Удельная теплота плавления
Содержание:
Под плавлением в физике подразумевают процесс превращения тела из твердого состояния в жидкое, под действием температуры. Классическим повсеместным примером плавления из жизни является таяние льдов, их превращение в воду, или превращение твердого куска олова в жидкий припой под действием паяльника. Передача тому или иному телу определенного количества тепла может изменить его агрегатное состояние, это удивительное свойство твердых тел превращаться в жидкие под действием температуры имеет большое значение для науки и техники. Ученым (а также техникам, инженерам) важно знать при каких температурах плавятся те или иные металлы (а порой и не только металлы), и для этого в физику вошло такое понятие как «удельная теплота плавления». О том, что означает удельная теплота плавления, какая ее формула расчета, читайте далее.
Почему твердое тело становится жидким?
Но давайте для начала разберем, как происходит сам процесс плавления на атомно-молекулярном уровне. Как мы знаем, в любом твердом теле все атомы и молекулы находятся четко и упорядочено в узлах кристаллической решетки, благодаря этому твердое тело и является твердым.
Но что происходит, если мы начинает это самое гипотетическое твердо тело сильно нагревать – под действием температуры атомы и молекулы резко увеличивают свою кинетическую энергию и по достижении определенных критических значений, они начинают покидать кристаллическую решетку, вырываться из нее. А само твердое тело начинает буквально распадаться, превращаясь в некое жидкое вещество – так происходит плавление.
При этом процесс плавления происходит не резким скачком, а постепенно. Также стоит заметить, что плавление относится к эндотермическим процессам, то есть процессам, при которых происходит поглощение теплоты.
Процесс обратный к плавлению называют кристаллизацией – это когда тело из жидкого состояния наоборот превращается в твердое. Если вы оставите воду в морозилке, она через какое-то время превратится в лед – это самый типичный пример кристаллизации из реальной жизни.
Определение
Удельной теплотой плавления называют физическую величину равную количеству тепла (в джоулях), которое необходимо передать твердому телу массой 1 кг, чтобы полностью перевести его в жидкое состояние. Удельную теплоту плавления обозначают греческой буквой «лямбда» – λ.
Формула удельной теплоты плавление выглядит так:
λ = Q/m
Где m – масса плавящегося вещества, а Q – количество тепла, переданное веществу при плавлении.
Зная значение удельной теплоты плавления, мы можем определить, какое количество тепла необходимо передать для тела с той или иной массой, для его полного расплавления:
Q = λ * m
Для разных веществ удельная теплота плавления была определена экспериментально.
Единица измерения
Многих интересует вопрос, в каких единицах измеряется удельная теплота плавления. Так вот, удельная теплота плавления измеряется в Джоулях на килограмм – Дж/кг.
Таблица удельной теплоты плавления
Значение удельной теплоты для разных веществ: золота, серебра, цинка, олова и многих других металлов можно найти в специальных таблицах и справочниках. Обычно эти значения приводятся в виде таблицы.
Вашему вниманию таблица удельной теплоты плавления разных веществ
| Вещество | 105 * Дж/кг | ккал/кг | Вещество | 105 * Дж/кг | ккал/кг |
| Алюминий | 3,8 | 92 | Ртуть | 0,1 | 3,0 |
| Железо | 2,7 | 65 | Свинец | 0,3 | 6,0 |
| Лед | 3,3 | 80 | Серебро | 0,87 | 21 |
| Медь | 1,8 | 42 | Сталь | 0,8 | 20 |
| Нафталин | 1,5 | 36 | Цинк | 1,2 | 28 |
| Олово | 0,58 | 14 | Платина | 1,01 | 24,1 |
| Парафин | 1,5 | 35 | Золото | 0,66 | 15,8 |
Интересный факт: самым тугоплавким металлом на сегодняшний день является карбид тантала – ТаС. Для его плавления необходима температура 3990 С. Покрытия из ТаС применяют для защиты металлических форм, в которых отливают детали из алюминия
Рекомендованная литература и полезные ссылки
- Енохович А. С. Краткий справочник по физике. — М.: «Высшая школа», 1976. — С. 114. — 288 с.
- Atkins, Peter & Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4th ed.), W. H. Freeman and Company, с. 236, ISBN 0-7167-7355-4
- Hoffer J. K., Gardner W. R., Waterfield C. G., Phillips N. E. Thermodynamic properties of 4He. II. The bcc phase and the P-T and VT phase diagrams below 2 K (англ.) // Journal of Low Temperature Physics (англ.)русск. : journal. — 1976. — April (vol. 23, no. 1). — P. 63—102. — DOI:10.1007/BF00117245. — Bibcode: 1976JLTP…23…63H.
Видео
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika19[email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.
Эта статья доступна на английском языке – Enthalpy of Fusion.
Схожі записи:
Для характеристики процесса плавления вводится физическая величина «удельная теплота плавления», показывающая, как изменяется внутренняя энергия тела массой (1) кг при теплообмене.
Удельная теплота плавления обозначается
λ
(греч. буква лямбда).
Обрати внимание!
Единица измерения —
1Джкг
.
Определяют удельную теплоту плавления опытным путём.
Обрати внимание!
Чтобы рассчитать количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела, нужно удельную теплоту плавления умножить на его массу.
Получим формулы для нахождения удельной теплоты плавления тела и массы тела:
Удельная теплота плавления при нормальном атмосферном давлении некоторых веществ представлена в таблице.
|
Вещество |
Удельная теплота плавления, Джкг |
|
Алюминий |
(3,9) ⋅105 |
|
Лёд |
(3,4) ⋅105 |
|
Железо |
(2,7) ⋅105 |
|
Медь |
(2,1) ⋅105 |
|
Серебро |
(0,87) ⋅105 |
|
Сталь |
(0,84) ⋅105 |
|
Золото |
(0,67) ⋅105 |
|
Олово |
(0,59) ⋅105 |
|
Свинец |
(0,25) ⋅105 |
|
Ртуть |
(0,12) ⋅105 |
Удельная теплота плавления
4.7
Средняя оценка: 4.7
Всего получено оценок: 149.
4.7
Средняя оценка: 4.7
Всего получено оценок: 149.
Плавлением в физике называют переход вещества из твердого состояния в жидкое. Классическими примерами процесса плавления являются таяние льда и превращение твердого куска олова в жидкий припой при нагревании паяльником. Передача телу определенного количества тепла приводит к изменению его агрегатного состояния.
Почему твердое становится жидким?
Нагревание твердого тела приводит к увеличению кинетической энергии атомов и молекул, которые при нормальной температуре находятся четко в узлах кристаллической решетки, что и позволяет телу сохранять постоянные форму и размеры. При достижении некоторых критических значений скоростей атомы и молекулы начинают покидать свои места, происходит разрыв связей, тело начинает терять свою форму — становится жидким. Процесс плавление происходит не резким скачком, а постепенно, так, что некоторое время твердая и жидкая компоненты (фазы) находятся в равновесии. Плавление относится к эндотермическим процессам, то есть к таким которые происходят с поглощением теплоты. Противоположный процесс, когда жидкость затвердевает называется кристаллизацией.
Было обнаружено, что до окончания процесса плавления температура не изменяется, хотя тепло все время поступает. Никакого противоречия здесь нет, так как поступающая энергия в этот период времени уходит на разрыв кристаллических связей решетки. После разрушения всех связей приток тепла будет повышать кинетическую энергию молекул, а следовательно, температура начнет расти.
Определение удельной теплоты плавления
Удельной теплотой плавления (обозначение — греческая буква “лямбда” – λ ), называется физическая величина равная количеству тепла (в джоулях), которое необходимо передать твердому телу массой 1 кг, чтобы полностью перевести его в жидкую фазу. Формула удельной теплоты плавления выглядит так:
$$ λ ={Q over m}$$
где:
m — масса плавящегося вещества;
Q — количество тепла, переданное веществу при плавлении.
Значения для разных веществ определяют экспериментально.
Зная λ, можно вычислить количество тепла, которое необходимо сообщить телу массой m для его полного расплавления:
$$Q={λ*m}$$
В каких единицах измеряется удельная теплота плавления
Удельная теплота плавления в СИ (Международная система ) измеряется в джоулях на килограмм, Дж/кг. Для некоторых задач применяется внесистемная единица измерения – килокалория на килограмм, ккал/кг. Напомним, что 1 ккал = 4,1868 Дж.
