Народна Освіта » Фізика » § 12. Удельная теплота плавления

НАРОДНА ОСВІТА

§ 12. Удельная теплота плавления

На фото изображены кристаллические вещества (сталь и лед) одинаковой массы, находящиеся при температуре, близкой к температуре плавления. Чтобы расплавить эти вещества, им следует передать некоторое количество теплоты. А одинаковое ли количество теплоты необходимо передать льду и стали, чтобы перевести их в жидкое состояние? Выясним.

Вводим понятие удельной теплоты плавления вещества

Вы знаете, что при переходе из твердого состояния в жидкое вещество поглощает некоторое количество теплоты и внутренняя энергия вещества увеличивается. Переход же вещества из жидкого состояния в твердое сопровождается выделением теплоты и уменьшением его внутренней энергии.

Изучение процессов плавления и кристаллизации показало, что количество теплоты, необходимое для плавления определенной массы вещества, равно количеству теплоты, которое выделяется при кристаллизации этого вещества (рис. 12.1).

Возникает вопрос: одинаковое ли количество теплоты необходимо для плавления разных веществ равной массы? Логично предположить, что не одинаковое, ведь силы взаимодействия между частицами у разных веществ — разные, поэтому понятно, что для разрушения их кристаллических решеток требуется разное количество энергии. И это действительно так. Например, чтобы расплавить 1 кг льда, ему следует передать в 13 раз больше теплоты, чем нужно для плавления 1 кг свинца.

Физическую величину, показывающую, сколько теплоты поглощает 1 кг твердого кристаллического вещества при переходе в жидкость, называют удельной теплотой плавления.

Удельная теплота плавления — физическая величина, характеризующая данное вещество и равная количеству теплоты, которую необходимо передать 1 кг этого вещества, взятому в твердом кристаллическом состоянии, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкость.

Рис. 12.1. Во время плавления вещество поглощает такое же количество теплоты, какое выделяет при кристаллизации: Q1 = Q2

Удельную теплоту плавления обозначают символом Л («лямбда и вычисляют по формуле:

 

где Q— количество теплоты, необходимое для плавления вещества массой m.

Из формулы для определения удельной теплоты плавления получаем ее единицу в СИ— джоуль на килограмм:

 

Удельная теплота плавления показывает, на сколько при температуре плавления внутренняя энергия1 кг вещества в жидком состоянии больше, чем внутренняя энергия1 кг этого вещества в твердом состоянии.В этом состоит физический смысл удельной теплоты плавления.

Например, удельная теплота плавления льда равна 332 килоджоуля на килограмм. Это означает: чтобы расплавить 1 кг льда,

находящегося при температуре плавления (0 °С), следует передать ему 332 килоджоуля теплоты. Такое же количество теплоты (332 кДж) выделится и при кристаллизации 1 кг воды. То есть при температуре 0 °С внутренняя энергия 1 кг воды больше внутренней энергии 1 кг льда на 332 кДж.

Что означает утверждение: «Удельная теплота плавления стали равна 84 кДж/кг»?

Удельную теплоту плавления определяют опытным путем и заносят в таблицы (см. табл. 3 Приложения).

Определить удельную теплоту плавления тугоплавких веществ (веществ, имеющих высокую температуру плавления) достаточно сложно. А вот удельную теплоту плавления легкоплавких веществ, например льда, вы можете определить даже самостоятельно (рис. 12.2).

 

Вычисляем количество теплоты, необходимое для плавления вещества или выделяющееся при его кристаллизации

Чтобы вычислить количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического вещества, взятого при температуре плавления, нужно удельную теплоту плавления этого вещества умножить на его массу:

 

 

де Q — количество теплоты, которое поглощает твердое кристаллическое вещество; λ — удельная теплота плавления; m — масса вещества. (Действительно, по определению удельной теплоты плавления:

Понятно, что количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, рассчитывают по этой же формуле.

Учимся решать задачи

Задача. Какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить 5 кг свинца, взятого при температуре 27 °С?

Анализ физической проблемы. Чтобы расплавить свинец, его сначала нужно нагреть до температуры плавления. Найдем в табл. 2 Приложения температуру t2 плавления свинца и построим схематический график процесса.

 

Искомое количество теплоты Q будет равно сумме количества теплоты Q1, необходимого для нагревания свинца до температуры плавления, и количества теплоты Q2, необходимого для плавления. Удельную теплоемкость c и удельную теплоту плавления λ свинца найдем соответственно в табл. 1 и 3 Приложения.

 

, Подводим итоги

Физическая величина, характеризующая данное вещество и равная1 количеству теплоты, которое необходимо передать 1 кг этого веще ства в твердом кристаллическом состоянии, чтобы при температуре плав ления полностью перевести его в жидкость, называется удельной теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления обозначают симолом λ и вычисляют по

формуле λ = —; ее единица в СИ — джоуль на килограмм .

m    кг

Количество теплоты, необходимое для плавления вещества, взятого при температуре плавления, равно количеству теплоты, выделяющемуся при кристаллизации этого вещества. Данное количество теплоты вычис ляют по формуле Q = Xm.

Контрольные вопросы    —

'1. От чего зависит количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации вещества? 2. Что называют удельной теплотой плавления вещества? 3. Каков физический смысл удельной теплоты плавления? 4. Как вычислить количество теплоты, необходимое для плавления вещества или выделяющееся при его кристаллизации?

Упражнение № 12

1.    Какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить 500 г меди, взятой при температуре плавления?

2.    Какое тело имеет большую внутреннюю энергию и на сколько: алюминиевый брусок массой 1 кг, взятый при температуре плавления, или 1 кг расплавленного алюминия при той же температуре?

3.    Какое количество теплоты выделится при кристаллизации и последующем охлаждении 100 кг стали, если начальная температура стали 1400 °С, конечная — 0 °С.

4.    Определите количество теплоты, которое нужно передать льду массой 25 г, взятому при температуре -15 °С, чтобы перевести его в воду при температуре 10 °С.

 

5.    В горячую воду положили лед, масса которого равна массе воды. После того как весь лед растаял, температура воды снизилась до 0 °С. Определите начальную температуру воды, если начальная температура льда 0 °С?

6.    На рисунке изображены графики зависимости температуры от количества теплоты, выделяемой в процессе кристаллизации, для двух веществ одинаковой массы. У какого вещества выше температура плавления? больше удельная теплота плавления? больше удельная теплоемкость в жидком состоянии?

7.    Свинцовый шар, двигавшийся со скоростью 300 м/с, ударился о металлическую пластину и остановился. Какая часть свинца расплавилась, если считать, что свинец полностью поглотил энергию, которая выделилась при ударе? Начальная температура шара 27 °С.

8.    В сосуд, на дне которого намерз лед, налили воды. Изменится ли уровень воды в сосуде после того, как весь лед растает? Если изменится, то как?

Экспериментальное задание

Воспользуйтесь рис. 12.2 и запишите план проведения эксперимента по определению удельной теплоты плавления льда. Какое оборудование нужно для эксперимента? По возможности проведите этот эксперимент.

Подсказка: если лед, который уже начал таять, тщательно промокнуть салфеткой, он почти не будет содержать жидкости, а его температура будет равна 0 °С.

Категорія: Фізика

Автор: admin от 26-09-2016, 20:48, Переглядів: 4427