При плавлении температура льда повышается

Плавление и отвердевание кристаллических тел

Конспект по физике для 8 класса «Плавление и отвердевание кристаллических тел». ВЫ УЗНАЕТЕ: Чем объясняются процессы плавления и отвердевания кристаллических тел. Что такое температура плавления и кристаллизации. Как выглядит график плавления и отвердевания кристаллических тел.

Плавление и отвердевание кристаллических тел

Как известно, многие твёрдые тела имеют кристаллическое строение. Рассмотрим подробнее процесс превращения вещества из твёрдого состояния в жидкое — плавление, а также обратный процесс — отвердевание. Очевидно, для осуществления процесса плавления необходимо сообщить телу некоторое количество теплоты.

ПЛАВЛЕНИЕ ЛЬДА

Рассмотрим следующий опыт. В пробирке нагреем лёд, взятый при температуре –20 °С. Несмотря на то что мы непрерывно нагреваем содержимое пробирки, в течение некоторого времени лёд остаётся в твёрдом состоянии. При этом его температура повышается. Но как только температура льда окажется равной 0 °С, её повышение прекращается, хотя спиртовка продолжает гореть. В пробирке появляется вода. Воды становится всё больше, а льда — всё меньше. Как только исчезнут последние кристаллики льда, температура воды начнёт повышаться.

ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ

Для любого вещества существует температура, выше которой это вещество не может находиться в твёрдом состоянии, оно плавится. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления.

Следовательно, чтобы расплавить кристаллическое тело, необходимо нагреть его до температуры плавления и в дальнейшем сообщать ему энергию до тех пор, пока всё оно постепенно не превратится в жидкость.

Рассмотрим график зависимости температуры от времени в опыте, описанном выше. Сначала в течение некоторого времени температура льда повышается от —20 до 0 °С. После этого лёд начинает плавиться, и температура смеси «вода + лёд» остаётся постоянной до тех пор, пока процесс плавления не завершится. После этого температура воды вновь начинает повышаться.

АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНАЯ ПРИРОДА ПЛАВЛЕНИЯ

Что же происходит с молекулами (атомами) вещества при плавлении? В кристаллических телах молекулы расположены в строгом порядке и колеблются около своих положений равновесия. При этом температура тела зависит от скорости движения его молекул. Подводимое тепло приводит к увеличению средней скорости движения молекул, следовательно, растёт их средняя кинетическая энергия и температура тела. Поэтому отклонение молекул от положения равновесия увеличивается, но кристаллическая структура вещества ещё сохраняется. Когда вещество нагреется до температуры плавления, его температура перестаёт расти. Внутренняя энергия теперь увеличивается не за счёт кинетической энергии, а за счёт увеличения потенциальной энергии взаимодействия молекул. Таким образом, теперь вся получаемая энергия расходуется на-разрушение кристаллической решётки. Вещество плавится и переходит из твёрдого состояния в жидкое. Далее нагревается уже жидкость. При этом увеличивается кинетическая энергия молекул, значит, температура жидкости возрастает.

ОТВЕРДЕВАНИЕ. ТЕМПЕРАТУРА ОТВЕРДЕВАНИЯ

Переход вещества из жидкого состояния в твердое — отвердевание — происходит в обратном порядке. Вынесем пробирку с водой на мороз. Сначала температура воды понижается. При этом скорость движения молекул уменьшается и их средняя кинетическая энергия понижается. При О С понижение температуры прекращается, хотя внутренняя энергия воды продолжает уменьшаться. Выделяемое количество теплоты идёт на нагревание окружающей среды. Силы взаимодействия теперь удерживают медленно движущиеся молекулы, в результате чего формируется кристаллическая решётка. Данный процесс идёт без изменения температуры вещества. После этого температура получившегося льда начинает уменьшаться до тех пор, пока не сравняется с температурой окружающей среды.

Существует температура, ниже которой вещество в жидком состоянии находиться не может, оно отвердевает. Температура, при которой вещество отвердевает, называется температурой отвердевания.

Опыты показывают, что для кристаллических тел отвердевание вещества всегда происходит при той же температуре, при которой вещество плавится: t_пл = t_отв

Для образования сосулек необходимо, чтобы одновременно происходило два процесса: таяние льда и замерзание воды. А можно ли расплавить лёд при температуре ниже О °С?

Заполним водой небольшую коробочку. Вертикально воткнём в коробочку иголки так, чтобы ушками они касались дна. Заморозим воду в коробочке так, чтобы иголки вмёрзли вертикально в лёд. Теперь на иголки положим кусок льда, а сверху поставим груз и поместим коробочку на мороз. Что мы увидим спустя некоторое время? Лёд опустился до коробочки, т. е. под давлением лёд плавится даже при отрицательной температуре и иголки проходят насквозь!

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Плавление и отвердевание кристаллических тел».

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