Как найти теплоту для плавления

Для характеристики процесса плавления вводится физическая величина «удельная теплота плавления», показывающая, как изменяется внутренняя энергия тела массой (1) кг при теплообмене.

Получим формулы для нахождения удельной теплоты плавления тела и массы тела:

Удельная теплота плавления при нормальном атмосферном давлении некоторых веществ представлена в таблице.

«Плавление и кристаллизация.
Удельная теплота плавления»

Плавление

Плавление — это процесс превращения вещества из твёрдого состояния в жидкое.

Наблюдения показывают, что если измельчённый лёд, имеющий, например, температуру –10 °С, оставить в тёплой комнате, то его температура будет повышаться. При 0 °С лёд начнет таять, а температура при этом не будет изменяться до тех пор, пока весь лёд не превратится в жидкость. После этого температура образовавшейся изо льда воды будет повышаться.

Это означает, что кристаллические тела, к которым относится и лед, плавятся при определённой температуре, которую называют температурой плавления. Важно, что во время процесса плавления температура кристаллического вещества и образовавшейся в процессе его плавления жидкости остаётся неизменной.

В описанном выше опыте лёд получал некоторое количество теплоты, его внутренняя энергия увеличивалась за счёт увеличения средней кинетической энергии движения молекул. Затем лёд плавился, его температура при этом не менялась, хотя лёд получал некоторое количество теплоты. Следовательно, его внутренняя энергия увеличивалась, но не за счёт кинетической, а за счёт потенциальной энергии взаимодействия молекул. Получаемая извне энергия расходуется на разрушение кристаллической решетки. Подобным образом происходит плавление любого кристаллического тела.

Аморфные тела не имеют определённой температуры плавления. При повышении температуры они постепенно размягчаются, пока не превратятся в жидкость.

Кристаллизация

Кристаллизация — это процесс перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое состояние. Охлаждаясь, жидкость будет отдавать некоторое количество теплоты окружающему воздуху. При этом будет уменьшаться её внутренняя энергия за счёт уменьшения средней кинетической энергии его молекул. При определённой температуре начнётся процесс кристаллизации, во время этого процесса температура вещества не будет изменяться, пока всё вещество не перейдет в твёрдое состояние. Этот переход сопровождается выделением определённого количества теплоты и соответственно уменьшением внутренней энергии вещества за счёт уменьшения потенциальной энергии взаимодействия его молекул.

Таким образом, переход вещества из жидкого состояния в твёрдое состояние происходит при определённой температуре, называемой температурой кристаллизации. Эта температура остаётся неизменной в течение всего процесса плавления. Она равна температуре плавления этого вещества.

На рисунке приведён график зависимости температуры твёрдого кристаллического вещества от времени в процессе его нагревания от комнатной температуры до температуры плавления, плавления, нагревания вещества в жидком состоянии, охлаждения жидкого вещества, кристаллизации и последующего охлаждения вещества в твёрдом состоянии.

Удельная теплота плавления

Различные кристаллические вещества имеют разное строение. Соответственно, для того, чтобы разрушить кристаллическую решётку твёрдого тела при температуре его плавления, необходимо ему сообщить разное количество теплоты.

Удельная теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг кристаллического вещества, чтобы превратить его в жидкость при температуре плавления. Опыт показывает, что удельная теплота плавления равна удельной теплоте кристаллизации.

Удельная теплота плавления обозначается буквой λ. Единица удельной теплоты плавления — [λ] = 1 Дж/кг.

Значения удельной теплоты плавления кристаллических веществ приведены в таблице. Удельная теплота плавления алюминия 3,9*10⁵ Дж/кг. Это означает, что для плавления 1 кг алюминия при температуре плавления необходимо затратить количество теплоты 3,9*10⁵ Дж. Этому же значению равно увеличение внутренней энергии 1 кг алюминия.

Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для плавления вещества массой m, взятого при температуре плавления, следует удельную теплоту плавления λ умножить на массу вещества: Q = λm.

