В предыдущем параграфе мы рассматривали график плавления и отвердевания льда. Из графика видно, что, пока лёд плавится, температура его не меняется (см. рис. 18). И лишь после того, как весь лёд расплавится, температура образовавшейся жидкости начинает повышаться. Но ведь и во время процесса плавления лёд получает энергию от сгорающего в нагревателе топлива. А из закона сохранения энергии следует, что она не может исчезнуть. На что же расходуется энергия топлива во время плавления?
Мы знаем, что в кристаллах молекулы (или атомы) расположены в строгом порядке. Однако и в кристаллах они находятся в тепловом движении (колеблются). При нагревании тела средняя скорость движения молекул возрастает. Следовательно, возрастает и их средняя кинетическая энергия и температура. На графике это участок АВ (см. рис. 18). Вследствие этого размах колебаний молекул (или атомов) увеличивается. Когда тело нагреется до температуры плавления, то нарушится порядок в расположении частиц в кристаллах. Кристаллы теряют свою форму. Вещество плавится, переходя из твёрдого состояния в жидкое.
Следовательно, вся энергия, которую получает кристаллическое тело после того, как оно уже нагрето до температуры плавления, расходуется на разрушение кристалла. В связи с этим температура тела перестаёт повышаться. На графике (см. рис. 18) это участок ВС.
Опыты показывают, что для превращения различных кристаллических веществ одной и той же массы в жидкость при температуре плавления требуется разное количество теплоты.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.
Удельную теплоту плавления обозначают λ (греч. буква «лямбда»). Её единица - 1 Дж / кг.
Определяют удельную теплоту плавления на опыте. Так, было установлено, что удельная теплота плавления льда равна 3,4 10 5 - . Это означает, что для превращения куска льда массой 1 кг, взятого при 0 °С, в воду такой же температуры требуется затратить 3,4 10 5 Дж энергии. А чтобы расплавить брусок из свинца массой 1 кг, взятого при его температуре плавления, потребуется затратить 2,5 10 4 Дж энергии.
Следовательно, при температуре плавления внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в твёрдом состоянии.
Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для плавления кристаллического тела массой т, взятого при его температуре плавления и нормальном атмосферном давлении, нужно удельную теплоту плавления λ умножить на массу тела m:
Из этой формулы можно определить, что
λ = Q / m, m = Q / λ
Опыты показывают, что при отвердевании кристаллического вещества выделяется точно такое же количество теплоты, которое поглощается при его плавлении. Так, при отвердевании воды массой 1 кг при температуре 0 °С выделяется количество теплоты, равное 3,4 10 5 Дж. Точно такое же количество теплоты требуется и для плавления льда массой 1 кг при температуре 0 °С.
При отвердевании вещества всё происходит в обратном порядке. Скорость, а значит, и средняя кинетическая энергия молекул в охлаждённом расплавленном веществе уменьшаются. Силы притяжения теперь могут удерживать медленно движущиеся молекулы друг около друга. Вследствие этого расположение частиц становится упорядоченным - образуется кристалл. Выделяющаяся при кристаллизации энергия расходуется на поддержание постоянной температуры. На графике это участок EF (см. рис. 18).
Кристаллизация облегчается, если в жидкости с самого начала присутствуют какие-либо посторонние частицы, например пылинки. Они становятся центрами кристаллизации. В обычных условиях в жидкости имеется множество центров кристаллизации, около которых и происходит образование кристалликов.
Таблица 4.
Удельная теплота плавления некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении)
При кристаллизации происходит выделение энергии и передача её окружающим телам.
Количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации тела массой т, определяется также по формуле
Внутренняя энергия тела при этом уменьшается.
Пример . Для приготовления чая турист положил в котелок лёд массой 2 кг, имеющий температуру 0 °С. Какое количество теплоты необходимо для превращения этого льда в кипяток при температуре 100 °С? Энергию, израсходованную на нагревание котелка, не учитывать.
Какое количество теплоты понадобилось бы, если вместо льда турист взял из проруби воду той же массы при той же температуре?
Запишем условие задачи и решим её.
Вопросы
- Как объяснить процесс плавления тела на основе учения о строении вещества?
- На что расходуется энергия топлива при плавлении кристаллического тела, нагретого до температуры плавления?
- Что называется удельной теплотой плавления?
