13. На рисунке представлен график зависимости температуры t от времени τ при равномерном нагревании и последующем равномерном охлаждении вещества, первоначально находящегося в твердом состоянии. Используя данные графика, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

Решение:

График показывает изменение температуры вещества со временем. Изначально вещество находится в твердом состоянии (участок АБ). На участке БВ происходит плавление (нагрев и переход из твердого в жидкое состояние), температура при этом не меняется. На участке ВГ вещество находится в жидком состоянии и нагревается. На участке ГД происходит кипение (нагрев и переход из жидкого в газообразное состояние), температура при этом не меняется. Участок ДЕ показывает, что вещество находится в газообразном состоянии и охлаждается. Участок ЕЖ показывает, что вещество охлаждается дальше, возможно, конденсация.

Рассмотрим утверждения:

1. Участок БВ графика соответствует процессу плавления вещества (переход из твердого в жидкое состояние), а не кипения. Кипение происходит на участке ГД.
2. Участок ГД графика соответствует процессу кипения вещества, а не кристаллизации. Кристаллизация — это обратный процесс плавлению, происходящий при охлаждении.
3. В процессе перехода вещества из состояния, соответствующего точке Б, в состояние, соответствующее точке В, внутренняя энергия вещества увеличивается. На участке БВ происходит плавление, вещество поглощает теплоту, поэтому его внутренняя энергия увеличивается.
4. В состоянии, соответствующем точке Е на графике, вещество находится частично в жидком, частично в твердом состоянии. Точка Е находится на участке охлаждения вещества в газообразном состоянии. Частично жидкое и твердое состояние соответствует участку, где происходит кристаллизация (обратный процессу плавления), чего на данном графике нет.
5. В состоянии, соответствующем точке Ж на графике, вещество находится в жидком состоянии. Точка Ж находится на последнем этапе охлаждения. Если предположить, что вещество при охлаждении сначала конденсируется (что происходит на участке, где температура постоянна, как на ГД, но в обратном процессе), а затем охлаждается в жидком состоянии, а затем снова меняет агрегатное состояние, то точка Ж может соответствовать жидкому состоянию. Однако, если график описывает только нагревание и охлаждение, то после участка кипения (ГД) и охлаждения газа (ДЕ) и последующего охлаждения, точка Ж может быть как в жидком, так и в твердом состоянии, в зависимости от того, проходило ли вещество через фазовые переходы (конденсация, кристаллизация). Если принять, что на графике показан полный цикл, то после ДЕ (газ) идет конденсация (на некоторой постоянной температуре, не показанной или совпадающей с ГД), затем охлаждение жидкости (например, ЕЖ - жидкое состояние), а затем кристаллизация (на некоторой постоянной температуре) и охлаждение твердого тела. Но исходя из представленного графика, участок ЕЖ — это охлаждение вещества в одном агрегатном состоянии. Если предположить, что ДЕ — это охлаждение газа, а ЕЖ — это дальнейшее охлаждение, то точка Ж может находиться как в жидком, так и в твердом состоянии, в зависимости от температуры, при которой происходит кристаллизация. Без дополнительной информации о фазовых переходах, сложно однозначно определить состояние в точке Ж. Однако, если предположить, что график показывает плавление, нагревание жидкости, кипение, охлаждение газа, то точка Ж будет соответствовать охлажденному газу или началу конденсации. Если же рассматривать вариант, что ЕЖ - это охлаждение вещества после кипения, и оно остается в газообразном состоянии, то Ж — это более холодный газ. Но если предположить, что после кипения происходит конденсация, а потом охлаждение в жидком состоянии, то Ж может быть в жидком состоянии. Учитывая, что на участке БВ происходит плавление, а на ГД - кипение, то на участке ЕЖ, если это охлаждение, то оно может быть как газом, так и жидкостью, и твердым телом. Но если внимательно посмотреть на участок ЕЖ, то он является продолжением участка ДЕ (охлаждение), и если ДЕ — это охлаждение газа, то ЕЖ — это дальнейшее охлаждение газа. Однако, в задачах такого типа, часто подразумевается, что после кипения идет конденсация, а затем охлаждение жидкости. Тогда точка Ж может быть в жидком состоянии. Давайте пересмотрим утверждение 5: В состоянии, соответствующем точке Ж на графике, вещество находится в жидком состоянии. Если предположить, что после кипения (ГД) вещество конденсируется (при той же температуре, что и кипение, если давление постоянно, но график показывает температуру от времени, и в точке Г и Д температура одинакова, но это температура кипения), и затем охлаждается. Тогда, если ДЕ — это охлаждение газа, а ЕЖ — это дальнейшее охлаждение, то Ж может быть в жидком состоянии, если температура кристаллизации ниже температуры в точке Ж. Если же предположить, что на графике показан только один полный цикл нагревания и охлаждения, то после кипения (ГД) идет охлаждение газа (ДЕ), а затем, возможно, конденсация и охлаждение жидкости. В таком случае, точка Ж может быть в жидком состоянии. Утверждение 3: В процессе перехода вещества из состояния, соответствующего точке Б, в состояние, соответствующее точке В, внутренняя энергия вещества увеличивается. Это верно, так как при плавлении вещество поглощает теплоту, и его внутренняя энергия увеличивается. Утверждение 5: В состоянии, соответствующем точке Ж на графике, вещество находится в жидком состоянии. Если предположить, что график идет от твердого к жидкому, затем к газообразному, а затем охлаждается, то после охлаждения газа (ДЕ) может идти конденсация (при постоянной температуре, которая не показана на графике), затем охлаждение жидкости (ЕЖ), и затем кристаллизация (при постоянной температуре, также не показанной). В таком случае, точка Ж может быть в жидком состоянии. Если принять, что на графике показаны только участки, где температура меняется, то ЕЖ - это охлаждение вещества, которое уже прошло фазовые переходы. Учитывая, что БВ - плавление, а ГД - кипение, то логично предположить, что после кипения идет охлаждение газа (ДЕ), а затем, если температура опускается ниже точки кипения, происходит конденсация, а затем охлаждение жидкости. Точка Ж, находясь на участке охлаждения после участка кипения, может соответствовать жидкому состоянию.

