Фазовые переходы
На странице «Перенос тепла» была рассмотрена формула для вычисления изменений тепловой энергии тела при изменении его температуры:
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=3,35·10 5 Дж/кг и Lи=2,26·10 6 Дж/кг.
Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:
Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе
Источник
Гидрология
Лекция. Химические и физические свойства природных вод
1. 1. ВОДА КАК ВЕЩЕСТВО, ЕЕ МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА И ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ
Вода — это простейшее устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом. По своей химической природе—это оксид (окись) водорода Н2О. В чистом виде вода — вещество бесцветное, не имеющее ни вкуса, ни запаха.
Молекула воды несимметрична: три ядра образуют равнобедренный треугольник с двумя ядрами водорода в основании и ядром кислорода в вершине.
Атом кислорода в молекуле воды присоединяет к себе два электрона, отнятых от атомов водорода, и тем самым приобретает отрицательный заряд.
Оба атома водорода , лишенные электронов, становятся положительно заряженными протонами. Молекула воды поэтому образует электрический диполь.
Полярное строение воды и возникающее в воде электрическое поле обусловливают большую диэлектрическую проницаемость воды— величину, показывающую, во сколько раз силы взаимодействия электрических зарядов уменьшаются в воде по сравнению с силами их взаимодействия в вакууме. Высокая диэлектрическая проницаемость воды предопределяет большую ее ионизирующую способность, т. е. способность расщеплять молекулы других веществ, что обусловливает сильное растворяющее действие воды.
Переход от полностью упорядоченной рыхлой молекулярной структуры, свойственной льду, к более плотной структуре, свойственной воде в жидком состоянии, не происходит мгновенно в процессе плавления льда, а продолжается и в жидкой воде.
При повышении температуры наряду с упомянутым уплотнением «упаковки» молекул происходит и свойственное всем веществам увеличение объема воды вследствие роста интенсивности теплового движения молекул. В диапазоне повышения температуры от 0 до 4 °С преобладает процесс уплотнения воды, при температуре выше 4°С — тепловое расширение , поэтому вода обладает «аномальным» свойством — наибольшей плотностью не при температуре плавления, а при 4°С.
Водород и кислород имеют несколько природных изотопов:
1 Н — «обычный» водород),
2 Н — «тяжелый» водород, или дейтерий),
3 Н — радиоактивный «сверхтяжелый» водород, или тритий).
16 О, 17 О, 18 О. Поэтому и сама вода имеет переменный изотопный состав.
Природная вода — это смесь вод разного изотопногосостава.
Наиболее распространена вода, состоящая из изотопов 1 Н и 16 О – «обычная» вода, доля других изотопных видов воды ничтожна — менее 0,27 %. Приведенные в дальнейшем сведения относятся только к «обычной» воде.
Одна из главных причин, приводящих к различию изотопного состава природных вод,— процесс испарения.
В результате испарения происходит некоторое обогащение воды более тяжелыми изотопами, а в результате конденсации — более легкими.
Поэтому поверхностные воды, формирующиеся атмосферными осадками, содержат «тяжелого» водорода ( 3 Н) и «тяжелого» кислорода ( 18 О) меньше, чем океанические воды.
Воду с изотопным составом ‘Н2 16 О называют «обычной» водой и обозначают просто Н2О, остальные виды воды (кроме 3 Н2О) называют «тяжелой» водой. Иногда «тяжелой» водой считают лишь дейтериевую воду 2 Н2О (или О2О). Вода с изотопным составом 3 Н2О (или Т2О) — так называемая «сверхтяжелая» вода. Ее на Земле находится всего 13—20 кг.
Источник
Отопление
Страницы
вторник, 22 марта 2011 г.
Вода и ее особенности
Чтобы испарить воду, уже нагретую до 100 oС, требуется вшестеро больше количества теплоты, чем для нагрева этой же массы воды на 80 oС (от 20 до 100 oС).
Каждую минуту миллион тонн воды гидросферы испаряется от солнечного нагрева. В результате в атмосферу постоянно поступает колоссальное количество теплоты, эквивалентное тому, которое бы вырабатывали 40 тысяч электростанций мощностью 1 млрд. киловатт каждая.
Удельная теплота плавления льда более высокая, чем у многих веществ, она эквивалентна расходу количества теплоты при нагреве 1 г воды на 80 oС (от 20 до 100 oС). При замерзании воды соответствующее количество теплоты поступает в окружающую среду, при таянии льда — поглощается. Поэтому ледяные массы, в отличие от масс парообразной воды, являются своего рода поглотителями тепла в среде с плюсовой температурой.
Знание природных особенностей этих физических характеристик иногда подсказывает смелые и эффективные технические решения. На многих металлургических производствах Донбасса в качестве охладителя используют не холодную воду, а кипяток. Охлаждение идет за счет использования теплоты парообразования — эффективность процесса повышается в несколько раз, к тому же отпадает надобность в сооружении громоздких градирен. Конечно, кипяток-охладитель используют там, где нужно охладить объекты, нагретые выше 100 oC. А вот пример совсем из другой области человеческой деятельности — сельского хозяйства, садоводства. Когда поздней весной внезапные ночные заморозки угрожают цветущим плодовым деревьям, опытные садоводы находят выход, кажущийся совершенно неожиданным: они проводят дождевание сада.
Пелена мельчайших водных брызг окутывает замерзающие деревья. Капельки воды покрывают лепестки цветов. Превращаясь в лед, вода надевает на цветы ледяную шубу, отдавая при этом им свое тепло (335 Дж от 1 г замерзающей воды). Широкое применение воды в качестве охладителя объясняется не только и не столько ее доступностью и дешевизной. Настоящую причину нужно тоже искать в ее физических особенностях. Оказывается, вода обладает еще одной замечательной способностью — высокой теплоемкостью. Поглощая огромное количество теплоты, сама вода существенно не нагревается. Удельная теплоемкость воды в пять раз выше, чем у песка, и почти в десять раз выше, чем у железа. Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на земной поверхности в различные времена года и в разное время суток. Благодаря этому вода является основным регулятором теплового режима нашей планеты.
Интересно, что теплоемкость воды аномальна не только по своему значению. Удельная теплоемкость разная при различных температурах, причем характер температурного изменения удельной теплоемкости своеобразен: она снижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 37 oС, а при дальнейшем увеличении температуры — возрастает. Минимальное значение удельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79 oС, а ведь это нормальная температура человеческого тела! Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки. Оказалось, что при этой температуре осуществляются и микрофазовые превращения в системе «жидкость — кристалл», то есть «вода — лед». Установлено, что при изменении температуры от 0 до 100 oС вода последовательно проходит пять таких превращений. Назвали их микрофазовыми, так как протяженность кристаллов микроскопична, не более 0,2. 0,3 нм. Температурные границы переходов — 0, 15, 30, 45, 60 и 100 oС.
Температурная область жизни теплокровных животных находится в границах третьей фазы (30. 45 oС). Другие виды организмов приспособились к иным температурным интервалам. Например, рыбы, насекомые, почвенные бактерии размножаются при температурах, близких к середине второй фазы (23. 25 oС), эффективная температура весеннего пробуждения семян приходится на середину первой фазы (5. 10 oС). Характерно, что явление прохождения удельной теплоемкости воды через минимум при температурном изменении обладает своеобразной симметрией: при отрицательных температурах также обнаружен минимум этой характеристики. Он приходится на -20 oС. Если вода ниже 0 oС сохраняет не замерзшее состояние, например, будучи мелкодисперсной, то около -20 oС резко увеличивается ее теплоемкость.
Это установили американские ученые, исследуя свойство водных эмульсий, образованных капельками воды диаметром около 5 микрон. Углубленное изучение физического смысла и направлений практического применения данного явления еще ждут своих исследователей. Но уже и теперь ясно, что эти открытия представляют очень интересный и ценный познавательный материал. Прочнее стали Среди необычных свойств воды трудно обойти вниманием еще одно — ее исключительно высокое поверхностное натяжение 0,073 Н/м (при 20 oС). Из всех жидкостей более высокое поверхностное натяжение имеет только ртуть. Оно проявляется в том, что вода постоянно стремится стянуть, сократить свою поверхность, хотя она всегда принимает форму емкости, в которой находится в данный момент.
Вода лишь кажется бесформенной, растекаясь по любой поверхности. Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться, создавая упругую внешнюю пленку. Свойства пленки также определяются замкнутыми и разомкнутыми водородными связями, ассоциатами различной структуры и разной степени упорядоченности. Благодаря пленке некоторые предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду (например, осторожно положенная плашмя стальная иголка).
Многие насекомые (водомерки, ногохвостки и др.) не только передвигаются по поверхности воды, но взлетают с нее и садятся, как на твердую опору. Более того, живые существа приспособились использовать даже внутреннюю сторону водной поверхности. Личинки комаров повисают на ней с помощью несмачиваемых щетинок, а маленькие улитки — прудовики и катушки — ползают по ней в поисках добычи. Высокое поверхностное натяжение позволяет воде принимать шарообразную форму при свободном падении или в состоянии невесомости: такая геометрическая форма имеет минимальную для данного объема поверхность.
Струя химически чистой воды сечением 1 см2 по прочности на разрыв не уступает стали того же сечения. Водную струю как бы цементирует сила поверхностного натяжения. Поведение воды в капиллярах подчиняется и более сложным физическим закономерностям. Сент-Дьердьи отмечал, что в узких капиллярах возникают структурно упорядоченные слои воды вблизи твердой поверхности. Структурирование распространяется в глубь жидкой фазы на толщину слоя порядка десятков и сотен молекул (ранее предполагали, что упорядоченность ограничивается лишь мономолекулярным слоем воды, примыкающим к поверхности).
Особенности структурирования воды в капиллярных системах позволяют с определенным основанием говорить о капиллярном состоянии воды. В природных условиях это состояние можно наблюдать у так называемой поровой воды. В виде тончайшей пленки она устилает поверхность полостей, пор, трещин пород и минералов земной коры. Развитые межмолекулярные контакты с поверхностью твердых тел, особенности структурной упорядоченности, вероятно, и являются причиной того, что поровая вода замерзает при более низкой температуре, чем обычная — свободная — вода. Исследования показали, что при замерзании связанной воды проявляются не только изменения ее свойств, — иными становятся и свойства тех горных пород, с которыми она непосредственно соприкасается.
При замерзании воды все происходит наоборот — плотность льда уменьшается, а объем увеличивается на 10% по сравнению с объемом, занимаемым той же массой воды.Изменение объема воды с понижением температуры идет своеобразно.
Сначала вода ведет себя, как и многие другие жидкости: понемногу уплотняясь, уменьшает свой объем. Это наблюдается вплоть до 4 oС (точнее — до 3,98 oС). При этой температуре как будто бы наступает кризис. Дальнейшее охлаждение уже не уменьшает, а постепенно увеличивает объем. Плавность резко прерывается при 0 oС, кривая переходит в отвесную прямую, объем скачком возрастает почти на 10%. Вода превращается в лед. Очевидно, при 3,98 oС тепловые помехи в образовании ассоциатов начинают ослабевать настолько, что появляется возможность некоторой структурной перестройки воды в льдоподобные каркасы.
Молекулы взаимно упорядочиваются, местами складывается характерная для льда гексагональная структура. Вероятно, со структурной перестройкой связано и еще одно своеобразное свойство воды — резкий скачок теплоемкости при фазовом переходе «вода — лед». Вода при 0 oС имеет удельную теплоемкость 1,009. Удельная теплоемкость превратившейся в лед воды при этой же температуре вдвое ниже. Благодаря особенности структурного перехода «вода — лед», в интервале 3,98. 0 oС природные водоемы достаточной глубины обычно не промерзают до дна.
«Вода знакомая и загадочная» Леонид Адольфович Кульский
Источник
