Температура плавлення позначається літерою. Питома теплота плавлення

Плавлення - перехід тіла з твердого кристалічного стану в рідке. Плавання відбувається з поглинанням питомої теплоти плавлення та є фазовим переходом першого роду.

Здатність плавитися відноситься до фізичних властивостей речовини

При нормальному тиску, найбільшу температуру плавлення серед металів має вольфрам (3422 ° C), простих речовин взагалі - вуглець (за різними даними 3500 - 4500 ° C) а серед довільних речовин - карбід гафнію HfC (3890 ° C). Можна вважати, що найнижчою температурою плавлення має гелій: при нормальному тиску він залишається рідким при будь-яких низьких температурах.

Багато речовин при нормальному тиску немає рідкої фази. При нагріванні вони шляхом сублімації одразу переходять у газоподібний стан.

Малюнок 9 - Плавлення льоду

Кристалізація - процес фазового переходу речовини з рідкого стану в твердий кристалічний з утворенням кристалів.

Фазою називається однорідна частина термодинамічної системи відокремлена від інших частин системи (інших фаз) поверхнею розділу, при переході через яку хімічний склад, структура та властивості речовини змінюються стрибками.

Малюнок 10 - Кристалізація води з утворенням льоду

Кристалізація - це процес виділення твердої фази у вигляді кристалів з розчинів або розплавів, в хімічній промисловості процес кристалізації використовується для отримання речовин у чистому вигляді.

Кристалізація починається при досягненні деякої граничної умови, наприклад, переохолодження рідини або перенасичення пари, коли практично миттєво виникає безліч дрібних кристаликів - центрів кристалізації. Кристаліки ростуть, приєднуючи атоми чи молекули з рідини чи пари. Зростання граней кристала відбувається пошарово, краї незавершених атомних шарів (сходи) при зростанні рухаються вздовж грані. Залежність швидкості зростання від умов кристалізації призводить до різноманітності форм росту та структури кристалів (багатогранні, пластинчасті, голчасті, скелетні, дендритні та інші форми, структури олівця і т. д.). У процесі кристалізації неминуче виникають різноманітні дефекти.

На число центрів кристалізації та швидкість зростання значно впливає ступінь переохолодження.

Ступінь переохолодження - рівень охолодження рідкого металу нижче за температуру переходу його в кристалічну (тверду) модифікацію. Вона необхідна компенсації енергії прихованої теплоти кристалізації. Первинною кристалізацією називається утворення кристалів у металах (і сплавах) при переході з рідкого стану у тверде.

Питома теплота плавлення (також: ентальпія плавлення; також існує рівнозначне поняття питома теплота кристалізації) - кількість теплоти, яку необхідно повідомити одній одиниці маси кристалічної речовини в рівноважному ізобарно-ізотермічному процесі, щоб перевести його з твердого (кристалічного) стану в рідкий (то кількість теплоти виділяється при кристалізації речовини).

Кількість теплоти при плавленні або кристалізації: Q = мл

Випаровування та кипіння. Питома теплота пароутворення

Випаровування - процес переходу речовини з рідкого стану в газоподібний (пар). Процес випаровування є зворотним процесом конденсації (перехід з пароподібного стану в рідкий. Випаровування (пароутворення), перехід речовини з конденсованої (твердої або рідкої) фази в газоподібну (пар); фазовий перехід першого роду.

Існує більш розгорнуте поняття випаровування у вищій фізиці

Випар - це процес, при якому з поверхні рідини або твердого тіла вилітають (відриваються) частинки (молекули, атоми), при цьому Ek > Eп.

Малюнок 11 - Випаровування над кухлем чаю

Питома теплота випаровування (пароутворення) (L) – фізична величина, що показує кількість теплоти, яку необхідно повідомити 1 кг речовини, взятої за температури кипіння, щоб перевести його з рідкого стану в газоподібний. Питома теплота випаровування вимірюється Дж/кг.

Кипіння - процес пароутворення в рідині (перехід речовини з рідкого в газоподібний стан), з виникненням меж поділу фаз. Температура кипіння при атмосферному тиску наводиться зазвичай як одна з основних фізико-хімічних характеристик хімічно чистої речовини.

Кипіння є фазовим переходом першого роду. Кипіння відбувається набагато інтенсивніше, ніж випаровування з поверхні, через утворення вогнищ пароутворення, зумовлених як досягнутою температурою кипіння, і наявністю домішок.

