Номер 3, страница 244, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

3. Из-за чего в критическом состоянии жидкость и ее пар имеют одинаковую плотность, а теплота парообразования равна нулю?

3. Из-за чего в критическом состоянии жидкость и ее пар имеют одинаковую плотность, а теплота парообразования равна нулю?

Решение

Критическое состояние вещества — это термодинамическое состояние, в котором исчезает различие в физических свойствах между жидкой и газообразной фазами. Оно характеризуется критической температурой $T_к$, критическим давлением $P_к$ и критической плотностью $\rho_к$.

Одинаковая плотность жидкости и пара.

Рассмотрим систему, в которой жидкость находится в равновесии со своим насыщенным паром в замкнутом объеме. При повышении температуры происходят два противоположных процесса. С одной стороны, жидкость подвергается тепловому расширению, из-за чего ее плотность уменьшается. Молекулы в жидкости начинают двигаться интенсивнее, и среднее расстояние между ними увеличивается.

С другой стороны, с ростом температуры увеличивается давление насыщенного пара, что приводит к увеличению его плотности. Молекулы в газовой фазе сближаются друг с другом.

Таким образом, при нагревании плотность жидкости падает, а плотность насыщенного пара растет. При достижении критической температуры $T_к$ эти две плотности становятся равными: $\rho_{жидкости} = \rho_{пара} = \rho_к$. В этот момент исчезает видимая граница раздела фаз (мениск), и вещество переходит в однородное, гомогенное состояние, называемое сверхкритическим флюидом. Физическое различие между жидкостью и газом перестает существовать.

Равенство теплоты парообразования нулю.

Удельная теплота парообразования ($\text{L}$) — это количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы вещества для его полного перехода из жидкого состояния в газообразное при постоянной температуре. Эта энергия тратится, в основном, на разрыв межмолекулярных связей в жидкости (увеличение потенциальной энергии молекул) и на совершение работы расширения против внешнего давления.

Теплота парообразования, по своей сути, является мерой энергетической разницы между жидкой и газообразной фазами. По мере приближения к критической точке, свойства жидкости и ее насыщенного пара (плотность, внутренняя энергия, характер межмолекулярного взаимодействия) становятся все более и более похожими. В самой критической точке, где жидкость и пар становятся неразличимыми и образуют единую фазу, разница в их свойствах, включая внутреннюю энергию на единицу массы, обращается в ноль. Следовательно, для "перехода" из одной фазы в другую, которой больше не существует как отдельной, не требуется никакой дополнительной энергии. Поэтому удельная теплота парообразования в критической точке равна нулю: $L=0$.

Ответ: В критическом состоянии плотности жидкости и ее насыщенного пара становятся одинаковыми, так как при нагревании плотность жидкости уменьшается, а плотность пара увеличивается, и при критической температуре эти значения сходятся. Теплота парообразования обращается в нуль, потому что в критической точке исчезают все физические различия между жидкой и газообразной фазами, и, следовательно, для фазового перехода не требуется никакой энергии, так как он фактически не происходит.