- Как объяснить процесс отвердевания на основе учения о строении вещества?
- Как вычисляют количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела, взятого при температуре плавления?
- Как вычислить количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации тела, имеющего температуру плавления?
Упражнение 12
Задание
- Поставьте на плиту две одинаковые жестяные банки. В одну налейте воду массой 0,5 кг, в другую положите несколько кубиков льда той же массы. Заметьте, сколько времени потребуется, чтобы вода в обеих банках закипела. Напишите краткий отчёт о вашем опыте и объясните его результаты.
- Прочитайте параграф «Аморфные тела. Плавление аморфных тел». Подготовьте по нему доклад.
На данном уроке мы изучим понятие «удельная теплота плавления». Эта величина характеризует количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества при температуре плавления, чтобы оно из твердого состояния перешло в жидкое (или наоборот).
Мы изучим формулу для нахождения количества теплоты, которое необходимо для плавления (или выделяется при кристаллизации) вещества.
Тема: Агрегатные состояния вещества
Урок: Удельная теплота плавления
Данный урок посвящён основной характеристике плавления (кристаллизации) вещества - удельной теплоте плавления.
На прошлом уроке мы затрагивали вопрос: как изменяется внутренняя энергия тела при плавлении?
Мы выяснили, что при подведении теплоты внутренняя энергия тела возрастает. Вместе с тем, мы знаем, что внутренняя энергия тела может характеризоваться таким понятием, как температура. Как нам уже известно, при плавлении температура не меняется. Поэтому может возникнуть подозрение, что мы имеем дело с парадоксом: внутренняя энергия увеличивается, а температура не меняется.
Объяснение этого факта довольно простое: вся энергия тратится на разрушение кристаллической решётки. Аналогично и в обратном процессе: при кристаллизации молекулы вещества объединяются в единую систему, при этом избыток энергии отдаётся и поглощается внешней средой.
В результате различных экспериментов удалось установить, что для одного и того же вещества требуется различное количество теплоты, чтобы перевести его из твёрдого состояния в жидкое.
Тогда было решено сравнить эти количества теплоты при одинаковой массе вещества. Это привело к появлению такой характеристики, как удельная теплота плавления.
Определение
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.
Для вычисления количества теплоты, необходимого для плавления вещества, используется формула:
Количество теплоты (Дж);
Удельная теплота плавления (, которая ищется по таблице;
Масса вещества.
Когда тело кристаллизуется, пишется со знаком «-», так как тепло выделяется.
В качестве примера можно привести удельную теплоту плавления льда:
. Или удельную теплоту плавления железа:
.
То, что удельная теплота плавления льда получилась больше удельной теплоты плавления железа, не должно удивлять. Количество теплоты, которое необходимо тому или иному веществу для плавления, зависит от характеристик вещества, в частности, от энергии связей между частицами данного вещества.
На этом уроке мы рассмотрели понятие удельной теплоты плавления.
На следующем уроке мы научимся решать задачи на нагревание и плавление кристаллических тел.
Список литературы
- Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
- Физика, механика и т. п. ().
- Классная физика ().
- Интернет-портал Kaf-fiz-1586.narod.ru ().
Домашнее задание
Каждому известно, что вода может находиться в природе в трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном. При плавлении происходит превращение твердого льда в жидкость, а при дальнейшем нагревании жидкость испаряется, образуя водяной пар. Каковы же условия плавления, кристаллизации, испарения и конденсации воды? При какой температуре тает лед или образуется пар? Об этом мы поговорим в данной статье.
Нельзя сказать, что водяной пар и лед редко встречаются в повседневной жизни. Однако наиболее распространенным является именно жидкое состояние - обычная вода. Специалисты выяснили, что на нашей планете находится более 1 млрд кубических километров воды. Однако не более 3 млн км 3 воды принадлежат пресным водоемам. Достаточно большое количество пресной воды «покоится» в ледниках (около 30 млн кубических километров). Однако растопить лед таких огромных глыб далеко не просто. Остальная же вода соленая, принадлежащая морям Мирового океана.
