§ 11. Питома теплота плавлення-кристалізації. Особливості аморфних тіл

Рідкий, твердий і газоподібний стани речовини називають агрегатними станами. Ми спостерігаємо переходи між агрегатними станами кожен день, коли, наприклад, кип'ятимо воду.

Плавлення кристалічних речовин

Якщо повільно нагрівати тверду кристалічну речовину за допомогою нагрівника сталої потужності, то отримаємо лінійну залежність температури тіла від часу. Проте при досягненні температури плавлення подальше нагрівання не приводить до підвищення температури. На перший погляд - це дивний результат: теплота надходить, а температура тіла не змінюється. З часом зростає маса рідини і зменшується маса твердої кристалічної речовини. Так продовжується доти, доки вся тверда речовина не розплавиться (мал.

1I.7J. Тільки після цього рідина знову почне нагріватися, проте з іншою швидкістю (інколи швидше, інколи повільніше, ніж нагрівалося тверде тіло).

У процесі плавлення середня кінетична енергія атомів (молекул) кристалічної речовини не зростає. Виникає запитання: куди ж зникає енергія, яка надходить від нагрівника? Нагадаємо, що внутрішня енергія тіла складається не тільки з кінетичної енергії руху молекул, а й з потенціальної енергії їх взаємодії. Таким чином, ми повинні припустити, що при плавленні потенціальна енергія атомів (молекул) різко зростає.

При досягненні температури плавлення кристалічна речовина починає плавитися, і ця температура залишається сталою до повного перетворення в рідкий стан.

Таблиця 11.1

Температура плавлення деяких кристалічних речовин при нормальному

атмосферному тиску.

Речовина		Речовина
Алюміній		Графіт
Сіль кухонна		Лід
Срібло		Спирт
Золото		Азот
Мідь		Кисень
Залізо		Водень

Примітка. Зі сплаву вольфраму з осмієм роблять спіралі ламп розжарення. їхня робоча температура - близько 3000°С. Вогнетривкий посуд для лабораторій виготовляють із графіту або платини.

Для того щоб кристалічна речовина перетворилася на рідину при температурі плавлення, необхідно привести її в тепловий контакт із тілом вищої температури, від якого вона зможе отримати необхідну енергію. Слід передати атомам кристала додаткову енергію, бо інакше вони не покинуть місця, які займають у кристалічній ґратці (треба допомогти їм вилізти з потенціальної ями). Нагадаємо, що в кристалічному стані потенціальна енергія атомів більша від кінетичної, а в рідкому стані значення потенціальної енергії атомів у середньому дорівнює значенню кінетичної.

Перетворення аморфної речовини при нагріванні

Якщо нагрівати аморфне тіло, то графік залежності температури від часу нагрівання буде зовсім іншим, ніж у кристалічного (мал. 11.2). Внутрішня енергія аморфного тіла зростає з підвищенням температури. При цьому збільшуються відстані між молекулами і слабне взаємодія між ними. Проте, різкого переходу від твердого стану до рідкого немає. Головна різниця між кристалічним тілом і аморфним - у характері просторового розміщення атомів.

У кристалічному тілі атоми розташовані впорядковано і утворюють кристалічну ґрат-ку. Щоб її зруйнувати, треба затратити досить велику енергію. При цьому вже не залишається енергії на збільшення середньої кінетичної енергії атомів кристалічної речовини. Температура залишається сталою, поки кристалічна ґратка не буде зруйнована, тобто вся речовина не розплавиться.

В аморфних речовинах таких різких перебудов структури немає, тому вони поступово розм'якшуються при нагріванні і помітити точну температуру переходу від твердого до рідкого стану неможливо.

Таблиця 11.2

Температура розм’якшення (/_р ) деяких аморфних речовин при нормальному атмосферному тиску

Речовина		Речовина
Масло вершкове		Скло:
Парафін		віконне
Віск бджолиний		медичне
Поліетилен		ситал
Органічне скло		пірекс
Капрон		волоконне

Розрахунок теплоти плавлення

Кількість теплоти, яку необхідно передати одиниці маси кристалічної речовини, щоб повністю перевести її в рідкий стан при температурі плавлення, називають питомою теплотою плавлення і позначають грецькою літерою λ

(«лямбда»).

Вимірюється λ в Дж/кг. Наприклад, питома теплота плавлення льоду, як видно з таблиці 11.3, дорівнює 330 000 Дж/кг. Це означає, що одному кілограму льоду при 0°С необхідно передати 330 000 Дж енергії (у вигляді теплоти чи механічної роботи), щоб отримати з нього воду з температурою 0°С. Щоб розплавити деяку масу речовини т, треба передати тілу кількість теплоти в m разів більшу ніж λ:

Таблиця 11.3

Питома теплота плавлення (λ ) деяких кристалічних речовин при нормальному атмосферному тиску

Речовина		Речовина
Ртуть		Алюміній
Золото		Лід
Олово		Спирт
Залізо		Водень
Срібло		Азот
Мідь		Кисень

Кристалізація

У результаті охолодження рідина починає кристалізуватися при температурі кристалізації, яка дорівнює температурі плавлення цієї самої речовини. Пи-тома теплота кристалізації дорівнює питомій теплоті плавлення. Формула для розрахунку теплоти кристалізації виглядає так:

Знак «-» означає, що при кристалізації теплота не поглинається, а виділяється. Для того щоб рідина при температурі кристалізації перетворилася на тверду речовину, необхідно привести її в контакт із тілом нижчої температури, якому вона зможе віддати теплоту. Іншими словами, від атомів треба забрати зайву внутрішню енергію, тобто знизити їхню потенціальну енергію, бо інакше вони не займуть місця в кристалічній ґратці. Нагадаємо, що в твердому стані потенціальна енергія атомів від'ємна, а її значення в середньому повинно бути у декілька разів більшим за значення кінетичної енергії.

ЦІКАВО ЗНАТИ

• Сніжинки утворюються на висоті 2 км і летять до землі близько 0,5 год. Виростають вони на мікрочастинках пилу, тому над містами снігу випадає більше.

ТВОРЧЕ ЗАВДАННЯ

11.1. Як утворюються бурульки? Адже сніг повинен при цьому одночасно і танути, і замерзати. Як і чому виникають періодичні нарости на бурульках? Напишіть звіт про ваше дослідження.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

Кристалічні речовини плавляться при сталій температурі, яку називають температурою плавлення-кристалізації. Формули для розрахунку плавлення: Q = λ-т,кристалізації: Q = - λ-т.

Кількість теплоти, яку необхідно передати одиниці маси кристалічної речовини, щоб повністю перевести її в рідкий стан при температурі плавлення, називають питомою теплотою плавлення λ (Дж/кг).

ВПРАВА №JJ_

1.    Чи можна передати певну кількість теплоти речовині, не підвищивши при цьому її температуру?

2.    У посудині з льодяною водою (O⁰C) плаває шматок льоду, який також має температуру 0°С. Маси льоду і води однакові, а посудина теплоізольова-на. а) Чи буде замерзати вода? б) Чи буде танути лід? в)* Чия внутрішня енергія більша: льоду чи води?

3.    Чому, якщо вийняти лід із морозильної камери, то він тане поступово, а не відразу?

4.    На що витрачається енергія, яку ми передаємо льоду при 0°С, щоб його розплавити?

5.    Що треба зробити, щоб вода при 0°С почала кристалізуватися?

6.    Чому лід тане повільніше, якщо його завернути в мокрий папір?

7.    Шматок льоду, взятий при температурі -10°С, нагрівають рівномірно так, що кожноїхвилини його температура збільшується на 1 °С. а) Через скільки хвилин його температура буде дорівнювати нулю? б) Скільки часу потрібно, щоб лід розтанув? в) Через скільки хвилин вода, що утворилася з льоду, нагріється до +10°С? Побудуйте графік залежності температури від часу для усіх етапів, починаючи від -10°С до +10°С.

8.    У калориметр, теплоємність якого 63 Дж/град, налито 250 г олії при температурі 12°С. Після опускання в олію мідного тіла масою 500 г при 100°С встановилася температура 33°С. Знайдіть питому теплоємність олії.

9.    У калориметр, який містить 0,5 кг льоду при температурі 0°С, налили 2 кг води при температурі 30°С. Яка температура встановиться?

10.    Теплоємність калориметра становить 100 Дж/град. Він містить 330 г води при температурі 7°С. У калориметр налили 350 г розплавленого олова при температурі тверднення, після чого встановилася температура 32°С. Знайдіть питому теплоту плавлення олова.

11.    У калориметр, який містить 1 кг льоду при температурі 0°С, налили 2 кг води при температурі 30°С. Яка температура встановиться?

12.    У калориметр, який містить 10 кг льоду при температурі 0°С, налили 3 кг води при температурі 90°С. Яка температура встановиться?

13.    До якої температури треба нагріти алюмінієвий куб, щоб він повністю занурився у лід? Температура льоду 0 °С.

14.    У льодяну воду масою 150 г, що знаходиться в теплоізольованій посудині, вкинути шматок льоду масою 100 г, який має температуру -10°С. Якою буде а) маса льоду і води по закінченні процесу теплообміну та б) кінцева температура в посудині?

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка