Народна Освіта » Фізика » § 10. Плавлення твердих тіл. Кристалізація

НАРОДНА ОСВІТА

§ 10. Плавлення твердих тіл. Кристалізація

Плавления твердих тіл. Кристалізація

Розрахунок кількості теплоти при плавленні твердих тіл і кристалізації

 

ПЛАВЛЕННЯ ТВЕРДИХ ТІЛ. КРИСТАЛІЗАЦІЯ. Вивчаючи агрегатні стани речовини ви ознайомилися з плавленням і кристалізацією твердих тіл. Плавленням називають процес переходу речовини з твердого стану в рідкий (рис. 10.1).

Зворотний процес переходу речовини з рідкого стану в твердий називають кристалізацією (тверд-

ненням). Кристалічні тіла плавляться та тверднуть за певної сталої для кожної речовини температури, яку називають температурою плавлення. Різні кристалічні тіла плавляться та тверднуть при різних температурах (табл. 10.1).

Таблиця10.1

Температура плавлення та кристалізації деяких речовин

Речовина

Температура

плавлення/кристалізації, °С

Ртуть

-39

Лід

0

Галій

29,8

Олово

232

Свинець

327

Алюміній

660

Срібло

960

Сталь

1400

Вольфрам

3387

Для кожної кристалічної речовини е своя температура плавлення. Наприклад, температура плавлення вольфраму становить 3387 °С, заліза — 1535, алюмінію — 660, нафталіну — 80 °С. Є метали, які плавляться при температурі, меншій за температуру тіла людини (рис. 10.2).

 

Під час нагрівання твердого тіла інтенсивність коливального руху молекул у кристалі підвищується, а з досягненням температури плавлення коливання стають такими інтенсивними, що молекули (атоми) уже не можуть утриматися у вузлах гратки і вона руйнується — відбувається плавлення. У процесі плавлення вся енергія, що передається твердому тілу, надходить на руйнування його кристалічної гратки, тому під час плавлення температура кристалічної речовини залишається сталою.

Отже, внутрішня енергія розплаву завжди більша, ніж внутрішня енергія такої самої маси кристалів за тієї самої температури.

Спостереження показують, що температура плавлення не тільки визначається природою речовини, а й залежить від тиску. Якщо плавлення речовини супроводжу-

ється збільшенням її об'єму, то зі зростанням зовнішнього тиску температура плавлення цієї речовини підвищується. Якщо плавлення речовини супроводжується зменшенням її об'єму (наприклад, льоду, чавуну, вісмуту, сурми), то під час підвищення зовнішнього тиску температура плавлення цієї речовини знижується.

Під час кристалізації речовини відбувається протилежний процес. Середня кінетична енергія молекул зменшується. Сили притягання починають утримувати молекули між собою. Як наслідок, рух молекул стає впорядкованим — утворюються кристали. Енергія, що виділяється під час тверднення речовини, витрачається на підтримання сталої температури. Температура кристалізації речовини дорівнює Ті температурі плавлення.

Досліди показують, якщо взяти різні речовини однакової маси, то для перетворення цих речовин у рідину при температурі плавлення необхідна різна кількість теплоти.

Фізичну величину, що показує, яка кількість теплоти необхідна для повного перетворення 1 кг кристалічної речовини з твердого стану в рідкий за сталої температури плавлення, називають питомою теплотою плавлення:

 

Питому теплоту плавлення кристалічної речовини визначають експериментально за допомогою калориметра. У табл. 10.2. наведено значення питомої теплоти плавлення та кристалізації певних речовин.

Таблиця10.2

Питома теплота плавлення та кристалізації речовини

Речовина

Питома теплота плавлення

(кристалізації), —

кг

Галій

δ 590

Свинець

25 000

Олово

59 000

Сталь

82 000

Срібло

87 000

Мідь

180 000

Лід

330 000

Алюміній

380 000

З формули (10.1) випливає, що для плавлення твердого тіла масою т потрібно надати кількість теплоти, пропорційну його масі:

Q = Xm.    (10.2)

Відповідно до закону збереження енергії, під час кристалізації речовини виділяється певна кількість теплоти. Тому під час випадання снігу підвищується температура навколишнього середовища. За кристалізації речовини її внутрішня енергія зменшується. Кількість теплоти, що виділяється під час кристалізації речовини, визначають за формулою

Q = -Xm.    (10.3)

Особливості плавлення та кристалізації твердих тіл розглянемо на прикладі графіка залежності температури льоду від часу його нагрівання (рис. 10.3). По горизонтальній осі відкладено час нагрівання, а по вертикальній — температуру в градусах Цельсія. Для спостереження візьмемо певну кількість льоду при температурі -40 °С. Нехай для нагрівання використано нагрівник постійної потужності, тоді кількість теплоти, яка ним виділяється, буде прямо пропорційна часу роботи нагрівника (кількість теплоти дорівнює добутку потужності нагрівника на час його роботи).