Вода окружает современного человека повсюду, во время большинства ежедневных процедур. Многие считают, что запасы воды неиссякаемы, и человечество сможет всегда использовать ресурсы гидросферы Земли. Однако это далеко не так. Водные ресурсы нашей планеты постепенно истощаются, и уже через несколько сотен лет пресной воды на Земле может не остаться вовсе. Поэтому абсолютно каждому человеку нужно бережно относиться к пресной воде и экономить ее. Ведь даже в наше время существуют государства, в которых запасы воды катастрофически малы.
Свойства воды
Прежде чем говорить о температуре таяния льда, стоит рассмотреть основные свойства этой уникальной жидкости.
Итак, воде присущи следующие свойства:
- Отсутствие цвета.
- Отсутствие запаха.
- Отсутствие вкуса (однако качественная питьевая вода имеет приятный вкус).
- Прозрачность.
- Текучесть.
- Способность растворять различные вещества (например, соли, щелочи и т. д.).
- Вода не имеет собственной постоянной формы и способна принимать форму сосуда, в который попадает.
- Способность очищаться посредством фильтрования.
- При нагревании вода расширяется, а при охлаждении сжимается.
- Вода может испаряться, превращаясь в пар, и замерзать, образуя кристаллический лед.
В этом списке представлены основные свойства воды. Теперь разберемся, каковы особенности твердого агрегатного состояния этого вещества, и при какой температуре тает лед.
Лед - это твердое кристаллическое вещество, которое имеет достаточно неустойчивую структуру. Он, как и вода, прозрачен, не имеет цвета и запаха. Также лед обладает такими свойствами, как хрупкость и скользкость; он холодный на ощупь.
Снег также представляет собой замерзшую воду, однако обладает рыхлой структурой и имеет белый цвет. Именно снег каждый год выпадает в большинстве стран мира.
Как снег, так и лед - крайне неустойчивые вещества. Чтобы растопить лед, не нужно прикладывать особых усилий. Когда же он начинает таять?
В природе твердый лед существует только при температуре 0 °C и ниже. Если же температура окружающей среды поднимается и становится больше 0 °C, лед начинает таять.
При температуре таяния льда, при 0 °C, происходит и другой процесс - замерзание, или кристаллизация, жидкой воды.
Данный процесс можно наблюдать всем жителям умеренно континентального климата. Зимой, когда температура на улице опускается ниже 0 °C, достаточно часто выпадает снег, который не тает. А жидкая вода, находившаяся на улицах, замерзает, превращаясь в твердый снег или лед. Весной же можно увидеть обратный процесс. Температура окружающей среды поднимается, поэтому лед и снег тают, образуя многочисленные лужи и грязь, которую можно считать единственным минусом весеннего потепления.
Таким образом, можно сделать вывод, что, при какой температуре начинает таять лед, при такой же температуре начинается и процесс замерзания воды.
Количество теплоты
В такой науке, как физика, часто используется понятие количества теплоты. Данная величина показывает количество энергии, необходимой для нагревания, плавления, кристаллизации, кипения, испарения или конденсации различных веществ. Причем каждый из перечисленных процессов имеет свои особенности. Поговорим о том, какое количество теплоты для нагревания льда требуется в обычных условиях.
Чтобы нагреть лед, нужно сначала его растопить. Для этого необходимо количество теплоты, нужное для плавления твердого вещества. Теплота равняется произведению массы льда на удельную теплоту его плавления (330-345 тысяч Джоулей/кг) и выражается в Джоулях. Допустим, что нам дано 2 кг твердого льда. Таким образом, чтобы его растопить, нам понадобится: 2 кг * 340 кДж/кг = 680 кДж.
После этого нам необходимо нагреть образовавшуюся воду. Количество теплоты для данного процесса рассчитать будет немного сложнее. Для этого нужно знать начальную и конечную температуру нагреваемой воды.
Итак, допустим, что нам требуется нагреть получившуюся в результате плавления льда воду на 50 °C. То есть разница начальной и конечной температуры = 50 °C (начальная температура воды - 0 °C). Тогда следует умножить разность температур на массу воды и на ее удельную теплоемкость, которая равняется 4 200 Дж*кг/°C. То есть количество теплоты, необходимое для нагревания воды, = 2 кг * 50 °C * 4 200 Дж*кг/°C = 420 кДж.
Тогда получаем, что для плавления льда и последующего нагревания получившейся воды нам потребуется: 680 000 Дж + 420 000 Дж = 1 100 000 Джоулей, или 1,1 Мегаджоуль.
