Как находить удельную теплоту плавления льда

Удельная теплота плавления

Содержание

Рассматривая график плавления и отвердевания льда в прошлом уроке, мы выяснили, что во время процесса плавления температура льда не меняется. Температура продолжит расти только тогда, когда лед полностью перейдет в жидкость. То же самое мы наблюдали и при кристаллизации воды.

Но, когда лёд плавится, он все равно получает энергию. Ведь во время плавления мы не выключаем горелку – лёд получает какое-то количество теплоты от сгорающего в спиртовке (или другом нагревателе) топлива. Куда уходит эта энергия? Вы уже знаете закон сохранения энергии – энергия не может исчезнуть.

В данном уроке мы подробно рассмотрим, что происходит во время процесса плавления, как изменяется энергия и температура. Это позволит нам перейти к новому определению – удельной теплоте плавления.

Изменение внутренней энергии и температуры при плавлении

Так на что же уходит энергия, которую мы сообщаем телу, при плавлении?

Вы знаете, что в кристаллических твердых телах атомы (или молекулы) расположены в строгом порядке (рисунок 1). Они не двигаются так активно, как в газах или жидкостях. Тем не менее, они также находятся в тепловом движении – колеблются.

Взгляните еще раз на график плавления и отвердевания льда (рисунок 2).

Нагревание льда идет на участке AB. В это время увеличивается средняя скорость движения его молекул. Значит, возрастает и их средняя кинетическая энергия и температура. Размах колебаний атомов (или молекул) увеличивается.

Так происходит то того момента, пока нагреваемое тело не достигнет температуры плавления.

При температуре плавления нарушается порядок в расположении частиц в кристаллах.

Так вещество начинает переход из твердого состояния в жидкое.

Значит, энергия, которую получает тело после достижения температуры плавления, расходуется на разрушение кристаллической решетки. Поэтому температура тела не повышается – участок графика BC.

Изменение внутренней энергии и температуры при отвердевании

При отвердевании происходит обратное.

Средняя скорость движения молекул и их средняя кинетическая энергия в жидкости (расплавленном веществе) уменьшается при охлаждении. Этому соответствует участок графика DE на рисунке 2.

Теперь силы притяжения между молекулами могут удерживать их друг около друга. Расположение частиц становится упорядоченным – образуется кристалл (участок графика EF).

Куда расходуется энергия, которая выделяется при кристаллизации? Температура тела остается постоянной во время этого процесса. Значит, энергия расходуется на поддержание этой температуры, пока тело полностью не отвердеет.

Теперь мы можем сказать, что

При температуре плавления внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в твёрдом состоянии.

Эта избыточная энергия выделяется при кристаллизации и поддерживает температуру тела на одном уровне во время всего процесса отвердевания.

Удельная теплота плавления

Опытным путем доказано, что для превращения твердых кристаллических тел одинаковой массы в жидкость необходимо разное количество теплоты. Тела при этом рассматриваются при их температурах плавления.

Удельная теплота плавления – это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой $1 \space кг$, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние.

• обозначается буквой $\lambda$
• единица измерения – $1 \frac<Дж><кг>$

Удельная теплота плавления некоторых веществ

В таблице 1 представлены экспериментально полученные величины удельной теплоты плавления для некоторых веществ.

Вещество	$\lambda, \frac<Дж><кг>$	Вещество	$\lambda, \frac<Дж><кг>$
Алюминий	$8.9 \cdot 10^5$	Сталь	$0.84 \cdot 10^5$
Лёд	$3.4 \cdot 10^5$	Золото	$0.67 \cdot 10^5$
Железо	$2.7 \cdot 10^5$	Водород	$0.59 \cdot 10^5$
Медь	$2.1 \cdot 10^5$	Олово	$0.59 \cdot 10^5$
Парафин	$1.5 \cdot 10^5$	Свинец	$0.25 \cdot 10^5$
Спирт	$1.1 \cdot 10^5$	Кислород	$0.14 \cdot 10^5$
Серебро	$0.87 \cdot 10^5$	Ртуть	$0.12 \cdot 10^5$

Таблица 1. Удельная теплота плавления некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении)

Удельная теплота плавления золота составляет $0.67 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$. Что это означает?

Для того, чтобы расплавить кусок золота массой $1 \space кг$, взятого при температуре $1064 \degree C$ (температура плавления золота), до жидкого состояния, нам потребуется затратить $0.67 \cdot 10^5 \space Дж$ энергии.

Опытным путём доказано, что

при отвердевании кристаллического вещества выделяется точно такое же количество теплоты, которое поглощается при его плавлении.

То есть, при кристаллизации расплавленного золота массой $1 \space кг$ выделится $0.67 \cdot 10^5 \space Дж$ энергии.

Расчет количества теплоты, необходимого для плавления или отвердевания вещества

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 $\lambda$ умножить на массу тела $m$:
$Q = \lambda m$.

Мы можем выразить из этой формулы массу $m$ и удельную теплоту плавления $\lambda$:

Количество теплоты, которое выделится при отвердевании, рассчитывается по этой же формуле. Но при этом необходимо помнить, что внутренняя энергия тела будет уменьшаться.

Примеры задач

1. В кастрюлю положили лёд массой $2 \space кг$. Его температура была равна $0 \degree C$. Рассчитайте количество энергии, которое понадобилось, чтобы полностью растопить лёд и превратить его в кипяток с температурой $100 \degree C$. Количество теплоты, затраченное на нагревание кастрюли не учитывать.
   Рассчитайте количество энергии, которое понадобится для превращения в кипяток ледяной воде той же массы и температуры, что и лёд.