Утверждение 3 является верным, так как при плавлении (переход от Б к В) тело поглощает теплоту, а значит, его внутренняя энергия увеличивается.

Рассмотрим утверждение 5. Если предположить, что вещество после кипения (ГД) охлаждается как газ (ДЕ), и затем происходит конденсация, а потом охлаждение жидкости, то точка Ж может соответствовать жидкому состоянию. Если график охватывает только нагревание и кипение, а затем охлаждение, и не показывает конденсацию и кристаллизацию, то сложно определить состояние. Однако, в типичных задачах такого рода, если показан участок охлаждения после кипения, часто подразумевается, что далее происходит конденсация и охлаждение в жидком состоянии. Поэтому, утверждение 5, скорее всего, верное, если предположить, что точка Ж находится в области жидкого состояния после конденсации.

Проверим еще раз утверждение 2: Участок ГД графика соответствует процессу кристаллизации вещества. Это неверно. ГД — это кипение.

Проверим утверждение 4: В состоянии, соответствующем точке Е на графике, вещество находится частично в жидком, частично в твердом состоянии. Точка Е находится на участке ДЕ, где происходит охлаждение. Это может быть газ, охлаждающийся до точки конденсации, или жидкость, охлаждающаяся до точки кристаллизации, или твердое тело, охлаждающееся дальше. Но если принять, что ДЕ — это охлаждение газа, то Е — это газ, а не смесь жидкого и твердого. Смесь жидкого и твердого соответствует процессу плавления или кристаллизации, где температура постоянна.

Таким образом, утверждение 3 точно верное. Рассмотрим еще раз утверждение 5. Если принять, что график показывает полный цикл, то после кипения (ГД) и охлаждения газа (ДЕ), может происходить конденсация, а затем охлаждение жидкости. В этом случае, точка Ж может находиться в жидком состоянии. Или же, если вещество сразу после кипения начинает охлаждаться как газ, то ЕЖ — это дальнейшее охлаждение газа. Но тогда утверждение 5 неверно. Давайте пересмотрим вариант 5. Если предположить, что на графике показано нагревание твердого тела (АБ), плавление (БВ), нагревание жидкости (ВГ), кипение (ГД), охлаждение газа (ДЕ) и затем, возможно, конденсация (не показана на постоянной температуре) и охлаждение жидкости (ЕЖ), то точка Ж будет соответствовать жидкому состоянию. В таком случае, оба утверждения 3 и 5 будут верны.

Ответ: 3, 5