Внутренняя энергия фазовых переходов

Изменение агрегатного состояния вещества относится к процессам, получившим название «фазовых переходов». Не все фазовые переходы сопровождаются изменением агрегатного состояния, но любое изменение агрегатного состояния – есть фазовый переход. Точнее говоря, фазовый переход первого рода. В момент такого перехода вещество скачкообразно меняет множество своих характеристик: объем, давление, температуру и другие. Можно предположить, что и с внутренней энергией тела происходит нечто подобное. Так оно и есть.
В состояниях далеких от фазового перехода внутренняя энергия тела накапливается или отдается относительно равномерно. Например, кинетическая компонента внутренней энергии идеального газа хорошо описывается уравнением Бернулли:

Внутренняя энергия фазовых переходов
(потенциальной компонентой можно пренебречь). Мы видим, что внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его температуре и не претерпевает при нагревании или охлаждении никаких скачкообразных изменений. В общем случае наблюдается та же картина. Количество теплоты необходимой для изменения температуры тела зависит от температуры следующим образом:

formula_3
Совсем иная картина наблюдается на подходе к фазовому переходу. Вот типичный график зависимости внутренней энергии от  температуры, охватывающий момент фазового перехода:

grafik

Видим, что в определенный момент внутренняя энергия тела претерпевает скачкообразный переход, которому предшествует примерно линейное ее накопление. Как такое может быть? Откуда берется разница энергии, если температура неизменна?

Вода и пар

Выше мы не обратили внимания на один существенный момент. Внутренняя энергия идеального газа действительно полностью состоит из энергии кинетической. Но для других агрегатных состояний это совсем не так. Для жидкостей и твердых тел внутренняя энергия включает и потенциальную энергию взаимодействия их молекул. Причем у твердых тел потенциальная составляющая является доминирующей. Представьте себе алмаз, атомы углерода которого лишь слегка колеблются возле своих положений. Вся остальная внутренняя энергия алмаза приходится на энергию связей в его жесткой кристаллической решетке.
chainik-na-pliteПоставим на плиту чайник и станем следить за температурой воды с помощью термометра. Мы обнаружим, что до момента закипания температура воды будет расти относительно равномерно (первый кусок на графике выше). Затем, когда вода закипит, рост температуры неожиданно прекратиться. Температура будет оставаться той же самой, пока вся вода не выкипит. Куда уходит подаваемое тепло? Ведь закон сохранения энергии никто не отменял.

Оно уходит на разрыв межмолекулярных связей жидкости, в нашем случае – воды в чайнике. Эта потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию молекул пара. При этом температура остается неизменной, а столбик ртути градусника застывает на месте. Когда вся внутренняя энергия превращается в кинетическую (вода переходит в пар), рост температуры продолжается (второй кусок на графике) – линейная зависимость внутренней энергии от температуры восстанавливается. Этим объясняются странности нашего графика.

grafik-kipenie
Аналогичные процессы преобразования кинетической энергии связей атомом молекул в их потенциальную энергию происходят и при других изменениях агрегатных состояний. При охлаждении мы наблюдаем преобразование кинетической энергии молекул в энергию их связей. Они приобретают все более и более устойчивое положение и, в конце концов, мы получаем твердое тело.