§ 14. Розрахунок кількості теплоти при плавленні (твердненні) тіл

Оскільки питома теплота плавлення показує, яку кількість теплоти потрібно передати твердому тілу масою 1 кг, щоб перетворити його на рідину за температури плавлення, то для плавлення тіла масою 5 кг, виготовленого з цієї самої речовини, потрібно витратити у 5 разів більшу кількість теплоти.

Задача. Знайти кількість теплоти, яку потрібно витратити, щоб розплавити 5 кг льоду, температура якого становить 0 °С?

Температура більшості твердих тіл нижча за температуру плавлення. Під час перетворення твердого кристалічного тіла на рідину можна виділити принаймні два теплових процеси, під час яких зростає його внутрішня енергія: 1) нагрівання твердого тіла до температури плавлення; 2) плавлення кристалічного тіла за температури плавлення. Можливе й подальше нагрівання розплавленої рідини.

Задача. Для виготовлення деталі розплавили 200 г алюмінію, температура якого 20 °С. Яку кількість теплоти потрібно витратити для цього?

P о з в ’ я з у в а н н я. Можна виділити дві складові перетворення твердого алюмінію на рідину.

1.    Щоб алюміній почав плавитися, його спочатку потрібно нагріти від t₁ = = 20 °С до температури плавлення t₂ = = 660 °С. У разі нагрівання алюміній одержить кількість теплоти Q₁.

2.    Під час плавлення без зміни температури він одержує ще деяку кількість теплоти Q₂.

Для плавлення алюмінію потрібна кількість теплоти

Кількість теплоти, що витрачається на нагрівання,

Щоб розплавити 200 г алюмінію температурою 20 °С, потрібно приблизно 197 кДж теплоти.

В і д п о в і д ь: Q ~ 197 кДж.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Як визначити кількість теплоти, потрібну для перетворення на рідину кристалічного тіла за температури плавлення?

2.    Чи можливе таке явище: тіло віддає деяку кількість теплоти в навколишнє середовище, але при цьому не охолоджується? (Мається на увазі, що віддана кількість теплоти не поповнюється.)

3.    Яку кількість теплоти потрібно передати 2 кг свинцю, який нагріто до температури 327 °С, щоб його розплавити?

4.    Яку масу льоду, температура якого 0 °С, можна розплавити, якщо передати йому 3,4 · 10⁶ Дж теплоти?

5*. Яка кількість теплоти виділилася в навколишнє середовище під час утворення на поверхні озера криги товщиною 5 см, якщо площа поверхні озера 1 км²?

6*. 12 кг льоду, внесені знадвору в кімнату за температури -25 °С, розтанули, а вода, що утворилася, нагрілася до 16 °С. Яка кількість теплоти витратилася на ці процеси?

РІДКІ КРИСТАЛИ.

ПОЛІМЕРИ. НАНОМАТЕРІАЛИ

Рідкі кристали. Деякі речовини у разі підвищення температури переходять з твердого кристалічного стану в рідкий не відразу, а через стан, в якому їхня структура є проміжною між структурою рідини і кристала. В такому стані вони називаються рідкими кристалами (thin crystal).

Для речовин, що перебувають в рідкокристалічному стані, характерною є плинність. Вони утворюють краплі, як і рідини. Однак їх краплі можуть мати не кулеподібну, а видовжену форму. Молекули у краплі, як і в твердих кристалах, розміщуються у певному порядку. Проте, якщо в твердих кристалах спостерігається дальній порядок розміщення частинок у трьох взаємно перпендикулярних напрямках, то в рідких вони можуть бути впорядковані в одному або двох напрямках. Тому в різних напрямках їх фізичні властивості неоднакові.

Рідкі кристали можуть існувати в певному інтервалі температур, різному для різних речовин. Під час нагрівання вони перетворюються на звичайні рідини, а внаслідок охолодження — на тверді кристали. На мал. 1.50 схематично зображені розташування молекул у кристалічному (а), рідкокристалічному (б) і рідкому (в) станах однієї й тієї самої речовини.

