§ 11. Плавлення і кристалізація твердих тіл. Питома теплота плавлення речовини

Спостереження. Виймемо з морозильної камери лід, покладемо його в тарілку. Через певний час він почне танути і повністю перетвориться на воду.

Дослід 1. Візьмемо шматочки олова або свинцю, помістимо їх у сталеву ложку і будемо нагрівати на спиртівці або газовому пальнику (мал. 73). Олово почне плавитися й повністю перейде в рідкий стан. Приймемо ложку з рідким оловом із полум’я пальника. Олово почне кристалізуватися і повністю перетвориться на тверде тіло, яке матиме форму ложки.

Отже, нагріваючи тіла, їх можна перевести з твердого стану в рідкий, і, навпаки, охолоджуючи - з рідкого стану в твердий.

Процес переходу речовини з твердого стану в рідкий називають плавленням, а процес переходу речовини з рідкого стану в твердий — кристалізацією (твердненням).

Узимку, восени, навесні, коли температура повітря може бути 0 °С, тануть сніг і лід, але водночас замерзає вода. За температури 0 ^cC сніг і лід тануть (плавляться), а вода - замерзає (твердне).

На Півночі та в Антарктиді, де температура повітря може опускатися нижче від -40 X, не можна користуватися ртутним термометром, бо ртуть твердне за температури -39 ^cC. Там використовують спиртові термометри, тому що спирт замерзає за температури -114 ^cC.

Кожна речовина плавиться або кристалізується за певної температури. Температуру, за якої речовина плавиться, називають температурою плавлення, а за якої твердне, - температурою кристалізації. З дослідів відомо, що речовини тверднуть за тієї самої температури, за якої плавляться. Під час плавлення тіла поглинають теплоту, а під час тверднення - теплоту виділяють. Значення температури плавлення для частовживаних речовин подано в таблиці 4 (див. с. 48).

Дослід 2. У посудину з грудочками льоду помістимо термометр і будемо її підігрівати (мал. 74). Лід танутиме, а термометр показуватиме 0 ^cC. Поки весь лід не розтане, температура (0 ^rC) у посудині не змінюватиметься.

Під час плавлення речовини температура її не змінюється.

Дослід 3. Поставимо на шальку терезів закриту посудину з льодом, зрівноважимо терези (мал. 75, а). Через якийсь час лід розтане. Рівновага терезів не порушиться (мал. 75, б).

Під час переходу речовини з одного стану в інший її маса не змінюється.

Дослід 4. Наллємо в скляну пляшку води і щільно її закриємо. Помістимо цю посудину з водою в холодильну камеру. Коли вода замерзне, пляшка трісне, тому що об’єм льоду більший, ніж води (мал. 76).

Під час переходу речовини з одного стану в інший змінюється густина, а отже, й об’єм даної маси речовини.

Тепер з’ясуємо, від чого залежить кількість теплоти, яку потрібно затратити, щоб розплавити кристалічне тіло (за температури плавлення), або яка виділяється під час його кристалізації.

Дослід 5. В одній посудині будемо плавити 100 г свинцю (мал. 77, a), a в іншій - 200 г (мал. 77, б). Якщо нагрівники однакові, то побачимо, що для плавлення 200 г свинцю треба затратити більшу кількість теплоти, ніж для 100 г.

Кількість теплоти, яка потрібна для плавлення тіла, залежить від його маси.

Дослід 6. На однакових нагрівниках в одній посудині будемо плавити 100 г свинцю (мал. 78, а), а в іншій - 100 г олова (мал. 78, б). У результаті досліду побачимо, що для плавлення олова потрібно затратити більшу кількість теплоти, ніж для плавлення свинцю.

Кількість теплоти, яка потрібна для плавлення тіла, залежить від роду речовини, з якої виготовлено тіло.

Величину, що характеризує енергетичні затрати на плавлення 1 кг певної речовини, назвали питомою теплотою плавлення речовини. Її позначають малою грецькою літерою X (ламбда). Одиницею питомої теплоти плавлення речовини в CI є один джоуль на кілограм (1 Дж/кг).

Питому теплоту плавлення речовини визначають за допомогою дослідів. Було встановлено, що питома теплота плавлення льоду дорівнює 340 000 (3,4 · IO⁵) Дж/кг. Це означає, що для перетворення бруска льоду масою 1 кг (за температури плавлення 0 °С) на воду потрібно затратити 340 000 Дж енергії. Під час зворотного процесу - кристалізації - така сама кількість теплоти виділиться.

