Переход воды из жидкого

Фазовые переходы

Известно, что при изменении внешних условий — температуры или давления — вещество может изменять своё агрегатное состояние (переходить из газообразной формы в жидкую, из жидкой в твёрдую, либо из газообразной в твёрдую, и обратно). Однако, как показывает опыт, возможен и другой тип превращения вещества. Вещество при изменении внешних условий может изменять какие-либо свои свойства, оставаясь при этом в прежнем агрегатном состоянии. Такие изменения свойств вещества называют фазовыми переходами, и говорят, что вещество перешло из одной фазы в другую. Любое изменение агрегатного состояния, естественно, является фазовым переходом. Обратное утверждение неверно. Таким образом, фазовый переход — более широкое понятие, чем изменение агрегатного состояния.

Различают два основных типа фазовых переходов. Их так и называют — фазовый переход первого рода и фазовый переход второго рода. При фазовом переходе первого рода скачком изменяются плотность вещества и его внутренняя энергия (при этом другие характеристики также могут меняться). Последнее означает, что при фазовом переходе первого рода выделяется или поглощается теплота. Примерами фазового перехода первого рода как раз могут служить упомянутые выше изменения агрегатного состояния вещества. Например, при превращении воды в лёд плотность вещества уменьшается (вещество расширяется) и выделяется теплота замерзания (равная по модулю теплоте плавления, поглощающейся при обратном фазовом переходе). При этом уменьшается удельная теплоёмкость вещества.

При фазовом переходе второго рода плотность вещества и его внутренняя энергия остаются неизменными, поэтому такие переходы могут быть внешне незаметными. Зато скачкообразно изменяются удельная теплоёмкость вещества, его коэффициент теплового расширения и некоторые другие характеристики. Примерами фазовых переходов второго рода могут служить переход металлов и сплавов из обычного состояния в сверхпроводящее, а также переход твёрдых веществ из аморфного состояния в стеклообразное.

Интересные примеры фазовых переходов первого рода наблюдаются у некоторых металлов. Например, если нагревать железо, то при достижении температуры +917 °C происходит перестройка его кристаллической решетки, в результате чего наблюдается увеличение плотности вещества и поглощается теплота фазового перехода. Этот фазовый переход обратим — при понижении температуры обратно до +917 °C плотность железа, наоборот, уменьшается, и происходит выделение теплоты фазового перехода.

Фазовые переходы могут быть и необратимыми. Ярким примером такого перехода может служить превращение так называемого «белого олова» в так называемое «серое олово». При комнатной температуре белое олово является пластичным металлом. При понижении температуры до примерно +13 °C оно начинает медленно переходить в другое фазовое состояние — серое олово — в котором олово существует в виде порошка. Фазовый переход происходит с очень малой скоростью (то есть после понижения температуры ниже точки фазового перехода олово всё ещё остаётся белым, но это состояние нестабильно). Однако фазовый переход резко ускоряется при понижении температуры до –33 °C, а также при контакте серого олова с белым оловом. Поскольку при данном фазовом переходе происходит резкое уменьшение плотности (и увеличение объёма), то оловянные предметы рассыпаются в порошок, причём попадание этого порошка на «не пораженные» предметы приводит к их быстрой порче (предметы как бы «заражаются»). Вернуть серое олово в исходное состояние возможно только путём его переплавки.

Описанное явление получило название «оловянная чума». Оно явилось основной причиной гибели экспедиции Р.Ф. Скотта к Южному полюсу в 1912 г. (экспедиция осталась без топлива — оно вытекло из баков, запаянных оловом, которое поразила «оловянная чума»). Также существует легенда, согласно которой одной из причин неудачи армии Наполеона в России явились сильные зимние морозы, которые превратили в порошок оловянные пуговицы на мундирах солдат. «Оловянная чума» погубила многие ценнейшие коллекции оловянных солдатиков. Например, в запасниках петербургского музея Александра Суворова превратились в труху десятки фигурок — в подвале, где они хранились, во время суровой зимы лопнули батареи отопления.

>Переход воды из жидкого состояния в газообразное называется

Процесс превращения воды из жидкого состояния в газообразное называется испарением.

