Номер 3, страница 312 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 8. Твёрдые тела и их превращение в жидкости. Параграф 8.9. Изменение объёма тела при плавлении и отвердевании. Тройная точка - номер 3, страница 312.

Условие.

3. Изобразите фазовую диаграмму воды. Охарактеризуйте основные точки на этой диаграмме.

Решение.

Решение

Фазовая диаграмма состояния вещества — это график, который показывает, в какой фазе (твёрдой, жидкой или газообразной) находится вещество при различных значениях температуры $\text{T}$ и давления $\text{P}$.

Фазовая диаграмма воды строится в координатах давление-температура ($P-T$). Она разделена на три основные области, соответствующие трём агрегатным состояниям: твёрдому (лёд), жидкому (вода) и газообразному (водяной пар). Эти области разделены кривыми, которые представляют собой условия равновесия между двумя фазами:

1. Кривая сублимации (возгонки): разделяет области твёрдой и газообразной фаз. В любой точке на этой кривой лёд и водяной пар находятся в равновесии. Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое, называется сублимацией.

2. Кривая плавления: разделяет области твёрдой и жидкой фаз. В любой точке на этой кривой лёд и жидкая вода сосуществуют в равновесии. Уникальной особенностью воды является отрицательный наклон этой кривой. Это означает, что с увеличением давления температура плавления льда понижается. Такое аномальное поведение связано с тем, что плотность льда меньше плотности жидкой воды. Поэтому при повышении давления система стремится занять меньший объём, что соответствует переходу в жидкую фазу, и плавление облегчается.

3. Кривая испарения (кипения): разделяет области жидкой и газообразной фаз. В любой точке на этой кривой жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии. Эта кривая показывает, как температура кипения воды зависит от внешнего давления.

На фазовой диаграмме воды выделяют несколько основных (особых) точек:

Тройная точка

Это точка пересечения всех трёх кривых фазовых равновесий. В этой точке все три фазы — твёрдая, жидкая и газообразная — находятся в термодинамическом равновесии. Тройная точка воды имеет строго определённые координаты:
- Температура: $T_{тр} = 273.16$ К ($0.01$ °C)
- Давление: $P_{тр} = 611.657$ Па ($\approx 0.006$ атм)
Эта точка является фундаментальной физической константой и используется в качестве реперной для определения температурной шкалы Кельвина.

Критическая точка

Это конечная точка на кривой испарения. При температуре и давлении выше критических ($T > T_к$, $P > P_к$) физические различия между жидкой и газообразной фазами исчезают. Вещество переходит в особое состояние, называемое сверхкритическим флюидом, которое обладает свойствами как жидкости (высокая плотность), так и газа (низкая вязкость, отсутствие поверхностного натяжения). Для воды критическая точка имеет следующие параметры:
- Температура: $T_к \approx 647.1$ К ($374$ °C)
- Давление: $P_к \approx 22.064$ МПа ($\approx 218$ атм)

Также на диаграмме важны нормальные точки, соответствующие стандартному атмосферному давлению ($P = 1$ атм $\approx 101325$ Па):

Нормальная точка плавления: температура плавления льда при $\text{1}$ атм, равная $T_{пл} = 273.15$ К ($\text{0}$ °C).

Нормальная точка кипения: температура кипения воды при $\text{1}$ атм, равная $T_{кип} = 373.15$ К ($100$ °C).

Ответ: Фазовая диаграмма воды — это график в координатах давление-температура ($P-T$), показывающий области существования трёх фаз: твёрдой (лёд), жидкой и газообразной (пар). Диаграмма содержит три кривые фазового равновесия (плавления, испарения, сублимации). Главная особенность диаграммы воды — отрицательный наклон кривой плавления, что объясняется меньшей плотностью льда по сравнению с жидкой водой.

Основные точки на диаграмме:

1. Тройная точка — точка равновесного сосуществования льда, жидкой воды и водяного пара. Её координаты: температура $T = 273.16$ К ($0.01$ °C), давление $P = 611.657$ Па.

2. Критическая точка — точка на кривой испарения, выше которой исчезает различие между жидкой и газообразной фазами (вещество находится в состоянии сверхкритического флюида). Её координаты: температура $T \approx 647.1$ К ($374$ °C), давление $P \approx 22.064$ МПа.