Процесс превращения воды из жидкого состояния в газообразное называется испарением.

Разные состояния воды в природе

Вода является единственным веществом в природе, у которого в естественных условиях существуют три агрегатных состояния. Наибольший объем на планете занимает жидкая вода, поскольку все океаны, реки и озера наполнены именно ей. На холодных участках планеты (например, на территориях вокруг полюсов) постоянно встречается лед, который является твердым состоянием воды. Переход пресной воды из жидкого в твердое состояние происходит при 0°C или -1°C. Морская же вода из-за содержания в ней солей замерзает, когда температура опускается до -2-3°C.

Еще одним вариантом твердого состояния воды является снег, который выпадает в приполярных и умеренной зонах Земли в зимний период. Град тоже считается одной из форм затвердевшей воды, с которой мы можем встретиться в природе.

Газообразная форма воды образуется почти при любых температурах, за исключением критически низких. Если нагреть воду до 100°C, то она полностью испарится.

Значение разных состояний воды для природы

С помощью воды на планете происходит круговорот веществ. Он проходит по следующей схеме:

1. Вода испаряется из жидкого состояния, становится газом и поднимается на большую высоту.
2. Из-за этого образуются облака, которые распространяются с помощью ветра.
3. При остывании вода возвращается на поверхность Земли уже в жидком или твердом состоянии.
4. С помощью рек она вновь направляется в сторону океана.

Во время данного движения вода растворяет в себе многие микроэлементы и способствует перемещению веществ, а также обогащает почву и очищает атмосферу во время дождя от многих вредных отходов.

Осадки, образующиеся после испарения воды, очень разнообразны и зависят от температуры окружающей среды и высоты облаков. При плюсовой температуре осадки почти всегда жидкие и выпадают в виде дождей. Однако если в верхних слоях, где находятся облака, температура минусовая, то выпадает град в виде кусков льда, даже если у поверхности Земли жарко.

Что же такое «тройная точка» и как определить её координаты? Опыты показывают, что для каждого вещества существуют условия (давление и температура), при которых пар, жидкость и кристалл могут сосуществовать одновременно сколь угодно долго. Например, если поместить в закрытый сосуд при нуле градусов воду с плавающим льдом, то в свободное пространство будут испаряться и вода, и лёд. Однако при давлении паров 0,006 атм. (это «собственное» их давление, без учёта давления, создаваемого воздухом) и температуре 0,01 °С увеличение массы пара прекратится. С этого момента лёд, вода и пар будут сохранять свои массы сколь угодно долго. Это и есть тройная точка для воды (левая диаграмма). Если в условия левой области поместить воду или пар, то они станут льдом. Если в «нижнюю область» внести жидкость или твёрдое тело, то получится пар. В правой области вода будет конденсироваться, а лёд плавиться.

Аналогичную диаграмму можно построить для любого вещества. Цель таких диаграмм – дать ответ на вопрос: какое состояние вещества будет устойчивым при таком-то давлении и такой-то температуре. Например, правая диаграмма построена для углекислого газа. Тройная точка для этого вещества имеет координату «давление» 5,11 атм, то есть значительно больше, чем нормальное атмосферное давление. Поэтому при обычных условиях (давление 1 атм) мы можем наблюдать только переходы «ниже тройной точки», то есть самостоятельное превращение твёрдого тела в газ. При давлении 1 атм это будет происходить при температуре –78 °С (см. пунктирные линии координат ниже тройной точки).

Все мы живём «около» значений «нормальных условий», т. е. прежде всего при давлении, близком к одной атмосфере. Поэтому, если атмосферное давление, ниже давления, соответствующего тройной точке, при нагревании тела мы не увидим жидкости, – твёрдое вещество будет превращаться сразу в пар. Именно так и ведёт себя «сухой лёд», что очень удобно для продавцов мороженого. Брикеты мороженого можно перекладывать кусками «сухого льда» и не бояться при этом, что мороженое намокнет. Если же давление, соответствующее тройной точке, меньше атмосферного, то вещество относится к «плавящимся» – при повышении температуры оно сначала превращается в жидкость, а потом закипает.

Как видите, особенности агрегатных превращений веществ напрямую зависят от того, как текущие значения давления и температуры соотносятся с координатами «тройной точки» на диаграмме «давление-температура».

И в заключение назовём известные вам вещества, всегда сублимирующие при нормальных условиях. Это йод, графит, «сухой лёд». При давлениях и температурах, отличных от нормальных, эти вещества вполне можно наблюдать и в жидком, и даже в кипящем состоянии.

(C) 2013. Физика.ru при участии А.В.Кузнецовой (г. Самара)

Установлению идеального порядка в расположении атомов, т. е. образованию твердого тела, препятствуют тепловые движения, главной особенностью которых является, как мы знаем, хаотичность, беспорядочность. Поэтому для того, чтобы вещество могло находиться в твердом состоянии, его температура должна быть достаточно низкой - настолько низкой, чтобы энергия тепловых движений была меньше, чем потенциальная энергия взаимодействия атомов.

Вполне идеальным кристаллом, в котором все атомы находятся в равновесии и обладают минимальной энергией, тело может быть только при абсолютном нуле. В действительности все вещества становятся твердыми при значительно более высоких температурах. Исключение составляет только гелий, который остается жидким и при абсолютном нуле, но это связано с некоторыми квантовыми эффектами, о которых мы кратко скажем ниже.

В твердое состояние вещество может перейти как из жидкого, так и из газообразного состояния. И в том и в другом случае такой переход есть переход из состояния, лишенного симметрии, в состояние, в котором симметрия существует (это во всяком случае относится к дальнему порядку, существующему в кристаллах, но не существующему ни в жидких, ни в газообразных веществах). Поэтому переход в твердое состояние должен происходить скачком, т. е. при определенной температуре, в отличие от перехода газ - жидкость, который, как мы знаем, может происходить и непрерывным образом.

Рассмотрим сначала превращение жидкость-твердое тело. Процесс образования твердого тела при охлаждении жидкости есть процесс образования кристалла (кристаллизация), (и происходит он при определенной температуре температуре кристаллизации или отвердевания. Так как при таком превращении энергия уменьшается, то оно сопровождается выделением энергии в виде скрытой теплоты кристаллизации. Обратное превращение - плавление - также происходит скачком при тон же температуре и сопровождается поглощением энергии в виде

той теплоты плавления, равной по величине теплоте кристаллизации.

Это ясно видно из графика зависимости температуры охлаждающейся жидкости от времени, изображаемого на рис. 179 (кривая а). Участок 1 кривой а дает ход монотонного понижения температуры жидкости вследствие отвода тепла от нее. Горизонтальный участок 2 показывает, что при определенном значении температуры ее понижение прекращается, несмотря на то, что отвод тепла продолжается. Через некоторое время температура снова начинает понижаться (участок 3). Температура, соответствующая участку 2, это и есть температура кристаллизации. Выделяющееся при кристаллизации тепло компенсирует отвод тепла от вещества и поэтому понижение температуры временно прекращается. После окончания процесса кристаллизации температура, теперь уже твердого тела, вновь начинает понижаться.

Такой ход графика понижения температуры характерен для кристаллических тел. При охлаждении жидкостей, не кристаллизующихся (аморфных веществ), скрытая теплота не выделяется и график охлаждения представляет собой монотонную кривую без остановки охлаждения.

При обратном процессе перехода вещества из твердого состояния в жидкое (плавление) на кривой нагревания также наблюдается остановка в повышении температуры, вследствие поглощения скрытой теплоты плавления - теплоты, за счет которой происходит разрушение кристаллической решетки (кривая на рис. 179).

Для начала кристаллизации необходимо присутствие центра или центров кристаллизации. Такими центрами могли бы служить случайные скопления частиц жидкости, прилипших друг к другу, к которым могли бы присоединяться всё новые и новые частицы, пока вся жидкость не обратилась бы в твердое тело. Однако образование таких скоплений в самой жидкости затрудняется тепловыми движениями, которые их разрушают еще до того, как они успевают приобрести сколько-нибудь заметные размеры. Кристаллизация существенно облегчается, если в жидкости с самого начала присутствуют достаточно большие твердые частицы в виде пылинок и тел, которые становятся центрами кристаллизации.

Образование центров кристаллизации в самой жидкости облегчается, конечно, с понижениемтемпературы. Поэтому кристаллизация чистой жидкости, лишенной посторонних образований,

начинается обычно при температуре несколько более низкои, чем истинная температура кристаллизации. В обычных условиях в кристаллизующейся жидкости имеется много центров кристаллизации, так что в жидкости образуется множество кристалликов, срастающихся вместе, и затвердевшее вещество оказывается поликристаллическим.

Только в особых условиях, которые обычно трудно обеспечить, можно получить одиночный кристалл - монокристалл, вырастающий из единственного центра кристаллизации. Если при этом для всех направлений обеспечены одинаковые условия накопления частиц, то кристалл получается правильно ограненным соответственно его свойствам симметрии.

