Термодинамика (нет… — Задание ЕГЭ по физике №00016568

Что происходит

Удельная теплота испарения $L$ — это энергия, которую нужно затратить, чтобы перевести 1 кг жидкости в пар при той же температуре. Эта энергия расходуется на два дела: преодоление сил межмолекулярного притяжения (разрыв «связей» между молекулами) и совершение работы против внешнего давления при расширении пара. При изменении температуры оба вклада меняются.

Почему (законы)

1. Межмолекулярное взаимодействие. При понижении температуры средняя кинетическая энергия молекул уменьшается, молекулы в жидкости сближаются (плотность жидкости растёт). На более близком расстоянии силы межмолекулярного притяжения действуют сильнее. Чтобы «вырвать» молекулу из жидкости и перевести её в пар, нужно затратить больше энергии — вклад этого члена в $L$ растёт.

2. Работа против давления пара. При понижении температуры давление насыщенного пара над жидкостью уменьшается. Молекула, перейдя в пар, расширяется против меньшего давления — работа $A = p_{\text{нас}} \cdot \Delta V$ несколько уменьшается. Однако этот вклад мал по сравнению с энергией межмолекулярных связей, и суммарный эффект — рост $L$.

3. Предельные случаи. При увеличении температуры до критической $T_\text{кр}$ различие между жидкостью и паром исчезает: поверхностное натяжение и силы притяжения между молекулами обращаются в нуль, и теплота испарения $L \to 0$. При понижении температуры $L$ монотонно растёт вплоть до температуры замерзания.

Итог. При понижении температуры удельная теплота испарения увеличивается, так как возрастает работа, необходимая для преодоления межмолекулярных сил притяжения, которые усиливаются по мере сближения молекул при охлаждении.