На процес утворення бульбашок можна впливати за допомогою тиску, звукових хвиль, іонізації. Зокрема, саме на принципі закипання мікрооб'ємів рідини від іонізації при проходженні заряджених частинок працює бульбашкова камера.

Малюнок 12 - Кипляча вода

Кількість теплоти при кипінні, випаровуванні рідини та конденсації пари: Q=mL

Енергія, яку тіло отримує чи втрачає при теплопередачі, називається кількістю теплоти. Позначається буквою Q та вимірюється в джоулях (Дж).

Кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла (або виділене ним при охолодженні),
залежить від роду речовини, з якої воно складається, від маси цього тіла та від зміни його температури.

Щоб підрахувати кількість теплоти, необхідну для нагрівання тіла або виділене ним при охолодженні, потрібно питому теплоємність речовини помножити на масу тіла і на різницю між більшою та меншою його температурами.

Де з – питома теплоємність цієї речовини, m – його маса, t 1 -початкова температура тіла, t 2 - його кінцева температура.

Фізична величина, що показує, скільки теплоти потрібно зміни температури тіла з цієї речовини масою 1 кг на 1 °З, називається питомої теплоємність. Вимірюється в Дж/(кг·ºС).

Як правило, метали мають низьку питому теплоємність, тому вони швидко нагріваються і також швидко остигають.

Перехід речовини з твердого стану в рідке називають плавленням. Температуру, за якої речовина плавиться, називають температурою плавлення речовини. Перехід речовини з рідкого стану в тверде називають затвердінням або кристалізацією. Температуру, при якій речовина твердне (кристалізується), називають температурою твердіння або кристалізації. Речовини тверднуть при тій же температурі, за якої плавляться. Температура плавлення та кристалізації залежить від атмосферного тиску: чим вищий тиск, тим вища температура плавлення. Тому в таблиці значення температури плавлення представлені за нормального атмосферного тиску.

Фізична величина, що показує, скільки теплоти необхідно повідомити кристалічному тілу масою 1 кг, щоб при температурі плавлення повністю перевести його в рідкий стан, називається питомою теплотою плавлення. Позначається буквою λ і вимірюється Дж/кг.

Кількість теплоти, необхідне плавлення речовини маси m, взятого при температурі плавлення, розраховується за такою формулою: Q=λ·m.

Для розрахунку кількості теплоти в даних процесах значення питомих величин наведено в таблицях.

Процес плавлення завжди протікає при поглинанні енергії, процес зворотний йде з виділенням енергії. У цьому, оскільки у процесі плавлення температура залишається постійної, середня кінетична енергія хаотичного руху молекул не змінюється, змінюється потенційна енергія взаємодії.

молекулярної взаємодії.

У посудині, що нагрівається, одночасно присутній і лід і вода - два агрегатних стану однієї і тієї ж речовини, доки не розтане весь лід. Далі, нагрівається вода, що утворилася. Так як питома теплоємність води більша, ніж питома теплоємність льоду, вода нагрівається повільніше, кут нахилу лінії менше.

На цьому уроці ми вивчимо поняття «питома теплота плавлення». Ця величина характеризує кількість теплоти, яку необхідно повідомити 1 кг речовини за температури плавлення, щоб вона з твердого стану перейшла в рідке (або навпаки).

Ми вивчимо формулу для знаходження кількості теплоти, яка потрібна для плавлення (або виділяється при кристалізації) речовини.

Тема: Агрегатні стани речовини

Урок: Питома теплота плавлення

Цей урок присвячений основній характеристиці плавлення (кристалізації) речовини - питомій теплоті плавлення.

На минулому уроці ми торкалися питання: як змінюється внутрішня енергія тіла під час плавлення?

Ми з'ясували, що під час підведення теплоти внутрішня енергія тіла зростає. Разом з тим ми знаємо, що внутрішня енергія тіла може характеризуватись таким поняттям, як температура. Як нам відомо, при плавленні температура не змінюється. Тому може виникнути підозра, що маємо справу з парадоксом: внутрішня енергія збільшується, а температура не змінюється.

Пояснення цього факту досить просте: вся енергія витрачається на руйнування кристалічних ґрат. Аналогічно і у зворотному процесі: при кристалізації молекули речовини поєднуються в єдину систему, при цьому надлишок енергії віддається і поглинається довкіллям.

В результаті різних експериментів вдалося встановити, що для однієї і тієї ж речовини потрібна різна кількість теплоти, щоб перевести його з твердого стану в рідкий.

