Процесът на промяна на водата от течност в газ се нарича изпарение.

Различни състояния на водата в природата

Водата е единственото вещество в природата, което има три агрегатни състояния при естествени условия. Течната вода заема най-големия обем на планетата, тъй като всички океани, реки и езера са пълни с нея. В студените райони на планетата (например в районите около полюсите) постоянно се намира лед, който е твърдото състояние на водата. Преходът на прясна вода от течно към твърдо състояние става при 0°C или -1°C. Морската вода, поради съдържанието на сол в нея, замръзва, когато температурата падне до -2-3°C.

Друг вариант за твърдо състояние на водата е снегът, който пада в полярните и умерените зони на Земята през зимата. Градушката също се счита за една от формите на втвърдена вода, която можем да срещнем в природата.

Газообразната форма на водата се образува при почти всяка температура, с изключение на критично ниските. Ако загреете вода до 100°C, тя напълно ще се изпари.

Значението на различните състояния на водата за природата

С помощта на водата се извършва кръговратът на веществата на планетата. Протича се по следната схема:

1. Водата се изпарява от течното си състояние, превръща се в газ и се издига на големи височини.
2. Поради това облаците се образуват и разпространяват с помощта на вятъра.
3. Когато водата се охлади, тя се връща на повърхността на Земята в течно или твърдо състояние.
4. С помощта на реките отново се насочва към океана.

По време на това движение водата разтваря много микроелементи и подпомага движението на веществата, както и обогатява почвата и почиства атмосферата от много вредни отпадъци по време на дъжд.

Валежите, образувани след изпаряване на водата, са много разнообразни и зависят от температурата заобикаляща средаи височини на облаците. При температури над нулата валежите почти винаги са течни и падат под формата на дъжд. Но ако в горните слоеве, където се намират облаците, температурата е минусова, тогава градушката пада под формата на парчета лед, дори и да е горещо на повърхността на Земята.

Какво е "тройна точка" и как да определим нейните координати? Експериментите показват, че за всяко вещество има условия (налягане и температура), при които пара, течност и кристал могат да съществуват едновременно за произволно дълго време. Например, ако поставите вода с плаващ лед в затворен съд при нула градуса, тогава и водата, и ледът ще се изпарят в свободното пространство. Въпреки това, при налягане на парите от 0,006 atm. (това е тяхното „собствено“ налягане, без да се взема предвид налягането, създадено от въздуха) и температура от 0,01 ° C, увеличаването на масата на парата ще спре. От този момент нататък ледът, водата и парата ще запазят масите си за неопределено време. Това е тройната точка за водата (лявата диаграма). Ако вода или пара се поставят в условията на лявата зона, те ще се превърнат в лед. Ако добавите течност или твърдо вещество към „долната област“, ​​получавате пара. В дясната област водата ще кондензира и ледът ще се стопи.

Подобна диаграма може да се построи за всяко вещество. Целта на такива диаграми е да отговорят на въпроса: какво състояние на материята ще бъде стабилно при такова и такова налягане и такава и такава температура. Например диаграмата вдясно е за въглероден диоксид. Тройната точка за това вещество има координата на „налягане“ от 5,11 atm, което е значително по-високо от нормалното атмосферно налягане. Следователно при нормални условия (налягане 1 atm) можем да наблюдаваме само преходи „под тройната точка“, т.е. независимо превръщане на твърдо вещество в газ. При налягане от 1 atm това ще се случи при температура от –78 °C (вижте пунктираните координатни линии под тройната точка).

Ние всички живеем „близо“ до стойностите на „нормалните условия“, тоест предимно при налягане, близко до една атмосфера. Следователно, ако атмосферното налягане е по-ниско от налягането, съответстващо на тройната точка, когато тялото се нагрява, няма да видим течност - твърдото вещество веднага ще се превърне в пара. Точно така се държи "сухият лед", което е много удобно за продавачите на сладолед. Брикетите от сладолед могат да бъдат наслоени с парчета „сух лед“ и да не се страхувате, че сладоледът ще се намокри. Ако налягането, съответстващо на тройната точка, е по-малко от атмосферното, тогава веществото се класифицира като „топящо се“ - когато температурата се повиши, то първо се превръща в течност и след това кипи.

