2. Изменение состояния

Влияние температуры

Возьмите лед и поместите в него термометр: он покажет температуру ниже 0 °C. Нагрейте лед. Вы увидите повышение температуры до 0 °C. С этого момента, сколько бы вы ни нагревали, температура не изменится ни на градус; зато вы увидите, как лед начнет таять и превратится в смесь льда и воды. Температура останется 0 °C до тех пор, пока в смеси будет хоть кусочек льда. Как только весь лед исчезнет, температура начнет подниматься.

Аналогично, когда вы вскипятите воду, температура будет держаться на отметке 100 °C. Если вы сильнее нагреете кастрюлю, вода будет испаряться, но температура выше 100 °C не поднимется.

Переход жидкости в газ

Чтобы понять эти опыты, начнем с аналогии крупного масштаба. Подбросим предмет вверх на высокой скорости. Он затормозит под действием гравитации, достигнет максимальной высоты, а потом упадет на землю. Однако если предмет подбросить достаточно быстро, он может достичь высоты, где преодолеет земное притяжение (за несколько тысяч километров от Земли…). В этом случае предмет не упадет на Землю, а продолжит свой путь в космическом пространстве.

Чтобы это произошло, объект должен обладать скоростью 11 км/с. Это называется скоростью освобождения: она необходима для преодоления земного притяжения.

Следует заметить, что общая энергия объекта при этом сохранилась: он потерял кинетическую энергию (поскольку земное притяжение заставило его затормозить), но взамен приобрел потенциальную энергию (он набрал высоту). Скорость 11 км/с едва позволяет предмету преодолеть земное притяжение. Ему удается вырваться, но финальная скорость будет равна нулю. В этом крайнем случае его изначальная кинетическая энергия целиком превращается в потенциальную.

То же самое происходит при движении одной молекулы относительно другой в жидкости: так же как гравитация Земли, электростатическая сила между двумя молекулами является притягивающей. То есть молекуле достаточно придать минимальную кинетическую энергию, чтобы она могла отлететь на большое расстояние.

Между тем температура точно показывает среднюю кинетическую энергию молекул. При определенной температуре молекулы достигают «второй космической скорости» и отдаляются друг от друга на большое расстояние: жидкость становится газом.

Проблема в том, что, удаляясь до бесконечности, молекулы потеряли начальную кинетическую энергию, которая превратилась в потенциальную. Так, когда мы нагреваем воду до 100 °C, энергия, которую мы придаем молекулам, в конце является не кинетической, а потенциальной. Иными словами, температура не повысилась. Все, что мы делаем при нагревании, – придаем «энергию освобождения» все большему количеству молекул: мало-помалу все большая порция жидкости превращается в газ, а температура не меняется.

Когда жидкость полностью исчезает, энергия, выработанная при нагреве, остается кинетической и способствует повышению температуры. Становится понятной устойчивость температуры при каждом изменении состояния.

Переход твердого тела в жидкость

А как обстоит дело с переходом твердого вещества в жидкость? В этом случае нет необходимости придавать молекулам «энергию освобождения».

Перейдем к крупномасштабной аналогии: предположим на этот раз, что мы хотим забросить предмет с Земли на Луну. Луна находится «недалеко» от Земли, и нет необходимости придавать предмету скорость освобождения, чтобы ее достичь, – достаточно чуть меньшей скорости. То есть чтобы перейти от одного тела к другому, достаточно более слабой энергии, чем для полета в бесконечность.

Так и в твердом теле молекулы не очень удалены друг от друга, поэтому достаточно придать молекуле умеренную кинетическую энергию, чтобы она покинула свою соседку и примкнула к другой ближайшей молекуле. С этой энергией молекула не сможет отправиться в бесконечность, но теперь она может переходить от молекулы к молекуле. Другими словами, перед нами окажется жидкость.

Здесь тоже температура играет важную роль, потому что точно показывает среднюю кинетическую энергию молекул. При температуре ниже 0 °C у молекул воды недостаточно энергии, чтобы переходить от одной к другой, и перед нами оказывается твердое тело. Если температура выше 0 °C, молекулы скользят свободно, и мы видим перед собой жидкость.

