Теплота и фазовые переходы — это ключевые понятия школьной термодинамики, которые объясняют, как вещества изменяют свое состояние и как в этих процессах передается энергия. В 7 классе важно научиться отличать теплоту от температуры, понимать, какие процессы называют плавлением, кристаллизацией, испарением, кипением, конденсацией и сублимацией, а также уметь применять формулы для расчета количества теплоты в задачах. Мы будем идти шаг за шагом, как на уроке: от базовых определений к объяснению физических механизмов и решению типичных задач с подробным разбором.

Начнем с базы. Температура — это физическая величина, которая характеризует степень нагретости тела; чем выше средняя кинетическая энергия молекул, тем выше температура. Теплота — это энергия, которая передается от более нагретого тела к менее нагретому в процессе теплопередачи. Она измеряется в джоулях (Дж), а температура — в градусах Цельсия (°C) или Кельвинах (К). При передаче теплоты изменяется внутренняя энергия тела — суммарная энергия поступательного, вращательного, колебательного движения частиц и их взаимодействия. Эти различия принципиальны: температура — «показатель состояния», теплота — «передаваемая энергия», внутренняя энергия — «запас энергии внутри вещества».

Теплота может передаваться тремя способами. Теплопроводность — это перенос энергии за счет хаотического движения частиц внутри тела; она характерна для твердых тел (например, ложка нагревается от горячего чая). Конвекция — перенос энергии струями жидкости или газа; теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз, поэтому радиаторы ставят внизу. Излучение — перенос энергии электромагнитными волнами; Солнце нагревает Землю именно так, без промежуточной среды. В задачах на количество теплоты важно понимать, какой механизм доминирует, но чаще мы используем обобщенные модели: нагревание тела и фазовые переходы.

Если тело не меняет своего агрегатного состояния, количество теплоты вычисляют по формуле Q = c m Δt, где c — удельная теплоемкость (Дж/(кг·°C)), m — масса, Δt — изменение температуры. Эта формула показывает, что для одинакового повышения температуры разным веществам нужна разная энергия. Например, у воды c примерно 4200 Дж/(кг·°C), у льда — около 2100 Дж/(кг·°C), у железа — примерно 460 Дж/(кг·°C). Отсюда практические выводы: вода нагревается и остывает медленно, а металлические предметы — быстро. В задачах обязательно следите за единицами и направлением процесса: при нагревании Q положительно, при охлаждении — отрицательно (по смыслу — теплота отдается).

Теперь о фазовых переходах — изменениях агрегатного состояния вещества. К ним относят: плавление (твердое в жидкое), кристаллизацию (обратный процесс), испарение и кипение (жидкое в газообразное), конденсацию (газообразное в жидкое), а также сублимацию (твердое в газообразное, минуя жидкое) и десублимацию (обратный процесс). Главное правило: при фазовом переходе температура вещества остается постоянной, пока не закончится весь переход, а полученная или отданная теплота идет на разрушение или создание межмолекулярных связей. Поэтому в уравнениях мы используем не Δt, а удельную скрытую теплоту перехода.

Для плавления и кристаллизации действует формула Q = Lпл m, где Lпл — удельная теплота плавления (Дж/кг). Для воды Lпл ≈ 334 000 Дж/кг. Это означает: чтобы растопить 1 кг льда при 0 °C, нужно 334 кДж, при этом температура льда и воды во время плавления не меняется. Точка плавления зависит от природы вещества и внешнего давления: добавление примесей, например соли, понижает температуру кристаллизации воды — поэтому зимой дороги посыпают реагентами.

Переход из жидкого в газ может идти двумя способами. Испарение — это поверхностный процесс, возможный при любой температуре: самые быстрые молекулы покидают поверхность, и жидкость постепенно охлаждается. Кипение — интенсивное парообразование по всему объему при строго определенной температуре кипения (для воды при нормальном давлении это 100 °C). Количество теплоты для превращения жидкости в пар: Q = Lпар m, где Lпар — удельная теплота парообразования (для воды около 2 260 000 Дж/кг). Отсюда понятен эффект потоотделения: испаряясь, пот забирает с кожи большое количество теплоты, охлаждая тело; в сухом и ветреном воздухе испарение идет быстрее, охлаждение сильнее.

Важно понимать влияние давления. При пониженном давлении температура кипения снижается — на вершинах гор вода кипит при 90 °C и ниже, из-за чего пища готовится дольше. В скороварке давление выше атмосферного, поэтому вода кипит при температуре выше 100 °C, и процессы приготовления ускоряются. Эти примеры показывают, как окружающие условия влияют на фазовые переходы, оставаясь в рамках единого закона сохранения энергии.

Графически все процессы удобно представлять на «кривой нагревания» — графике зависимости температуры от времени при равномерной подаче тепла. Типичная кривая для воды начинается нагревом льда (наклонный участок), затем идет горизонтальная полка при 0 °C (плавление), дальше нагрев воды (наклонный участок), затем полка при 100 °C (кипение). Горизонтальные участки и есть фазы, где температура не меняется, а теплота идет на фазовый переход. Анализ такой кривой помогает понять, на каком этапе находится система, и какие формулы применять в расчетах.

Перейдем к пошаговой задаче. Пример 1. Сколько теплоты нужно, чтобы из 0,5 кг льда при −10 °C получить воду при +20 °C? Запишем этапы и используем соответствующие формулы.

1. Нагрев льда от −10 °C до 0 °C: Q1 = cльда m Δt = 2100 Дж/(кг·°C) × 0,5 кг × 10 °C = 10 500 Дж.
2. Плавление льда при 0 °C: Q2 = Lпл m = 334 000 Дж/кг × 0,5 кг = 167 000 Дж.
3. Нагрев воды от 0 °C до 20 °C: Q3 = cводы m Δt = 4200 Дж/(кг·°C) × 0,5 кг × 20 °C = 42 000 Дж.
4. Суммарная теплота: Q = Q1 + Q2 + Q3 = 10 500 + 167 000 + 42 000 = 219 500 Дж (≈ 2,20 × 10⁵ Дж).

Здесь хорошо видно, что на плавление ушла основная часть энергии. Такой анализ помогает объяснить, почему лед и снег, тая, «поглощают» много тепла из окружающей среды: пока идет фазовый переход, температура не растет, но энергия активно расходуется на разрушение кристаллической решетки. Именно поэтому кубики льда долго сохраняют напитки холодными.

Пример 2. Электрический чайник мощностью 1,5 кВт нагревает 1 кг воды от 20 °C до кипения. Сколько времени нужно до закипания? Сколько воды испарится за 10 минут кипения?

1. До кипения: Qнагрев = c m Δt = 4200 × 1 × 80 = 336 000 Дж. Мощность P = 1500 Вт, время t = Q/P = 336 000 / 1500 ≈ 224 с ≈ 3,7 мин.
2. Закипевшая вода при постоянном кипении: за 10 минут чайник передаст Qкип = P t = 1500 × 600 = 900 000 Дж. Масса испарившейся воды m = Qкип / Lпар = 900 000 / 2 260 000 ≈ 0,40 кг.

Разбор показывает практическое значение величины удельной теплоты парообразования: на испарение уходит колоссальная энергия. Поэтому открытая кастрюля с кипящей водой быстро «теряет» массу, а влажная одежда на ветру сохнет заметно быстрее — усиливается испарение и унос теплоты.

Чтобы уверенно решать задачи на теплоту и фазовые переходы, придерживайтесь четкого алгоритма.

• Шаг 1. Нарисуйте «карту процесса»: отметьте начальное и конечное состояния, укажите все промежуточные этапы (нагрев, плавление, дальнейший нагрев, кипение и т. д.).
• Шаг 2. Для каждого этапа выберите формулу: Q = c m Δt для нагрева/охлаждения, Q = Lпл m для плавления/кристаллизации, Q = Lпар m для парообразования/конденсации.
• Шаг 3. Подставьте значения физических постоянных: c и L для конкретного вещества. Проверьте единицы измерения.
• Шаг 4. Учтите знаки: при получении теплоты Q положительно, при отдаче — отрицательно (или записывайте все величины по модулю, но учитывайте направление энергии в пояснениях).
• Шаг 5. Сложите вклады по этапам, сравните с реальностью: температура не должна «перепрыгивать» через точки фазовых переходов без соответствующих полок.

Полезные факты для расширения кругозора. Сублимация встречается в быту: сухой лед (твердый CO₂) переходит в газ, минуя жидкую фазу, поэтому не оставляет луж. На сублимации основана лиофилизация — бережная сушка продуктов и медикаментов при низких температурах и низком давлении. Лед на реках весной иногда тает «снизу» из-за теплых течений и солнечного излучения, проходящего сквозь прозрачный лед, — пример совместного действия теплопередачи и фазовых переходов. Аномалия воды (максимальная плотность при +4 °C) помогает водоемам «жить»: зимой более тяжелая вода опускается вниз, не давая прудам промерзать до дна.

Частые ошибки учеников, которых стоит избегать. Во-первых, подстановка «одной» формулы на весь процесс, когда есть несколько фазовых переходов — всегда разбивайте условие на этапы. Во-вторых, забывают, что температура во время плавления и кипения постоянна — не надо в этих моментах добавлять Δt. В-третьих, путают удельные теплоты: Lпл значительно меньше Lпар (растопить лед проще, чем испарить воду). Наконец, будьте внимательны с единицами: масса в килограммах, теплоемкость в Дж/(кг·°C), итоговая теплота в джоулях — несогласованность единиц дает неверный результат.

Наблюдательные эксперименты, которые можно безопасно провести. Положите на два одинаковых блюдца по чайной ложке воды: одно оставьте на столе, другое поставьте к источнику тепла или под струю теплого воздуха. Наблюдайте, как меняется скорость испарения. Другой опыт: поместите на поверхность теплой воды кусочек льда и измерьте, сколько времени понадобится на полное плавление; затем повторите опыт, посыпав лед солью — время изменится, потому что соль понижает температуру кристаллизации и ускоряет таяние. Эти простые наблюдения подкрепляют теорию и тренируют умение объяснять явления через теплоту и фазовые переходы.

В заключение сформулируем главный смысл темы. Теплота — это энергия, переходящая от более теплых тел к более холодным, меняющая внутреннюю энергию вещества. При нагревании без фазовых переходов действует зависимость Q = c m Δt. При фазовых переходах температура остается постоянной, а энергия расходуется на перестройку структуры вещества: Q = L m. Понимание этих правил позволяет уверенно объяснять природные и бытовые явления — от таяния снегов и работы скороварки до охлаждения за счет испарения — и успешно решать расчетные задачи, опираясь на закон сохранения энергии и свойства конкретных материалов.