Объясните почему при переходе вещества из твёрдого состояния в жидкое а затем в газообразное внутренняя энергия тела увеличивается даже если его температура не меняется что…

Коротко: внутреннюю энергию U системы можно разложить на кинетическую энергию частиц (то, что связано с температурой) и потенциальную энергию взаимодействий между частиц. При фазовом переходе температура часто не изменяется, потому что добавляемая энергия идёт не в увеличение скорости молекул, а в изменение расположения молекул и их связей. Поэтому U растёт (при переходе solid → liquid → gas) или падает (при обратном) независимо от того, меняется ли T.

Подробнее

1. Что происходит при твердом -> жидкому -> газообразному переходах

• Твердое → Жидкое (плавление):

  • Температура остаётся примерно на той же отметке плавления.
  • Добавляемая энергия идёт на разрушение части межмолекулярных связей и увеличение расстояний между частицами.
  • Потенциальная энергия увеличивается, кинетическая энергия (соответственно T) не растёт значимо в ходе самого перехода.
  • Величина энергии, которую нужно подать, называется теплота плавления (L_fus). Приблизительно U увеличивается на этот объёмный/молекулярный запас энергии.

• Жидкое → Газ (испарение/кипение):

  • Опять же T почти не меняется во время перехода.
  • Ещё больше растягиваются расстояния между частицами, связи разрываются ещё сильнее — это ещё большее увеличение потенциальной энергии.
  • Часть энергии идёт на работу против внешнего давления при росте объёма (PΔV). Поэтому изменение внутренней энергии ΔU не равно тривиальной величине теплоте испарения, но всё же U растёт.
  • Энергия, которая подводится, называется теплота парообразования (L_vap). Приблизительно ΔU ≈ L_vap − PΔV.

2. Обратный путь: газ → жидкость → твердое

• Газы конденсируются, затем замерзают, и в этих переходах выделяется энергия (теплота конденсации и кристаллизации).
• Внутренняя энергия уменьшается:
  • Газ → Жидкость: выделяется теплота конденсации (приближённо равная по величине L_vap). Часть этой энергии идёт на работу против внешнего давления при сокращении объёма, поэтому падение U примерно равно ΔH_vap − PΔV.
  • Жидкость → Твердое: выделяется теплота кристаллизации/замерзания (примерно L_fus), и изменение объёма небольшое, поэтому падение U примерно равно ΔH_fus (практически без учёта PΔV).
• В сумме, при переходе газ → жидкость → твердое U уменьшается на величины латентных теплот конденсации и замерзания.

3. Числовой ориентир (для воды при 1 атм)

• Теплота плавления воды: около 6 кДж на моль.
• Теплота парообразования воды: около 40.7 кДж на моль.
• При испарении молекулам нужно приблизительно 40 кДж на моль латентной энергии, но часть этой энергии идёт на работу против внешнего давления (PV-работу), поэтому изменение внутренней энергии U при испарении примерно 38–38.5 кДж на моль (для воды при 1 атм). Остальная энергия идёт в изменение объёма и переход в газовую форму.

Итог:

• При плавлении и испарении внутренняя энергия увеличивается, потому что растёт потенциальная энергия связей между частицами (и частично за счёт PV-работы).
• При конденсации и замерзании внутренняя энергия уменьшается, и эта энергия выделяется в окружающую среду как тепло.
• Развитие пути: U зависит не только от температуры, но и от фазы: U высокая в газе, ниже в жидкости, ещё ниже в твёрдом состоянии (при одинаковой внешней температуре и давлении). Латентные тепла (L_fus, L_vap) описывают величины этого перехода в неизменной температуре.