Тоді було вирішено порівняти ці кількості теплоти за однакової маси речовини. Це призвело до появи такої характеристики, як питома теплота плавлення.

Визначення

Питома теплота плавлення- кількість теплоти, яку необхідно повідомити 1 кг речовини, нагрітій до температури плавлення, щоб перевести його з твердого стану в рідкий.

Така сама величина виділяється і при кристалізації 1 кг речовини.

Позначається питома теплота плавлення (грецька буква, читається як «лямбда» чи «ламбда»).

Одиниці виміру: . У разі у розмірності відсутня температура, оскільки за плавленні (кристалізації) температура не змінюється.

Для обчислення кількості теплоти, необхідної для плавлення речовини, використовується формула:

Кількість теплоти (Дж);

Питома теплота плавлення (що шукається по таблиці;

Маса речовини.

Коли тіло кристалізується, пишеться зі знаком «-», оскільки тепло виділяється.

Як приклад можна навести питому теплоту плавлення льоду:

. Або питому теплоту плавлення заліза:

.

Те, що питома теплота плавлення льоду вийшла більшою за питому теплоту плавлення заліза, не повинно дивувати. Кількість теплоти, яка потрібна тій чи іншій речовині для плавлення, залежить від характеристик речовини, зокрема, від енергії зв'язків між частинками даної речовини.

На цьому уроці ми розглянули поняття питомої теплоти плавлення.

На наступному уроці ми навчимося вирішувати завдання на нагрівання та плавлення кристалічних тіл.

Список літератури

1. Генденштейн Л. Е., Кайдалов А. Б., Кожевніков В. Б. Фізика 8 / За ред. Орлова В. А., Ройзена І. І. – М.: Мнемозіна.
2. Перишкін А. В. Фізика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадєєва А. А., Засов А. В., Кисельов Д. Ф. Фізика 8. - М: Просвітництво.

1. Фізика, механіка тощо ().
2. Класна фізика ().
3. Інтернет-портал Kaf-fiz-1586.narod.ru().

Домашнє завдання

Перехід речовини з твердого кристалічного стану в рідке називається плавленням. Щоб розплавити тверде кристалічне тіло, його потрібно нагріти до певної температури, тобто підвести тепло.Температура, за якої речовина плавиться, називаєтьсятемпературою плавлення речовини.

Зворотний процес - перехід з рідкого стану в твердий - відбувається при зниженні температури, тобто тепло відводиться. Перехід речовини з рідкого стану в твердий називаєтьсязатвердінням , або кристаллізацією . Температура, за якої речовина кристалізується, називаєтьсятемпературою кристаліції .

Досвід показує, що будь-яка речовина кристалізується і плавиться за однієї і тієї ж температури.

На малюнку представлений графік залежності температури кристалічного тіла (льоду) від часу нагрівання (від точки Адо точки D)та часу охолодження (від точки Dдо точки K). На ньому горизонтальною осі відкладено час, а вертикальною — температура.

З графіка видно, що спостереження за процесом почалося з моменту, коли температура льоду була -40 ° С, або, як кажуть, температура в початковий момент часу tпоч= -40 ° С (крапка Ана графіку). При подальшому нагріванні температура льоду зростає (на графіці це ділянка АВ). Збільшення температури відбувається до 0 ° С - температури плавлення льоду. При 0°С лід починає плавитися, яке температура перестає зростати. Протягом усього часу плавлення (тобто поки весь лід не розплавиться) температура льоду не змінюється, хоча пальник продовжує горіти і тепло, отже, підводиться. Процесу плавлення відповідає горизонтальна ділянка графіка НД . Тільки після того, як весь лід розплавиться і перетвориться на воду, температура знову починає підніматися (ділянка CD). Після того, як температура води досягне +40 °С, пальник гасять і воду починають охолоджувати, тобто тепло відводять (для цього можна посудину з водою помістити в іншу, більшу посудину з льодом). Температура води починає знижуватись (ділянка DE). При досягненні температури 0 °С температура води перестає знижуватися, незважаючи на те, що тепло, як і раніше, відводиться. Це йде процес кристалізації води - утворення льоду (горі-зонтальна ділянка EF). Поки вся вода не перетвориться на кригу, температура не зміниться. Лише після цього починає зменшуватись температура льоду (ділянка FK).