Зная, при какой температуре тает лед, можно решить множество непростых задач по физике или химии.
В заключение
Итак, в данной статье мы узнали некоторые факты о воде и о двух ее агрегатных состояниях - твердом и жидком. Водяной пар, однако, представляет собой не менее интересный объект для изучения. Например, в нашей атмосфере содержится приблизительно 25*10 16 кубических метров водяного пара. К тому же, в отличие от замерзания, испарение воды происходит при любой температуре и ускоряется при ее нагревании или при наличии ветра.
Мы узнали, при какой температуре тает лед и замерзает жидкая вода. Такие факты всегда пригодятся нам в повседневной жизни, так как вода окружает нас повсюду. Важно всегда помнить о том, что вода, в особенности пресная, является иссякаемым ресурсом Земли и нуждается в бережном к ней отношении.
Плотность, теплопроводность и теплоемкость льда в зависимости от температуры
В таблице приведены значения плотности, теплопроводности, удельной теплоемкости льда в зависимости от температуры в интервале от 0 до -100°С.
По данным таблицы видно, что с понижением температуры удельная теплоемкость льда уменьшается, а теплопроводность и плотность льда, напротив, растут. Например, при температуре 0°С плотность льда имеет значение 916,2 кг/м 3 , а при температуре минус 100°С его плотность становится равной 925,7 кг/м 3 .
Значение удельной теплоемкости льда при 0°С составляет 2050 Дж/(кг·град). При снижении температуры льда с -5 до -100°С его удельная теплоемкость снижается в 1,45 раза. Теплоемкость льда в два раза меньше .
Теплопроводность льда при понижении его температуры с 0 до минус 100°С увеличивается с 2,22 до 3,48 Вт/(м·град). Лед более теплопроводен, чем вода — он может проводить в 4 раза больше тепла при одинаковых граничных условиях.
Следует отметить, что плотность льда меньше , однако с понижением температуры плотность льда растет и при приближении к абсолютному нулю температуры плотность льда становится близка к величине плотности воды.
| Температура, °С | Плотность, кг/м 3 | Теплопроводность, Вт/(м·град) | Теплоемкость, Дж/(кг·град) |
|---|---|---|---|
| 0.01 (Вода) | 999,8 | 0,56 | 4212 |
| 0 | 916,2 | 2,22 | 2050 |
| -5 | 917,5 | 2,25 | 2027 |
| -10 | 918,9 | 2,30 | 2000 |
| -15 | 919,4 | 2,34 | 1972 |
| -20 | 919,4 | 2,39 | 1943 |
| -25 | 919,6 | 2,45 | 1913 |
| -30 | 920,0 | 2,50 | 1882 |
| -35 | 920,4 | 2,57 | 1851 |
| -40 | 920,8 | 2,63 | 1818 |
| -50 | 921,6 | 2,76 | 1751 |
| -60 | 922,4 | 2,90 | 1681 |
| -70 | 923,3 | 3,05 | 1609 |
| -80 | 924,1 | 3,19 | 1536 |
| -90 | 924,9 | 3,34 | 1463 |
| -100 | 925,7 | 3,48 | 1389 |
Теплофизические свойства льда и снега
В таблице представлены следующие свойства льда и снега:
- плотность льда, кг/м 3 ;
- теплопроводность льда и снега, ккал/(м·час·град) и Вт/(м·град);
- удельная массовая теплоемкость льда, ккал/(кг·град) и Дж/кг·град);
- коэффициент температуропроводности, м 2 /час и м 2 /сек.
Свойства льда и снега представлены в зависимости от температуры в интервале: для льда от 0 до -120°С; для снега от 0 до -50°С в зависимости от уплотненности (плотности). Температуропроводность льда и снега в таблице приведена с множителем 10 6 . Например, температуропроводность льда при температуре 0°С равна 1,08·10 -6 м 2 /с.
Давление насыщенного пара льда
В таблице приведены значения давления насыщенного пара льда при сублимации (переход льда в пар, миную жидкую фазу) в зависимости от температуры в интервале от 0,01 до -80°С. Из таблицы видно, что с понижением температуры льда давление его насыщенного пара снижается .
Источники:
- Волков. А.И., Жарский. И.М. Большой химический справочник. — М: Советская школа, 2005. — 608 с.