Почему лед тает, ждет 100 градусов и ТОГДА испаряется? Почему процесс расширения вещей не является непрерывным?

Разница между твердым телом и жидкостью заключается в атомной структуре. Лед кристалличен (и поэтому находится в упорядоченном состоянии), а вода такой упорядоченности не имеет. Он аморфный.

Итак, причина резкого изменения состояния в том, что что-то не может быть упорядоченным и неупорядоченным одновременно . Теперь вы можете сказать: «Эй, а почему бы не сделать некоторые регионы упорядоченными и соединяться с другими неупорядоченными регионами?» Это состояние существует и широко известно как мокрый снег с разной степенью «влажности».

Крайние случаи, о которых я хотел бы упомянуть: кристаллизация требует времени. Стекло и некоторые термопласты в твердом состоянии аморфны и в дальнейшем не обнаруживают резкого изменения свойств, а медленно переходят из твердого состояния в жидкое.

Различие между жидкой и газовой фазами действительно в какой-то момент исчезает, в основном при более высоком давлении. За пределами так называемой критической точки эти два состояния неразличимы. Следовательно, из жидкой воды можно перейти в пар без фазового перехода .

В сущности, резкие фазовые переходы от твердого состояния к жидкому существуют для материалов, которые имеют высокую склонность к образованию кристаллов. Большинство чистых веществ могут быть расположены регулярным образом и поэтому склонны образовывать кристаллы. Стекло (SiO2) часто смешивают с другими веществами, чтобы препятствовать кристаллизации. Вы можете сделать что-либо аморфным, быстро охладив его.

Фазовый переход от жидкого к твердому менее резкий, чем вы думаете. Он существует только для низкого давления и низких температур. Насколько низко, зависит от вещества.

Большая часть вышесказанного справедлива для любого вещества, не только для воды.

Существуют довольно сильные, но короткодействующие силы притяжения, удерживающие молекулы в кристаллической сетке или в жидкости. Прочность и малый радиус действия сил приводят к неустойчивости «твердой», «жидкой» или «парообразной» формы материала.

Чтобы проиллюстрировать нестабильность, рассмотрим мысленный эксперимент. У нас есть магнит и кусок ферромагнитного металла. Ставим на стол кусок металла. При подходе с магнитом сверху возможны три случая - расстояние между магнитом и металлом может быть:

• достаточно далеко - нет видимого притяжения
• слишком близко - кусок металла приподнимается и защелкивается в магните
• некоторое расстояние между ними - кусок металла парит между столом и магнитом (расстояние соблюдается правильно - не слишком далеко, чтобы упасть, и не слишком близко, чтобы его подняли). Как мы видим, эту ситуацию довольно сложно поддерживать. Этому случаю соответствует «твердая» или «жидкая» форма материала.

Эта (не совсем точная) аналогия объясняет, почему при нормальных условиях (при атмосферном давлении) не существует твердой формы воды и жидкой формы пара.

Однако вопрос «почему вода ждет 100 градусов» остается. Наша проблема в том, что водяной пар прозрачен для человеческого глаза и мы не можем отличить его от воздуха. Если бы мы могли видеть водяной пар и если бы мы достаточно внимательно наблюдали за нагреванием (и, наконец, кипячением) воды, мы бы увидели непрерывные (не резкие) изменения. Оказывается, вода не ждет 100 градусов.

При нагревании воды от 0 до 100 градусов (при атмосферном давлении) концентрация водяного пара над уровнем воды становится все выше и выше. Концентрация 100% при температуре кипения. Для красивого описания процесса используется термин «парциальное давление» водяного пара.

Давление водяного пара при температуре кипения достаточно для того, чтобы раздуть мелкие пузырьки воздуха, диспергированные в воде, что видно как кипение . Вода получает дополнительные поверхности, через которые она испаряется. Чем быстрее мы нагреваем воду, тем быстрее создаются дополнительные поверхности и быстрее происходит испарение. Испарение охлаждает воду, и именно поэтому температура останавливается на уровне 100 градусов.

Теперь давайте посмотрим на механизм охлаждения воды за счет испарения. Температура связана со средней скоростью молекул. Распределение скоростей неравномерно. Молекулы, покидающие воду, действуют против сил притяжения ближнего действия, пытаясь удержать их в воде.

