Энергия изменения состояния

Энергия изменения состояния

"Пар" означает то же самое, что и "газ". Люди часто используют слово "пар" чтобы подчеркнуть, что газ возник из жидкости или содержит взвешенные капельки жидкости (туман или густой туман).

Четко определяемое плато наблюдается только в чистой воде; в пище, замерзание и кипение происходит в широком диапазоне температур, благодаря наличию жиров, растворенных веществ и других компонентов.

Из-за своих аномальных свойств вода является единственным химическим соединением на Земле, которое есть в окружающей среде во всех трех состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. Состояния воды, также называемые фазами, так хорошо знакомы нам, что у нас есть конкретное название для каждого: "лед" (твердая вода), "вода" (жидкая вода), и водяной пар, который мы называем "паром", когда он горячий.

Лед, вода и пар по-разному реагируют на тепло, то есть они имеют различные термодинамические свойства. Когда вещество переходит из одной формы в другую, его молекулы поглощают или выделяют тепло, которое может либо охладить, либо нагреть еду, находящуюся рядом. Пар, например, нагревает пищу двумя различными способами: не только воздействуя непосредственно высокой температурой, а также путем передачи некоторого количества тепла, которое возникает, когда пар конденсируется в жидкость на поверхности продукта.

Лед аналогично охлаждает еду – так как он холодный и поглощает тепло, переходя из твердого состояния в жидкое. Количество тепла, поступаемое в лед, когда он тает, должно...

паемое в лед, когда он тает, должно быть равным количеству тепла, выходящему из воды, когда она замерзает. Возможно, вы заметили, что воздух оказывается теплее, когда идет снег.

Так что эта скрытая теплота возникает, когда вода (или, если на то пошло, любое другое вещество) меняет форму, переходя из одного состояния в другое, и что более странно, тепло не меняет температуру самой воды, а лишь нагревает или охлаждает окружающую среду. Таким образом тепло, о котором мы говорим здесь, качественно отличается от знакомого нам физического тепла, которое можно измерить на ощупь и термометром. Как же разобраться в этом?

Все вещества обладают внутренней энергией, которая является потенциальной энергией, присущей всем молекулярным связям и движениям этого вещества. Всякий раз, когда вода претерпевает фазовый переход, она либо тратит внутреннюю энергию, либо заимствует ее из окружающей среды для того, чтобы переставить молекулы в новое состояние вещества.

Энергия при этом не так уж и скрыта, как гласит название: она всегда присутствует, только в форме, которую не так легко осознать.

Когда скрытая энергия выделяется или поглощается, это не меняет температуру воды – вся энергия идет на выполнении перехода из одного состояния в другое. Например, когда чистая вода кипит и превращается в пар, кипящая вода остается при температуре 100 °C / 212 °F, независимо от того, сколько внешнего тепла поступает снаружи. (Предупреждение: как только вся вода перейдет в пар, он может стремительно стать горячее).

Как вода нагревается

При нагревании воды ее температура повышается, при охлаждении температура падает – просто, не так ли? К сожалению, нет. На самом деле, одним из самых больших источников разочарования поваров является нелогичное поведение воды, когда она тает и кипит, конденсируется и замерзает.

Когда вы подводите тепло к килограмму льда, он постепенно согревается и затем достигает точки плавления . Энергия продолжает поступать, но температура не будет расти до тех пор, пока весь лед не растает. Еще одно температурное плато соответствует точке кипения, и температура воды остается постоянной, пока каждая капля не превратится в пар. Модель применима и в обратном направлении: пар конденсируется и вода замерзает.

Обратите внимание, что именно количество тепловой энергии, а не сила, температура или скорость передачи энергии имеет значение. Вы можете удвоить мощности нагрева, чтобы ускорить процесс, но фазовые переходы произойдут при тех же температурах.

Скрытую теплоту трудно измерить. Существует величина, называемая энтальпией или теплосодержанием, она связана со скрытой теплотой, но измерить ее непосредственно датчиком в процессе приготовления пищи не получится.

Однако мы можем измерить большое количество энергии, которое необходимо затратить или высвободить, чтобы вода кипела, таяла, конденсировалась или замораживалась. Это тепло представляет собой изменение энтальпии и эта величина почти всегда очень близка к изменению внутренней энергии воды.

Например, на каждый килограмм воды, который вы положите в лоток для кубиков льда, морозильной камере будет необходимо высвободить 334 000 Дж энергии, чтобы перевести воду из жидкого состояния в лед. Столько энергии содержится примерно в килограмме батареек АА. Это теплота плавления, и это же самое количество скрытой теплоты, килограмм кубиков льда поглощает, когда он плавится. Этиловый спирт замерзает при меньших энергетических затратах, ему необходимо всего 109 000 Дж / кг.

Когда вы кипятите один килограмм воды, превращая его в пар, конфорке надо сначала нагреть воду до температуры кипения, что потребует не менее 419 000 Дж, если вначале вода ледяная. Но, как только вода достигает 100 °C / 212 °F, конфорка должна добавить, по крайней мере 2 260 000 Дж энергии, чтобы вода испарилась: это теплота парообразования. Другими словами, необходимо в пять раз больше энергии, чтобы вскипятить кастрюлю с горячей водой, чем просто нагреть ее!

Другие состояния материи, которые известны науке: ионизированный газ, известный как плазма, находящийся в атмосфере Солнца, сверхплотная материя в нейтронных звездах, разреженный объект, называемый конденсатом Бозе-Эйнштейна, который образуется при температурах, близких к абсолютному нулю. Ни одно из них, скорее всего, не окажется на вашей тарелке.

Еще статьи