Рідкі кристали можуть утворювати речовини з дуже витягнутими молекулами або молекулами, що мають форму дисків. Нині відомо понад 3000 різних рідкокристалічних речовин, багато з яких мають природне біологічне походження. Складна рідкокристалічна структура притаманна

мозку людини. Дезоксирибонуклеїнова кислота — це рідкий кристал із величезних молекул. Також повсякденно ми користуємось розчином мила, який теж є рідким кристалом.

Оскільки кристали рідкі, орієнтацією молекул можна легко керувати за рахунок незначних зовнішніх впливів (нагрівання, електричні й магнітні поля). Тому рідкі кристали широко застосовуються в техніці. їх використовують у цифровій індикації, для перетворення інфрачервоного випромінювання на видиме, для виготовлення плоских екранів моніторів, для термоіндикації, в ультразвуковій медичній діагностиці та ін.

Полімери. У практичній діяльності людини великого значення набули речовини, які називають полімерами. Молекули полімеру складаються із величезної кількості однакових ланок — мономерів, об’єднаних у довгі ланцюги. До них належать такі природні речовини, як бавовна, вовна, дерево, шкіра, натуральний шовк, каучук тощо. Багато полімерних матеріалів одержують штучно: віскозний шовк, целофан, органічне скло, поліетилен, штучні волокна, епоксидні смоли та багато ін. До природних полімерів належать біополімери, з яких побудовано клітини всіх живих організмів.

Полімери — основа гуми, лаків, фарб, клеїв тощо. Завдяки введенню до полімерів домішок, можна створювати речовини з дуже цінними якостями: високою твердістю, легкістю, вогнестійкістю та ін.

Наноматеріали. Люди вже набули досвіду з використання об’єктів найрізноманітніших розмірів. Розщеплюючи

ядра атомів, отримують атомну енергію. Проводячи хімічні реакції, одержують нові молекули і речовини з унікальними властивостями. За допомогою спеціальних інструментів людина навчилася створювати вироби розмірами від часток міліметра до величезних споруд.

Однак тривалий час існував інтервал розмірів, які вчені майже не досліджували — це світ так званих наночасти-нок. У перекладі з грецької мови нано — карлик. Один нанометр (нм) — це одна мільярдна частина метра (10^-9 м). У більшості атомів діаметр становить від 0,1 до 0,2 нм, а товщина людської волосини — 80 000 нм. Нанометр порівнювати з метром, це те саме, що товщину пальця порівнювати з діаметром Землі.

Частинки, розміром від 1 до 100 нм, називають нано-частинками, а виготовлені з них матеріали — наномате-ріалами. Наноструктуры можна розглядати як особливий стан речовини, оскільки властивості матеріалів, утворених з використанням наноструктурних елементів, значно відрізняються від властивостей речовин без них.

Наноматеріали дають змогу створювати супермініатюрні електронні пристрої, зокрема комп’ютерні системи, системи запису і збереження інформації. Завдяки малим розмірам такі пристрої можуть проникати в будь-які ділянки людського тіла чи мікромашин.

Застосовуючи наночастинки і виготовлені з них наноматеріали, можна прискорювати хімічні та біохімічні реакції. Супермініатюрні пристрої з наноматеріалів можна використовувати для виведення отруйних (токсичних) речовин з людського організму і для доставки ліків безпосередньо до вражених місць, а також для відфільтровування шкідливих бактерій.

Зміни основних характеристик речовин, що складаються з наночастинок, зумовлені не лише їх мініатюрними розмірами, а й тим, що вони перебувають в особливому стані. При цьому виявляються дивовижні ефекти. Наночастинки не мають дефектів у впорядкованості розташування атомів, тому їх можна використовувати для створення енергозбері-гальних, лазерних, випромінювальних пристроїв. Так, міцність вуглецевих нанотрубок у десятки разів перевищує міцність найкращої сталі.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко