Тепловые Явления — Задание 18 ОГЭ по физике №00018544

Вода находится в твёрдом состоянии при температуре $-20\,^\circ\mathrm{C}$ и давлении выше, чем давление в тройной точке. Можно ли при этом давлении, нагревая лёд, перевести его сразу в газообразное состояние, минуя жидкую фазу? Ответ поясните при помощи фазовой диаграммы.

Фазовые диаграммы

Вещества вокруг нас чаще всего находятся в одном из трёх основных агрегатных состояний — твёрдом, жидком либо газообразном. При определённых условиях, своих для каждого вещества, возможны переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое. Агрегатные состояния вещества часто называют фазами, а переходы между ними — фазовыми переходами. Например, вода при температуре $0\,^\circ\mathrm{C}$ и давлении $1\,$атм. переходит из жидкой фазы в твёрдую (при отводе теплоты) либо из твёрдой фазы в жидкую (при подводе теплоты). При отсутствии теплообмена с окружающими телами две фазы вещества могут существовать одновременно (например, при температуре $0\,^\circ\mathrm{C}$ и давлении $1\,$атм. лёд и вода могут находиться в тепловом равновесии друг с другом). Опыт показывает, что температура, при которой происходит тот или иной фазовый переход, зависит от давления. Например, при понижении давления температура кипения воды понижается, и поэтому высоко в горах вода кипит при температуре, меньшей $100\,^\circ\mathrm{C}$.

Фазовая диаграмма представляет собой график, по горизонтальной оси которого отложена температура $t$ (в $^\circ\mathrm{C}$), а по вертикальной оси — давление $p$ (в атм.). Линиями на диаграмме показаны все возможные наборы температуры и давления, при которых происходит тот или иной фазовый переход. На нашем рисунке линия $AO$ соответствует фазовому переходу лёд–пар (и обратно), линия $BO$ — фазовому переходу пар–жидкость (и обратно), линия $CO$ — фазовому переходу жидкость–лёд (и обратно). Соответственно, области I на диаграмме соответствует твёрдое состояние воды, области II — газообразное состояние, а области III — жидкое состояние. Для того чтобы определить, в каком состоянии находится вода при данных условиях, нужно выяснить, в какой из этих областей на диаграмме лежит соответствующая точка. Например, при температуре $+70\,^\circ\mathrm{C}$ и давлении $0{,}2\,$атм. соответствующая точка 1 лежит на диаграмме в области II, что соответствует газообразному состоянию. Также при помощи фазовой диаграммы можно определять, какой фазовый переход будет совершать вещество при изменении одного из параметров. Например, если при постоянном давлении $1{,}3\,$атм. увеличивать температуру от $-50\,^\circ\mathrm{C}$ до $+40\,^\circ\mathrm{C}$, то вода будет переходить из твёрдого состояния 2 в жидкое состояние 3. Наконец, при помощи фазовой диаграммы можно выяснить, как изменяется температура фазового перехода при изменении давления. Например, из диаграммы видно, что при повышении давления температура кипения увеличивается (кривая $OB$).

Из фазовой диаграммы видно, что линии $AO$, $BO$ и $CO$ сходятся в одной точке $O$. Это означает, что при температуре и давлении, соответствующих точке $O$, три фазы воды (твёрдая, жидкая и газообразная) могут одновременно существовать в равновесии друг с другом. Точка $O$ называется тройной точкой.

Ответ поясните при помощи фазовой диаграммы.