Убежать удается только самым быстрым молекулам. Когда самые быстрые молекулы убегают, средняя скорость снижается. Так вода холоднее. С другой стороны, убегающие молекулы притягивались назад (во время убегания) и поэтому замедлялись. Как только вылетевшие молекулы оказываются в паре, они замедляются. Средняя скорость молекул пара снижена. Поэтому пар холоднее.

Наполните миску водой, дайте ей постоять несколько дней, а затем посмотрите, сколько воды осталось. Испаритель воды все время в зависимости от условий. Кипение означает, что повсюду в жидкости создаются паровые колокола. Ниже температуры кипения испарение происходит только на поверхности раздела с воздухом.

По словам Джона Ренни, я, возможно, неправильно понял вопрос, поэтому добавлю подробное объяснение. Но поскольку Раджа учится в первом классе старшей школы, что в моей стране означает 13-летний возраст, я стараюсь не усложнять. Конечно, в Индии возраст мог бы быть и выше, а его базовые знания лучше, чем у 13-летнего голландского пацана. Видел из профиля Раджи, что ему 17 лет.

Во-первых, мы должны иметь в виду макроточку зрения по сравнению с микроточкой зрения, макрос точки зрения материи, фазы, плотности, температуры и т. д. Микросмысл молекулы, силы, скорость, расстояние, энергия и т. д. Что происходит с молекулами в микромир определяет поведение материи в макромире. Молекулы вещества обладают не только потенциальной, но и кинетической энергией. Кинетическая энергия молекул зависит от температуры вещества. Потенциальная энергия зависит от расстояния между молекулами, а также от сил притяжения, которые молекулы оказывают друг на друга. Эти силы обычно тем больше, чем меньше расстояние между молекулами.

Силы определяют фазу материи. Если они достаточно велики, молекулы удерживаются на месте относительно друг друга. Это твердое тело.

Если силы меньше, молекулы могут двигаться относительно друг друга, но все же оставаться друг с другом. Это жидкость. Вы можете наблюдать такое поведение, когда проливаете немного воды на стол. Вода будет растекаться, но не бесконечно. Кроме того, когда две капли находятся достаточно близко, они объединяются в одну.

В газообразном веществе силы между молекулами очень малы, и молекулы свободно перемещаются.

Таким образом, чтобы изменить фазу вещества, силы должны быть снижены настолько, чтобы позволить молекулам двигаться относительно друг друга. Это делается путем добавления кинетической энергии молекулам, позволяя им вибрировать на своем месте. Если скорость становится достаточно большой, молекулы могут удаляться друг от друга. Температура является показателем средней кинетической энергии молекул. Итак, чтобы все молекулы двигались с достаточно высокой скоростью, материи нужна минимальная температура. Увеличение расстояния между молекулами означает, что необходимо совершить работу, так как вы хотите сдвинуть молекулы против сил притяжения. Это увеличит потенциальную энергию молекул. При этом силы притяжения снижаются.

Когда вы нагреваете вещество, поставляемая энергия сначала используется в основном для увеличения кинетической энергии молекул, повышая температуру. Когда достигается точка плавления, подводимая энергия в основном используется для увеличения потенциальной энергии молекул, сохраняя постоянной среднюю кинетическую энергию, которую мы наблюдаем как фиксированную точку плавления.

Как я уже писал в начале, вода испаряется при температуре ниже точки кипения. Это связано с тем, что некоторые молекулы получают кинетическую энергию за счет столкновений с соседними молекулами. Кинетическая энергия молекулы затем преобразуется в потенциальную энергию, когда она удаляется от других молекул. Если полученная энергия достаточно высока, молекула продвинется достаточно далеко, чтобы считаться свободной от воды. Поскольку средняя кинетическая энергия остается неизменной, температура воды не меняется.

Существует непрерывный диапазон поведения, поскольку каждый повышает тепловую энергию в материале. Однако это очень дискретный непрерывный диапазон =) Это как лестница. Теоретически лестница может двигаться и прогибаться под весом вашей ноги; на практике мы относимся к ним как к жестким жестким шагам.

