При плавлении льда его объем

§ 8.9. Изменение объема тела при плавлении и отвердевании. Тройная точка

Объяснение «странного» поведения льда и воды

Особенности в поведении льда при плавлении связаны с формой его кристаллической решетки. На рисунке 8.33 показана пространственная решетка кристаллов льда (наверху — вид сверху, внизу — вид сбоку). Шарики изображают атомы кислорода, положения атомов водорода не показаны. Из рисунка видно, что в кристалле льда молекулы расположены очень неравномерно. В одних местах (в пределах одного слоя) молекулы сближены, а в других местах (между слоями) имеются большие пустоты.

При переходе от кристаллического состояния к жидкому расположение молекул меняется и делается более равномерным. Поэтому объем воды становится меньше объема льда. При этом расстояние между молекулами, которые в кристалле расположены близко друг к другу (молекулы одного слоя), увеличивается, а расстояние между отдаленными молекулами в разных слоях уменьшается. Потенциальная энергия первых увеличивается, а вторых — уменьшается, но увеличение потенциальной энергии близких молекул больше уменьшения потенциальной энергии отдаленных молекул. В результате получается, что внутренняя энергия воды оказывается больше внутренней энергии льда, из которого она образовалась, несмотря на уменьшение объема. Поэтому плавление льда требует затраты теплоты, как и плавление других тел.

Вода и лед в природе

Увеличение объема воды при ее замерзании имеет огромное значение в природе. Вследствие меньшей плотности льда по сравнению с плотностью воды (при 0 °С плотность льда 900 кг/м 3 , а воды 1000 кг/м 3 ) лед плавает на воде. Обладая плохой теплопроводностью, слой льда защищает воду, находящуюся под ним, от охлаждения и вымерзания. Поэтому рыбы и другие живые существа, находящиеся в воде, не гибнут во время морозов. Если бы лед тонул, то не очень глубокие водоемы промерзали бы за зиму насквозь.

При расширении замерзающей воды в закрытом сосуде возникают огромные силы, способные разорвать толстостенный чугунный шар. Подобный опыт легко осуществить с бутылкой, наполненной водой по горлышко и выставленной на мороз. На поверхности воды образуется ледяная пробка, закупоривающая бутылку, и при расширении замерзающей воды бутылка будет разорвана.

Замерзание воды в трещинах горных пород приводит к их разрушению.

Способность воды расширяться при отвердевании должна учитываться при прокладке труб водопровода и канализации, а также водяного отопления. Во избежание разрыва при замерзании воды подземные трубы должны укладываться на такой глубине, чтобы температура не опускалась ниже 0 °С. Наружные части труб должны на зимнее время покрываться теплоизолирующими материалами.

Зависимость температуры плавления от давления

Если плавление вещества сопровождается увеличением его объема, то при увеличении внешнего давления температура плавления вещества повышается. Это можно объяснить следующим образом. Сжатие вещества (при увеличении внешнего давления) препятствует увеличению расстояния между молекулами и, следовательно, возрастанию потенциальной энергии взаимодействия молекул, которое требуется для перехода в жидкое состояние. Поэтому приходится нагревать тело до большей температуры, пока потенциальная энергия молекул не достигнет необходимого значения. Если плавление вещества сопровождается уменьшением его объема, то при увеличении внешнего давления температура плавления вещества понижается.

Так, например, лед при давлении 6 • 10 7 Па плавится при температуре -5 °С, а при давлении 2,2 • 40 8 Па температура плавления льда равна -22 °С.

Понижение точки плавления льда при увеличении давления хорошо иллюстрируется опытом (рис. 8.34). Нейлоновая нить проходит сквозь лед, не разрушая его. Дело в том, что благодаря значительному давлению нити на лед он подтаивает под ней. Вода, вытекая из-под нити, тут же вновь замерзает.

Тройная точка

Жидкость может находиться в равновесии со своим паром (насыщенным паром). На рисунке 6.5 (см. § 6.3) представлена зависимость давления насыщенного пара от температуры (кривая АВ), полученная экспериментально. Так как кипение жидкости происходит при давлении, равном давлению ее насыщенных паров, то эта же кривая дает зависимость температуры кипения от давления. Область, лежащая ниже кривой АВ, отвечает газовому состоянию, а выше — жидкому.

Кристаллические тела плавятся при определенной температуре, при которой твердая фаза находится в равновесии с жидкой. Температура плавления зависит от давления. Эту зависимость можно показать на том же рисунке, где изображена зависимость температуры кипения от давления.

На рисунке 8.35 кривая ТК характеризует зависимость температуры кипения от давления. Она заканчивается в точке К, соответствующей критической температуре, так как выше этой температуры жидкость не может существовать. Левее кривой ТК по экспериментальным точкам построена кривая ТС зависимости температуры плавления от давления (левее, так как твердой фазе соответствуют меньшие температуры, чем жидкой). Обе кривые пересекаются в точке Т.

Что будет с веществом при температуре ниже температуры t_тр, соответствующей точке Г? Жидкая фаза при этой температуре уже существовать не может. Вещество будет либо в твердом, либо в газообразном состоянии. Кривая ОТ (см. рис. 8.35) соответствует равновесным состояниям твердое тело — газ, возникающим при сублимации твердых тел.

Три кривые КТ, ТС и ОТ делят фазовую плоскость на три области, в которых вещество может находиться в одной из трех фаз. Сами кривые описывают равновесные состояния жидкость — пар, жидкость — твердое тело и твердое тело — пар. Существует только одна точка Т, в которой все три фазы находятся в равновесии. Это и есть тройная точка.

Тройной точке отвечают единственные значения температуры и давления. Ее можно точно воспроизводить, и она служит одной из важнейших опорных точек при построении абсолютной шкалы температур. Для воды абсолютная температура тройной точки принята равной T_тр = 273,16 К, или t_тр = 0,01°С.

На рисунке 8.35 изображена фазовая диаграмма воды, у которой температура плавления уменьшается с ростом давления. Для обычных веществ кривая ТС наклонена в противоположную сторону по отношению к вертикали, проходящей через точку Т.

Например, такой вид будет иметь фазовая диаграмма оксида углерода С02. Температура тройной точки СO₂ t_тр = -56,6 °С, а давление р_тр = 5,1 атм. Поэтому при обычном атмосферном давлении и температуре, близкой к комнатной, углекислота не может находиться в жидком состоянии. Твердая фаза СO₂ называется обычно сухим льдом. Он имеет очень низкую температуру и не плавится, а сразу испаряется (сублимация).

Изменение объема при плавлении и отвердевании непосредственно связано с зависимостью температуры плавления от давления. У подавляющего большинства веществ температура плавления растет с давлением. У воды и некоторых других веществ она, напротив, понижается. Для обитателей Земли на высоких географических широтах это великое благо. Существует единственная точка на диаграмме р—Т (тройная точка), в которой все три фазы вещества находятся в равновесии.

В заключение отметим огромное значение физики твердого тела для развития техники и цивилизации вообще.

Человечество всегда использовало и будет использовать твердые тела. Но если раньше физика твердого тела не поспевала за развитием технологии, основанной на непосредственном опыте, то теперь положение изменилось. Теоретические исследования начинают приводить к созданию твердых тел, свойства которых совершенно необычны и получить которые методом «проб и ошибок» было бы невозможно. Изобретение транзисторов, о которых пойдет речь в дальнейшем, яркий пример того, как понимание структуры твердых тел привело к революции во всей радиотехнике.

Создание материалов с заданными механическими, магнитными и другими свойствами — одно из основных направлений физики твердого тела. Приблизительно половина физиков всего мира работает сейчас в области физики твердого тела.

Источник

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