Както можете да видите, характеристиките на агрегатните трансформации на веществата пряко зависят от това как текущите стойности на налягането и температурата са свързани с координатите на „тройната точка“ на диаграмата налягане-температура.

И в заключение, нека назовем известните ви вещества, които винаги сублимират при нормални условия. Това е йод, графит, "сух лед". При налягания и температури, различни от нормалните, тези вещества могат да се наблюдават в течно и дори кипящо състояние.

(C) 2013. Fizika.ru с участието на A.V Kuznetsova (Самара)

Установяването на идеален ред в подреждането на атомите, т.е. образуването на твърдо тяло, се предотвратява от топлинни движения, чиято основна характеристика, както знаем, е хаотичността, безпорядъкът. Следователно, за да бъде веществото в твърдо състояние, температурата му трябва да е достатъчно ниска - толкова ниска, че енергията на топлинното движение да е по-малка от потенциалната енергия на взаимодействие на атомите.

Едно тяло може да бъде само напълно идеален кристал, в който всички атоми са в равновесие и имат минимална енергия, само при абсолютна нула. В действителност всички вещества стават твърди при много по-високи температури. Единственото изключение е хелият, който остава течен дори при абсолютна нула, но това се дължи на някои квантови ефекти, които ще разгледаме накратко по-долу.

Едно вещество може да премине в твърдо състояние или от течно, или от газообразно състояние. И в двата случая такъв преход е преход от състояние без симетрия към състояние, в което съществува симетрия (това във всеки случай се отнася до реда на дълги разстояния, който съществува в кристалите, но не съществува нито в течност, нито в газообразно състояние вещества). Следователно преходът към твърдо състояние трябва да се случи рязко, тоест при определена температура, за разлика от прехода газ-течност, който, както знаем, може да се случи непрекъснато.

Нека първо разгледаме трансформацията течност-твърдо вещество. Процесът на образуване на твърдо вещество при охлаждане на течност е процесът на образуване на кристали (кристализация) (и се случва при определена температура - температурата на кристализация или втвърдяване. Тъй като по време на такава трансформация енергията намалява, тя се придружава чрез отделяне на енергия под формата на латентна топлина на кристализация. Обратната трансформация е топене - също настъпва рязко при същата температура и се придружава от поглъщане на енергия във формата.

тази топлина на топене е равна по стойност на топлината на кристализация.

Това ясно се вижда от графиката на температурата на охлаждащата течност спрямо времето, показана на фиг. 179 (крива а). Секция 1 на крива а дава хода на монотонно намаляване на температурата на течността поради отнемане на топлина от нея. Хоризонтален разрез 2 показва, че когато определена стойносттемпература, намаляването му спира, въпреки факта, че отнемането на топлина продължава. След известно време температурата отново започва да спада (раздел 3). Температурата, съответстваща на секция 2, е температурата на кристализация. Топлината, отделена по време на кристализацията, компенсира отделянето на топлина от веществото и поради това понижаването на температурата временно спира. След края на процеса на кристализация температурата на вече твърдото тяло започва отново да намалява.

Тази прогресия на графиката за намаляване на температурата е типична за кристалните тела. При охлаждане на течности, които не кристализират (аморфни вещества), не се отделя латентна топлина и графиката на охлаждане е монотонна крива без спиране на охлаждането.

При обратния процес на преминаване на веществото от твърдо в течно състояние (топене) също се наблюдава спиране на повишаването на температурата на кривата на нагряване, поради поглъщането на скритата топлина на топене - топлината, поради която кристалната решетка се разрушава (кривата на фиг. 179).