Смотреть документальный видео фильм «Вода из газообразного состояния в жидкое»

Очень важный вопрос, который до сих пор не могут решить ученые: в каком состоянии находилась вода на планете в период формирования ее поверхности? Ведь высокая температура вряд ли позволила бы влаге иметь жидкую форму, а раскаленные пары смешались бы с многочисленными молекулами других газов. Вообще, из газообразного состояния вода начала бы тогда переходить с постепенным уменьшением общей температуры на поверхности планеты, однако столь большой промежуток времени и отсутствие доказательств изменения режима температуры из-за катаклизмов не дают четкой картины относительно этого процесса.

Поэтому теперь, с одной стороны, остается только догадываться на основе косвенных доказательств о том, что же было много миллиардов лет назад, но состояния воды, если она вообще была на планете, все равно могли формироваться. Поэтому и фазы перехода были теми же самыми, что и сейчас.

Вообще, из газообразного состояния вода превращается в жидкое примерно с той же частотой, что и в кристаллическое. Как объяснить это? Только тем, что водяной пар существует и в холодных областях планеты, и в теплых. Поэтому нет никакого секрета в том, что когда вода образуется из пара – это конденсация, а вот процесс кристаллизации все равно остается кристаллизацией, независимо от того, в какое состояние переходит пар.

Конденсация с точки зрения физики

Давайте более подробно рассмотрим процесс превращения отдельных молекул воды, которые представляют собой пар, в нормальную жидкость. Условия этого мы уже перечислили, поэтому ни для кого не секрет, что наличие охлажденных поверхностей – это основной фактор. Переход пара в жидкое состояние (поскольку его температура резко падает при соприкосновении молекул с поверхностью) обеспечивается соединением нескольких молекул H2O в единое целое. Как это происходит с точки зрения физики?

Допустим, что имеется насыщенный водой воздух. В нем постоянно движутся согласно теории броуновского движение несколько миллионов молекул, сталкиваются друг с другом и передают друг другу энергию. В том случае, если происходит столкновение с охлажденной поверхностью, то ей передается основная часть энергии и образуется небольшая молекулярная либо электрическая связь. Химических ионных связей не возникает, поэтому на металле, к примеру, остаются капли чистой воды. Рано или поздно некоторое количество молекул столкнется с холодным металлом, поэтому нет никаких сомнений, что определенная масса воды окажется именно водой, а не отдельными молекулами H2O. Температура, при которой появляется влага из пара, называется точкой росы.

Может оказаться и так, что пар перейдет в снег. Здесь принцип абсолютно такой же, но здесь влага на молекулярном уровне собирается вокруг пылинок или мельчайших твердых объектов, замерзает и меняет свою форму. В итоге из нескольких сотен маленьких молекул можно получить приятную снежинку. Как в естественных, так и в искусственных условиях добиться этого не составляет никакого труда. Можно также добавить, что снежинка будет обладать различной формой при различной температуре замерзания, о чем мы уже говорили ранее. Так что обратите внимание на эти свойства, чтобы можно было впоследствии провести опыт самостоятельно.

Применение конденсации

Но мы так и не выяснили, что нам дает конденсация. Оказывается, что в замкнутой системе, например, системе отопления, когда трубы обладают достаточной теплоизоляцией, можно рассчитать полную энергию, которая передается через батареи в квартиры. Идеальный случай, когда все тепло, полученное от сгоревшего газа, было отобрано водой, а вода, набрав энергии, (или просто испарившись), через процесс конденсации нагревает радиаторы. Они же, в свою очередь, греют воздух в квартире путем обычного теплообмена. Как видно, здесь все очень и очень просто.

Легко показать и множество других примеров, когда вода служит не только как основа для системы охлаждения, но и как накопитель энергии. Более того, чтобы вода принимала и отдавала тепло, не нужно разделять ее на отдельные молекулы. Различные состояния H2Oпозволяют проектировать не только отопительные системы, но и многочисленные виды двигателей, основанных на воде. При переходе из одного состояния в другое, энергия либо выделяется, либо принимается – это обычная физика.

Зная элементарные сведения из школьного курса, а также имея на руках таблицы Вукаловича и некоторые другие знания, можно легко проектировать сложные системы с минимальными потерями тепла. Влага дает возможность переносить энергию на большие расстояния – за счет конденсации она отдает ровно столько тепла, сколько требуется. Вот почему процесс этот очень важен в термодинамике.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *