Специфична топлина на изгаряне на лед. Молекулярна физика

Енергията, която тялото получава или губи по време на пренос на топлина, се нарича количество топлина. Обозначава се с буквата Q и се измерва в джаули (J).

Количеството топлина, необходимо за загряване на тялото (или освободено от него, когато се охлади),
зависи от вида на веществото, от което е съставено, от масата на това тяло и от промяната в неговата температура.

За да изчислите количеството топлина, необходимо за загряване на тялото или освободено от него по време на охлаждане, трябва да умножите специфичния топлинен капацитет на веществото по масата на тялото и разликата между неговите по-високи и по-ниски температури.

Където c е специфичният топлинен капацитет на дадено вещество, m е неговата маса, t 1 е началната температура на тялото, t 2 е неговата крайна температура.

Физическата величина, показваща колко топлина е необходима за промяна на температурата на тяло от дадено вещество с тегло 1 kg с 1 ° C, се нарича специфичен топлинен капацитет. Измерва се в J / (kg ºС).

По правило металите имат нисък специфичен топлинен капацитет, така че бързо се нагряват и също толкова бързо се охлаждат.

Преходът на вещество от твърдо в течно състояние се нарича топене. Температурата, при която веществото се топи, се нарича точка на топене на веществото. Преходът на вещество от течно в твърдо състояние се нарича втвърдяване или кристализация. Температурата, при която веществото се втвърдява (кристализира), се нарича температура на втвърдяване или кристализация. Веществата се втвърдяват при същата температура, при която се топят. Температурата на топене и кристализация зависи от атмосферното налягане: колкото по-високо е налягането, толкова по-висока е точката на топене. Следователно в таблицата стойностите на точката на топене са представени при нормално атмосферно налягане.

Физическата величина, показваща колко топлина трябва да се предаде на кристално тяло с тегло 1 kg, за да бъде напълно преведено в течно състояние при точката на топене, се нарича специфична топлина на топене. Обозначава се с буквата λ и се измерва в J/kg.

Количеството топлина, необходимо за стопяване на вещество с маса m, взето при точката на топене, се изчислява по формулата: Q=λ·m.

За да се изчисли количеството топлина в тези процеси, стойностите на конкретните количества са дадени в таблици.

Процесът на топене винаги протича с поглъщане на енергия, обратният процес протича с освобождаването на енергия. В този случай, тъй като температурата остава постоянна по време на процеса на топене, средната кинетична енергия на хаотичното движение на молекулите не се променя, но се променя потенциалната енергия на тяхното взаимодействие.

молекулярно взаимодействие.

В загрят съд едновременно присъстват и лед, и вода - две агрегатни състояния на едно и също вещество, докато целият лед се разтопи. След това получената вода се загрява. Тъй като специфичният топлинен капацитет на водата е по-голям от специфичния топлинен капацитет на леда, водата се нагрява по-бавно, наклонът на линията е по-малък.

В предишния параграф разгледахме графиката на топенето и втвърдяването на леда. Графиката показва, че докато ледът се топи, температурата му не се променя (виж фиг. 18). И едва след като целият лед се разтопи, температурата на получената течност започва да се повишава. Но в края на краищата, дори по време на процеса на топене, ледът получава енергия от горивото, което изгаря в нагревателя. А от закона за запазване на енергията следва, че тя не може да изчезне. Каква е консумацията на енергия на горивото по време на топенето?

Знаем, че в кристалите молекулите (или атомите) са подредени в строг ред. Въпреки това, дори в кристалите те са в топлинно движение (осцилират). Когато тялото се нагрява, средната скорост на молекулите се увеличава. Следователно тяхната средна кинетична енергия и температура също се увеличават. На графиката това е секция AB (виж фиг. 18). В резултат на това обхватът на вибрациите на молекулите (или атомите) се увеличава. Когато тялото се нагрее до температурата на топене, редът в подреждането на частиците в кристалите ще бъде нарушен. Кристалите губят формата си. Вещество се топи, преминавайки от твърдо в течно състояние.

Следователно цялата енергия, която кристалното тяло получава, след като вече е нагряло до точката на топене, се изразходва за разрушаването на кристала. В тази връзка телесната температура престава да се повишава. На графиката (виж фиг. 18) това е участъкът BC.

