Температура при плавлении льда как меняется

Почему при плавлении температура не меняется?

Все мы знаем из школьного курса физики, что при изменении веществом своего агрегатного состояния происходит фазовый переход. Вещество в твёрдом состоянии может напрямую перейти в газообразное. Например, когда температура сухого льда (твёрдого диоксида углерода, CO₂) повышается, он превращается в газ. Этот процесс называется сублимацией или возгонкой.

Но чаще происходят другие процессы. К примеру, когда вода замерзает, из жидкого состояния она переходит в твёрдое (кристаллизация). Когда камни плавятся в лаве, из твёрдого вещества они превращаются в жидкость (плавление). Когда вода закипает в чайнике, из жидкости она становится газом (испарение и кипение). Пока рассматриваемое вещество при подведении или отведении дополнительного тепла переходит в новое состояние – жидкое, твёрдое или газообразное, температура не меняется. Почему так происходит?

Краткий ответ. Потому что вся поступающая тепловая энергия идет на разрушение связей между молекулами вещества (в случае плавления — на разрушение кристаллической решетки, в случае кипения — на преодоление молекулами сил межмолекулярного притяжение и вылет за пределы жидкости). Наоборот, при обратных фазовых переходах (конденсации и кристаллизации) температура не уменьшается, потому что происходит образование связей между молекулами вещества.

Подробное объяснение почему при плавлении температура не меняется

Представьте, что вы спокойно пьёте лимонад (который имеет примерно ту же теплоёмкость, что и обычная вода). В этом лимонаде плавают кусочки льда. Температура этой наполовину лимонадной, наполовину ледяной смеси находится вблизи нуля градусов по Цельсию. Пока вы держите в ладонях стакан и наблюдаете за происходящим в нём процессом, лёд начинает таять, однако содержимое ёмкости не нагревается, пока весь лёд в ней не растает.

Вопрос. Почему при плавлении температура не меняется? Тепловая энергия, поступающая из окружающей среды, плавит лёд, не нагревая смесь в целом. Делает ли это уравнение для расчёта количества теплоты (, где — количество теплоты, — масса образца, — изменение температуры) бесполезным? Вовсе нет – это лишь означает, что оно неприменимо к фазовому переходу.

Можно построить график зависимости температуры вещества от количества переданной теплоты . К примеру, на Рис. 1 представлен график фазовых переходов льда, взятого из морозильной камеры. Участок соответствует нагреванию льда, участок — плавлению льда, участок — нагреванию получившейся воды, участок — кипению воды, участок — нагреванию полученного пара.

Рис. 1. График фазовых переходов H₂0.

Как видно, кривая обычно возрастает, то есть увеличение теплоты приводит к возрастанию температуры. Однако кривая идёт горизонтально при фазовых переходах (при температурах и ), поскольку изменение состояния вещества требует энергии. После того, как переход завершается, температура вновь начинает возрастать.

Давайте представим, что вы взяли мешок со льдом и поставил его на кухонную плиту. Перед этим температура льда была ниже температуры замерзания воды, скажем -5 °C. Но на плите она начала изменяться. Пока фазовый переход не происходит, температура льда линейно возрастает при увеличении количества подведенной теплоты , где c = 2100 Дж/(кг⋅°C) — удельная теплоемкость льда.

Когда же лёд достигает температуры в t₁ = 0 °C, он становится слишком тёплым, чтобы оставаться в твёрдом состоянии, и начинает плавиться, испытывая фазовый переход (кривая на графике выравнивается). Этот процесс – разрушение кристаллической решётки льда – нуждается в энергии, которая вырабатывается источником тепла. Вот почему при плавлении температура не меняется.

Наблюдая за мешком на плите в течение некоторого времени, вы замечаете, что весь лёд наконец расплавился. Поскольку плита продолжает вырабатывать тепловую энергию, температура воды поднимается. Наконец в ней появляются пузырьки. «Ага, – подумаете вы, – ещё один фазовый переход». Да, это так. Вода становится горячей и при температуре t₂ = 100 °C закипает. Мешок при этом начинает раздуваться.

Вы измеряете температуру воды. Удивительно, но пока вода кипит, её температура также не изменяется. И снова, для завершения перехода – из жидкого состояния в газообразное – требуется определённое количество теплоты.

Что же произойдёт дальше, когда мешок расширится до немыслимых размеров? Лучше не проверять, поскольку мешок может взорваться, и вы ошпаритесь горячим паром и кипящей водой.

Источник

Температура при плавлении льда как меняется

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*10 5 Дж/кг. Это означает, что для плавления 1 кг алюминия при температуре плавления необходимо затратить количество теплоты 3,9*10 5 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».

Источник

График плавления и отвердевания кристаллических тел

Содержание

Если вещество в твердом состоянии будет отдавать энергию – оно будет остывать. При этом с определенной температуры начинает происходить процесс плавления – тело переходит из твердого состояния в жидкое.

Если же мы будем сообщать энергию жидкости (нагревать ее), то с определенной температуры начнется процесс отвердевания (кристаллизации). Жидкость перейдет в твердое состояние.

Процесс плавления кристаллического тела довольно сложный. Для того, чтобы более детально его изучить, мы рассмотрим график зависимости температуры твердого тела от времени его последовательного нагревания и охлаждения.

График плавления льда и отвердевания воды

В качестве кристаллического тела будем рассматривать лёд. График плавления льда и отвердевания воды изображен на рисунке 1. Здесь по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной – температура льда. Для нагревания льда будем использовать обычную горелку.

Рисунок 1. График зависимости температуры льда от времени нагревания

Разберем каждый участок графика.

1. Точка A
   Это наша начальная точка, начало наблюдения за процессом. Здесь температура льда была равна $-40 \degree C$

1. Участок AB
   Идет нагревание льда, его температура увеличивается с $-40 \degree C$ до $0 \degree C$

1. Точка B
   Достигнув температуры $0 \degree C$, лед начинает плавится. Это его температура плавления.

1. Участок BC
   Лед плавится, но его температура в это время не увеличивается. Процессу плавления соответствует именно этот участок графика.

В течение всего времени плавления температура льда не меняется, хотя мы продолжаем его нагревать

1. Точка C
   В этот момент весь лед расплавился и превратился в воду

1. Участок CD
   На это участке графика идет нагревание воды до $+40 \degree C$

1. Точка D
   Вода имеет температуру $+40 \degree C$. В этот момент мы выключаем горелку

1. Участок DE
   Температура воды снижается, она охлаждается

1. Точка E
   Температуры воды достигает $0 \degree C$. Начинается ее отвердевание (кристаллизация)

1. Участок EF
   На этом участке графика идет процесс отвердевания (кристаллизации) воды.

Пока вся вода не затвердеет, ее температура не изменится

1. Точка F
   В этот момент вся вода превратится в лёд

1. Участок FK
   Температура льда понижается

Графики плавления олова и свинца

На графиках часто указывают какой-то один процесс (либо отвердевание, либо плавление), но для нескольких веществ. Это делается для наглядного сравнениях их свойств.

Подобный график представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Графики для процесса плавлении олова и свинца

Процесс плавления олова соответствует участку CD, а процесс плавления свинца – участку AB.

Участок AB находится выше участка CD. Это означает, что свинец имеет большую температуру плавления, чем олово. На графике отмечены эти температуры. Для свинца это $327 \degree C$, а для олова $232 \degree C$.

Также мы можем судить о времени процесса плавления. Участок AB имеет большую длину, чем участок CD. Значит, свинец плавился большее время, чем олово. При этом, свинец начал плавиться раньше.

Источник