Для аналогии начнем с колоды карт одной масти. Это высокоупорядоченная система, и мы собираемся утверждать, что она связана со льдом. Во льду межмолекулярные силы чрезвычайно велики по сравнению с тепловой энергией. Держит все на месте. В нашей аналогии с картами мы можем сравнить ее с очень толстыми негибкими картами, как будто они сделаны из железа. Если вы попытаетесь перетасовать их вразброс, вы обнаружите, что не можете. Карты просто отказываются двигаться, сколько бы раз вы ни пытались их «тасовать». Точно так же молекулы во льду заперты так, что тепловая энергия чрезвычайно маловероятна для перемещения молекулы в новое место. Это делает его жестким.

А теперь добавим тепла. В этой аналогии с картами мы сделаем карты немного более гибкими. Во льду мы добавляем больше тепловой энергии, позволяя вещам двигаться быстрее. В какой-то момент карты изгибаются достаточно, чтобы их можно было перетасовать, точно так же, как межмолекулярные силы, наконец, подавляются некоторым тепловым движением, разрешая движение.

Теперь, если вы перетасуете жесткую колоду один раз, это не сильно изменит порядок . Есть причина, по которой вы должны перетасовать колоду несколько раз, прежде чем сдавать ее. Природа... никогда не колеблется ни разу. Термическая случайность — это очень быстрая операция, подобная перетасовке колоды тысячу раз. Итак, как только у вас появляется достаточно гибкости в картах, чтобы преодолеть жесткость, препятствующую перетасовке, они перетасовываются по-настоящему, очень быстро . Действительно, существует твердое состояние материи, частично перетасованная колода, но оно длится очень короткий период времени, поскольку растущая подвижность позволяет более высоким энергетическим молекулам сталкиваться с твердыми молекулами, толкая их. Очень быстро предположения о жестких объектах подводят нас. Мы видим движение и текучесть.

Так что мы можем немного перетасовать колоду. Но молекулы по-прежнему удерживаются вместе водородными связями. Никакие атомы не могут убежать. Что ж, время от времени кто-то убегает — испаряется. Очень неловко, когда карта ускользает из колоды во время тасования, но это случается, если вы тасуете тысячи раз. Но что, если мы будем делать колоду все более и более гибкой и накапливать все больше и больше энергии в упругости карт? В какой-то момент ваши навыки тасования карт подводят вас, карты разлетаются повсюду, и вы играете в игру с подбором 52 карт.

В воде это происходит в момент, когда межмолекулярные силы уже не могут заставить воду оставаться в одной жидкой массе, удерживаемой гравитацией. Энергия атомов настолько велика, что они могут убежать, и сделать это в любой момент.

Теперь, почему эти края такие четкие? Мы говорим о тепловых эффектах, так что в объяснении есть доля случайности. Каждая молекула имеет шанс приобрести достаточно высокую скорость, чтобы стать более жидкой или газообразной. Таким образом, теоретически существует функция плотности вероятности, которая описывает, какая часть молекул действует как лед, какая действует как вода, а какая действует как газ.

Однако там много атомов. А когда их много, начинает действовать центральная предельная теорема . В нем говорится, что если вы суммируете достаточное количество розыгрышей из случайной величины с конечной дисперсией$\sigma^2$, сумма становится все ближе и ближе к нормальному распределению с дисперсией$\frac{\sigma^2}{\sqrt N}$, где$N$это количество розыгрышей.

Возьмите достаточное количество рисунков, например, 33 460 000 000 000 000 000 000 000 атомов в одном кубическом сантиметре воды , и дисперсия этой случайной величины станет действительно очень малой. Настолько плотно, что бывает трудно или даже невозможно измерить их среди других эффектов (например, вы дышите водой или любыми растворенными ионами). Так что для практических целей мы относимся к этому так, как если бы дисперсии не было. Мы рассматриваем это так, как если бы существовало просто 3 (или четыре) дискретных состояния материи.

Кстати, позже вы встретите это в квантовой механике. Кто-то скажет вам, что свет — это и волна, и частица, и вы будете чесать затылок, пытаясь понять это и пытаясь связать это со своей реальностью. Они скажут вам, что поведение в мире QM случайно, после того, как вы потратите годы на изучение хорошей простой детерминированной физики в школе. Только помните, что ваша реальность состоит из миллиардов и миллиардов фотонов, и когда у вас их достаточно, начинает действовать центральная предельная теорема, и все эти сложные случайности превращаются во что-то гораздо более простое — классическую механику с ее прелестью. детерминированное поведение.

Ладно, может быть, не намного проще. Вода по-прежнему сложная. Но Вы получаете идею!