Вигляд розглянутого графіка пояснюється так. На ділянці АВзавдяки теплу, що підводиться, середня кінетична енергія молекул льоду збільшується, і температура його підвищується. На ділянці НДвся енергія, одержувана вмістом колби, витрачається на руйнування кристалічних ґрат льоду: упорядковане просторове розташування його молекул змінюється невпорядкованим, змінюється відстань між молекулами, тобто. відбувається перебудова молекул таким чином, що речовина стає рідкою. Середня кінетична енергія молекул при цьому не змінюється, тому незмінною залишається і температура. Подальше підвищення температури розплавленої льоду-води (на ділянці CD) означає збільшення кінетичної енергії молекул води внаслідок тепла, що підводиться пальником.

При охолодженні води (ділянка DE) частина енергії у неї відбирається, молекули води рухаються з меншими швидкостями, їхня середня кінетична енергія падає — температура зменшується, вода охолоджується. При 0°С (горизонтальна ділянка EF) молекули починають шикуватися в певному порядку, утворюючи кристалічну решітку. Поки цей процес не завершиться, температура речовини не зміниться, незважаючи на тепло, що відводиться, а це означає, що при отвер-деваніі рідина (вода) виділяє енергію. Це якраз та енергія, яку поглинув лід, перетворюючись на рідину (ділянка) НД). Внутрішня енергія у рідини більша, ніж у твердого тіла. При плавленні (і кристалізації) внутрішня енергія тіла змінюється стрибком.

Метали, що плавляться за температури вище 1650 ºС, називають тугоплавкими(титан, хром, молібден та ін.). Найвища температура плавлення серед них у вольфраму – близько 3400 °С. Тугоплавкі метали та їх сполуки використовують як жароміцні матеріали в літакобудуванні, ракетобудуванні та космічній техніці, атомній енергетиці.

Наголосимо ще раз, що при плавленні речовина поглинає енергію. При кристалізації воно, навпаки, віддає їх у довкілля. Отримуючи певну кількість теплоти, що виділяється при кристалізації, нагрівається середовище. Це добре відомо багатьом птахам. Недаром їх можна помітити взимку в морозну погоду тими, хто сидить на льоду, який покриває річки та озера. Через виділення енергії при утворенні льоду повітря над ним виявляється на кілька градусів теплішим, ніж у лісі на деревах, і птахи цим користуються.

Плавлення аморфних речовин.

Наявність певної точки плавлення- Це важлива ознака кристалічних речовин. Саме за цією ознакою їх легко відрізнити від аморфних тіл, які також відносять до твердих тіл. До них, зокрема, належать шибки, дуже в'язкі смоли, пластмаси.

Аморфні речовини(на відміну від кристалічних) немає певної температури плавлення — де вони плавляться, а размягчаются. При нагріванні шматок скла, наприклад, спочатку стає з твердого м'яким, його легко можна гнути або розтягувати; при вищій температурі шматок починає змінювати свою форму під впливом своєї тяжкості. У міру нагрівання густа в'язка маса набуває форми тієї судини, в якій лежить. Ця маса спочатку густа, як мед, потім як сметана і, нарешті, стає майже такою ж малов'язкою рідиною, як вода. Проте вказати певну температуру переходу твердого тіла у рідке тут неможливо, оскільки її немає.

Причини цього лежать у корінному відмінності будови аморфних тіл від кристалічних будови. Атоми в аморфних тілах розташовані безладно. Аморфні тіла за своєю будовою нагадують рідину. Вже у твердому склі атоми розташовані безладно. Значить, підвищення температури скла лише збільшує розмах коливань його молекул, дає їм поступово дедалі більшу і більшу свободу переміщення. Тому скло розм'якшується поступово і не виявляє різкого переходу "тверде-рідке", характерного для переходу від розташування молекул у строгому порядку до безладного.

Теплота плавлення.

Теплота плавлення— це кількість теплоти, яку необхідно повідомити речовині при постійному тиску та постійній температурі, що дорівнює температурі плавлення, щоб повністю перевести його з твердого кристалічного стану в рідкий. Теплота плавлення дорівнює тій кількості теплоти, яка виділяється при кристалізації речовини з рідкого стану. При плавленні вся теплота, що підводиться до речовини, йде на збільшення потенційної енергії його молекул. Кінетична енергія не змінюється, оскільки плавлення йде за постійної температури.

Вивчаючи на досвіді плавлення різних речовин однієї і тієї ж маси, можна помітити, що для перетворення їх на рідину потрібна різна кількість теплоти. Наприклад, щоб розплавити один кілограм льоду, потрібно витратити 332 Дж енергії, а щоб розплавити 1 кг свинцю — 25 кДж .

Кількість теплоти, що виділяється тілом, вважається негативним. Тому при розрахунку кількості теплоти, що виділяється при кристалізації речовини масою mслід користуватися тією ж формулою, але зі знаком «мінус»:

Теплота спалювання.

Теплота спалювання(або теплотворна здатність, калорійність) - це кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні палива.

Для нагрівання тіл часто використовують енергію, що виділяється під час згоряння палива. Звичайне паливо (вугілля, нафта, бензин) містить вуглець. При горінні атоми вуглецю з'єднуються з атомами кисню, що у повітрі, у результаті утворюються молекули вуглекислого газу. Кінетична енергія цих молекул виявляється більшою, ніж у вихідних частинок. Збільшення кінетичної енергії молекул у процесі горіння називають виділенням енергії. Енергія, що виділяється при повному згорянні палива, є теплота згоряння цього палива.

Теплота згоряння палива залежить від виду палива та його маси. Чим більша маса палива, тим більша кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні.

Фізична величина , що показує, скільки теплоти виділяється при повному згорянні палива масою 1 кг, називається питомою теплотою згоряння палива.Питому теплоту згоряння позначають буквоюqі вимірюють у джоулях на кілограм (Дж/кг).

Кількість теплоти Q, що виділяється при згоранні mкг палива, визначають за формулою:

Щоб знайти кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні палива довільної маси, потрібно питому теплоту згоряння палива помножити на його масу.

Ми бачили, що посудина з льодом і водою, внесена в теплу кімнату, не нагрівається доти, доки весь лід не розтане. При цьому з льоду виходить вода при тій же температурі. У цей час до суміші лід - вода стікає теплота і, отже, внутрішня енергія цієї суміші збільшується. Звідси ми повинні зробити висновок, що внутрішня енергія води при більшій, ніж внутрішня енергія льоду за тієї ж температури. Так як кінетична енергія молекул, води та льоду при одна і та ж, то збільшення внутрішньої енергії при плавленні є збільшенням потенційної енергії молекул.

Досвід виявляє, що сказане справедливо всім кристалів. При плавленні кристала необхідно безперервно збільшувати внутрішню енергію системи, причому температура кристала та розплаву залишається незмінною. Зазвичай збільшення внутрішньої енергії відбувається під час передачі кристалу деякої кількості теплоти. Тієї ж мети можна досягти і шляхом виконання роботи, наприклад тертям. Отже, внутрішня енергія розплаву завжди більша, ніж внутрішня енергія такої ж маси кристалів за тієї ж температури. Це означає, що впорядковане розташування частинок (у кристалічному стані) відповідає меншій енергії, ніж невпорядковане (у розплаві).

Кількість теплоти, необхідне переходу одиниці маси кристала в розплав тієї ж температури, називають питомою теплотою плавлення кристала. Вона виявляється у джоулях на кілограм.

При затвердінні речовини теплота плавлення виділяється та передається оточуючим тілам.

Визначення питомої теплоти плавлення тугоплавких тіл (тіл з високою температурою плавлення) є нелегким завданням. Питома теплота плавлення такого легкоплавкого кристала, як крига, може бути визначена за допомогою калориметра. Наливши в калориметр, деяку кількість води певної температури і кинувши в неї відому масу льоду, що вже почав танути, тобто має температуру, вичекаємо, поки весь лід не розтане і температура води в калориметрі набуде незмінного значення. Користуючись законом збереження енергії складемо рівняння теплового балансу (§ 209), що дозволяє визначити питому теплоту плавлення льоду.

Нехай маса води (включаючи водяний еквівалент калориметра) дорівнює маса льоду - , Питома теплоємність води - , Початкова температура води - , Кінцева - , Питома теплота плавлення льоду - . Рівняння теплового балансу має вигляд

.

У табл. 16 наведено значення питомої теплоти плавлення деяких речовин. Привертає увагу велика теплота плавлення льоду. Ця обставина дуже важлива, тому що вона уповільнює танення льоду в природі. Якби питома теплота плавлення значно менша, весняні паводки були б у багато разів сильнішими. Знаючи питому теплоту плавлення, ми можемо розрахувати, скільки теплоти необхідне розплавлення будь-якого тіла. Якщо тіло вже нагріте до точки плавлення, треба витратити теплоту тільки на плавлення його. Якщо воно має температуру нижче точки плавлення, то треба ще витратити теплоту на нагрівання.

Таблиця 16

Речовина		Речовина