За да започне кристализацията, е необходимо наличието на център или центрове на кристализация. Такива центрове могат да бъдат произволни натрупвания на течни частици, залепени една за друга, към които могат да се присъединят все повече и повече нови частици, докато цялата течност се превърне в твърдо вещество. Образуването на такива натрупвания в самата течност обаче се възпрепятства от топлинни движения, които ги унищожават дори преди да имат време да придобият някакви забележими размери. Кристализацията се улеснява значително, ако в течността от самото начало присъстват достатъчно големи твърди частици под формата на прахови частици и тела, които се превръщат в центрове на кристализация.

Образуването на центрове за кристализация в самата течност се улеснява, разбира се, с понижаване на температурата. Следователно, кристализацията на чиста течност, лишена от чужди образувания,

обикновено започва при температура малко по-ниска от истинската температура на кристализация. При обикновени условия има много кристализационни центрове в кристализираща течност, така че в течността се образуват много кристали, които се струпват заедно и втвърденото вещество се оказва поликристално.

Само в специални условия, които обикновено са трудни за осигуряване, е възможно да се получи единичен кристал - единичен кристал, растящ от единичен кристализационен център. Ако се осигурят едни и същи условия за натрупване на частици за всички посоки, тогава кристалът се оказва правилно фасетиран в съответствие със свойствата си на симетрия.

Преходът течност-твърдо вещество, както и обратната трансформация, е фазов преход, тъй като течното и твърдото състояние могат да се разглеждат като две фази на веществото. И двете фази при температурата на кристализация (топене) могат да влязат в контакт една с друга, намирайки се в равновесие (ледът например може да плува във вода, без да се стопи), точно както течността и нейните наситени пари могат да бъдат в равновесие.

Точно както точката на кипене зависи от налягането, температурата на кристализация (и нейната равна точка на топене) също зависи от налягането, обикновено нараствайки с увеличаване на налягането. Той расте, защото външното налягане сближава атомите и за да се разруши кристалната решетка по време на топенето, атомите трябва да се отдалечат един от друг: при по-високо налягане това изисква по-голяма енергия на топлинно движение, т.е. по-висока температура.

На фиг. 180 показва крива на температурата на топене (кристализация) спрямо налягането. Плътна крива разделя целия регион на две части. Площта отляво на кривата съответства на твърдо състояние, а областта отдясно на кривата съответства на течно състояние. Всяка точка, разположена на самата крива на топене, съответства на равновесието на твърдата и течната фази: при тези налягания и температури веществото в течно и твърдо състояние е в равновесие, в контакт едно с друго и течността не се втвърдява и твърдото вещество не се топи.

Пунктираната линия на фиг. 180 показва кривата на топене за онези няколко вещества (бисмут, антимон, лед, германий), чийто обем не намалява по време на втвърдяването, а се увеличава. Такива

вещества, естествено, точката на топене намалява с увеличаване на налягането.

Промяната в температурата на топене е свързана с промяната в налягането чрез връзката на Клапейрон-Клаузиус:

Тук е температурата на топене (кристализация) и са съответно моларните обеми на течната и твърдата фаза и моларната топлина на топене.

Тази формула е валидна и за други фазови преходи. По-специално, за случая на изпарение и кондензация, формулата на Clapeyron-Clausius е изведена в гл. VII [вж (105.6)].

От формулата на Clapeyron-Clausius става ясно, че знакът на промяната на температурата на топене с промяна на налягането се определя от коя от двете стойности или по-голяма. Стръмността на кривата също зависи от стойността на латентната топлина на преход; колкото по-малко, толкова по-малко се променя температурата на топене с налягането. В табл 20 показва стойностите на специфичната (т.е. за единица маса) топлина на топене за някои вещества.

Таблица 20 (вижте сканиране) Специфична топлина на топене за някои вещества

Уравнението на Клапейрон-Клаузиус може да бъде написано и в следната форма:

Това уравнение показва как налягането, под което се намират двете равновесни фази, се променя с температурата.