Переход жидкость - твердое тело, так же как и обратное превращение, является фазовым переходом, так как жидкое и твердое состояния можно рассматривать как две фазы вещества. Обе фазы при температуре кристаллизации (плавления) могут соприкасаться друг с другом, находясь в равновесии (лед, например, может плавать в воде, не плавясь), так же как могут находиться в равновесии жидкость и ее насыщенный пар.

Подобно тому как температура кипения зависит от давления, температура кристаллизации (и равная ей температура плавления) также зависит от давления, обычно возрастая с ростом давления. Растет она потому, что внешнее давление сближает атомы между собой, а для разрушения кристаллической решетки при плавлении атомы нужно отдалить друг от друга: при большем давлении для этого требуется большая энергия тепловых движений, т. е. более высокая температура.

На рис. 180 показана кривая зависимости температуры плавления (кристаллизации) от давления. Сплошная кривая делит всю область на две части. Область влево от кривой соответствует твердому состоянию, а область справа от кривой - жидкому состоянию. Любая же точка, лежащая на самой кривой плавления, соответствует равновесию твердой и жидкой фаз: при этих давлениях и температурах вещество в жидком и твердом состояниях находится в равновесии, соприкасаясь друг с другом, и при этом жидкость не твердеет, а твердое тело не плавится.

Пунктиром на рис. 180 показана кривая плавления для тех немногих веществ (висмут, сурьма, лед, германий), у которых при отвердевании объем не уменьшается, а увеличивается. У таких

веществ, естественно, температура плавления с повышением давления понижается.

Изменение температуры плавления связано с изменением давления соотношением Клапейрона - Клаузиуса:

Здесь - температура плавления (кристаллизации), и - соответственно молярные объемы жидкой и твердой фаз и молярная теплота плавления.

Эта формула справедлива и для других фазовых переходов. В частности, для случая испарения и конденсации формула Клапейрона-Клаузиуса была выведена в гл. VII [см. (105.6)].

Из формулы Клапейрона - Клаузиуса видно, что знак изменения температуры плавления с изменением давления определяется тем, какая из двух величин, или больше. Крутизна кривой зависит также от величины скрытой теплоты перехода чем меньше тем меньше изменяется температура плавления с давлением. В табл. 20 приведены значения удельной (т. е. отнесенной к единице массы) теплоты плавления для некоторых веществ.

Таблица 20 (см. скан) Удельная теплота плавления для некоторых веществ

Уравнение Клапейрона - Клаузиуса может быть написано и в таком виде:

Это уравнение показывает, как изменяется давление, под которым находятся обе равновесные фазы, при изменении температуры.

Твердое тело может образоваться не только путем кристаллизации жидкости, но и конденсацией газа (пара) в кристалл, минуя жидкую фазу. При этом также выделяется скрытая теплота перехода, которая, однако, всегда больше скрытой теплоты плавления. Ведь образование твердого тела при определенных температуре и давлении может произойти как непосредственно из газообразного состояния, так и путем предварительного ожижения, В обоих

случаях начальное и конечное состояния одинаковы. Одинакова, значит, и разность энергий этих состояний. Между тем во втором случае выделяется, во-первых, скрытая теплота конденсации при переходе из газообразного в жидкое состояние и, во-вторых, скрытая теплота кристаллизации при переходе из жидкого в твердое состояние. Отсюда следует, что скрытая теплота при непосредственном образовании твердого тела из газообразной фазы должна быть равна сумме теплоты конденсации и кристаллизации из жидкости. Это относится только к теплотам, измеренным при температуре плавления. При более низких температурах теплота конденсации из газа возрастает.

Обратный процесс испарения твердого тела называется обычно возгонкой или сублимацией. Испаряющиеся частицы твердого тела образуют над ним пар совершенно так же, как это происходит при испарении жидкости. При определенных давлении и температуре пар и твердое тело могут находиться в равновесии. Пар, находящийся в равновесии с твердым телом, также называется насыщенным паром. Как и в случае жидкости, упругость насыщенного пара над твердым телом зависит от температуры, быстро уменьшаясь с понижением температуры, так что у многих твердых тел при обычных температурах упругость насыщенного пара ничтожно мала.

На рис. 181 показан вид кривой зависимости упругости насыщенного пара от температуры. Эта кривая является линией равновесия твердой и газообразной фаз. Область слева от кривой соответствует твердому состоянию, справа от нее - газообразному. Возгонка, так же как и плавление, связана с разрушением решетки и требует затраты необходимой для этого энергии. Эта энергия проявляется как скрытая теплота возгонки (сублимации), равная, разумеется, скрытой теплоте конденсации.. Теплота возгонки равна поэтому сумме теплот плавления и парообразования.