Експериментите показват, че за превръщането на различни кристални вещества с еднаква маса в течност с точка на топене е необходимо различно количество топлина.

Физическата величина, показваща колко топлина трябва да се предаде на кристално тяло с тегло 1 kg, за да бъде напълно преведено в течно състояние при точката на топене, се нарича специфична топлина на топене.

Специфичната топлина на топене се обозначава с λ (гръцка буква "ламбда"). Неговата единица е 1 J/kg.

Определете специфичната топлина на топене в експеримента. Така беше установено, че специфичната топлина на топене на леда е 3,4 10 5 - . Това означава, че за превръщането на парче лед с тегло 1 kg, взето при 0 °C, във вода със същата температура, са необходими 3,4 10 5 J енергия. И за да се стопи олово с тегло 1 kg, взето при точката му на топене, ще са необходими 2,5 10 4 J енергия.

Следователно при точката на топене вътрешната енергия на вещество в течно състояние е по-голяма от вътрешната енергия на същата маса вещество в твърдо състояние.

За да се изчисли количеството топлина Q, необходимо за стопяване на кристално тяло с маса m, взето при температурата му на топене и нормално атмосферно налягане, специфичната топлина на сливане λ трябва да се умножи по масата на тялото m:

От тази формула може да се определи, че

λ = Q / m, m = Q / λ

Експериментите показват, че по време на втвърдяването на кристално вещество се отделя точно същото количество топлина, което се абсорбира при неговото топене. И така, по време на втвърдяването на вода с тегло 1 kg при температура 0 ° C се отделя количество топлина, равно на 3,4 10 5 J. Точно същото количество топлина е необходимо за топенето на лед с тегло 1 kg при температура от 0°С.

Когато веществото се втвърди, всичко се случва в обратен ред. Скоростта, а оттам и средната кинетична енергия на молекулите в охладено разтопено вещество намаляват. Привлекателните сили вече могат да държат бавно движещи се молекули близо една до друга. В резултат на това подреждането на частиците става подредено - образува се кристал. Освободената по време на кристализация енергия се използва за поддържане на постоянна температура. На графиката това е секцията EF (виж фиг. 18).

Кристализацията се улеснява, ако някакви чужди частици, като прахови частици, присъстват в течността от самото начало. Те се превръщат в центрове на кристализация. При нормални условия в течност има много центрове на кристализация, в близост до които се получава образуването на кристали.

Таблица 4
Специфична топлина на сливане на определени вещества (при нормално атмосферно налягане)

По време на кристализацията енергията се освобождава и се прехвърля към околните тела.

Количеството топлина, отделяно при кристализацията на тяло с маса m, също се определя от формулата

В този случай вътрешната енергия на тялото намалява.

Пример. За да приготви чай, туристът поставя в тенджерата лед с тегло 2 кг и температура 0°C. Колко топлина е необходима, за да се превърне този лед във вряща вода при 100°C? Енергията, изразходвана за нагряване на чайника, не се взема предвид.

Какво количество топлина би било необходимо, ако вместо лед турист вземе вода със същата маса при същата температура от дупката?

Нека запишем условието на задачата и да я решим.

Въпроси

1. Как да обясним процеса на топене на тялото на базата на учението за структурата на материята?
2. За какво се изразходва енергията на горивото при топенето на кристално тяло, загрято до точката на топене?
3. Каква е специфичната топлина на синтез?
4. Как да обясним процеса на втвърдяване въз основа на учението за структурата на материята?
5. Как се изчислява количеството топлина, необходимо за стопяване на кристално тяло, взето при точката на топене?
6. Как да изчислим количеството топлина, отделяно по време на кристализацията на тяло, което има точка на топене?

Упражнение 12

Упражнение

1. Поставете две еднакви кутии на печката. В едната налейте вода с тегло 0,5 кг, в другата сложете няколко кубчета лед със същата маса. Обърнете внимание колко време отнема водата в двата буркана да заври. Напишете кратък отчет за вашия опит и обяснете резултатите.
2. Прочетете параграфа „Аморфни тела. Топене на аморфни тела". Подгответе доклад за него.

Топене

ТопенеТова е процес на преминаване на вещество от твърдо в течно състояние.

Наблюденията показват, че ако натрошен лед, който има например температура от 10 ° C, се остави в топла стая, тогава температурата му ще се повиши. При 0 °C ледът ще започне да се топи и температурата няма да се промени, докато целият лед не се превърне в течност. След това температурата на водата, образувана от леда, ще се повиши.

Това означава, че кристалните тела, които включват лед, се топят при определена температура, която се нарича точка на топене. Важно е по време на процеса на топене температурата на кристалното вещество и течността, образувана при топенето му, да остане непроменена.

В описания по-горе експеримент ледът получи определено количество топлина, вътрешната му енергия се увеличи поради увеличаване на средната кинетична енергия на движението на молекулите. Тогава ледът се стопи, температурата му не се промени, въпреки че ледът получи известно количество топлина. Следователно вътрешната му енергия се увеличава, но не поради кинетичната, а поради потенциалната енергия на взаимодействието на молекулите. Получената отвън енергия се изразходва за разрушаване на кристалната решетка. По същия начин се случва топенето на всяко кристално тяло.

Аморфните тела нямат специфична точка на топене. С повишаване на температурата те постепенно омекват, докато се превърнат в течност.

Кристализация

Кристализацияе процесът, при който веществото преминава от течно състояние в твърдо състояние. Охлаждайки, течността ще отдели определено количество топлина на околния въздух. В този случай вътрешната му енергия ще намалее поради намаляване на средната кинетична енергия на неговите молекули. При определена температура ще започне процесът на кристализация, по време на този процес температурата на веществото няма да се промени, докато цялото вещество не премине в твърдо състояние. Този преход е придружен от отделяне на определено количество топлина и съответно намаляване на вътрешната енергия на веществото поради намаляване на потенциалната енергия на взаимодействие на неговите молекули.

По този начин преминаването на вещество от течно състояние в твърдо състояние се извършва при определена температура, наречена температура на кристализация. Тази температура остава постоянна през целия процес на топене. Тя е равна на точката на топене на това вещество.

Фигурата показва графика на зависимостта на температурата на твърдо кристално вещество от времето в процеса на нагряване от стайна температура до точката на топене, топене, нагряване на веществото в течно състояние, охлаждане на течната субстанция, кристализация и последващо охлаждане на веществото в твърдо състояние.

Специфична топлина на топене

Различните кристални вещества имат различна структура. Съответно, за да се разруши кристалната решетка на твърдо вещество при точката на топене, е необходимо да се информира за различно количество топлина.

Специфична топлина на топенее количеството топлина, което трябва да се придаде на 1 kg кристално вещество, за да се превърне в течност при точката на топене. Опитът показва, че специфичната топлина на синтез е специфична топлина на кристализация .

Специфичната топлина на топене се обозначава с буквата λ . Единица за специфична топлина на топене - [λ] = 1 J/kg.

Стойностите на специфичната топлина на топене на кристални вещества са дадени в таблицата. Специфичната топлина на топене на алуминия е 3,9 * 10 5 J / kg. Това означава, че за топенето на 1 kg алуминий при температурата на топене е необходимо да се изразходва количество топлина от 3,9 * 10 5 J. Увеличението на вътрешната енергия на 1 kg алуминий е равно на същата стойност.

За изчисляване на количеството топлина В, необходимо за стопяване на вещество с маса м, взета при точката на топене, следва специфичната топлина на топене λ умножете по масата на веществото: Q = λm.

Същата формула се използва при изчисляване на количеството топлина, отделена по време на кристализацията на течност.

Резюме на урока „Топене и кристализация. Специфична топлина на топене”.

Във физиката топенето е преход на вещество от твърдо в течно състояние. Класически примери за процеса на топене са топенето на леда и превръщането на твърдо парче калай в течна спойка при нагряване с поялник. Предаването на определено количество топлина към тялото води до промяна в агрегатното му състояние.

Защо твърдото вещество става течно?

Нагряването на твърдо тяло води до увеличаване на кинетичната енергия на атомите и молекулите, които при нормална температура са ясно разположени в възлите на кристалната решетка, което позволява на тялото да поддържа постоянна форма и размер. Когато се достигнат определени критични скорости, атомите и молекулите започват да напускат местата си, връзките се разрушават, тялото започва да губи формата си – става течно. Процесът на топене не протича рязко, а постепенно, така че за известно време твърдите и течните компоненти (фази) са в равновесие. Топенето се отнася до ендотермични процеси, тоест до тези, които протичат с поглъщането на топлина. Обратният процес, когато течността се втвърди, се нарича кристализация.

Ориз. 1. Преход на твърдо, кристално състояние на материята в течна фаза.

Установено е, че до края на процеса на топене температурата не се променя, въпреки че топлината се подава през цялото време. Тук няма противоречие, тъй като постъпващата енергия през този период от време се изразходва за разрушаване на кристалните връзки на решетката. След разрушаването на всички връзки притокът на топлина ще увеличи кинетичната енергия на молекулите и следователно температурата ще започне да се повишава.

Ориз. 2. Графика на телесната температура спрямо времето за нагряване.

Определяне на специфичната топлина на топене

Специфичната топлина на сливане (означава се с гръцката буква “ламбда” - λ) е физическа величина, равна на количеството топлина (в джаули), което трябва да се предаде на твърдо тяло с тегло 1 kg, за да се предаде напълно на течна фаза. Формулата за специфичната топлина на топене е:

$$ λ =(Q \над m)$$

m е масата на топещото се вещество;

Q е количеството топлина, предадено на веществото по време на топенето.

Стойностите за различните вещества се определят експериментално.

Знаейки λ, можем да изчислим количеството топлина, което трябва да бъде предадено на тяло с маса m за пълното му топене:

В какви единици се измерва специфичната топлина на топене?

Специфичната топлина на сливане в SI (Международна система) се измерва в джаули на килограм, J / kg. За някои задачи се използва извънсистемна мерна единица - килокалория на килограм, kcal / kg. Припомнете си, че 1 kcal = 4,1868 J.

Специфична топлина на топене на някои вещества

Информация за специфичните топлинни стойности за определено вещество може да бъде намерена в справочници на книги или в електронни версии на интернет ресурси. Обикновено те се представят под формата на таблица:

Специфична топлина на топене на вещества

Едно от най-огнеупорните вещества е танталовият карбид - TaC. Топи се при температура 3990 0 C. TaC покритията се използват за защита на метални форми, в които се отливат алуминиеви части.

Ориз. 3. Процес на топене на метал.

Какво научихме?

Научихме, че преходът от твърдо към течно се нарича топене. Топенето става чрез прехвърляне на топлина към твърдо вещество. Специфичната топлина на топене показва колко топлина (енергия) е необходима на твърдо вещество с тегло 1 kg, за да го превърне в течно състояние.

Тематична викторина

Доклад за оценка

Среден рейтинг: 4.7. Общо получени оценки: 217.

Всеки знае, че водата може да се намери в природата в три агрегатни състояния – твърдо, течно и газообразно. По време на топенето твърдият лед се превръща в течност, а при по-нататъшно нагряване течността се изпарява, образувайки водна пара. Какви са условията за топене, кристализация, изпаряване и кондензация на водата? При каква температура се топи или образува пара? Ще говорим за това в тази статия.

Това не означава, че водната пара и ледът са рядкост в ежедневието. Най-разпространено обаче е течното състояние – обикновена вода. Експерти са установили, че нашата планета е повече от 1 милиард кубически километра вода. Въпреки това, не повече от 3 милиона км 3 вода принадлежат към сладководни водоеми. Доста голямо количество прясна вода "почива" в ледниците (около 30 милиона кубически километра). Въпреки това, топенето на леда на такива огромни блокове далеч не е лесно. Останалата част от водата е солена, принадлежаща към моретата на океаните.

Водата заобикаля съвременния човек навсякъде, по време на повечето ежедневни процедури. Мнозина вярват, че водните ресурси са неизчерпаеми и човечеството винаги ще може да използва ресурсите на земната хидросфера. Това обаче не е така. Водните ресурси на нашата планета постепенно се изчерпват и след няколкостотин години прясна вода на Земята може изобщо да не остане. Следователно абсолютно всеки човек трябва да се грижи за прясната вода и да я пести. В крайна сметка дори в наше време има държави, в които запасите от вода са катастрофално малки.

Водни свойства

Преди да говорим за температурата на топене на леда, си струва да разгледаме основните свойства на тази уникална течност.

Така че водата има следните свойства:

• Липса на цвят.
• Липса на миризма.
• Липса на вкус (но висококачествената питейна вода има добър вкус).
• Прозрачност.
• Течност.
• Способността за разтваряне на различни вещества (например соли, основи и др.).
• Водата няма своя постоянна форма и е в състояние да приеме формата на съда, в който влиза.
• Възможността за пречистване чрез филтриране.
• Водата се разширява при нагряване и се свива при охлаждане.
• Водата може да се изпари, за да стане пара и да замръзне, за да образува кристален лед.

Този списък представя основните свойства на водата. Сега нека да разберем какви са характеристиките на твърдото агрегатно състояние на това вещество и при каква температура се топи ледът.

Ледът е твърдо кристално вещество, което има доста нестабилна структура. Той, подобно на водата, е прозрачен, безцветен и без мирис. Ледът също има свойства като чупливост и хлъзгавост; студено е на допир.

Снегът също е замръзнала вода, но има рохкава структура и е бял на цвят. Сняг вали всяка година в повечето страни по света.

И снегът, и ледът са изключително нестабилни вещества. Не са необходими много усилия, за да разтопите леда. Кога започва да се топи?

В природата твърдият лед съществува само при температури от 0 °C и по-ниски. Ако температурата на околната среда се повиши и стане повече от 0 °C, ледът започва да се топи.

При температура на топене на леда, при 0 ° C, протича друг процес - замръзване или кристализация на течна вода.

Този процес може да се наблюдава от всички жители на умерено-континенталния климат. През зимата, когато температурата навън падне под 0 °C, често вали сняг и не се топи. И течната вода, която беше по улиците, замръзва, превръщайки се в твърд сняг или лед. През пролетта можете да видите обратния процес. Температурата на околната среда се повишава, така че ледът и снегът се топят, образувайки множество локви и кал, което може да се счита за единствения недостатък на пролетното затопляне.

По този начин можем да заключим, че при каква температура ледът започва да се топи, при същата температура започва процесът на замръзване на водата.

Количество топлина

В наука като физиката често се използва концепцията за количеството топлина. Тази стойност показва количеството енергия, необходимо за нагряване, топене, кристализация, кипене, изпаряване или кондензация на различни вещества. Освен това всеки от тези процеси има свои собствени характеристики. Нека поговорим за това колко топлина е необходима за загряване на леда при нормални условия.

За да загреете леда, първо трябва да го разтопите. Това изисква количеството топлина, необходимо за стопяване на твърдото вещество. Топлината е равна на произведението от масата на леда и специфичната топлина на топенето му (330-345 хиляди джаула / кг) и се изразява в джаули. Да предположим, че са ни дадени 2 кг твърд лед. По този начин, за да го стопим, имаме нужда от: 2 kg * 340 kJ / kg = 680 kJ.

След това трябва да загреем получената вода. Количеството топлина за този процес ще бъде малко по-трудно да се изчисли. За да направите това, трябва да знаете началната и крайната температура на загрятата вода.

И така, да кажем, че трябва да загреем водата, получена от топенето на леда, с 50 ° C. Това означава, че разликата между началната и крайната температура = 50 °C (начална температура на водата - 0 °C). След това трябва да умножите температурната разлика по масата на водата и нейния специфичен топлинен капацитет, който е равен на 4200 J * kg / ° C. Тоест, количеството топлина, необходимо за загряване на водата = 2 kg * 50 °C * 4200 J*kg/°C = 420 kJ.

След това получаваме, че за топенето на леда и последващото нагряване на получената вода се нуждаем от: 680 000 J + 420 000 J = 1 100 000 джаула или 1,1 мегаджаула.

Знаейки при каква температура се топи ледът, можете да решите много трудни задачи по физика или химия.

Най-накрая

И така, в тази статия научихме някои факти за водата и двете й агрегатни състояния - твърдо и течно. Водната пара обаче е също толкова интересен обект за изследване. Например, нашата атмосфера съдържа приблизително 25*10 16 кубически метра водна пара. Освен това, за разлика от замръзване, изпаряването на водата се случва при всяка температура и се ускорява при нагряване или при наличие на вятър.

Научихме при каква температура ледът се топи и течната вода замръзва. Такива факти винаги ще ни бъдат полезни в ежедневието, тъй като водата ни заобикаля навсякъде. Важно е винаги да помните, че водата, особено прясната вода, е изтощителен ресурс на Земята и трябва да се третира внимателно.