Твърдото вещество може да се образува не само чрез кристализация на течност, но и чрез кондензация на газ (пара) в кристал, заобикаляйки течната фаза. В този случай се отделя и скритата топлина на прехода, която обаче винаги е по-голяма от скритата топлина на топене. В крайна сметка, образуването на твърдо вещество при определена температура и налягане може да се случи или директно от газообразно състояние, или чрез предварително втечняване и в двете

в случаите началното и крайното състояние са еднакви. Това означава, че енергийната разлика между тези състояния също е еднаква. Междувременно във втория случай, първо, латентната топлина на кондензация се освобождава по време на прехода от газообразно към течно състояние и, второ, латентната топлина на кристализация по време на прехода от течно към твърдо състояние. От това следва, че латентната топлина по време на директното образуване на твърдо вещество от газообразната фаза трябва да бъде равна на сумата от топлината на кондензация и кристализация от течността. Това се отнася само за топлината, измерена при точката на топене. При по-ниски температури топлината на кондензация от газа се увеличава.

Обратният процес на изпаряване на твърдо вещество обикновено се нарича сублимация или сублимация. Изпаряващите се частици от твърдо вещество образуват пара над него точно по същия начин, както при изпаряването на течност. При определено налягане и температура парата и твърдото вещество могат да бъдат в равновесие. Парата в равновесие с твърдо вещество се нарича още наситена пара. Както в случая на течност, налягането на наситените пари над твърдото вещество зависи от температурата, намалявайки бързо с понижаване на температурата, така че за много твърди вещества при обикновени температури налягането на наситените пари е незначително.

На фиг. 181 показва кривата на зависимостта на налягането на наситените пари от температурата. Тази крива е линията на равновесие между твърдата и газообразната фаза. Областта вляво от кривата съответства на твърдото състояние, вдясно от нея - на газообразното състояние. Сублимацията, подобно на топенето, е свързана с разрушаването на решетката и изисква разход на енергия, необходима за това. Тази енергия се проявява като латентна топлина на сублимация (сублимация), равна, разбира се, на латентната топлина на кондензация, следователно топлината на сублимация е равна на сумата от топлините на топене и изпаряване.

Ние живеем на повърхността на твърдо тяло- земното кълбо, в структури, изградени от твърди частици,- къщи. Нашето тяло, въпреки че съдържа приблизително 65% вода (мозъкът е 80%), също е твърдо. Инструментите и машините също са направени от твърди тела. Познаването на свойствата на твърдите тела е жизненоважно.

IN§ 2.6 накратко беше описана молекулярната структура на кристалните твърди вещества. Сега ще разгледаме по-отблизо техните свойства и структура.

кристали

Ако разгледате зърна от захар, сол, меден сулфат, нафталин и др. с лупа или микроскоп, ще забележите, че те са ограничени от плоски, сякаш полирани ръбове. Наличието на такива естествени лица е знак, че веществото е в кристално състояние. Кристалът* е тяло с определена геометрична форма, ограничено от естествени плоски ръбове.

* От гръцката дума krystallos - буквално: лед.

Монокристали и поликристални тела

Тяло, което е един кристал, се нарича монокристал.

Фигура 8.1 показва голям монокристал от кварц (планински кристал). Малко зърно гранулирана захар също е единичен кристал. Като се вземат големи предпазни мерки, е възможно да се отгледа метален монокристал с големи размери.

Повечето кристални тела се състоят от много малки кристали, произволно разположени и слети заедно. Такива тела се наричат ​​поликристални. Всички метали и минерали са поликристални. Парче захар също е поликристално тяло.

Форма и размер на кристала

Кристалите на различните вещества имат различна форма. Фигура 8.2 показва кристали: каменна сол 1, берил 2, диамант 3, граната 4, кварц 5, турмалин 6, изумруд 7 и калцит 8. Един от видовете ледени кристали, които образуват причудливите форми на снежинките (фиг. 8.3), е правилната шестоъгълна призма (фиг. 8.4).