Удельная теплота плавления некоторых веществ
Информацию о значениях удельной теплоты для конкретного вещества можно найти в книжных справочниках или в электронных версиях на интернет-ресурсах. Обычно они приводятся в виде таблицы:
Удельная теплота плавления веществ
|
Вещество |
105 * Дж/кг |
ккал/кг |
Вещество |
105 * Дж/кг |
ккал/кг |
|
Алюминий |
3,8 |
92 |
Ртуть |
0,1 |
3,0 |
|
Железо |
2,7 |
65 |
Свинец |
0,3 |
6,0 |
|
Лед |
3,3 |
80 |
Серебро |
0,87 |
21 |
|
Медь |
1,8 |
42 |
Сталь |
0,8 |
20 |
|
Нафталин |
1,5 |
36 |
Цинк |
1,2 |
28 |
|
Олово |
0,58 |
14 |
Платина |
1,01 |
24,1 |
|
Парафин |
1,5 |
35 |
Золото |
0,66 |
15,8 |
Одним из самых тугоплавких веществ является карбид тантала — TаC. Он плавится при температуре 39900С. Покрытия из TаC применяют для защиты металлических в форм, в которых отливают детали из алюминия.
Что мы узнали?
Мы узнали, что переход из твердого состояния в жидкое называется плавлением. Плавление происходит с помощью передачи тепла твердому телу. Удельная теплота плавления показывает какое количество тепла (энергии) необходимо твердому веществу массой 1 кг, чтобы перевести его в жидкое состояние.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
-
Денис Буренко
8/10
Оценка доклада
4.7
Средняя оценка: 4.7
Всего получено оценок: 149.
А какая ваша оценка?
Общая информация
Правильное понимание удельного значения теплоты плавления невозможно без изучения ключевых особенностей самого процесса расплавки. И при плавлении, и при кристаллизации какого-либо вещества его внутренняя энергия изменяется. При первом процессе она возрастает, так как он неизменно сопровождается нагреванием — главным условием для увеличения энергии. Температура же при расплавке остается неизменной. В определенном смысле это парадоксально, ведь внутренняя энергия может характеризоваться температурой.
Однако увеличению энергии при неизменной температуре существует весьма простое и логичное объяснение. Во время процесса расплавки разрушается пространственная решетка кристаллического тела, на это уходит вся энергия. Разрушение кристаллической решетки требует расходования определенного количества энергии со стороны какого-либо внешнего источника. Как следствие, в ходе процесса расплавки происходит увеличение внутренней энергии тела.
В процессе отвердевания тела или, иначе говоря, кристаллизации, напротив, происходит уменьшение его внутренней энергии, так как оно отдает тепло телам, которые его окружают. Отвердевание (кристаллизация) — это обратный процесс по отношению к расплавке. Молекулы вещества образуют общую (единую) систему, и в ходе этого объединения отдаваемая составляющими вещества избыточная энергия поглощается внешней средой.
Основные сведения о теплоте плавления
По закону сохранения энергии тело поглощает в ходе плавления и отдает во время отвердевания (при необходимой для каждого из этих процессов температуре) равное количество тепла.
Теплотой плавления называют количество теплоты, которое необходимо для того, чтобы физическое тело при температуре плавления перешло в жидкое состояние из твердого. Это тепловое явление — частный случай фазового перехода в термодинамике.
На теплоту расплавки влияют масса плавящегося вещества, а также свойства, которыми оно обладает и которые для него характерны. Эта связь между теплотой расплавки физического тела и родом вещества, выражающаяся через зависимость первого от второго, измеряется удельной величиной.
Для плавления вещества требуется такое же количество тепла, которое выделяется при кристаллизации, поэтому определение удельного значения теплоты существует в двух равнозначных понятиях — для плавления и для кристаллизации. У этой величины есть и альтернативное наименование — энтальпия плавления.
Особенности измерения
Экспериментальным путем ученые-физики установили, что для перевода одного и того же вещества в жидкое из твердого состояния требуется разное количество теплоты. Затем исследователями-экспериментаторами было принято решение сравнить эти показатели при одинаковой массе вещества. Так появилось понятие удельной величины.
Согласно ее упрощенному определению, она показывает соотношение теплоты плавления тела из определенного вещества и его массы. Этот показатель считается главной характеристикой как для плавления, так и для кристаллизации.
Единицей измерения этой величины, согласно Международной системе единиц, считается Дж/кг (джоуль на килограмм). Обозначается удельный показатель буквой лямбда (реже встречается прочтение как ламбда) из греческого алфавита (аналог кириллической буквы «л»).
Находят удельную теплоту плавления по формуле: лямбда = Q/m, где Q — это обозначение количества теплоты, которое вещество получило при плавлении или выделило в процессе кристаллизации, а m — масса вещества (плавящегося или кристаллизующегося). Отсутствие температурного показателя в размерности обусловлено тем, что температура не меняется ни при плавлении, ни при кристаллизации.
