Количество теплоты, необходимое для плавления вещества

Изменения агрегатных состояний вещества

ПЛАН

1. Переходы между агрегатными состояниями

2. Плавление и отвердевание

3. Испарение и конденсация.

Ключевые понятия и термины:

плав­ле­ние

отвер­де­ва­ние (кри­стал­ли­за­ция)

па­ро­об­ра­зо­ва­ние

ис­па­ре­ние

ки­пе­ние

кон­ден­са­ция

суб­ли­ма­ция (воз­гон­ка)

де­суб­ли­ма­ция

удельная теплота плавления

удельная теплота парообразования

 

Слово аг­ре­гат­ный про­изо­шло от ла­тин­ско­го слова aggrego (свя­зы­ваю, со­еди­няю). Рас­смат­ри­вать ос­нов­ные аг­ре­гат­ные со­сто­я­ния ве­ществ удоб­но на при­ме­ре воды, ко­то­рая в наших есте­ствен­ных зем­ных диа­па­зо­нах тем­пе­ра­тур может на­хо­дить­ся в трех со­сто­я­ни­ях (рис. 1): жид­ком (вода), твер­дом (лед или снег), га­зо­об­раз­ном (пар).

Рисунок. 1. Аг­ре­гат­ные со­сто­я­ния воды: лед, вода, пар

От­ли­чия между аг­ре­гат­ны­ми со­сто­я­ни­я­ми воды со­сто­ят в том, что ча­сти­цы (мо­ле­ку­лы) по-раз­но­му рас­по­ло­же­ны друг от­но­си­тель­но друга: на раз­лич­ных рас­сто­я­ни­ях и вза­и­мо­дей­ству­ют по-раз­но­му. Кроме того, они еще с раз­лич­ной ак­тив­но­стью дви­га­ют­ся: или сво­бод­но пе­ре­ме­ща­ют­ся, или ча­стич­но свя­за­ны, или на­хо­дят­ся в стро­го опре­де­лен­ных по­ло­же­ни­ях и ко­леб­лют­ся от­но­си­тель­но них.

1. Переходы между агрегатными состояниями

Важно знать и по­ни­мать, каким об­ра­зом осу­ществ­ля­ют­ся пе­ре­хо­ды между аг­ре­гат­ны­ми со­сто­я­ни­я­ми ве­ществ. Схему таких пе­ре­хо­дов изоб­ра­зим на рисун­ке 2.

 

Рисунок. 2.

1 – плав­ле­ние;

2 – отвер­де­ва­ние (кри­стал­ли­за­ция);

3 – па­ро­об­ра­зо­ва­ние: ис­па­ре­ние или ки­пе­ние;

4 – кон­ден­са­ция;

5 – суб­ли­ма­ция (воз­гон­ка) – пе­ре­ход из твер­до­го со­сто­я­ния в га­зо­об­раз­ное, минуя жид­кое;

6 – де­суб­ли­ма­ция – пе­ре­ход из га­зо­об­раз­но­го со­сто­я­ния в твер­дое, минуя жид­кое.

2. Плавление и отвердевание

Плав­ле­ние – про­цесс пе­ре­хо­да из твер­до­го со­сто­я­ния в жид­кое. Этот про­цесс про­ис­хо­дит при по­сто­ян­ной тем­пе­ра­ту­ре.

Тем­пе­ра­ту­ра, при ко­то­рой про­ис­хо­дит плав­ле­ние ве­ще­ства, на­зы­ва­ет­ся тем­пе­ра­ту­рой плав­ле­ния и яв­ля­ет­ся из­ме­рен­ной ве­ли­чи­ной для мно­гих твер­дых ве­ществ, а по­то­му таб­лич­ной ве­ли­чи­ной. На­при­мер, тем­пе­ра­ту­ра плав­ле­ния льда равна 0^oC, а тем­пе­ра­ту­ра плав­ле­ния зо­ло­та 1100^oC.

Об­рат­ный плав­ле­нию про­цесс – про­цесс кри­стал­ли­за­ции.

Если опи­сан­ные про­цес­сы рас­смат­ри­вать с точки зре­ния внут­рен­ней энер­гии тела, то при плав­ле­нии вся по­лу­чен­ная телом энер­гия рас­хо­ду­ет­ся на раз­ру­ше­ние кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ки и ослаб­ле­ние меж­мо­ле­ку­ляр­ных свя­зей, таким об­ра­зом, энер­гия рас­хо­ду­ет­ся не на из­ме­не­ние тем­пе­ра­ту­ры, а на из­ме­не­ние струк­ту­ры ве­ще­ства и вза­и­мо­дей­ствия его ча­стиц. В про­цес­се же кри­стал­ли­за­ции обмен энер­ги­я­ми про­ис­хо­дит в об­рат­ном на­прав­ле­нии: тело от­да­ет тепло окру­жа­ю­щей среде, а его внут­рен­няя энер­гия умень­ша­ет­ся, что при­во­дит к умень­ше­нию по­движ­но­сти ча­стиц, уве­ли­че­нию вза­и­мо­дей­ствия между ними и отвер­де­ва­нию тела.