Мы живем на поверхности твердого тела - земного шара, в сооружениях, построенных из твердых тел, - домах. Наше тело, хотя и содержит приблизительно 65% воды (мозг - 80%), тоже твердое. Орудия труда, машины также сделаны из твердых тел. Знать свойства твердых тел жизненно необходимо.

В § 2.6 было кратко описано молекулярное строение твердых кристаллических тел. Теперь мы рассмотрим подробнее их свойства и строение.

Кристаллы

Если рассматривать при помощи лупы или микроскопа крупинки сахара, соли, медного купороса, нафталина и т. п., то можно заметить, что они ограничены плоскими, как бы шлифованными гранями. Наличие таких естественных граней является признаком нахождения вещества в кристаллическом состоянии. Кристаллом* называется тело определенной геометрической формы, ограниченное естественными плоскими гранями.

* От греческого слова krystallos - буквально: лед.

Монокристаллы и поликристаллические тела

Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом.

На рисунке 8.1 изображен крупный монокристалл кварца (горного хрусталя). Маленькая крупинка сахарного песка тоже является монокристаллом. Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить металлический монокристалл больших размеров.

Большинство кристаллических тел состоит из множества беспорядочно расположенных и сросшихся между собой мелких кристалликов. Такие тела называются поликристаллическими. Поликристаллическими являются все металлы и минералы. Кусок сахара тоже поликристаллическое тело.

Форма и размеры кристаллов

Кристаллы различных веществ имеют разнообразную форму. На рисунке 8.2 изображены кристаллы: каменной соли 1, берилла 2, алмаза 3, граната 4, кварца 5, турмалина 6, изумруда 7 и кальцита 8. Один из видов кристаллов льда, образующих причудливые формы снежинок (рис. 8.3), представляет собой правильную шестиугольную призму (рис. 8.4).

Размеры кристаллов тоже разнообразны. Одни кристаллы крупны и легко различимы невооруженным глазом, другие же настолько малы, что могут быть рассмотрены только в микроскоп.

Размеры кристаллов поликристаллического типа могут с течением времени изменяться. Так, мелкие кристаллы железа и стали переходят в крупные. Этот переход ускоряется при ударах и сотрясениях. Он постоянно происходит в железнодорожных рельсах, вагонных осях, стальных мостах, отчего прочность этих сооружений с течением времени уменьшается.

Полиморфизм

Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях (модификациях). Это свойство называется полиморфизмом (многоформностью). У льда, например, известно до десяти различных модификаций, которые получают в лабораториях. В природе же встречается только один вид (см. рис. 8.4).

Особо важное значение для техники имеет полиморфизм углерода - углерод кристаллизуется в двух модификациях: графит и алмаз. Графит - мягкий материал матово-черного цвета. Из него, например, изготавливают грифели карандашей. Алмаз совершенно не похож на графит. Это прозрачный и очень твердый кристалл. При температуре около 150 °С (при нагревании в вакууме) алмаз превращается в графит. Чтобы графит превратить в алмаз, его нужно нагреть до 2000 °С под давлением 1010Па. В настоящее время освоено промышленное производство искусственных алмазов. Искусственные алмазы широко используются в различных режущих инструментах.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели: формирование понятия о плавлении и кристаллизации тел, температуре плавления и кристаллизации; развитие умений применять полученные знания к решению простейших задач, развитие кругозора учащихся, воспитание интереса к предмету, воспитание всесторонне развитой личности.

Необходимое оборудование: АРМ учителя, уроки физики Кирилла и Мефодия для 8 класса, кусочки льда, свеча, спички.

Пояснения: ответы учащихся в тексте выделены курсивом.

План урока:

1. Организационный момент.
2. Изучение нового материала.
3. Закрепление.
4. Домашнее задание.
5. Итоги урока.

ХОД УРОКА

1. Организационный момент

– Сегодня на уроке мы поговорим о различных состояниях вещества, узнаем, при каких условиях вещество может находиться в том или ином состоянии и что необходимо сделать для превращения вещества из одного состояния в другое.

2. Изучение нового материала

– Рассмотрим рисунки (слайд 2). Как вы думаете, что их объединяет?

– На рисунках показана вода в трех различных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

– Верно. Не только у воды, но и у любого другого вещества есть три состояния. Как называют эти состояния?

–

– Может ли вещество переходить из одного состояния в другое? Например, можно ли превратить лед в воду?