Для расчёта нам понадобится значение удельный теплоемкости воды $c$, которое можно посмотреть в таблице.

Дано:
$m = 2 \space кг$
$t_1 = 0 \degree C$
$t_2 = 100 \degree C$
$\lambda = 3.4 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$
$с = 4.2 \cdot 10^3 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Чтобы рассчитать количество теплоты, которое понадобиться, чтобы превратить лёд в кипящую воду, нам понадобиться сначала его расплавить. Количество теплоты $Q_1$, затраченное на плавление льда, рассчитаем по формуле $Q_1 = \lambda m$.
$Q_1 = 3.4 \cdot 10^5 \frac<Дж> <кг>\cdot 2 \space кг = 6.8 \cdot 10^5 \space Дж$

Теперь у нас есть вода с температурой $0 \degree C$. Для расчёта количества теплоты $Q_2$, необходимого для нагревания воды используем формулу $Q_2 = cm(t_2 – t_1)$.
$Q_2 = 4.2 \cdot 10^3 \frac<Дж> <кг \cdot \degree C>\cdot 2 \space кг \cdot (100 \degree C – 0 \degree C) = 8.4 \cdot 10^3 \frac<Дж> <кг>\cdot 100 \degree C = 8.4 \cdot 10^5 \space Дж$.

Тогда, для превращения куска льда в кипяток нам потребуется количество теплоты:
$Q = Q_1 + Q_2 = 6.8 \cdot 10^5 \space Дж + 8.4 \cdot 10^5 \space Дж = 15.2 \cdot 10^5 \space Дж$.

Если теперь мы возьмем вместо льда воду при $0 \degree C$, то для ее превращения в кипяток, нужно просто ее нагреть. Это количество теплоты мы уже рассчитали:
$Q_2 = 8.4 \cdot 10^5 \space Дж$.

Ответ: $Q = 15.2 \cdot 10^5 \space Дж$, $Q_2 = 8.4 \cdot 10^5 \space Дж$.

1. Сколько энергии потребуется для того, чтобы расплавить железо массой $10 \space кг$ с начальной температурой $29 \degree C$?
   Удельная теплоемкость железа – $460 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$, температура плавления – $1539 \degree C$.

Дано:
$m = 10 \space кг$
$t_1 = 29 \degree C$
$t_2 = 1539 \degree C$
$c = 460 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$
$\lambda = 2.7 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Чтобы рассчитать общее затраченное количество теплоты $Q = Q_1 + Q_2$, нужно рассчитать отдельно количество теплоты $Q_1$, затраченное на нагревание железа до температуры плавления, и количество теплоты $Q_2$, затраченное на его плавление.

$Q_1 = cm(t_2 – t_1)$.
$Q_1 = 460 \frac<Дж> <кг \cdot \degree C>\cdot 10 \space кг \cdot (1539 \degree C – 19 \degree C) = 4600 \frac<Дж> <\degree C>\cdot 1510 \degree C = 6 \space 946 \space 000 \space Дж \approx 69 \cdot 10^5 \space Дж$.

$Q_2 = \lambda m$.
$Q_2 = 2.7 \cdot 10^5 \frac<Дж> <кг>\cdot 10 \space кг = 27 \cdot 10^5 \space Дж$.

$Q = Q_1 + Q_2 = 69 \cdot 10^5 \space Дж + 27 \cdot 10^5 \space Дж = 96 \cdot 10^5 \space Дж$.

Ответ: $Q = 96 \cdot 10^5 \space Дж$.

1. На заводе охлаждают стальную деталь от $800 \degree C$ до $0 \degree C$. При этом она растопила лёд массой $3 \space кг$, взятый при $0 \degree C$. Определите массу детали, если вся выделенная ей энергия пошла на растопку льда.
   Удельная теплоемкость стали – $500 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$.

Дано:
$m_1 = 3 \space кг$
$\lambda_1 = 3.4 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$
$c_2 = 500 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$
$t_1 = 800 \degree C$
$t_2 = 0 \degree C$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

При плавлении лёд поглотит количество теплоты $Q_1 = \lambda_1 m_1$.

При охлаждении стальная деталь выделит количество теплоты $Q_2 = c_2m_2(t_2 – t_1)$.

По закону сохранения энергии эти энергии будут равны:
$Q_1 = Q_2$.
Т.е., $\lambda_1 m_1 = c_2m_2(t_2 – t_1)$.

Ответ: $m_2 = 2.55 \space кг$.

Источник

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:

1. Чтобы твердое кристаллическое тело начало плавиться, его нужно нагреть до температуры плавления.
2. Температуру плавления различных веществ можно найти в справочнике физики.
3. Если твердое кристаллическое тело плавится при температуре плавления, значит, оно будет затвердевать (кристаллизоваться) при этой же температуре, когда будет терять тепловую энергию.
4. 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):

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

• удельная теплота плавления вещества;
• количество килограммов вещества;

то легко посчитать общую тепловую энергию – т. е. количество теплоты.

Для этого используем формулу:

\(\large Q \left( \text <Дж>\right) \) – 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.

Источник

Удельная теплота плавления — определение, формула и обозначение

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:

1. 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.
2. 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.

Источник