ID: 00015266
Образец вещества нагревают в печи. На графике представлена зависимость поглощённого этим образцом количества теплоты $Q$ от температуры образца $t$. Выберите из предложенного перечня все утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. В начале процесса образец находился в твёрдом состоянии.
1) Температура кипения вещества равна 40 °C.
2) Для того чтобы полностью расплавить вещество, уже находящееся при температуре плавления, ему надо передать количество теплоты 50 Дж.
3) В состоянии 3 вещество полностью испарилось.
4) В процессе 1−2 внутренняя энергия вещества увеличивается.
5) В процессе 2−3 часть вещества находится в твёрдой фазе, а часть — в жидкой фазе.
Запишите в ответ выбранные цифры.
Источник: ФИПИ
Образец греют в печи и строят график. Обратите внимание на оси — здесь они «перевёрнуты» по сравнению с привычным: по горизонтали отложена температура $t$, а по вертикали — поглощённая теплота $Q$. Из-за этого участки плавления и кипения выглядят не как горизонтальные полки, а как вертикальные отрезки.
Что видно на рисунке. Линия состоит из четырёх кусков:
от начала координат до точки 1: температура растёт от $0\ ^\circ$C до $40\ ^\circ$C, поглощено 50 Дж — это нагрев твёрдого вещества;
от точки 1 до точки 2: вертикальный отрезок при $t = 40\ ^\circ$C, теплота растёт с 50 Дж до 100 Дж — температура стоит, значит идёт плавление;
от точки 2 до точки 3: температура растёт от $40\ ^\circ$C до $80\ ^\circ$C, теплота растёт со 100 Дж до 200 Дж — это нагрев жидкости;
от точки 3 вверх: снова вертикальный отрезок, но уже при $t = 80\ ^\circ$C — это кипение.
Как читать такой график. Наклонный кусок — вещество нагревается, вся теплота идёт на рост температуры. Вертикальный кусок — идёт фазовый переход: теплоту подводят, а температура стоит, потому что энергия уходит на перестройку вещества. Первый по счёту вертикальный отрезок — плавление, второй — кипение. Значение температуры, при котором стоит отрезок, — это температура плавления (или кипения), а его длина по оси $Q$ — сколько теплоты нужно на этот переход.
Утверждение 1. Первый вертикальный отрезок стоит при $40\ ^\circ$C — но это температура плавления. Кипение — это второй вертикальный отрезок, он стоит при $80\ ^\circ$C. Утверждение неверное.
Утверждение 2. «Уже при температуре плавления» — это точка 1. Чтобы расплавить образец полностью, надо дойти до точки 2, то есть подвести
$$Q_{\text{пл}} = 100\ \text{Дж} - 50\ \text{Дж} = 50\ \text{Дж}$$Ровно столько и заявлено. Утверждение верное.
Утверждение 3. Точка 3 — это только начало вертикального участка кипения, а не его конец. В ней вещество ещё целиком жидкое и лишь начинает кипеть. Испарилось бы оно полностью в верхней точке этого отрезка. Утверждение неверное.
Утверждение 4. На участке 1−2 веществу передают 50 Дж теплоты, и эта энергия никуда не «пропадает»: она уходит на разрушение кристаллической решётки, то есть на рост энергии взаимодействия частиц. Внутренняя энергия — это энергия движения плюс энергия взаимодействия частиц, поэтому она увеличивается, хотя температура стоит на месте. Утверждение верное.
Утверждение 5. Участок 2−3 — наклонный, температура на нём растёт с $40\ ^\circ$C до $80\ ^\circ$C. А расти она может только тогда, когда плавление уже закончилось. Значит, там вещество целиком жидкое, никакой твёрдой части нет. Утверждение неверное.
Проверка себя. Главная ловушка задачи — перепутанные оси. Проверьте себя простым вопросом: «на каком куске температура стоит на месте?» Именно эти куски (вертикальные) и есть плавление с кипением, а всё остальное — обычный нагрев.
Верны утверждения 2 и 4, записываем цифры подряд по возрастанию.