Удельная величина при расплавке всегда положительна, а при кристаллизации — отрицательна. Исключение из этого правила существует (или, вернее, известно науке) только единственное — это химический элемент системы Менделеева под названием гелий, находящийся под высоким давлением. Он при расплавке отрицателен.
Чтобы перевести вещество в размере одного килограмма из твердого состояния в жидкое, нужно нагреть его до температуры плавления и подвести к нему теплоту в количестве, равном удельному показателю. В процессе кристаллизации одного килограмма вещества тепло выделяется ровно в том же количестве.
Для нахождения количества теплоты, необходимого для расплавки или кристаллизации вещества при соответствующих температурах, нужно удельную величину умножить на массу вещества. Для кристаллизующихся тел этот показатель будет со знаком минус, то есть отрицательным. Это связано с тем, что в процессе отвердевания все тепло теряется — выделяется не сохраняясь.
Сравнительная таблица
Таблица с удельной теплотой плавления некоторых веществ и химических элементов (вещества в таблице расположены не в алфавитном порядке, а по уменьшению их удельного показателя):
| Название вещества или элемента | Удельный показатель теплоты плавления в кДж/кг |
| Алюминий | 390 |
| Лед | 330 |
| Железо | 277 |
| Медь | 213 |
| Нафталин | 151 |
| Парафин | 150 |
| Эфир | 113 |
| Цинк | 112 |
| Серебро | 105 |
| Платина | 101 |
| Серый чугун | 100 |
| Сталь | 83 |
| Золото | 66 |
| Олово | 61 |
| Свинец | 25 |
| Белый чугун | 14 |
| Ртуть | 12 |
Удельные величины для этих веществ считаются табличными (постоянными и известными) значениями, поэтому производить расчеты для их поиска нет никакой необходимости.
Родственные величины
Так называемые удельные показатели существуют для характеристики не только плавления и кристаллизации. В физической науке помимо этих процессов удельными величинами теплоты характеризуются:
- парообразование;
- конденсация;
- теплоемкость.
Удельный показатель теплоты парообразования и конденсации отображает объем теплоты, необходимый для обращения единицы массы жидкости в пар и наоборот. Формула этой величины: Q/m. Таким образом, по сути, это то же самое, что и энтальпия расплавки и кристаллизации.
Что касается удельной теплоемкости, то это показатель соотношения теплоемкости и массы вещества. Он равен объему теплоты, передача которого единичной массе вещества необходима для изменения его температуры на один градус.
Тематические задания
Изучение тепловых явлений и их особенностей, к числу которых относится и удельная теплота, входит в школьную программу по физике для старших классов. Для проверки усвоения пройденного материала используются тематические задачи.
Задания на нахождение удельной теплоты парообразования помимо обычных текстовых условий в большинстве случаев сопровождаются графиками, отображающими температурные изменения, которые происходили с веществом по мере поглощения им теплоты.
Но графические задачи — не самые интересные. В число наиболее занимательных заданий входят такие:
- Кусок льда, размещавшийся в температуре -90 градусов Цельсия, начали нагревать посредством подведения к нему тепловой мощности постоянного типа. По прошествии 63 секунд от начала нагревания лед достиг температуры, необходимой для плавления. Требуется найти время в секундах, которое займет процесс плавления льда от момента его достижения нужного нагрева при условии, что потери теплоты нет. Ответ: 110 секунд.
- Кусок свинца, пребывавший в температуре +27,5 градуса Цельсия, путем подведения к нему постоянной тепловой мощности начали нагревать. Спустя 39 секунд после начала нагревания температура свинца достигла уровня плавления (+327,5 градуса Цельсия). Нужно определить продолжительность процесса плавления свинца в секундах от этого момента, с учетом отсутствия тепловых потерь. Ответ: 25 секунд.
Сравнение ответов этих задач позволяет оценить разницу между удельными величинами плавления льда и свинца. У первого она очень большая, а у второго, наоборот, маленькая. Это неудивительно — количество теплоты, нужное для плавления, напрямую зависит от свойств и характеристик вещества, в частности — от энергии связей, соединяющих частицы этого вещества между собой.
Роль большой удельной величины, которой обладает лед, неоценима как для природы, так и для человечества. Если бы этот показатель был меньше, то по весне все льды и снега растаяли, что обернулось бы ужасными последствиями. Потоки воды, образовавшиеся в результате такого таяния, смыли бы все на своем пути.
К счастью, ледяные и снежные массы не способны растаять за несколько мгновений. Физические свойства этих веществ лишний раз доказывают, что природа — гениальный и неподражаемый творец.