При нагріванні льоду до 0 °С його температура збільшилася від -40 °С до 0 °С (ділянка АВ). Збільшення температури відбувалося до 0 °С — температури плавлення льоду. При досягненні 0 °С лід почав плавитися, а температура суміші льоду й утвореної з нього води не змінювалися, хоча нагрівання тривало (ділянка на графіку ВС). Після того як увесь лід розтанув, температура утвореної води почала підвищуватися (ділянка CD).

Розглянемо процес охолодження та кристалізації води. Продовжимо розгляд графіка тепер уже на ділянках DEt EF, FK. Коли температура води досягла +40 °С (точка D), нагрівання во-

ди припинилося, вода стала охолоджуватися (ділянка DE). Коли температура води знизилася до 0 °С (точка E) почався процес кристалізації води. Кристалізація відбувається, як бачимо, при сталій температурі, що дорівнює температурі плавлення (ділянка EF) з виділенням теплоти речовиною. Відповідно до закону збереження енергії виділена енергія дорівнює теплоті плавлення. Поки вся вода не замерзає, її температура не змінюється, і лише після завершення процесу кристалізації температура утвореного льоду починає знижуватися (ділянка FK).

РОЗРАХУНОК КІЛЬКОСТІ ТЕПЛОТИ ПРИ ПЛАВЛЕННІ ТВЕРДИХ ТІЛ ТА КРИСТАЛІЗАЦІЇ. Аналізуючи особливості процесів плавлення та кристалізації твердих тіл, можна зробити висновок, що для плавлення речовини, взятої при температурі плавлення, їй необхідно надати кількість теплоти, обчислену за формулою (10.2): Q = Xm .

Для того щоб розплавити кристалічну речовину, взяту при температурі t (нижчій за температуру плавлення), її спочатку необхідно нагріти до температури плавлення, надавши кількість теплоти Q1 = cm(tns -t), а потім надати кількість теплоти, необхідну для плавлення: Q2 = Xm .

Отже, кількість теплоти, потрібна для плавлення речовини, взятої при температурі, нижчій за температуру плавлення, обчислюється за формулою:

Зверніть увагу, що розраховуючи кількість теплоти, яку віддає тіло під час охолодження до температури тверднення, зміну температури At визначають, віднімаючи від більшого значення менше.

Головне в цьому параграфі_

Кристалічні тіла плавляться і тверднуть за певної, сталої для кожної речовини, температури, яку називають температурою плавлення. Температура плавлення речовини дорівнює температурі її кристалізації.

Під час процесу плавлення (тверднення) речовини її температура не змінюється.

Внутрішня енергія розплаву завжди більша, ніж внутрішня енергія такої самої маси кристалів за тієї самої температури.

Фізичну величину, що показує, яка кількість теплоти необхідна для повного перетворення 1 кг кристалічної речовини з твердого стану в

Запитання для самоперевірки_

1.    Що називають плавленням речовини?

2.    Що називають кристалізацією речовини?

3.    Назвіть основні особливості процесів плавлення та кристалізації.

4.    Поясніть, чому під час плавлення та кристалізації речовини її температура не змінюється.

5.    Порівняйте внутрішню енергію речовини, взятої при температурі плавлення, та її розплаву.

6.    Що називають питомою теплотою плавлення?

7.    Як обчислюють кількість теплоти, необхідну для плавлення речовини, взятої за температури плавлення?

Вправа до § 10

1(п). Поясніть, які зміни внутрішньої енергії відбуваються при плавленні 1 кг льоду та 1 кг заліза, взятих при температурі плавлення.

2(п). Поясніть, які зміни внутрішньої енергії відбуваються при кристалізації 1 кг олова.

3(c). Яку кількість теплоти потрібно витратити, щоб розплавити 150 кг міді при температурі її плавлення?

4(c). Визначте речовину, при кристалізації 40 г якої виділяється 6 кДж теплоти.

5(д). Свинець масою 100 г, взятий при температурі 27 °С, розплавили у сталевій коробці. Знайдіть масу коробки, якщо кількість теплоти, витраченої на теплові процеси, дорівнює 44,2 кДж.

6(д). Визначте температуру льоду, що утворився з води масою 5 кг, взятої при температурі 10 °С, якщо під час кристалізації виділилися 2,225 МДж теплоти.

