Номер 4, страница 126 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 4. Изменение агрегатных состояний вещества. Параграф 31. Влажность воздуха. Темы докладов и проектов - номер 4, страница 126.

Условие.

4. Исследование агрегатных превращений вещества с использованием графиков зависимости температуры от времени.

Решение.

Графики зависимости температуры вещества от времени позволяют наглядно исследовать процессы его нагревания, охлаждения и агрегатных превращений (фазовых переходов). Обычно такие графики строят в условиях, когда вещество получает или отдает теплоту с постоянной мощностью. По оси ординат откладывается температура $\text{T}$, а по оси абсцисс — время $\text{t}$. Анализ формы графика дает информацию о тепловых свойствах вещества: удельной теплоемкости в разных агрегатных состояниях, температурах плавления и кипения, а также удельной теплоте плавления и парообразования.

Рассмотрим типичный график нагревания вещества, которое изначально находится в твердом состоянии и нагревается до газообразного состояния.

Нагревание твердого тела

На первом участке графика температура вещества растет. Вся подводимая энергия идет на увеличение кинетической энергии частиц вещества, из которых состоит его кристаллическая решетка. Этот процесс описывается формулой количества теплоты: $Q_1 = c_т \cdot m \cdot (T_{пл} - T_0)$, где $c_т$ – удельная теплоемкость в твердом состоянии, $\text{m}$ – масса вещества, $T_0$ – начальная температура, $T_{пл}$ – температура плавления. На графике это наклонный прямолинейный участок. Угол наклона этого участка к оси времени зависит от удельной теплоемкости твердого вещества: чем больше теплоемкость, тем медленнее растет температура и тем меньше угол наклона.

Плавление

При достижении температуры плавления $T_{пл}$ начинается процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. На графике этому процессу соответствует горизонтальный участок (плато). Температура вещества не меняется, несмотря на то, что тепло продолжает подводиться. Вся энергия, получаемая веществом, расходуется на разрушение кристаллической решетки, то есть на увеличение потенциальной энергии взаимодействия частиц. Количество теплоты, необходимое для плавления, рассчитывается по формуле: $Q_2 = \lambda \cdot m$, где $\lambda$ – удельная теплота плавления. Длина этого горизонтального участка пропорциональна удельной теплоте плавления: чем больше $\lambda$, тем дольше длится процесс плавления при постоянной мощности нагревателя.

Нагревание жидкости

После того как все вещество расплавится, его температура снова начинает расти. Теперь тепловая энергия идет на увеличение кинетической энергии частиц уже в жидком состоянии. Этот процесс описывается формулой: $Q_3 = c_ж \cdot m \cdot (T_{кип} - T_{пл})$, где $c_ж$ – удельная теплоемкость жидкости, $T_{кип}$ – температура кипения. На графике это снова наклонный участок. Его угол наклона, как правило, отличается от угла наклона первого участка, так как удельная теплоемкость вещества в жидком состоянии $c_ж$ обычно отличается от удельной теплоемкости в твердом состоянии $c_т$.

Кипение (Парообразование)

При достижении температуры кипения $T_{кип}$ начинается интенсивный переход жидкости в газообразное состояние (пар). На графике этому процессу соответствует второе горизонтальное плато. Температура жидкости остается постоянной до тех пор, пока вся она не испарится. Подводимая энергия идет на преодоление сил межмолекулярного притяжения в жидкости и совершение работы против внешнего давления. Количество теплоты, необходимое для парообразования, рассчитывается по формуле: $Q_4 = L \cdot m$, где $\text{L}$ – удельная теплота парообразования. Как правило, удельная теплота парообразования значительно больше удельной теплоты плавления ($L > \lambda$), поэтому второй горизонтальный участок на графике намного длиннее первого.

Нагревание газа

Когда вся жидкость превратится в пар, его температура снова начнет расти. На графике появится еще один наклонный участок. Количество теплоты, необходимое для нагревания газа, рассчитывается по формуле: $Q_5 = c_г \cdot m \cdot (T_к - T_{кип})$, где $c_г$ – удельная теплоемкость газа, $T_к$ – конечная температура.

Анализ графика охлаждения

Процесс охлаждения вещества является обратным процессу нагревания. График зависимости температуры от времени при охлаждении будет зеркальным отражением графика нагревания. На нем будут наблюдаться участки, соответствующие охлаждению газа, затем горизонтальный участок конденсации (при температуре кипения, где вещество отдает теплоту $Q = -L \cdot m$), далее участок охлаждения жидкости, за ним следует горизонтальный участок кристаллизации или затвердевания (при температуре плавления, где вещество отдает теплоту $Q = -\lambda \cdot m$), и, наконец, участок охлаждения твердого тела.

Ответ: Исследование агрегатных превращений вещества с использованием графиков зависимости температуры от времени позволяет определить ключевые теплофизические характеристики вещества. Горизонтальные участки (плато) на графике соответствуют фазовым переходам (плавлению/кристаллизации и кипению/конденсации) и указывают на температуры этих переходов. Длина этих плато при постоянной мощности теплообмена пропорциональна удельной теплоте соответствующего фазового перехода ($\lambda$ и $\text{L}$). Наклонные участки графика соответствуют нагреву или охлаждению вещества в одном агрегатном состоянии (твердом, жидком или газообразном). Угол наклона этих участков обратно пропорционален удельной теплоемкости ($\text{c}$) вещества в данном состоянии: чем более пологим является участок, тем выше удельная теплоемкость.