Эта же формула используется при вычислении количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации жидкости.

Конспект урока «Плавление и кристаллизация. Удельная теплота плавления».

Следующая тема: «Тепловые машины. ДВС. Удельная теплота сгорания топлива».

Удельная теплота плавления.

Мы
рассматривали график плавления и
отвердевания льда. Из графика видно,
что, пока лед плавится, температура его
не меняется. И лишь после того как весь
лед расплавится, температура образовавшейся
жидкости начинает повышаться. Но ведь
и во время процесса плавления лед
получает энергию от сгорающего в
нагревателе топлива. А из закона
сохранения энергии следует, что она не
может исчезнуть. На что же расходуется
энергия топлива во время плавления?

Мы знаем,
что в кристаллах молекулы (или атомы)
расположены в строгом порядке. Однако
и в кристаллах они находятся в тепловом
движении (колеблются). При нагревании
тела средняя скорость движения молекул
возрастает. Следовательно, возрастает
и их средняя кинетическая энергия и
температура. На графике это участок АВ
(см. рис. 16). Вследствие этого размах
колебаний молекул (или атомов)
увеличивается. Когда тело нагреется до
температуры плавления, то нарушится
порядок в расположении частиц в
кристаллах. Кристаллы теряют свою форму.
Вещество плавится, переходя из твердого
состояния в жидкое.

Следовательно,
вся энергия, которую получает
кристаллическое тело после того как
оно уже нагрето до температуры плавления,
расходуется на разрушение кристалла.
В связи с этим температура тела перестает
повышаться. На графике это участок BC.

Опыты
показывают, что для превращения различных
кристаллических веществ одной и той же
массы в жидкость при температуре
плавления требуется разное количество
теплоты.

Физическая
величина, показывающая, какое количество
теплоты необходимо сообщить кристаллическому
телу массой 1 кг, чтобы при температуре
плавления полностью перевести его в
жидкое состояние, называется удельной
теплотой плавления.

Удельную
теплоту плавления обозначают А (греч.
буква «лямбда» ). Ее единица — 1
.
Определяют удельную теплоту плавления
на опыте. Так, было установлено, что
удельная теплота плавления льда равна
3,4 • 10⁵
.

Это
означает, что для превращения куска
льда массой 1 кг, взятого при 0 ˚C, в воду
такой же температуры требуется затратить
3,4 • 10⁵ Дж энергии. А чтобы расплавить
брусок из свинца массой 1 кг, взятого
при его температуре плавления, потребуется
затратить 2,5 • 10⁴ Дж энергии.

Следовательно,
при температуре плавления внутренняя
энергия вещества в жидком состоянии
больше внутренней энергии такой же
массы вещества в твердом состоянии.

Чтобы
вычислить количество теплоты Q, необходимое
для плавления кристаллического тела
массой m, взятого при его
температуре плавления и нормальном
атмосферном давлении, нужно удельную
теплоту плавления λ умножить на массу
тела m: Q =λm.

Опыты
показывают, что при отвердевании
кристаллического вещества выделяется
точно такое же количество теплоты,
которое поглощается при его плавлении.
Так, при отвердевании воды массой 1 кг
при температуре 0 ˚C выделяется количество
теплоты, равное 3,4 • 10⁵ Дж. Точно такое
же количество теплоты требуется и для
плавления льда массой 1 кг при температуре
0 ˚C.

При
отвердевании вещества все происходит
в обратном порядке.

Средняя
кинетическая энергия и скорость молекул
в охлажденном расплавленном веществе
уменьшаются. Силы притяжения теперь
могут удерживать медленно движущиеся
молекулы друг около друга. Вследствие
этого расположение частиц становится
упорядоченным — образуется кристалл.
Выделяющаяся при кристаллизации энергия
расходуется на поддержание постоянной
температуры. На графике это участок EF.