7(в). У посудині міститься 2 л води, що має температуру ЗО °С. Визначте температуру, яка встановиться в посудині, якщо туди додали 200 льоду, температура якого 0 °С.

ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ФІЗИЧНІ ЗАДАЧІ НА ТЕПЛОВІ ЯВИЩА РАЗОМ

Шановні друзі!

У восьмому класі ви продовжуєте навчатися розв’язувати фізичні задачі різних типів. Приклади та особливості розв’язування розрахункових задач наведено в підручнику у відповідних параграфах. Пропонуємо вам короткі поради щодо розв’язування якісних, експериментальних і графічних фізичних задач на теплові процеси, які важливі для ґрунтовного опанування курсу фізики восьмого класу.

Якісні фізичні задачі. Незважаючи на те, що такі задачі, як правило, не потребують використання формул і громіздких обчислень, для їх розв’язання надзвичайно важливо правильно вибудувати логічні міркування, що базуються на основних фізичних законах. Тому потрібно ґрунтовно та усвідомлено працювати з навчальним матеріалом, зокрема підручника.

Під час розв’язування якісних фізичних задач на теплові явища слід звернути увагу на їхні основні енергетичні характеристики (наприклад, кінетична енергія хаотичного руху мікрочастинок, потенціальна енергія взаємодії частинок речовини, внутрішня енергія тіла, температура тощо), а також на підпорядкованість теплових процесів закону збереження енергії.

Основними етапами під час розв’язування якісної задачі є:

1.    Уважне читання умови задачі, з’ясування всіх термінів, які вона містить.

2.    Аналіз умови та з’ясування фізичних явищ, що в ній описані, побудова схем та креслень.

3.    Побудова ланцюжка логічних міркувань, підкріплених фізичними знаннями.

4.    Аналіз пропонованої відповіді з погляду її фізичного змісту, відповідності умові задачі та практичному досвіду.

Наведемо приклад розв’язування якісної фізичної задачі.

Задача 1. У § 6 підручника наголошується, що під снігом посіви озимої пшениці надійно захищені від вимерзання. Поясніть, за яких умов сніговий покрив краще захищає посіви: взимку, при постійній температурі менше за 0 °С, чи ранньою весною, коли можливе тимчасове підвищення температури навіть до додатних значень?

Розв'язок. Проаналізуємо умову задачі. У ній розглядаються теплові процеси, тому потрібно звернути увагу на особливості теплопередачі в першому та другому випадках. Теплоізоляційні властивості снігу пов’язані з його здатністю погано проводити

тепло. Але це характерно лише для пухкого снігу, який постійно перебуває при температурі менше 0 °С. При цьому між кристаликами снігу міститься багато повітря, яке має невелику теплопровідність (рис. 1).

 

Якщо температура навколишнього повітря хоча б тимчасово буде вищою 0 °С (температура танення льоду), верхній шар буде танути, сніг ущільнюватиметься, повітряні прошарки зменшуватимуться і теплопровідність зростатиме (рис. 2).

Тобто пухкий сніг значно краще зберігає посіви від вимерзання, ніж щільний. Таким чином, озимина витримує значно більші морози під пухким снігом, ніж незначні під щільним.

Експериментальні фізичні задачі. Важливою особливістю розв’язування фізичних задач є використання лабораторного та демонстраційного (якщо задача розв’язується в шкільному фізичному кабінеті), а також найпростішого саморобного (домашній експеримент) обладнання.

У школі ви розв’язуєте експериментальні задачі під керівництвом учителя з дотриманням основних правил безпеки життєдіяльності. Наголосимо, що дотримання правил безпеки є основною умовою й домашнього експерименту. Бажано його виконувати за допомогою дорослих. Але у будь-якому разі необхідно пам’ятати, що не можна користуватися електричним струмом, окропом, газом, легкозаймистими та небезпечними речовинами. Експериментальні фізичні задачі, запропоновані вам у рубриці «Домашній експеримент», є безпечними за умови дотримання найпростіших правил безпеки життєдіяльності.

Так само, як і якісні, експериментальні фізичні задачі потребують ретельного вивчення та аналізу їхніх умов, знання основних фізичних законів та логічних міркувань. Але їхньою важливою особливістю є доцільність складання схеми та плану експерименту, його відтворення за допомогою найпростіших підручних засобів.

Тому експериментальні фізичні задачі виконуйте за схемою:

1.    Ознайомлення та усвідомлення умов експериментальної задачі. Особливу увагу звертайте на додаткові умови (наприклад, нехтування втратами тепла на зовнішнє середовище).

