Урок №5 (08.02.2006)
Агрегатные состояния вещества. Теплоемкость.

1.                  Повторение: теплота, температура и внутренняя энергия.

Толковый физический словарь так определяет теплоту и температуру:

Теплота – это энергия, полученная или переданная телом в форме беспорядочного движения образующих тело микрочастиц путем теплообмена или при каком-либо процессе, происходящем в самом теле.

Кстати, теплообмен – это совокупность микроскопических процессов, связанных с хаотическим движением микрочастиц, приводящих к передаче энергии от одного тела к другому без производства макроскопической работы.

Теплообмен может происходить либо в результате конвекции, либо через излучение.

Температура – это физическая величина, характеризующая состояние равновесия термодинамической системы и пропорциональная средней кинетической энергии хаотического движения частиц, составляющих систему.

Важное замечание: не забывайте во всех случаях, где это требуется, говорить о беспорядочном или хаотическом движении, т.е. о движении вокруг общего центра масс. Так, например, температура тела не поднимается, если тело разогнать в вакууме.

Внутренняя энергия – полная энергия всех молекул тела.

Направление передачи теплоты зависит только от температуры, а установившаяся в результате теплообмена температура – от внутренней энергии.

2.                  Агрегатные состояния вещества и удельная теплота перехода.

Рис. 1 Качественный график зависимости температуры тела от количества подведенного тепла.

Если взять твердое тело и постепенно подводить к нему тепло, то график зависимости температуры тела от количества подведенного тепла выглядит примерно так, как показано на рисунке.

Обозначим энергию взаимодействия молекул между собой через . С точки зрения молекулярной теории строения вещества, агрегатное состояние вещества определяется отношением потенциальной энергии взаимодействия молекул и средней кинетической энергии хаотического движения молекул . Вспомним также, что средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул  пропорциональна температуре тела . Т.е. величина  пропорциональна отношению . При этом:

	твердое тело
	жидкость
	газ

При низкой температуре молекулы большинства тел упорядочены в кристаллической решетке (твердое тело). При поступлении теплоты кинетическая энергия молекул тела растет и в конце концов разрывает жесткие связи. Молекулы начинают “плавать” друг по другу, не имея при этом возможности улететь совсем (жидкость). При дальнейшем подводе тепла молекулы получают достаточную кинетическую энергию для перехода к независимому движению – вещество переходит в парообразную фазу.

Если вещество нагревать дальше, то в конце концов сначала многоатомные молекулы распадаются на атомы (атомарный газ), а затем на более мелкие составляющие материи – электроны, ионы, ядра и т.д. Такое состояние вещества называют плазмой.

Если при охлаждении молекулы “останавливаются” до того, как они успевают образовать кристаллическую решетку, то вещество принимает псевдо-жесткое состояние – тело имеет некоторые свойства твердых тел и некоторые свойства жидкостей. Такое состояние вещества называется аморфным.

3.                  Удельная теплота плавления, парообразования и горения.

Для перевода вещества из одного агрегатного состояния в другое требуется определенное количество энергии, пропорциональное его массе. Соответствующие коэффициенты пропорциональности называются удельной теплотой плавления (l) и парообразования (L) соответственно. Так для перевода массы  вещества из твердого состояния в жидкое требуется подвод теплоты . В процессе плавления выделяется та же теплота. Аналогично для испарения массы воды  требуется подвод теплоты ; она же выделяется при конденсации пара. Коэффициенты L и l зависят от типа вещества и внешних условий (например от давления).

По рис. 1 видно, что при переходе из одного агрегатного состояния в другое, вся подводимая энергия тратится на изменение расположения молекул в веществе, температура при этом остается постоянной.

По аналогии с коэффициентами L и l вводят удельную теплоту сгорания топлива (q), равную количеству теплоты, выделяющемуся при сгорании 1 кг топлива.

4.                  Теплоемкость.

Вопрос: сколько энергии надо передать телу (т.е. какое количество теплоты), для того, чтобы нагреть тело на один градус? – Т.к. температура отражает среднюю кинетическую энергию молекул, то очевидно, что количество энергии должно быть пропорционально массе вещества.

А какова зависимость количества теплоты от количества градусов, на которое надо нагреть тело? – Тоже, очевидно, прямая, до тех пор, пока не меняется структура вещества.

Определим теплоемкость как отношение количества теплоты, которое необходимо передать телу, к температуре, на которую при этом нагревается тело: . При этом величину  называют удельной теплоемкостью, а теплоемкость одного моля вещества – молярной теплоемкостью.

От чего зависит теплоемкость? – От того как тело переходит из одного состояния в другое. Например изобарическое нагревание газа потребует явно больше энергии, чем изохорическое – почему?

Для твердых и жидких веществ теплоемкость меняется от давления слабо. Если не оговорено особо, то для них в расчетах используется теплоемкость при постоянном давлении.

Характерные теплоемкости (Дж/кг·^°C):

Серебро	230
Сталь	450
Древесина	1700
Лед	2100
Вода	4200