Условие задачи

Что произойдёт с водяным паром при его попадании в жидкий кислород?

Решение

Дисциплина, к которой относится эта задача, – физическая химия (с элементами термодинамики и кинетики фазовых переходов).

Рассмотрим процесс подробнее.

При попадании водяного пара (H₂O (g)) в жидкий кислород (O₂ (l)) происходит резкое охлаждение пара за счёт крайне низкой температуры жидкого кислорода (примерно 90 К, что приблизительно –183 °С). Такое резкое охлаждение приводит к следующей последовательности фазовых превращений:

1. Конденсация: при снижении температуры водяной пар достигает точки, когда пары H₂O начинают переходить в жидкую фазу. Этот процесс протекает с выделением теплоты конденсации, которую жидкий кислород отводит своим холодным состоянием.

2. Замерзание: поскольку температура жидкого кислорода значительно ниже температуры замерзания воды (273,15 К), жидкая вода сразу при контакте с жидким кислородом быстро превращается в лёд. То есть водяной пар сначала конденсируется в воду, а затем мгновенно замерзает.

Важно отметить, что при этих условиях химическая реакция не происходит, так как H₂O и O₂ не вступают в реакцию между собой при данных температурах. Процесс определяется чисто термодинамическими причинами, связанными с потерей теплоты водяного пара, которая необходима для поддержания его газообразного состояния.

Если обозначить массу водяного пара как m, теплота, выделяемая при конденсации, можно записать как

Q₍ₖₒₙ₍ₑₙ₎₎ = m · L₍ₖₒₙ₎

где L₍ₖₒₙ₎ – удельная теплота конденсации. Далее для замерзания выделяется теплота замерзания, равная

Q₍зₐₘₑᵣ₎ = m · L₍зₐₘₑᵣ₎.

Таким образом, суммарное выделение теплоты позволяет осуществить оба перехода: сначала газ → жидкость, затем жидкость → твёрдое состояние.

Ответ: При попадании водяного пара в жидкий кислород пар сначала конденсируется, а затем замерзает, переходя в твердое состояние (лёд).