головна сторінка головна сторінка головна сторінка головна сторінка

Стану речовини

Наука и техника
 
ru - ua - en - fr - by - de - es

Замерзання (затвердіння) - це перехід рідкого або розплавленої речовини у твердий стан. Кипіння це перехід рідини в газоподібний стан або пару. Це стосується всіх речовин, а не тільки води

Розплавлений чавун затвердевает, або застигає, при температурі близько 1535°З, а його стан при більш низьких температурах правильно називають застиглим. Тому термін "застывание" не обов'язково пов'язаний з поняттям "холод".

Крапки замерзання (затвердіння) і кипіння речовини залежать від тиску. Навіть коли мова йде про воду, терміни "замерзання" і "кипіння" не завжди вживаються у своєму звичайнім значенні. Наприклад, вода закипить при кімнатній температурі, якщо різко знизити тиск повітря. Тому "киплячий" не завжди означає "гарячий".

Навіть при нормальному тиску повітря багато речовин киплять при дуже низьких температурах. Їх ми звичайно називаємо газами. Так, повітря полягає в основному із двох газів - азоту й кисню. Їхній звичайний газоподібний стан пояснюється тим, що вони закипають при температурах набагато нижче нуля: -196°З (азот) і -183°З (кисень). Тому навіть у самих холодних куточках Землі температура вище їх крапок кипіння, і, отже, вони залишаються газами


Стану речовини

Щоб зрозуміти, що таке затвердіння й кипіння, потрібно знати, чому речовини ухвалюють форму твердого тіла, рідини або газу. Ці форми відомі як стани речовини. У цілому, при постійній температурі розміри й форма твердого тіла не змінюються. Рідина, розтікаючись, міняє форму, але її обсяг залишається незмінним. А в газу постійними не є ні обсяг, ні форма. Газ розширюється або стискується, щоб заповнити обсяг або форму займаного имсосуда.

Майже вся матерія складається з атомів, які групуються в молекули. Молекули перебувають у постійному русі, і саме енергія їх руху (кінетична енергія) визначає стан речовини - тверде, рідке або газоподібне. У твердім тілі в молекул мало кінетичної енергії, вони коливаються навколо фіксованих крапок. Тому тверде тіло зберігає свою форму. Молекули рідини мають достатню енергію, щоб подолати силу взаємного притягання. Вони можуть переміщатися й, таким чином, змінювати форму рідини. Молекули газу мають велику кінетичну енергію й практично вільні у своєму русі


Перехід рідина - газ

Перехід рідина - газНе всі молекули рідини рухаються з однаковою швидкістю. Деякі з них рухаються так швидко, що здатні проникнути через поверхню в повітря й перетворитися в газ, або пара. Якщо, наприклад, ви залишите відкриту склянку з водою в теплім приміщенні на кілька днів, рівень води буде поступово знижуватися, поки склянка повністю не спорожніє. Цей процес випару, що відбувається на поверхні рідини, не потрібно плутати з кипінням, при якім перетворення в пару відбувається у всій масі рідини. Оскільки стан речовини залежить від інтенсивності руху його молекул, воно може мінятися при зміні кінетичної енергії молекул. Ми, часто змінюємо стан речовини, піддаючи його впливу тепла (однієї з форм енергії). Коли, наприклад, ми кип'ятимо воду; вона перетворюється в газ - пар, - тому що тепло змушує всі молекули рухатися настільки швидко, що сили їх взаємного притягання вже недостатньо, щоб утримувати їх разом. У підсумку молекули улетучиваются у вигляді пари, вода "кипить". Звичайно це відбувається при температурі 100°З.


Перехід газ - рідина

Пара знову перетворюється у воду при певній втраті тепла. Це явище можна спостерігати при тривалім кипінні води в чайнику. Холодні поверхні в приміщенні покриваються вологою, тому що частина пари, що утворювалася, віддає їм тепло при контакті. У результаті молекули пари сповільнюють рух, і він перетворюється у воду. Говорять, що пара конденсувалася в рідкий стан, а явище називають "конденсацією".

Ми помилково вважаємо пором білі клуби в носика чайника, але справжня пара не можна побачити. Видимі клуби складаються з малюсіньких крапельок води, що утворюються при конденсації пари, коли на виході із чайника він зустрічається з відносно холодним навколишнім повітрям.


Перехід рідина - тверда речовина

Можна змусити рідину перейти у твердий стан, забравши в неї тепло. Для цього досить помістити її в більш холодне середовище. При втраті тепла молекули рідини сповільнюють свій рух і, зрештою, уже не можуть переміщатися, а просто коливаються навколо фіксованих крапок. З настанням цієї фази рідина твердне, тобто перетворюється у тверду речовину. Наприклад, вода замерзає при температурі 0°З.