В момент перехода от твердого тела к жидкости энергия, вызванная теплотой, в конечном итоге служит для передачи молекулам потенциальной энергии, то есть она не повышает температуру. Вот почему температура не меняется до тех пор, пока все вещество не превратится в жидкость.

Влияние давления

В предыдущем случае мы рассматривали одну молекулу, которая стремится освободиться от притяжения своей соседки. Но в реальности все немного сложнее, поскольку одна молекула взаимодействует с бесчисленным множеством других молекул, которые перемещаются в самых разных направлениях.

Переход из жидкости в газ

Рассмотрим пример капли воды в моменте ее перехода в газообразное состояние. При этом капля значительно увеличится в объеме, так как газ занимает больше места, чем жидкость. Проблема в том, что место уже занято другими молекулами (например, воздуха): вода переходит в газообразное состояние, а значит, должна «расчистить себе пространство», расталкивая уже имеющиеся молекулы воздуха. Воздух оказывает на воду давление, и эта сила препятствует увеличению объема воды. Другими словами, воздух оказывает «работу сопротивления» на воду, которая переходит из одного состояния в другое.

А где работа, там и обмен энергией! В данном случае вода тратит энергию (ее расширению препятствует воздух) из-за работы силы сопротивления. Таким образом, для перехода из одного состояния в другое воде необходимо придать дополнительной энергии, чтобы преодолеть сопротивление воздуха во время расширения.

Сделаем вывод:

• с одной стороны, воде необходима дополнительная энергия, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул;

• с другой стороны, ей нужна энергия, чтобы оттолкнуть окружающий воздух, поскольку она начинает занимать больше места.

Чем больше давление воздуха, тем больше работа сопротивления, которую он оказывает, и тем больше должна быть кинетическая энергия молекул воды, чтобы перейти в газообразное состояние. Так, при повышенном давлении смена состояния воды происходит при более высокой температуре.

Например, вода кипит при 100 °C, если давление больше 1 бар. Таков принцип действия скороварки: увеличивая давление, она придает воде температуру выше 100 °C, что ускоряет приготовление пищи.

И наоборот, высоко в горах нелегко приготовить пищу из-за низкого давления: на вершине Монблана вода кипит при температуре 85 °C, и макароны варятся гораздо дольше, чем при температуре 100 °C.

Так, если мы хотим испарить воду температурой 20 °C, мы можем поступить двумя разными способами:

• либо повысить температуру воды до 100 °C;

• либо снизить давление до 23 микробар, чтобы температура кипения воды стала 20 °C.

Переход твердого тела в жидкость и жидкости в газ

А как обстоит дело с переходом твердого тела в жидкость? Феномен, описанный выше, в этом случае влияет мало, потому что разница в объеме твердого и жидкого вещества невелика (оба состояния компактны). То есть давление не играет большой роли в температуре плавления твердого тела: лед тает при 0 °C независимо от давления.

Однако здесь кроется кое-что интересное. Температура кипения воды понижается, когда понижается давление. А что происходит, когда эта температура кипения становится ниже 0 °C (при очень низком давлении)? Это значит, что лед «кипит», прежде чем растаять… Другими словами, вода переходит от твердого состояния сразу к газообразному, минуя жидкое (это явление называется «сублимацией»). При очень низком давлении невозможно обнаружить воду в жидком состоянии (➙ рис. 10.4).

Граница давления, после которой вода может существовать в жидком состоянии, 6 микробар, то есть в 167 раз меньше атмосферного давления. Именно поэтому мы не знакомы с явлением прямого перехода воды из твердого состояния в газообразное. Но на Марсе давление составляет чуть ниже 6 микробар, и наличие жидкой воды там невозможно.

Во время смены марсианских сезонов летом лед переходит в пар, а зимой обратно в твердое состояние.

Рис. 10.4 – График «Давление – температура воды»