Питома теплота плавления речовини — фізична величина, що показує, яку кількість теплоти потрібно надати тілу масою 1 кг, щоб перетворити його на рідину за температури плавлення.

З дослідів визначено питому теплоту плавлення для кожної речовини, значення якої для частовживаних речовин подано в таблиці 4.

Питома теплота плавлення речовіш (за температури плавлення і нормального

атмосферного тиску)    Таблиця 4

Щоб обчислити кількість теплоти Q, яку потрібно затратити для плавлення тіла масою т, узятого за температури плавлення, треба питому теплоту плавлення λ помножити на масу тіла:

Q = Xm.

Кількість теплоти, яка виділяється під час тверднення тіла масою т, також визначають за цією формулою.

Процеси нагрівання і кристалізації можна зобразити графічно. По осі Oy відкладають значення температури речовини, а по осі Ox - час нагрівання і плавлення речовини. Наприклад, на малюнку 79 графічно зображено процеси нагрівання і плавлення льоду та нагрівання води. Графік нагрівання і плавлення речовини складається з трьох ділянок: для нагрівання льоду - це пряма лінія з певним кутом нахилу, який залежить від значення питомої теплоємності речовини: що більше її значення, то

менший нахил, температура льоду збільшується прямо пропорційно до часу нагрівання; для плавлення льоду - це горизонтальна лінія, температура суміші води і льоду залишається сталою і дорівнює температурі плавлення льоду доти, доки весь лід не розтане; для нагрівання утвореної води - пряма лінія, кут нахилу якої визначається питомою теплоємністю води, її значення більше, ніж для льоду, тому і нахил менший, температура води збільшується прямо пропорційно до часу.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1.    Що таке плавлення тіл?

2.    Що називають кристалізацією речовини?

3.    Як змінюється температура тіла під час плавлення і кристалізації?

4.    Як змінюється маса тіла під час перетворення його з твердого стану в рідкий і навпаки?

5.    Від чого залежить кількість теплоти, яку потрібно затратити, для розплав-лення кристалічного тіла або яка виділяється під час його кристалізації?

6.    Що таке питома теплота плавлення речовини?

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ Розв’язуємо разом

1.    Користуючись таблицею 4, з’ясуйте, у якому стані знаходяться метали: срібло, золото, мідь, алюміній, вольфрам, сталь за температури 1000 ^tCV

Відповідь: срібло, алюміній - у рідкому стані; золото, мідь, вольфрам, сталь - у твердому стані.

2.    Яку кількість теплоти потрібно затратити, щоб розплавити 1 кг свинцю, узятого за температури 27 ^lC?

Рівень А

70.    У воді плаває лід (температура води і льоду однакова - 0 ^cC). Один учень стверджує, що вода замерзне, а другий - що лід розтане. Вирішіть суперечку.

71.    Чому олово можна розплавити в полум’ї свічки, а залізо - ні?

72.    Яку кількість теплоти потрібно затратити, щоб розплавити 2 кг срібла, взятого за температури плавлення?

73.    Яку кількість теплоти треба затратити, щоб розтопити 10 кг льоду, взятого за температури 0 °С? Поясніть розв’язок.

74.    Яку масу золота можна розплавити, затративши 125 кДж теплоти?

75.    Яка кількість теплоти виділиться під час замерзання води масою 5 кг за температури 0 ^cC?

Рівень Б

76.    Весною, коли температура повітря набагато вища за 0 ^cC, лід ще тривалий час не тане і, навпаки, восени, коли температура повітря нижча від 0 ^cC, вода не відразу замерзає. Чому?

77.    Чи можна розплавленим металом заморозити воду?

78.    Яку кількість теплоти треба затратити, щоб розплавити 2 кг олова, взятого за температури 0 ^cCV

79.    Яку кількість теплоти треба затратити, щоб повністю розплавити свинцеву штабу масою 4 кг, температура якої 7 ^cC?

80.    Алюмінієва штаба, маса якої 5 кг, має температуру 20 ^cC. Чи можна повністю розплавити таку штабу, надавши їй 500 кДж енергії?

81.    Для якої речовини на графіку (мал. 80) зображено процеси нагрівання і плавлення?

Це матеріал з підручника фізика 8 клас Сиротюк