Номер 22.1, страница 158 - гдз по физике 10-11 класс задачник Гельфгат, Генденштейн

22. Изменения агрегатных состояний вещества. Жидкости, пары и твердые тела - номер 22.1, страница 158.

Условие.

22.1. Чтобы лед таял, ему необходимо сообщать энергию, однако до тех пор, пока весь лед не растает, его температура не увеличивается. Это означает, что кинетическая энергия беспорядочного движения молекул тоже не увеличивается. Куда же «исчезает» получаемая льдом энергия?

Решение. При плавлении разрушается кристаллическая решетка, что приводит к увеличению потенциальной энергии взаимодействия молекул. При кристаллизации энергия выделяется за счет уменьшения потенциальной энергии взаимодействия молекул.

Решение.

22.1 Решение

Внутренняя энергия любого вещества $U$ состоит из кинетической энергии $E_k$ хаотического движения его частиц (атомов, молекул) и потенциальной энергии $E_p$ их взаимодействия друг с другом: $U = E_k + E_p$.

Температура является макроскопическим параметром, который характеризует среднюю кинетическую энергию частиц. В процессе плавления льда его температура остается постоянной и равной 0°C (при нормальном атмосферном давлении) до тех пор, пока весь лед не превратится в воду. Постоянство температуры означает, что средняя кинетическая энергия молекул воды в процессе этого фазового перехода не изменяется.

Однако для плавления льду необходимо сообщать энергию (теплоту), которая называется теплотой плавления $Q = \lambda m$, где $\lambda$ – удельная теплота плавления льда, а $m$ – его масса. Эта подводимая энергия не «исчезает», а идет на увеличение внутренней энергии системы. Поскольку кинетическая энергия молекул не растет, вся получаемая энергия расходуется на увеличение потенциальной энергии их взаимодействия.

В твердом состоянии (лед) молекулы воды находятся в узлах кристаллической решетки и сильно связаны друг с другом. Чтобы разрушить эту упорядоченную структуру и позволить молекулам двигаться свободнее, как в жидкости, необходимо совершить работу против сил межмолекулярного притяжения. Эта работа и приводит к увеличению потенциальной энергии молекул. Таким образом, получаемая льдом энергия преобразуется в потенциальную энергию взаимодействия его молекул, разрушая кристаллические связи.

Ответ: Получаемая льдом энергия не исчезает, а расходуется на разрушение его кристаллической решетки. Это приводит к увеличению потенциальной энергии взаимодействия молекул при переходе вещества из твердого состояния в жидкое, в то время как кинетическая энергия молекул (и, соответственно, температура) остается постоянной.