График плавления и кристаллизации

По­лез­но уметь гра­фи­че­ски изоб­ра­зить про­цес­сы плав­ле­ния и кри­стал­ли­за­ции ве­ще­ства на гра­фи­ке (рис. 3).

 

Рисунок.3.График плавления и кристаллизации льда

Удель­ная теп­ло­та плав­ле­ния– ко­ли­че­ство теп­ло­ты, ко­то­рое необ­хо­ди­мо со­об­щить 1 кг ве­ще­ства, на­гре­то­му до тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния, чтобы пе­ре­ве­сти его из твёр­до­го со­сто­я­ния в жид­кое.

Такая же ве­ли­чи­на вы­де­ля­ет­ся и при кри­стал­ли­за­ции 1 кг ве­ще­ства.

Обо­зна­ча­ет­ся удель­ная теп­ло­та плав­ле­ния (гре­че­ская буква, чи­та­ет­ся как «лямб­да» или «ламбда»).

Еди­ни­цы из­ме­ре­ния:

.

В дан­ном слу­чае в раз­мер­но­сти от­сут­ству­ет тем­пе­ра­ту­ра, так как при плав­ле­нии (кри­стал­ли­за­ции) тем­пе­ра­ту­ра не ме­ня­ет­ся.

Количество теплоты, необходимое для плавления вещества

Для вы­чис­ле­ния ко­ли­че­ства теп­ло­ты, необ­хо­ди­мо­го для плав­ле­ния ве­ще­ства, ис­поль­зу­ет­ся фор­му­ла:

, где:

– ко­ли­че­ство теп­ло­ты (Дж);

– удель­ная теп­ло­та плав­ле­ния, ко­то­рая ищет­ся по таб­ли­це;

– масса ве­ще­ства.

Когда тело кри­стал­ли­зу­ет­ся, пи­шет­ся со зна­ком «-», так как тепло выделяет­ся.

4. Испарение и конденсация

Молекулы жидкости движутся беспорядочно. Чем выше температура жидкости, тем больше кинетическая энергия молекул. Среднее значение кинетической энергии молекул при заданной температуре имеет определённое значение. Но у каждой молекулы кинетическая энергия в данный момент времени может оказаться как меньше, так и больше средней. В какой-то момент времени кинетическая энергия отдельных молекул может стать настолько большой, что они окажутся способными вылететь из жидкости, преодолев силы притяжения остальных молекул.

Процесс превращения жидкости в пар называется испарением.

При этом процессе число молекул, покидающих жидкость за определённый промежуток времени, больше числа молекул, возвращающихся в неё.

Процесс превращения жидкости в пар называется испарением.

Если поток воздуха над сосудом уносит с собой образовавшиеся пары жидкости, то жидкость испаряется быстрее, так как у молекулы пара уменьшается возможность вновь вернуться в жидкость. Чем выше температура жидкости, тем большее число молекул имеет достаточную для вылета из жидкости кинетическую энергию, тем быстрее идёт испарение.

При испарении жидкость покидают более быстрые молекулы, поэтому средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается.

Процесс испарения происходит со свободной поверхности жидкости. Если лишить жидкость возможности испаряться, то охлаждение её будет происходить гораздо медленнее.

Вылетевшая молекула принимает участие в беспорядочном тепловом движении газа. Беспорядочно двигаясь, она может навсегда удалиться от поверхности жидкости, находящейся в открытом сосуде, но может и вернуться снова в жидкость.

Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией.

При этом процессе число молекул, возвращающихся в жидкость за определённый промежуток времени, больше числа молекул, покидающих её.

По мере увеличения температуры жидкости интенсивность испарения увеличивается. Наконец, жидкость начинает кипеть. При кипении по всему объёму жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые вКипение — это процесс парообразования, происходящий по всему объёму сплывают на поверхность.

Температура кипения жидкости остаётся постоянной. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия расходуется на превращение её в пар.

В жидкости всегда присутствуют растворённые газы, выделяющиеся на дне и стенках сосуда, а также на взвешенных в жидкости пылинках, которые являются центрами парообразования. Пары жидкости, находящиеся внутри пузырьков, являются насыщенными. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает и пузырьки увеличиваются в размерах. Под действием выталкивающей силы они всплывают вверх. Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то в этих слоях происходит конденсация пара в пузырьках. Давление стремительно падает, и пузырьки захлопываются. Захлопывание происходит настолько быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Множество таких микровзрывов создаёт характерный шум. Когда жидкость достаточно прогреется, пузырьки перестанут захлопываться и всплывут на поверхность. Жидкость закипит.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависит от давления на её поверхность. Пузырёк пара может расти, когда давление насыщенного пара внутри его немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из давления воздуха на поверхность жидкости (внешнее давление) и гидростатического давления столба жидкости.