Кристаллизация
облегчается, если в жидкости с самого
начала присутствуют какие-либо посторонние
частицы, например пылинки. Они становятся
центрами кристаллизации. В обычных
условиях в жидкости имеется множество
центров кристаллизации, около которых
и происходит образование кристалликов.
При кристаллизации происходит выделение
энергии и передача ее окружающим телам.
Количество теплоты, выделяющееся при
кристаллизации тела массой m,
определяется также по формуле :Q =λm.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

На
прошлых уроках мы с вами узнали, что процесс перехода вещества из твёрдого
состояния в жидкое, называется плавлением, а обратный процесс, т. е. переход
вещества из жидкого состояния в твёрдое, кристаллизацией или отвердеванием.

Также
мы выяснили, что в течение всего процесса плавления температура тела не
изменяется. И только когда тело полностью расплавиться, его температура
начнёт повышаться.

Однако
во время всего процесса плавления вещество получает энергию от какого-либо
нагревателя. А из закона сохранения энергии следует, что она не может просто
так исчезнуть. Тогда возникает закономерный вопрос: «На что расходуется энергия
топлива во время плавления вещества?»

Мы
уже с вами знаем, что в кристаллических телах молекулы расположены в определённом
строгом порядке. Однако даже в кристаллах молекулы совершают тепловое движение
— колеблются около своих положений равновесия. Естественно, что при увеличении
температуры тела, интенсивность этого колебания увеличивается, то есть
происходит изменение характера и амплитуды колебаний частиц.

Как
следствие, увеличивается и их средняя кинетическая энергия. А когда тело
нагреется до температуры плавления, то начнёт нарушаться порядок в расположении
молекул в кристаллической решётке. Кристаллы начинают разрушаться — вещество
плавится. Значит, подводимая в этот момент теплота идёт на разрушение
кристаллической упорядоченной структуры вещества.

Вы
знаете, что различные кристаллические вещества имеют разное строение — разные
кристаллические решётки.

Следовательно,
чтобы её разрушить при температуре плавления, необходимо затратить разную
энергию, то есть сообщить веществу разное количество теплоты.

Физическая
величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать твёрдому
телу массой 1 кг при температуре плавления для перехода в жидкость, называется
удельной теплотой плавления.

Обозначается
удельная теплота плавления греческой буквой λ (лямбда).

Разные
вещества имеют разную удельную теплоту плавления, значение которой определяют экспериментально:

Также
различные эксперименты показали, что удельная теплота плавления равна
удельной теплоте кристаллизации.

Из
таблицы видно, что, например, удельная теплота плавления ртути равна 12 000
Дж/кг.  Это значит, что для перехода 1 кг ртути, имеющей температуру –39 ^оС,
из твёрдого состояния в жидкое она должна поглотить 12 000 Дж теплоты. При
обратном переходе столько же теплоты выделяет каждый килограмм ртути.

Также
из таблицы видно, что лёд имеет сравнительно большую удельную теплоту плавления
и кристаллизации. Это и объясняет затяжное таяние снега и льда озёр, рек и
других водоёмов, что позволяет избежать больших паводков. А так как теплоту лёд
поглощает из окружающей среды, то погода в это время, как правило, прохладная. И
наоборот, при замерзании озёр, рек и других водоёмов выделяется большое
количество энергии, что делает более тёплой позднюю осеннюю погоду.

Очевидно,
что если известно количество теплоты, необходимое для плавления 1 кг ртути при
температуре плавления, то для плавления 5 кг ртути нужно затратить количество
теплоты в 5 раз больше, то есть 60 000 Дж.

Таким
образом, чтобы вычислить количество теплоты необходимое для плавления вещества
массой m взятого при температуре
плавления, следует удельную теплоту плавления этого вещества умножить на его
массу:

Q
= λm

Эта
же формула используется при вычислении количества теплоты, выделяющегося при
кристаллизации жидкости.

Пример
решения задачи.

Определите,
какое количество теплоты поглощает лёд при 0 ^оС, если образовалось 5
кг воды?