2.    Визначення фізичного явища та процесів, які описуються в експериментальній умові, з’ясування фізичного закону, що лежить у його основі.

3.    Залежно від умови задачі: складання схеми та плану проведення експерименту, добір приладів, виконання експерименту й узагальнення отриманих результатів; або проведення теоретичних розрахунків та їх експериментальна перевірка.

Наведемо приклад експериментальної задачі.

Задача 2. Візьміть два порожні однакові металеві контейнери (бляшанки) для чаю або кави, один із яких має темну поверхню, а другий світлу. Налийте в них однакову кількість гарячої води з-під крана, попередньо вимірявши її температуру, та поставте на теплоізоляційну підставку для посуду (рис. 3).

Через декілька хвилин виміряйте температуру в кожному контейнері. За допомогою електронного термометра це можна зробити майже одночасно. Порівняйте виміряні значення. Поясніть різницю температур у контейнерах.

Виконання експериментального завдання та обґрунтування результатів. Готуючи експеримент, звертаємо увагу на те, що потрібно використовувати два однакові порожні контейнери (бляшанки) з різним кольором поверхні. У кожний з них заливаємо обережно однакову кількість гарячої води та залишаємо на декілька хвилин. Швидко вимірюємо температуру в кожній із посудин. Помітимо, що в посудині з поверхнею темного кольору температура нижча, ніж у посудині світлого кольору.

Для пояснення результату експерименту проаналізуємо умови задачі та визначимо початкові умови й особливості перебігу

фізичних процесів. Вода заливається в однакові (об’єм, матеріал) контейнери, які відрізняються тільки кольором поверхні. Початкова температура води, що заливається, а також її маса теж однакові. Тобто внутрішня енергія води в обох посудинах на початку експерименту однакова. Через певний час температура води в посудинах зменшується, отже, зменшується її внутрішня енергія. Між контейнерами з водою та навколишнім середовищем відбувається процес теплообміну. Поміркуємо, який вид теплообміну спостерігається. Посудини з гарячою водою контактують лише з теплоізоляційною підставкою та повітрям, що мають низьку теплопровідність. Тому в цьому експерименті відбувається такий вид теплообміну, як теплове випромінювання, зумовлене перетворенням внутрішньої енергії в теплове випромінювання. Охолоджуючись, посудина з водою випромінює теплову енергію.

Як вам відомо, темні поверхні випромінюють енергії більше, ніж тіла з білими (сріблястими) поверхнями. Таким чином, внутрішня енергія посудини з чорною поверхнею зменшуватиметься швидше. Тобто температура води в ній буде меншою, ніж у посудині зі світлою поверхнею.

Графічні задачі. У таких задачах об’єктом дослідження є графіки залежностей фізичних величин. Аналіз графіків дає можливість визначати кількісні співвідношення між фізичними величинами та складати формули.

Для розв’язування графічної фізичної задачі виконують такі дії:

1.    Аналізують умову задачі та звертають увагу на те, залежність між якими фізичними величинами показує графік.

2.    Вивчають графік, з’ясовують характер залежностей між фізичними величинами на кожному з відрізків.

3.    Користуючись масштабом і графіком визначають невідомі величини.

4.    Аналізують отримані результати та роблять висновки відповідно до запитань задачі.

Графічна задача може передбачати також побудову графіків залежностей між фізичними величинами за умовою задачі або табличними даними. У такому разі креслять осі координат, обирають масштаб, складають (або беруть із довідників) таблиці, наносять на координатну площину відповідні точки та з’єднують їх лініями.

Задача 3. Проаналізуйте графік плавлення певної речовини (рис. 4). Охарактеризуйте особливості теплових процесів на ді-лянках АБ, БВ, ВГ. Визначте речовину, тепловий стан якої характеризує цей графік.

 

Розв'язок. Графік відображає залежність температури речовини від часу. Охарактеризуємо особливості теплового процесу на кожному з відрізків.

1. Враховуючи початкову температуру речовини (-44 °С), можемо зробити висновок, що вона перебувала у твердому стані. На ділянці АБ температура речовини збільшується, отже, вона нагрівається.

2. На ділянці Б В температура речовини стала, тобто відбувається її плавлення.

В. На ділянці ВГ температура речовини збільшується, а відповідно, речовина нагрівається.

4. Плавлення речовини відбувається при температурі -39 °С. За табл. 10.1 визначаємо, що ця речовина — ртуть.

ВИЯВЛЯЄМО ПРЕДМЕТНУ КОМПЕТЕНТНІСТЬ З ТЕМИ «ВНУТРІШНЯ ЕНЕРГІЯ. КІЛЬКІСТЬ ТЕПЛОТИ» Завдання з вибором однієї правильної відповіді 1(п). Визначте, як змінюється внутрішня енергія речовини під час плавлення:

A)    збільшується;

Б) спочатку збільшується, а потім зменшується;

B)    зменшується;

Г) не змінюється

2(п). Порівняйте значення внутрішньої енергії води та льоду однакової маси взятих при 0°С:

A)    більша в льоду; Б) однакова;

B)    більша у води; Г) не залежить від агрегатного стану 3(п). Укажіть фізичну величину, яка чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється при охолодженні 1 кг речовини на 1 °С:

A)    питома теплота пароутворення речовини;

Б) теплоємність тіла;

B)    питома теплота плавлення речовини;

Г) питома теплоємність речовини.

4(c). Порівняйте кількість теплоти, потрібну для нагрівання кожного з тіл, виготовлених з однакової речовини на 20 dC (рисунок):

 

A)    для нагрівання тіла 1 потрібно витратити більшу кількість теплоти;

Б) для нагрівання тіла 2 необхідно витратити більшу кількість теплоти;

B)    для нагрівання тіла 2 потрібно витратити меншу кількість теплоти;

Г) кількість теплоти, необхідна для нагрівання тіла 1 і тіла 2, однакова

5(c). Порівняйте кількість теплоти, витрачену для нагрівання кожної з двох склянок води, взятої при кімнатній температурі:

A)    для нагрівання склянки 1 потрібно витратити більшу кількість теплоти;

 

Б) для нагрівання склянки 2 необхідно витратити більшу кількість теплоти;

B)    кількість теплоти, необхідна для нагрівання склянки 1 і склянки 2, однакова.

6(c). Укажіть агрегатний стан, у якому одна й та сама речовина має найбільшу теплопровідність:

A)    газ;    Б) рідина;

B)    твердий стан;    Г) однакова для всіх станів.

7(c). Укажіть колір поверхні, що найбільше нагрівається влітку

на сонці:

А) білий; Б) сірий; В) червоний; Г) чорний.

 

8(c). На рисунку зображено графіки залежності температури речовин однакової маси від часу нагрівання. Укажіть графік, який відповідає речовині, питома теплоємність якої найбільша:

A) І;    Б) П;

B) ПІ;    Г) IV.

9(c). Визначте кількість теплоти, що виділиться при твердінні свинцю масою 50 г. Питома теплота плавлення свинцю 25 000 Дж/кг:

A)    500 Дж;    Б) 1,25 кДж;

B)    1,25 МДж;    Г) 125 · IO3 Дж.

Завдання на встановлення відповідності

10(д). Установіть відповідність між назвою процесу та ділянкою графіка зміни температури речовини з часом.

A)    кристалізація    1)    АБ

Б) нагрівання    твердого тіла    2)    ВГ

B)    нагрівання    рідини    3)    БВ

Г) плавлення    4)    EK

5) ДЕ

11(д). Установіть відповідність між описаною подією та фізичним процесом, що її супроводжує.

A)    скеля нагрілась у    сонячний    1)    конвекція

день    2)    теплопровідність

Б) холодні руки потирають, щоб 3) випромінювання їх зігріти    4)    виконання    механіч-

B)    ложка, частково    занурена    ної роботи

в гарячу воду, стає гарячою вся 5) конденсація Г) кімнату провітрюють, відкривши кватирку

Завдання на впорядкований вибір

12(д). Розташуйте в порядку зростання значення енергії кожного з процесів, що відбувалися з водою масою 400 г, взятій при температурі 20 °С

A)    нагрівання до температури кипіння;

Б) повна кристалізація;

B)    охолодження до 5 °С;

Г) перетворення в лід з температурою -5 °С.

Завдання відкритого типу

13(д). У воду масою 1,2 кг, температура якої 15 °С, занурили металеву деталь масою 1,92 кг, нагріту в окропі. Температура води внаслідок цього підвищилася до 36 °С. Визначте, з якого металу виготовлено деталь.

14(д). Для отримання теплої води в посудині змішали 2 кг холодної води, температура якої 10 °С, та 3 кг гарячої води, температура якої 80 °С. Визначте температуру води у посудині після встановлення теплової рівноваги. Питома теплоємність води 4200 Дж/кг-°С. Втратами теплоти та теплоємністю посудини знехтуйте.

15(b). У посудині перебуває лід масою 8 кг за температури -20 3C. Визначте масу льоду після надання посудині вмісту кількості теплоти 1,5 кДж.

 

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Головко

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 7-08-2016, 14:26, Переглядів: 14413