Размерите на кристалите също са разнообразни. Някои кристали са големи и лесно видими с невъоръжено око, докато други са толкова малки, че могат да се видят само през микроскоп.

Размерите на поликристалните кристали могат да се променят с времето. Така малките кристали от желязо и стомана се превръщат в големи. Този преход се ускорява от удари и удари. Постоянно се среща в железопътни релси, автомобилни оси и стоманени мостове, което води до намаляване на здравината на тези конструкции с времето.

Полиморфизъм

Много тела с еднакъв химичен състав в кристално състояние, в зависимост от условията, могат да съществуват в две или повече разновидности (модификации). Това свойство се нарича полиморфизъм (мултиформност). Ледът например има до десет различни модификации, които се получават в лаборатории. В природата се среща само един вид (виж фиг. 8.4).

Въглеродният полиморфизъм е от особено значение за технологията - въглеродът кристализира в две модификации: графит и диамант. Графитът е мек материал с черен матов цвят. Например, от него се правят поводи за моливи. Диамантът е напълно различен от графита. Това е прозрачен и много твърд кристал. При температура от около 150 °C (при нагряване във вакуум) диамантът се превръща в графит. За да се превърне графитът в диамант, той трябва да се нагрее до 2000 °C под налягане от 1010 Pa. В момента промишленото производство на изкуствени диаманти е усвоено. Изкуствените диаманти се използват широко в различни режещи инструменти.

Назад напред

внимание! Визуализациите на слайдове са само за информационни цели и може да не представят всички характеристики на презентацията. Ако се интересувате от тази работа, моля, изтеглете пълната версия.

Цели:формиране на понятието за топене и кристализация на тела, температура на топене и кристализация; развиване на способността за прилагане на придобитите знания за решаване на прости проблеми, развитие на хоризонта на учениците, подхранване на интерес към предмета, подхранване на всестранно развита личност.

Необходимо оборудване:Работна станция за учителя, уроци по физика от Кирил и Методий за 8 клас, парчета лед, свещ, кибрит.

Обяснения:Отговорите на учениците са в курсив в текста.

План на урока:

1. Организиране на времето.
2. Учене на нов материал.
3. Консолидация.
4. Домашна работа.
5. Обобщение на урока.

ПО ВРЕМЕ НА ЗАНЯТИЯТА

1. Организационен момент

– Днес в урока ще говорим за различните състояния на материята, ще разберем при какви условия едно вещество може да бъде в едно или друго състояние и какво трябва да се направи, за да се превърне веществото от едно състояние в друго.

2. Учене на нов материал

– Да разгледаме снимките (слайд 2). Какво мислите, че е общото между тях?

– Снимките показват вода в три различни състояния: твърдо, течно и газообразно.

- Правилно. Не само водата, но и всяко друго вещество има три състояния. Как се наричат ​​тези състояния?

–

– Може ли едно вещество да премине от едно състояние в друго? Например, възможно ли е ледът да се превърне във вода?

– да

- Как да стане това?

– Трябва да го загреете.

- Почти си прав. По-правилно би било да се каже, че ние предаваме известно количество топлина на леда. Тогава какво е количеството топлина?

– Количеството топлина е енергията, която тялото получава или отдава по време на процеса на пренос на топлина.

– Какво е вътрешна енергия?

– Вътрешната енергия е енергията на движение и взаимодействие на частиците, които изграждат тялото.

- Нека направим експеримент. Нека оставим едно парче лед на чинията и да видим какво ще се случи с него и да прехвърлим известно количество топлина от свещта на второто. Кое парче лед се превръща във вода по-бързо и защо?

– Във втория случай процесът на преход на лед във вода става по-бързо, тъй като второто парче лед получава повече топлина от свещта, отколкото първото парче от околната среда.

- Правилно. Това означава, че парчето лед, на което е дадена повече енергия, се превръща във вода по-бързо.

– Открийте в учебника (стр. 31) как се нарича процесът на преминаване на веществото от твърдо в течно състояние?

Процес преходът на веществото от твърдо към течно състояние се нарича топене (слайд 3)

- Това е темата на нашия урок. Нека го запишем в тетрадка - Топящи се тела.

– Да разгледаме процеса на топене с помощта на фрагмент (уроци по физика от Кирил и Методий за 8 клас). Вашата задача е да забележите дали температурата се променя по време на този процес.

– Температурата не се променя по време на процеса на топене.

- Правилно. Сега намерете в учебника (стр. 32) как се нарича процесът на преминаване на веществото от течно в твърдо състояние?

Преходът на вещество от течно в твърдо състояние се нарича втвърдяване или кристализация (слайд 4)

– Нека разгледаме този процес с помощта на фрагмент (електронни уроци по физика от Кирил и Методий за 8 клас). Промени ли се температурата по време на процеса на втвърдяване?

– Температурата не се променя по време на процеса на втвърдяване.

– Нека припомним, че по време на процеса на топене и втвърдяване температурата на веществото не се променя. Ще разгледаме защо това се случва в следващия урок.

– За да започне процесът на топене, тялото трябва да има определена температура. Как се казва тя?

Температурата, при която дадено вещество се топи, се нарича точка на топене.

- Правилно! Това означава, че точката на топене е температурата, над която веществото не може да съществува в твърдо състояние. Намерете точката на топене на леда в таблицата с точките на топене.

– То е равно на 0О СЪС.

– При каква температура се втвърдява водата?

– Водата също се втвърдява при 0О СЪС.

- Правилно. Това означава, че веществата се втвърдяват при същата температура, при която се топят.
Използвайки графиката (слайд 5), ще разгледаме процеса на преход на леда от твърдо към течно състояние (Peryshkin A.V., стр. 33).
Наблюдението на процеса започна от момента, когато температурата на леда беше –20 o C. При по-нататъшно нагряване температурата на леда се повишаваше, докато достигна 0 o C. В този момент ледът започна да се топи и неговата температура спря да се увеличава. През цялото време на топене температурата на леда не се променя, въпреки че енергията продължава да се подава към него.
Когато достигне 20 o C, енергията вече не се предава на веществото: водата започва да се охлажда, а при 0 o C започва процесът на кристализация на водата. През цялото време на втвърдяване температурата на веществото не се променя отново. От графиката също така става ясно, че температурата на топене е равна на температурата на кристализация.

3. Консолидация

1. Графиката (слайд 6) показва как температурата се променя с времето, когато оловото се нагрява и охлажда. На кое състояние отговаря всяка част от графиката?

AB, BC – твърдо състояние, CD – топене,
DE, EF – течно състояние, FG – кристализация, GH – твърдо състояние.

2. В експеримента алуминият, желязото, медта, цинкът, стоманата, среброто и златото се нагряват отделно до 1000 o C (слайд 7, 8). В какво състояние - течно или твърдо - са били тези метали при посочената температура?

3. Снимките (слайд 2) показват вода в три различни състояния: твърдо, течно и газообразно.

– Как се наричат ​​тези състояния?

– Те се наричат ​​агрегатни състояния.

– Може ли едно вещество да премине от едно състояние в друго?
да Чрез прехвърляне на енергия към молекулите на твърдото тяло е възможно веществото да се прехвърли от твърдо в течно състояние и от течност в газ. Като отнемате енергия от молекулите на газа, можете да получите течност, а от нея твърдо вещество.

4. – Започваме да нагряваме леда, взет при температура – ​​10 o C. Какво се случва с температурата?

– Температурата на леда ще се повиши.

– Температурата на леда е достигнала 0 o C. Ледът започва да се топи. Какво се случва с температурата му?

– Температурата спира да се променя до края на целия процес на топене.

– Ледът напълно се е превърнал във вода. Процесът на нагряване продължава. Променя ли се температурата? как?

– Температурата на водата вече ли се повишава отново?

5. Променя ли се температурата на дадено вещество по време на кристализация?