Симулятор кривой нагревания и фазовых переходов
Уравнения этой модели
| m | Масса воды m (граммы) | ||
|---|---|---|---|
| c | удельная теплоёмкость | лёд 2,09, жидкая вода 4,18, пар 2,01 Дж/(г·К): воде нужно больше тепла на градус, чем почти любому другому веществу | |
| ΔT | change in temperature | только пока вещество в одной фазе; при фазовом переходе температура стоит на месте |
При текущих значениях:
| L_f | удельная теплота плавления | 334 Дж/г: энергия, чтобы разрушить кристалл, не нагревая его | |
|---|---|---|---|
| L_v | удельная теплота парообразования | 2257 Дж/г, почти в семь раз больше L_f: оторвать молекулы друг от друга совсем требует гораздо больше, чем ослабить связи | |
| Q | подведённое тепло | мощность нагревателя, умноженная на время |
При текущих значениях:
| P | Мощность нагревателя P (ватты; отрицательная охлаждает) | один ватт — это один джоуль в секунду | |
|---|---|---|---|
| t | время каждого этапа | площадки длинные, потому что скрытые теплоты велики |
При текущих значениях:
Как пользоваться симулятором кривой нагревания
- Задайте массу воды, начальную температуру и мощность нагревателя. Вначале это лёд: молекулы сидят в кристалле, каждая дрожит на своём месте, и дрожит сильнее с ростом температуры.
- При 0 °C температура останавливается, пока лёд тает: тепло идёт на разрушение кристалла, и молекулы по одной вырываются в жидкость. При 100 °C она снова останавливается, пока вода кипит и молекулы улетают паром. График рисует кривую нагревания в зависимости от подведённой теплоты поверх всей кривой серым, с двумя горизонтальными ступенями.
- Сделайте мощность отрицательной, чтобы отводить тепло, и пройдите кривую в обратную сторону — замерзание и конденсация. Уравнения складывают теплоту каждого этапа по удельной и скрытой теплоте; Калькулятор удельной теплоёмкости находит Q = mcΔT для любого вещества.
Частые вопросы
Почему температура не меняется, пока лёд тает?
Потому что всё тепло идёт на разрыв связей, удерживающих молекулы в кристалле, а не на их ускорение. Температура измеряет среднюю кинетическую энергию молекул, которая не меняется, пока не растает последний лёд. Поглощённое тепло — скрытая теплота плавления, 334 Дж на каждый грамм.
Что такое скрытая теплота?
Энергия, которую вещество поглощает или отдаёт при смене фазы при постоянной температуре. Для воды удельная теплота плавления — 334 Дж/г, парообразования (кипения) — 2257 Дж/г. Те же количества выделяются при замерзании и конденсации, поэтому пар обжигает гораздо сильнее кипятка той же температуры.
Почему кипение длится гораздо дольше плавления?
Потому что теплота парообразования почти в семь раз больше теплоты плавления. Плавление лишь ослабляет молекулы, чтобы они могли скользить друг мимо друга; кипение должно полностью разделить их вопреки притяжению. Довести 100 г воды от 0 °C до кипения — 42 кДж; выкипятить её всю — ещё 226 кДж.
Как рассчитать теплоту для кривой нагревания?
Сложите все этапы: нагрев льда (m × 2,09 × ΔT), плавление (m × 334), нагрев воды (m × 4,18 × ΔT), кипение (m × 2257) и нагрев пара (m × 2,01 × ΔT), где m в граммах. Разделите на мощность нагревателя в ваттах, чтобы получить время в секундах; уравнения под картинкой делают это для ваших настроек.
Пишет, что WebGL выключен.
Для 3D-вида нужен WebGL, который есть во всех современных браузерах. Он может быть выключен, если в настройках браузера отключено аппаратное ускорение или графический драйвер очень старый. Включите аппаратное ускорение или попробуйте другой браузер.
Загружается ли что-нибудь?
Нет. Симуляцию рисует ваш собственный браузер с помощью WebGL; ничего никуда не отправляется, и после загрузки страницы она работает и офлайн.