– Да.

– Каким образом это сделать?

– Нужно нагреть его.

– Вы почти правы. Правильнее будет сказать, что мы сообщаем льду некоторое количество теплоты. Тогда что такое количество теплоты?

– Количество теплоты – это энергия, которую тело получает или отдает в процессе теплопередачи.

– А что такое внутренняя энергия?

– Внутренняя энергия – энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

– Проведем эксперимент. Один кусочек льда оставим на тарелке и проследим, что будет с ним происходить, а второму передадим некоторое количество теплоты от свечи. Какой кусок льда быстрее превращается в воду и почему?

– Во втором случае процесс перехода льда в воду происходит быстрее, так как второй кусок льда получает большее количество теплоты от свечи, чем первый кусок из окружающей среды.

– Верно. Значит, быстрее превращается в воду тот кусок льда, которому сообщили больше энергии.

– Найдите в учебнике (стр.31), как называется процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое?

Процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением (слайд 3)

– Это и есть тема нашего урока. Запишем в тетради – Плавление тел.

– Рассмотрим процесс плавления с помощью фрагмента (уроки физики Кирилла и Мефодия для 8 класса). Ваша задача – обратить внимание, меняется ли температура в течение этого процесса.

– Температура в процессе плавления не меняется.

– Верно. Теперь найдите в учебнике (стр.32), как называется процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое?

Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристаллизацией (слайд 4)

– Рассмотрим и этот процесс с помощью фрагмента (электронные уроки физики Кирилла и Мефодия для 8 класса). Менялась ли температура в течение всего процесса отвердевания?

– Температура в процессе отвердевания не менялась.

– Запомним, что в процессе плавления и отвердевания температура вещества не меняется. Почему это происходит, мы рассмотрим на следующем уроке.

– Для того чтобы начался процесс плавления, тело должно иметь определенную температуру. Как её называют?

Температуру, при которой вещество плавится, называют его температурой плавления.

– Правильно! Значит, температура плавления – это температура, выше которой вещество в твердом состоянии находиться не может. Найдите в таблице температур плавления температуру плавления льда.

– Она равна 0 о С.

– А при какой температуре отвердевает вода?

– Вода отвердевает тоже при 0 о С.

– Правильно. Значит, вещества отвердевают при той же температуре, при которой они плавятся.
С помощью графика (слайд 5) рассмотрим процесс перехода льда из твердого состояния в жидкое (Перышкин А.В., стр.33).
Наблюдение за процессом началось с того момента, когда температура льда была –20 о С. При дальнейшем нагревании температура льда росла до тех пор, пока не достигла 0 о С. В этот момент лед начал плавиться, а его температура перестала расти. В течение всего времени плавления температура льда не менялась, хотя ему продолжали сообщать энергию.
При достижении 20 о С веществу перестали сообщать энергию: вода стала охлаждаться, и при 0 о С начался процесс кристаллизации воды. В течение всего времени отвердевания температура вещества снова не менялась. Также из графика видно, что температура плавления равна температуре кристаллизации.

3. Закрепление

1. На графике (слайд 6) показано, как со временем изменяется температура при нагревании и охлаждении свинца. Какому состоянию соответствует каждый из участков графика?

АВ, ВС – твердое состояние, CD – плавление,
DE, EF – жидкое состояние, FG – кристаллизация, GH – твердое состояние.

2. В эксперименте отдельно нагревали до 1000 о С алюминий, железо, медь, цинк, сталь, серебро и золото (слайд 7, 8). В каком состоянии – жидком или твердом – находились эти металлы при указанной температуре?

3. На рисунках (слайд 2) показана вода в трех различных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

– Как называют эти состояния?

– Их называют агрегатными состояниями.

– Может ли вещество переходить из одного состояния в другое?
Да. Передавая молекулам твердого тела энергию, можно перевести вещество из твердого состояния в жидкое, а из жидкого – в газ. Отнимая энергию у молекул газа, можно получить жидкость, а из неё – твердое тело.

4. – Начинаем нагревать лед, взятый при температуре – 10 о С. Что происходит с температурой?

– Температура льда будет увеличиваться.

– Температура льда достигла 0 о С. Лед начинает плавиться. Что происходит с его температурой?

– Температура перестает меняться до конца всего процесса плавления.

– Лед полностью превратился в воду. Процесс нагревания продолжается. Меняется ли температура? Каким образом?

– Температура уже воды снова увеличивается?

5. Меняется ли температура вещества в процессе кристаллизации?