Фазовые переходы и скрытая теплота

Урок объясняет, почему при кипении температура не растёт, и считает скрытую теплоту.

Скрытая (удельная) теплота перехода $L$ — энергия, нужная для превращения килограмма вещества из одной фазы в другую при постоянной температуре: $Q = mL$.

Нагревая воду, мы видим рост температуры — пока она не закипит. Тогда термометр замирает на 100 °C, хотя огонь продолжает греть. Вся подводимая теплота идёт не на нагрев, а на разрыв межмолекулярных связей — это и есть скрытая теплота парообразования.

Формула фазового перехода

Теплота, поглощаемая при плавлении или испарении:

$$Q = m\,L$$

Для воды удельная теплота плавления $L_{\text{пл}} = 3{,}34\cdot10^5\,\text{Дж/кг}$, парообразования $L_{\text{пар}} = 2{,}26\cdot10^6\,\text{Дж/кг}$. Испарение требует почти в семь раз больше энергии, чем плавление того же количества льда.

Полный нагрев с кипением

Чтобы довести воду от $20\,°\text{C}$ до пара, складываем две части: нагрев $mc\Delta T$ и испарение $mL$.

m = 0.1           # кг воды
c = 4186.0        # Дж/(кг*К)
L = 2.26e6        # Дж/кг (парообразование)
Q_heat = m * c * (100 - 20)
Q_vap = m * L
print("Нагрев 20->100 C: Q =", round(Q_heat, 1), "Дж")
print("Испарение при 100 C: Q =", round(Q_vap, 1), "Дж")
print("Всего: Q =", round(Q_heat + Q_vap, 1), "Дж")

Вывод:

Нагрев 20->100 C: Q = 33488.0 Дж
Испарение при 100 C: Q = 226000.0 Дж
Всего: Q = 259488.0 Дж

На испарение уходит почти в семь раз больше энергии, чем на весь предшествующий нагрев. Поэтому вода так хорошо охлаждает: испаряясь с кожи, она уносит огромную теплоту.

Как работает под капотом

На фазовом переходе подведённая теплота не повышает кинетическую энергию (температуру), а тратится на потенциальную — разрыв связей между молекулами. Поэтому температура стоит на месте, пока всё вещество не сменит фазу. На графике «теплота-температура» это горизонтальные «полки» при $0\,°\text{C}$ и $100\,°\text{C}$.

Частые ошибки

Забывать про скрытую теплоту и считать только $mc\Delta T$ — недооценка энергии в разы.
Думать, что при кипении температура растёт; она постоянна до полного испарения.
Путать теплоту плавления и парообразования — у воды они отличаются почти в 7 раз.

Итог

$Q = mL$ — теплота фазового перехода при постоянной температуре.
Испарение воды требует $2{,}26\cdot10^6\,\text{Дж/кг}$ — в разы больше нагрева.
На переходе теплота идёт на разрыв связей, а не на нагрев.