможно указать такую температуру, ниже которой тело твердое, выше — жидкое.

При испарении жидкостей молекулы вылетают с их поверхности и переходят в газовую фазу. При этом из жидкости могут вылететь только самые быстрые молекулы, поэтому температура жидкости в процессе испарения понижается. Испарение может происходить при любой температуре (за исключением абсолютного нуля), однако с ростом температуры интенсивность испарения возрастает.

Благодаря хаотическому тепловому движению наряду с процессом испарения идет и обратный процесс — конденсация пара, — в результате которого молекулы пара могут вернуться в жидкость. Поскольку скорость процесса конденсации зависит от плотности пара над поверхностью жидкости, при определенной концентрации пара скорости процессов испарения и конденсации совпадают. В этом состоянии не происходит изменения количества жидкости и пара, и устанавливается динамическое равновесие между жидкостью и паром. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью называется насыщенным. Насыщенный пар — это пар максимально возможной плотности (при фиксированной температуре). Действительно, если плотность пара станет больше плотности насыщенного пара, то скорость процесса конденсации станет больше скорости испарения — излишек пара сконденсируется, а оставшийся пар станет насыщенным. Пар, имеющий плотность, меньшую плотности насыщенного пара при данной температуре, называется ненасыщенным.

Поскольку скорость процесса испарения зависит от температуры жидкости, динамическое равновесие между жидкостью и ее паром при большей температуре установится при бóльших концентрациях пара. Это значит, что концентрация насыщенного пара возрастает с температурой, и, следовательно, его давление растет с ростом температуры быстрее, чем по линейному закону.

Характеристикой воздуха, в котором находятся водяные пары, является его относительная влажность , которая показывает какую долю парциальное давление данного пара (или его концентрация) составляет от давления (или концентрации) насыщенного пара при данной температуре :

(16.1)

Если, например, парциальное давление водяного пара в воздухе при некоторой температуре равно , а давление насыщенного пара при этой температуре равно , то относительная влажность этого воздуха составляет 50 %. Очевидно, изменяя температуру и объем воздуха можно менять его относительную влажность. Поскольку концентрация насыщенного пара зависит от температуры, при нагревании воздуха, в котором находится неизменное количество водяных паров, будет убывать его относительная влажность, при охлаждении — возрастать. Если в последнем процессе относительная влажность достигает 100 %, излишек пара конденсируется и при дальнейшем охлаждении относительная влажность не изменяется. Процесс конденсации излишка пара при охлаждении можно наблюдать прохладными ночами летом, когда выпадает роса и образуется туман (маленькие капельки воды). Температура, при которой пар становится насыщенным и образуется конденсат, называется точкой росы этого пара. Также можно изменять относительную влажность воздуха, уменьшая или увеличивая его объем при неизменной температуре. В первом процессе растет концентрация пара (и, следовательно, его относительная влажность), во втором убывает. Конечно, в этих рассуждениях предполагается, что масса водяного пара не изменяется (т.е. не происходит дополнительного испарения воды или конденсации пара).

Процесс испарения жидкости с образованием пузырьков внутри нее называется кипением. Причина кипения заключается в следующем. Благодаря хаотическому тепловому движению в жидкости всегда образуются микроскопические пузырьки пара. Поскольку они очень малы, пар в них мгновенно становится насыщенным. Дальнейшая «судьба» этих пузырьков зависит от соотношения давлений: внутреннего, которое равно давлению насыщенного пара при данной температуре, и внешнего, которое равно давлению атмосферного воздуха (в пренебрежении гидростатическим давлением жидкости). Если внутреннее давление меньше внутреннего, пузырек пара пропадет, а пар из него перейдет в жидкость, если наоборот — пузырек будет расширяться, при этом за счет интенсивного испарения жидкости с поверхности пузырька, пар в нем будет оставаться насыщенным. Затем такие пузырьки всплывают, и пар из них уходит из жидкости. Таким образом, кипение жидкости происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара этой жидкости равно атмосферному давлению.

В задаче 16.1.1 жидкому состоянию отвечает рисунок 2. На рисунке 1 представлена схема расположения молекул кристаллического тела (есть порядок в расположении молекул), на рисунке 3 — газ (малая по сравнению с двумя другими состояниями концентрация молекул). Поэтому в процессе перехода вещества из жидкого состояния в кристаллическое (кристаллизации) существенно возрастает упорядоченность в расположении молекул (задача 16.1.2 — ответ 4).

Горизонтальный участок графика в задаче 16.1.3 отвечает плавлению. Действительно, в течение процесса, которому отвечает горизонтальный участок графика, энергия телу сообщалась, а его температура не изменялась. Единственная возможность объяснить эту «потерю» энергии, это допустить, что сообщаемая энергия расходовалась на разрыв кристаллических связей между молекулами. Поэтому температура плавления вещества — 50 (ответ 3), при этом в начале горизонтального участка имеется только твердое вещество, в конце — только жидкость, в промежуточных состояниях — смесь твердого тела и жидкости. Таким образом, из этого опыта следует, что для превращения любого твердого тела при температуре плавления (например, льда при температуре ) в жидкость нужно затратить некоторую энергию (правильный ответ в задаче 16.1.4 — 2). Поэтому внутренняя энергия жидкости при температуре плавления больше внутренней энергии твердого тела при той же температуре (задача 16.1.5 – ответ 1).

По этой же причине в процессе кристаллизации, который является обратным плавлению, энергия выделяется. Например при превращении воды, имеющей температуру , в лед, имеющий ту же температуру, выделяется определенная энергия (задача 16.1.6 — ответ 1).

Металлы проводят электрический ток, причем проводимость металла осуществляется электронами, оторвавшимися от атомов металла (свободные электроны). А поскольку электроны заряжены отрицательно, в узлах кристаллической решетки металла находятся положительно заряженные ионы (задача 16.1.7 — ответ 3).

Как это описано во введении к настоящей главе, аморфное тело является твердым, но отличается от кристаллического тела отсутствием кристаллической структуры (задача 16.1.8 — ответ 1). Среди веществ, перечисленных в задаче 16.1.9, аморфным является только стекло (ответ 1). Аморфное тело отличается от монокристаллического отсутствием определенной температуры плавления и изотропией (задача 16.1.10 — ответ 2).

В задаче 16.2.1 на первый взгляд кажется, что влажный воздух тяжелее сухого, поскольку во влажном воздухе содержатся дополнительное количество воды. Это, однако, не так, ведь требуется сравнить массы сухого и влажного воздуха при одинаковых давлениях, а если добавить в сухой воздух молекулы воды, не убирая молекулы собственно воздуха, то давление смеси увеличится. По закону Дальтона (см. гл. 13) давление смеси определяется полным числом молекул газа независимо от их природы. Поэтому чтобы давление сухого и влажного воздуха было одинаковым, число молекул в сухом и влажном воздухе должно быть одинаковым. А поскольку молярная масса воздуха 29 г/моль больше молярной массы воды 18 г/моль, то каждая («усредненная») молекула воздуха тяжелее молекулы воды. Поэтому сухой воздух тяжелее влажного при одинаковых давлении и температуре (ответ 1).

Как отмечалось во введении, жидкости могут испаряться при любой температуре (задача 16.2.2 — ответ 4).

Диффузией называется процесс взаимного проникновения молекул двух разных газов или жидкостей благодаря хаотическому тепловому движению. Поэтому при повышении температуры из-за увеличения скорости теплового движения молекул процесс диффузии ускоряется (задача 16.2.3 — ответ 1).

При испарении из жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, т.е. молекулы, кинетическая энергия которых превышает среднюю кинетическую энергию молекул жидкости (задача 16.2.4 — ответ 2).

По определению насыщенный пар — это такой пар, который находится в динамическом равновесии со своей жидкостью (задача 16.2.5 — ответ 3).

При двукратном увеличении объема сосуда в задаче 16.2.6 при условии, что воды в сосуде нет, и дополнительного испарения не происходит, концентрация водяного пара уменьшается в два раза и, следовательно, составляет половину от концентрации насыщенного пара, каковым пар в сосуде был в начале процесса. Поэтому пар в сосуде перестанет быть насыщенным, его относительная влажность станет равна 50 % (ответ 3).

Наоборот, пар можно сделать насыщенным, либо увеличивая его концентрацию, либо уменьшая температуру при неизменной концентрации (поскольку при этом уменьшается давление насыщенного пара). В свою очередь концентрацию пара можно увеличить, испаряя в воздух дополнительное количество воды, либо уменьшая его объем. Поэтому из данных в задаче 16.2.7 ответов подходит только ответ 2.

Относительная влажность воздуха показывает, какую долю от давления насыщенного пара при данной температуре представляют собой давление паров воды в этом воздухе. Поэтому давление насыщенного пара в задаче 16.2.8 равно (ответ 1).

Давление водяного пара в воздухе в задаче 16.2.9 составляет одну двадцатую от давления насыщенного пара при данной температуре. Поэтому относительная влажность этого воздуха равна 5 % (ответ 2).

Кипение возникает, если давление насыщенного водяного пара совпадает с внешним давлением. Поэтому при увеличении внешнего давления кипение будет происходить при такой температуре, при которой возрастет давление насыщенного водяного пара. А поскольку давление насыщенного пара увеличивается при повышении температуры, то при увеличении внешнего воздействия температура кипения жидкости будет возрастать (задача 16.2.10 — ответ 2).