Щоб речовина перейшло з твердого стану в рідке (плавлення або танення), з рідкого в газоподібний (кипіння або випаровування) або з твердого в газоподібний (сублімація або сублімація), потрібно надходження енергії ззовні. При зворотних процесах (таких, як конденсація або кристалізація) речовина, навпаки, віддає енергію.
У звичайних умовах будь-яка речовина перебуває в одному з трьох станів - твердому, рідкому або газоподібному (див. Агрегатні стани речовини). Кожному з цих умов відповідає своя структура зв'язків між молекулами і / або атомами, що характеризується певною енергією зв'язку між ними. Для зміни цієї структури потрібен або приплив теплової енергії ззовні (наприклад, при плавленні твердої речовини), або відтік енергії зовні (наприклад, при кристалізації).
Взявши, для початку, тверда речовина, ми розуміємо умоглядно, що в ньому молекули / атоми пов'язані в якусь жорстку кристалічну або аморфну структуру, - при незначному нагріванні вони лише починають «трястися» навколо своєї фіксованої позиції (чим вище температура, тим більше амплітуда коливань ). При подальшому нагріванні речовини молекули розхитуються все сильніше, поки, нарешті, не зриваються з «насидженого» місця і не відправляються в «вільне плавання». Це і є плавлення або танення твердої речовини в рідину. Надходження ж енергії, необхідної для танення речовини, називають теплотою плавлення.
Графік зміни температури твердого речовини при переході їм точки плавлення сам по собі дуже цікавий. До точки плавлення в міру нагрівання атоми / молекули розгойдуються навколо свого фіксованого положення все сильніше, і надходження кожної додаткової порції теплової енергії призводить до підвищення температури твердого тіла. Однак після досягнення твердою речовиною температури плавлення, воно на якийсь час так і залишається при цій температурі, незважаючи на триваючий приплив тепла, поки в ньому не накопичиться достатня кількість теплової енергії для розриву жорстких міжмолекулярних зв'язків. Тобто, в процесі фазового переходу речовини з твердого стану в рідке енергія поглинається їм без підвищення температури, оскільки вся вона йде на розрив міжмолекулярних зв'язків. Ось чому кубик льоду в коктейлі навіть в саму спеку залишається крижаним по температурі, поки не розтане весь. При цьому, тая, кубик льоду відбирає тепло у навколишнього його коктейлю (і тим самим охолоджує його до приємної температури), а сам набирається енергії, яка потрібна йому для розриву міжмолекулярних зв'язків і остаточного саморуйнування.
Кількість теплоти, необхідне для плавлення або випаровування одиниці об'єму твердої речовини або рідини, називається, відповідно, прихованої теплотою плавлення або прихованої теплотою випаровування. І величини тут фігурують іноді чималі. Наприклад, для нагрівання 1 кг води від 0 ° С до 100 ° С потрібно «всього» 420 000 джоулів (Дж) теплової енергії, а для того, щоб повернути цей кілограм води в 1 кг пара з температурою, що дорівнює тим же 100 ° С , - цілих 2 260 000 Дж енергії.
Після того, як тверда маса повністю перетворилася в рідину, подальше надходження тепла спричинить знову за собою підвищення температури речовини. У рідкому стані молекули речовини як і раніше знаходяться в близькому контакті, але жорсткі міжмолекулярні зв'язки між ними розірвано, і сили взаємодії, які утримують молекули разом, на кілька порядків слабкіше, ніж в твердому тілі, тому молекули починають досить вільно переміщатися одна відносно одної. Подальше надходження теплової енергії доводить рідину до фази кипіння. і починається активне випаровування або пароутворення.
І, знову ж таки, як було описано в разі танення або плавлення, на якийсь час вся додатково надходить енергія йде на розрив рідинних зв'язків між молекулами і вивільнення їх в газоподібний стан (при незмінній температурі кипіння). Енергія, що витрачається на розрив цих, здавалося б, некрепких зв'язків, - т. Зв. прихована теплота пароутворення - також потрібна чимала (див. приклад вище).
Всі ті ж процеси при відтоку енергії (остудженому) речовини відбуваються в зворотному порядку. Спочатку газ остигає зі зниженням температури, і так відбувається, поки він не досягне точки конденсації - температури, при якій починається скраплення, - і вона в точності дорівнює температурі випаровування (кипіння) відповідної рідини. При конденсації, у міру того, як сили взаємного тяжіння між молекулами починають брати верх над енергією теплового руху, газ починає перетворюватися в рідину - «конденсуватися». При цьому виділяється так звана питома теплота конденсації - вона в точності дорівнює прихованої питомій теплоємності випаровування, про яку вже йшлося. Тобто, скільки енергії ви витратили на випаровування певної маси рідини, рівно стільки енергії пар і віддасть у вигляді тепла при конденсації назад в рідину.
Те, що кількість теплоти, що виділяється при конденсації, вельми високо, - факт легко перевіряється: достатньо піднести долоню до носика киплячого чайника. Крім спека від пара, як такого, ваша шкіра постраждає ще й від теплоти, що виділилася в результаті його конденсації в рідку воду.
При подальшому охолодженні рідини до точки замерзання (температура якої дорівнює точці танення), ще раз почнеться процес віддачі теплової енергії зовні без зниження температури самого речовини. Цей процес називається кристалізацією. і при ньому виділяється рівно стільки ж теплової енергії, скільки відбирається з навколишнього середовища при плавленні (переході речовини з твердої фази в рідку).
Є і ще один тип фазового переходу - з твердого стану речовини безпосередньо в газоподібне (минаючи рідина). Таке фазове перетворення називається сублімацією. або сублімацією. Самий побутовий приклад: вивішене сушитися на мороз сире білизна. Вода в ньому спочатку кристалізується в лід, а потім - під впливом прямих сонячних променів - мікроскопічні кристалики льоду просто випаровуються, минаючи рідку фазу. Інший приклад: на рок-концертах «сухий лід» (заморожена двоокис вуглецю CO2) використовується для пристрою димової завіси - вона випаровується прямо в повітря, огортаючи виступаючих музикантів і також минаючи рідку фазу. Відповідно, на перетворення твердої речовини безпосередньо в газ витрачається енергія сублімації.
"При охолодженні рідини до точки замерзання (температура якої дорівнює точці танення), ще раз почнеться процес віддачі теплової енергії зовні без зниження температури самого речовини. Цей процес називається кристалізацією, і при ньому виділяється рівно стільки ж теплової енергії, скільки відбирається з навколишнього середовища при плавленні. "
Для води, цей процес називається фазовим переходом, а не кристалізацією (зміна агрегатного стану). Кристалізується вода при негативних температурах з виділенням явною, а не прихованої теплоти.
Дистильована вода в хімічно чистому склянці довго не замерзає в морозілке.Чітала в інеті, що рекорд близько -60 гр.Ц. Пробувала і вийшло-18 гр.Ц.Еслі перешкодити інтенсивно то стакан швидко заповнюється не твердим льодом а ватоподобной масою, яка швидко набуває температуру 4 гр.Ц.