Більшість речовин кристалізуються при переході з рідкого стану у тверде. Так, Nacl (поварена сіль) утворює кристали кубічної форми

Нагріваючись, тверді речовини можуть знову перейти в рідкий стан, тому що при цьому збільшується швидкість руху їх молекул

При нагріванні твердої речовини з метою перетворень у рідину його температура росте за рахунок поглинання тепла. Але, досягшись крапки плавлення, температура речовини залишається постійної, хоча процес поглинання тепла триває. Тепло, використовуване для перетворення твердої речовини в рідину, не збільшується після досягнення крапки плавлення й називається схованою теплотою плавлення. Лише після того, як уся тверда речовина перейде в рідкий стан, його температура знову починає рости


Паротворення

Якщо продовжувати нагрівати рідина, її температура буде рости до досягнення крапки кипіння, після чого залишається незмінної, тому що перетворення рідини в газ вимагає великої кількості тепла. Тепло, використовуване для переходу рідини в газоподібний стан, називається теплотою паротворення. Як тільки вся речовина перетвориться в пару, його температура буде знову рости

При охолодженні газу його температура спочатку падає. Потім, після досягнення крапки кипіння речовини, газ віддає свою теплоту паротворення й переходить у рідкий стан при тій же температурі. Тільки коли весь газ перетвориться в рідину, температура речовини починає падати

При подальшім охолодженні температура знижується до крапки замерзання рідини, після чого вона віддає свою сховану теплоту плавлення й переходить у твердий стан при тій же температурі. Коли твердне вся рідина, температура речовини знову починає падати


Тиск

Хоча вважається, що вода замерзає при 0°З, а закипає при 100°З, це вірно лише в умовах нормального атмосферного тиску. Зі зміною тиску міняється й температура переходу речовини з одного агрегатного стану в інше. Наприклад, при підвищенні тиску зменшується температура танення льоду або замерзання води. От чому так легко сковзати на ковзанах по льоду ковзанки або замерзлого озера. Вага тіла людину через вузькі леза ковзанів з величезною силою давить на лід. У результаті знижується крапка танення льоду, а його температура стає недостатньо низкою, щоб він залишався у твердому стані, і лід під ковзанами миттєво перетворюється у воду. Коли припиняється тиск на воду, вона знову швидко перетворюється влед.

Зі зміною тиску також міняється й температура кипіння води. Наприклад, при низькому тиску молекулам легше улетучиваться в повітря, і вода закипає при температурі нижче звичайної

Іноді альпіністи скаржаться, що не можуть заварити гарний чай високо в горах. Це відбувається тому, що чим вище ви піднімаєтеся в гори, тем менше товщина шару повітря над вами. При цьому тиск падає, і вода закипає при температурі, занадто низкою для витягу всіх смакових речовин з листів чаю. Подальше нагрівання прискорить процес кипіння, але не підвищить температуру води

Зворотний ефект спостерігається при кип'ятінні води в скороварці. Пара, що утворюється при кипінні води, не має виходів із цієї герметичної посудини, і тиск усередині нього збільшується. При цьому температура кипіння води підвищується, і вода залишається в рідкому стані, поки не нагріється до температури вище її звичайної крапки кипіння

Принцип впливу тиску на рідині й гази використовується в холодильниках. У деяких з них рідина з низькою температурою кипіння спочатку перетворюється в пару за рахунок зменшення тиску. Це відбувається в трубах, що проходять через морозильну камеру. Перетворюючись у пару, холодоагент поглинає сховане тепло внутрішньої частини холодильника і його вмісту, тим самим, прохолоджуючи їх. Потім пара стискується й перетворюється назад у рідину. При цьому холодоагент віддає своє сховане тепло, виведене назовні через трубки, розташовані на задній стінці холодильника


Домішки

Іноді для визначення невідомих продуктів хімічних реакцій і досвідів використовуються їхні крапки замерзання й кипіння. Але такий метод застосуємо тільки для чистих речовин, тому що присутність домішок знижує температуру замерзання й підвищує температуру кипіння. Так, додавання повареної солі до води знижує крапку її замерзання. От чому взимку дороги посипають сіллю. Солона вода замерзає при температурі -8°С и нижче, тому поки температура не впаде як мінімум до цієї крапки, замерзання не відбувається

Льодосоляна суміш часом застосовується в якості "охолодної суміші" для низькотемпературних досвідів. Коли лід тане, він поглинає сховане тепло, необхідне для перетворення, з навколишнього його середовища, тим самим, прохолоджуючи її. При цьому поглинається стільки тепла, що температура може впасти нижче -15°З.


Чому лід плаває

Чому лід плаваєБільшість речовин розширюються при нагріванні й стискуються при охолодженні. Наприклад, ртуть у градуснику піднімається по вузькій трубці й показує підвищення температури. Оскільки ртуть замерзає при -39°З, вона не годиться для термометрів, використовуваних у суворі температурні умовах

Вода також розширюється при нагріванні й стискується при охолодженні. Однак у діапазоні охолодження від приблизно 4°З до 0°З вона розширюється. Узимку можуть лопнути водопровідні труби, якщо вода в них змерзнула, і утворювалися більші маси льоду. Тиску льоду на стінки труби буває досить для них розриву


Розширення води

Тому що вода розширюється при охолодженні, щільність льоду ( твердої форми води) менше, чим у води в рідкому стані. Інакше кажучи, даний обсяг льоду важить менше, чим той же обсяг води. Тому лід формується на поверхні ставків і озер

У районі Північного й Південного полюсів Землі вода замерзає й утворює айсберги. Деякі із цих плаваючих крижаних гір мають значні розміри. В 1956 р. у південній частині Тихого океану був виявлений найбільший з відомих людині айсбергів. Площа його поверхні перевищувала 31 000 км2.

Rambler's Top100