Что такое удельная теплота плавления
Возьмем предварительно нагретое до температуры плавления вещество массой 1 кг. Будем сообщать ему тепловую энергию, чтобы расплавить это вещество.
Та энергия, которую мы затратим, чтобы расплавить 1 кг вещества, называется удельной теплотой плавления.
Эту теплоту называют удельной величиной, так как она приходится на 1 кг вещества.
Удельная теплота плавления — это энергия, которую мы затратим, чтобы расплавить 1 кг вещества, если это вещество предварительно было нагрето до температуры плавления.
Эту величину обозначают маленькой греческой буквой (large lambda) — лямбда.
(large lambda left( frac{text{Дж}}{text{кг}}right)) – удельная теплота плавления.
Примечания:
- Чтобы твердое кристаллическое тело начало плавиться, его нужно нагреть до температуры плавления.
- Температуру плавления различных веществ можно найти в справочнике физики.
- Если твердое кристаллическое тело плавится при температуре плавления, значит, оно будет затвердевать (кристаллизоваться) при этой же температуре, когда будет терять тепловую энергию.
- В физике применяются и другие удельные величины, например, удельная теплота сгорания топлива.
Перед тем, как расплавить вещество, нужно нагреть его до температуры плавления.
Процессы плавления и кристаллизации
Будем рассматривать такие процессы, как плавление и кристаллизация (затвердевание):
- плавление — тело получает тепловую энергию (количество теплоты);
- кристаллизация – тело отдает тепловую энергию в окружающее пространство.
Благодаря процессам кристаллизации зимой замерзает вода, образуется лед и можно кататься на коньках.
Весной, лед сначала нагреется от минусовой температуры до температуры плавления 0 градусов Цельсия, когда получит количество теплоты (тепловую энергию) от нагревающего его солнца. А затем, будет таять – то есть, плавиться, получая от солнца дополнительную тепловую энергию (теплоту). Покуда весь лед не расплавится, его температура подниматься не будет. Но как только весь лед превратится в воду, ее температура при нагревании начнет повышаться.
Чем отличается удельная теплота плавления от количества теплоты
Запомнить, чем удельная теплота плавления отличается от количества теплоты, можно так (рис. 1):
Рис. 1. Удельная теплота плавления и количество теплоты – это тепловая энергия, приходящаяся на различное количество килограммов
Количество теплоты – это энергия плавления нескольких килограммов вещества, предварительно нагретого до температуры плавления.
Удельная теплота плавления – это энергия плавления 1-го килограмма вещества, предварительно нагретого до температуры плавления.
Как связаны количество теплоты и удельная теплота плавления — формула
Если вещество предварительно нагрето до температуры плавления, и
Если известны:
- удельная теплота плавления вещества;
- количество килограммов вещества;
то легко посчитать общую тепловую энергию – т. е. количество теплоты.
Для этого используем формулу:
[large boxed{ Q = lambda cdot m }]
(large Q left( text{Дж} right) ) – количество теплоты, т. е. общая тепловая энергия;
(large lambda left( frac{text{Дж}}{text{кг}} right) ) – удельная теплота плавления (кристаллизации);
(large m left( text{кг} right) ) – масса вещества;
Примечание: Если умножить удельную теплоту плавления (large lambda ) на количество килограммов m расплавленного вещества, то можно вычислить общее количество теплоты (large Q ), затраченной на плавление.
Выводы
- Переход из твердого в жидкое состояние – это плавление, а из жидкого в твердое состояние – кристаллизация;
- Перед тем, как расплавить твердое кристаллическое вещество, нужно нагреть его до температуры плавления. Температуру плавления различных веществ можно найти в справочнике физики.
- Кристаллическое тело плавится и кристаллизуются при одной и той же температуре. Эту температуру называют температурой плавления (кристаллизации).
- Пока происходят процессы плавления и кристаллизации, температура не меняется.
- Во время плавления тело получает тепловую энергию (количество теплоты), а во время кристаллизации тело отдает тепловую энергию в окружающее пространство.
- Если 1 кг вещества предварительно нагрет до температуры плавления. То удельная теплота плавления – это тепловая энергия, необходимая для того, чтобы расплавить этот 1 килограмм вещества.
- Если вещество предварительно нагрето до температуры плавления, и нам известны его удельная теплота плавления и количество килограммов, то можно посчитать общее затраченное количество теплоты Q. Для этого нужно умножить удельную теплоту плавления (large lambda ) на количество килограммов m расплавленного вещества.
Оценка статьи:
Загрузка…