Испарение жидкости происходит и при температурах, меньших температуры кипения, но только с поверхности жидкости, при кипении же образование пара происходит по всему объёму жидкости.

Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается и становится чуть больше давления в жидкости.

Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. (рис.4)

 

 

 

Рисунок.4

 

Так, в паровом котле при давлении, достигающем 1,6 • 10⁶ Па, вода не кипит и при температуре 200 °С. В медицинских учреждениях в герметически закрытых сосудах — автоклавах (рис. 11.3) кипение воды также происходит при повышенном давлении. Поэтому температура кипения жидкости значительно выше 100 °С. Автоклавы применяют, например, для стерилизации хирургических инструментов, ускорения приготовления пищи (скороварка), консервации пищи, проведения химических реакций.

Удель­ная теп­ло­та па­ро­об­ра­зо­ва­ния ока­зы­ва­ет­ся очень важ­ной ха­рак­те­ри­сти­кой в со­вре­мен­ных тех­но­ло­ги­ях про­из­вод­ства ме­тал­лов. Ока­зы­ва­ет­ся, что, на­при­мер, при плав­ле­нии и ис­па­ре­нии же­ле­за с его по­сле­ду­ю­щей кон­ден­са­ци­ей и за­твер­де­ва­ни­ем об­ра­зу­ет­ся кри­стал­ли­че­ская ре­шет­ка с такой струк­ту­рой, ко­то­рая обес­пе­чи­ва­ет более вы­со­кую проч­ность, чем ис­ход­ный об­ра­зец.

Обо­зна­че­ние: удель­ная теп­ло­та па­ро­об­ра­зо­ва­ния и кон­ден­са­ции (ино­гда обо­зна­ча­ет­ся ).

Еди­ни­ца из­ме­ре­ния: .

Удель­ная теп­ло­та па­ро­об­ра­зо­ва­ния ве­ществ опре­де­ля­ет­ся с по­мо­щью экс­пе­ри­мен­тов в ла­бо­ра­тор­ных усло­ви­ях, и ее зна­че­ния для ос­нов­ных ве­ществ за­не­се­ны в со­от­вет­ству­ю­щую таб­ли­цу.

Ве­ще­ство
Вода
Спирт
Ртуть
Воз­дух (жид­кий)

Если из­вест­но, что ве­ще­ство на­хо­дит­ся при тем­пе­ра­ту­ре ки­пе­ния, то для вы­чис­ле­ния ко­ли­че­ства теп­ло­ты, необ­хо­ди­мо­го для пре­вра­ще­ния его в га­зо­об­раз­ное со­сто­я­ние ис­поль­зу­ют сле­ду­ю­щую фор­му­лу:

Обо­зна­че­ния:

ко­ли­че­ство теп­ло­ты па­ро­об­ра­зо­ва­ния, Дж;

удель­ная теп­ло­та па­ро­об­ра­зо­ва­ния и кон­ден­са­ции, ;

масса ве­ще­ства, кг.

В слу­чае рас­смот­ре­ния про­цес­са кон­ден­са­ции ве­ще­ства фор­му­ла, опи­сы­ва­ю­щая ко­ли­че­ство теп­ло­ты, оста­ет­ся такой же, но бе­рет­ся со зна­ком минус, что под­чер­ки­ва­ет вы­де­ле­ние тепла в про­цес­се кон­ден­са­ции, в от­ли­чие от вы­де­ле­ния тепла в про­цес­се ки­пе­ния, од­на­ко, за­ча­стую этот минус не учи­ты­ва­ет­ся, если на­хо­дит­ся мо­дуль ко­ли­че­ства теп­ло­ты.

Контрольные вопросы

1. Как называется процесс перехода из кристаллического состояния в жидкое?
2. Как называется переход обратный плавлению?
3. Как называется процесс перехода из жидкого состояния в газообразное?
4. Как называется переход из газообразного состояния в жидкое?
5. Что обозначают буквы Q и знаки + и -?
6. Какие переходы происходят с поглощением энергии?
7. Какие переходы происходят с выделением энергии?
8. С изменением какого вида внутренней энергии связано выделение или поглощение энергии при переходах из одного в другое агрегатное состояние?
9. Почему температура кипения возрастает с увеличением давления?

Литература

1. Физика. 10 класс: учеб. для общеобразовательных организаций: базовый уровень/Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский; под ред. Н.А.Парфентьевой,-М.Просвещение, 2016 г. С.230-231.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: