На рисунке 113 приведён график изменения со временем температуры при нагревании и охлаждении воды. Какому состоянию воды соответствуют участки АВ, ВС и СD графика? Объясните, почему участок ВС параллелен оси времени.

рис. 113

Для анализа этого графика важно понимать процессы нагревания, охлаждения и изменения агрегатного состояния вещества. Рассмотрим теоретические основы, необходимые для объяснения всех участков графика:

1. Нагревание воды (участок АВ): На участке АВ графика температура воды увеличивается от 20 °C до 100 °C с течением времени. Это соответствует процессу нагревания воды в её жидком состоянии. При нагревании молекулы воды получают тепловую энергию, которая приводит к увеличению их кинетической энергии, а значит, к росту температуры воды.

Закон теплового баланса описывает это явление: количество теплоты ($Q$), полученной водой, можно выразить через формулу:
$$ Q = cm\Delta t $$
где:
− $c$ — удельная теплоёмкость воды,
− $m$ — масса воды,
− $\Delta t$ — изменение температуры.

Так как вода остаётся в жидком состоянии, её агрегатное состояние не меняется, а энергия расходуется исключительно на повышение температуры.

1. Кипение воды (участок ВС): На участке ВС температура воды остаётся постоянной и равной 100 °C, несмотря на продолжение подачи тепла. Это происходит потому, что вода достигает температуры кипения, и начинается фазовый переход из жидкого состояния в газообразное.

В процессе кипения энергия, подводимая к воде, не идёт на повышение температуры, а расходуется на разрушение связей между молекулами воды в жидкой фазе и на превращение её в пар. Это называется скрытой теплотой парообразования, и количество теплоты можно выразить формулой:
$$ Q = Lm $$
где:
− $L$ — удельная теплота парообразования,
− $m$ — масса воды.

Участок ВС параллелен оси времени именно потому, что температура не меняется, несмотря на поступление тепла. Это — характерная особенность фазовых переходов.

1. Охлаждение воды (участок CD): На участке CD температура воды уменьшается с течением времени. Это соответствует процессу охлаждения воды, которая уже находится в газообразном состоянии (в виде пара). При охлаждении молекулы водяного пара теряют тепловую энергию, их кинетическая энергия уменьшается, что приводит к снижению температуры.

Количество тепла, отдаваемого паром, также описывается формулой:
$$ Q = cm\Delta t $$
где:
− $c$ — удельная теплоёмкость пара,
− $m$ — масса пара,
− $\Delta t$ — изменение температуры.

Если охлаждение продолжится до точки конденсации (100 °C), начнётся обратный фазовый переход — превращение пара в жидкость, сопровождающееся выделением скрытой теплоты конденсации.

Таким образом, участки графика обозначают различные процессы:
− АВ — нагревание воды (жидкое состояние),
− ВС — кипение воды (переход из жидкого состояния в газообразное),
− CD — охлаждение воды (газообразное состояние).