§ 12. Питома теплота плавлення

На фото зображено кристалічні речовини (сталь і лід) однакової маси, які перебувають за температури, близької до температури плавлення. Ви добре знаєте: щоб розплавити ці речовини, їм слід передати певну кількість теплоти. Чи однакову кількість теплоти необхідно передати льоду і сталі, щоб перевести їх у рідкий стан? З'ясуємо.

Вводимо поняття питомої теплоти плавлення речовини

Ви вже знаєте, що під час переходу з твердого стану в рідкий речовина поглинає певну кількість теплоти і внутрішня енергія речовини збільшується, а перехід речовини з рідкого стану у твердий супроводжується виділенням теплоти та зменшенням внутрішньої енергії речовини.

Вивчення процесів плавлення та кристалізації показало, що кількість теплоти, яку необхідно витратити на плавлення певної маси речовини, дорівнює кількості теплоти, що виділяється під час її кристалізації (рис. 12.1).

Виникає запитання: чи однакову кількість теплоти необхідно витратити на плавлення різних речовин однакової маси? Логічно припустити, що різну: сили взаємодії між частинками різних речовин є різними, а отже, на руйнування різних кристалічних ґраток, напевне потрібна різна кількість енергії. І це справді так. Наприклад, щоб розплавити 1 кг льоду, йому потрібно передати в 13 разів більше теплоти, ніж необхідно для плавлення 1 кг свинцю.

Фізична величина, яка показує, скільки теплоти поглинає 1 кг твердої кристалічної речовини під час перетворення на рідину, називається питома теплота плавлення.

питома теплота плавлення — фізична величина, що характеризує певну речовину й дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати твердій кристалічній речовині масою 1 кг, щоб за температури плавлення повністю перевести її в рідину.

Питома теплота плавлення показує, на скільки за температури плавлення внутрішня енергія 1 кг речовини в рідкому стані більша, ніж внутрішня енергія 1 кг цієї речовини в твердому стані. У цьому полягає фізичний зміст питомої теплоти плавлення.

Це означає: щоб розплавити 1 кг льоду, що перебуває за температури плавлення (0 °С), слід передати йому 332 кілоджоулі теплоти. така сама кількість теплоти (332 кДж) виділіться й під час кристалізації 1 кг води. тобто внутрішня енергія 1 кг води за температури 0 °С більша за внутрішню енергію 1 кг льоду за тієї самої температури на 332 кДж.

Питому теплоту плавлення визначають дослідним шляхом і фіксують у таблицях (див. табл. 3 Додатку).

Визначити питому теплоту плавлення тугоплавких речовин (речовин, які мають високу температуру плавлення) є досить складною задачею. А от питому теплоту плавлення легкоплавких речовин, наприклад льоду, ви можете визначити навіть самостійно (рис. 12.2).

Отже, щоб обчислити кількість теплоти, необхідну для плавлення кристалічної речовини, узятої за температури плавлення, потрібно питому теплоту плавлення цієї речовини помножити на її масу.

Зрозуміло, що кількість теплоти, яка виділяється під час кристалізації, розраховують за тією самою формулою.

Учимося розв'язувати задачі

Задача. Яка кількість теплоти потрібна, щоб розплавити 5 кг свинцю, взятого за температури 27 °С?

Аналіз фізичної проблеми. Щоб розплавити свинець, його спочатку слід нагріти до температури плавлення. Знайдемо в табл. 2 Додатку температуру t₂ плавлення свинцю та побудуємо схематичний графік процесу.

Обчислюємо кількість теплоти, що необхідна для плавлення речовини або виділяється під час її кристалізації

мо формулу для обчислення кількості теплоти, яку необхідно передати твердій речовині масою m, щоб перетворити її на рідину за температури плавлення:

Загальна кількість теплоти Q дорівнюватиме сумі кількості теплоти Q₁, необхідної для нагрівання свинцю до температури плавлення, та кількості теплоти Q₂, необхідної для плавлення. Питому теплоємність c і питому теплоту плавлення λ свинцю знайдемо відповідно в табл. 1 і 3 Додатку. Задачу розв’язуватимемо в одиницях СІ.

Фізична величина, що характеризує певну речовину й дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати 1 кг цієї речовини, взятої у твердому стані, щоб за температури плавлення повністю перевести її в рідину, називається питомою теплотою плавлення λ .

Кількість теплоти, яку необхідно витратити на плавлення певної речовини, узятої за температури плавлення, дорівнює кількості теплоти, що виділяється під час кристалізації цієї речовини. Цю кількість теплоти обчислюють за формулою Q = Xm.

Питома теплота плавлення показує, на скільки внутрішня енергія 1 кг речовини в рідкому стані, взятої за температури плавлення, більша за внутрішню енергію 1 кг цієї речовини в твердому стані.

Контрольні запитання

1. Від чого залежить кількість теплоти, що виділяється під час кристалізації речовини? 2. Що називають питомою теплотою плавлення речовини? 3. Яким є фізичний зміст питомої теплоти плавлення? 4. Як обчислити кількість теплоти, що необхідна для плавлення речовини або виділяється під час її кристалізації?

Вправа № 12

1.    Яка кількість теплоти необхідна, щоб розплавити 500 г міді, взятої за температури плавлення?

2.    Яке з тіл має більшу внутрішню енергію: алюмінієвий брусок масою 1 кг, узятий за температури плавлення, чи 1 кг розплавленого алюмінію за тієї самої температури? На скільки більшу?

3.    Яка кількість теплоти виділиться під час кристалізації 100 кг сталі та подальшого її охолодження до 0 °С? Початкова температура сталі дорівнює 1400 °С.

4.    Яка кількість теплоти потрібна для перетворення 25 г льоду, взятого за температури -15 °С, на воду за температури 10 °С?

5.    У гарячу воду поклали лід, маса якого дорівнює масі води. Після того як весь лід розтанув, температура води зменшилася до 0 °С. Якою була початкова температура води, якщо початкова температура льоду дорівнювала 0 °С?

6.    На рисунку зображено графіки залежності температур від часу в процесі кристалізації двох речовин однакової маси. Яка речовина має вищу температуру плавлення? більшу питому теплоту плавлення? більшу питому теплоємність у рідкому стані?

7.    Свинцева куля, яка рухалася зі швидкістю 300 м/с, вдарилась об металеву пластину і зупинилася. Яка частина свинцю розплавилась, якщо вважати, що свинець повністю поглинув енергію, яка виділилася під час удару? Початкова температура кулі 27 °С.

8.    На дні посудини намерз лід. У посудину налили води. Чи зміниться рівень води в посудині після того, як увесь лід розтане?

Експериментальне завдання

Скориставшись рис. 12.2, запишіть план проведення експерименту з визначення питомої теплоти плавлення льоду. Які прилади для цього потрібні? Якщо є можливість, проведіть експеримент. Підказка: якщо лід, який уже почав танути, ретельно промокнути серветкою, він майже не міститиме води, а його температура становитиме 0 °С.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар