Wabashpress.ru

Техника Гидропрессы
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Температура плавления и отвердевания

41. Плавление и отвердевание — В.И. Лукашик, Сборник задач по физике

1055. Почему на Севере для измерения низких температур воздуха пользуются не ртутными термометрами, а спиртовыми?
При температуре северного воздуха ртуть отвердевает, а спирт не замерзает.

1056. Почему лед не сразу начинает таять, если его внести с мороза в натопленную комнату?
Тепловая энергия комнаты передается льду постепенно.

1057. Температура плавления стали 1400 °С. При сгорании пороха в канале ствола орудия температура достигает 3600 °С. Почему ствол орудия не плавится при выстреле?
Температура 3600°С создается ненадолго. Количество теплоты, выделенной порохом, недостаточно для плавления ствола, оно идет на работу по расширению газа в стволе.

1058. Два тигля с одинаковой массой расплавленного свинца остывают в помещениях с разной температурой. Какой график построен для теплого помещения, а какой — для холодного (рис. 266, а, б)? Найдите различия в графиках и объясните причины этих различий.
Тигль «а» остывает в теплой комнате, а тигль «б» — в холодной. Остывание тигля «б» происходит быстрее, потому что он отдает больше внутренней энергии окружающей среде в единицу времени.

1059. Почему зимой при длительных остановках выливают воду из радиатора автомобиля?
При низких температурах вода расширяется и может деформировать радиатор и рубашку двигателя. (Конечно, вода сначала превращается в лед).

1060. Оболочки космических кораблей и ракет делают из тугоплавких металлов и специальных сплавов. Почему?
При движении летательных аппаратов в атмосфере с большой скоростью на них действует большая сила трения. Работа силы трения идет на увеличение внутренней энергии обшивки, и ее температура достигает высоких значений.

1061. При спаивании стальных деталей иногда пользуются медным припоем. Почему нельзя паять медные детали стальным припоем?
Медная деталь расплавится раньше, чем стальной припой, поскольку температура плавления меди меньше, чем у стали.

1062. Почему невозможно пользоваться очень маленьким паяльником при пайке массивных кусков меди или железа?
Количество теплоты, передаваемого маленьким паяльником, недостаточно для повышения температуры массивной детали до температуры плавления.

1063. Объясните на основании молекулярно-кинетической теории, почему у тела не повышается температура в момент плавления и кристаллизации.
Температура — мера средней кинетической энергии молекул. При плавлении (кристаллизации) энергия, подводимая телу (теряемая телом) идет на разрушение (создание) кристаллической решетки. При этом изменяется потенциальная энергия молекул. На это расходуется энергия, кинетическая энергия не меняется, а, значит, не меняется температура.

1064. Два одинаковых сосуда из полиэтилена заполнили водой, температура которой 0 °С. Один сосуд поместили в воду, другой — в измельченный лед, имеющие, как и окружающий воздух, температуру 0 °С. Замерзнет ли вода в каком-нибудь из этих сосудов?
Нет; в первом случае это очевидно. Во втором также нет, так как для отвердевания воды необходимо отвести некоторое количество теплоты

1065. На рисунке 267 показано, как со временем изменяется температура при нагревании и охлаждении свинца. Твердому или жидкому состоянию соответствуют участки графика АВ, ВС, CD, GH? Что может быть причиной того, что участок GH круто идет вниз? Чему равны температура плавления и кристаллизации свинца?
АВ — твердое, ВС — твердое и жидкое, CD — жидкое, GH — твердое. На участке GH от свинца отводится количество теплоты. Температура плавления свинца — 327°С.

1066. В сосуде находится лед при температуре -10 °С. Сосуд поставили на горелку, которая дает в равные промежутки времени одинаковое количество теплоты. Укажите, какой график (рис. 268) соответствует описанному случаю.
Самый верхний график.

1067. Постройте примерный график для нагревания, плавления и кристаллизации олова.

41. Плавление и отвердевание

1068. Внимательно рассмотрев график охлаждения и кристаллизации вещества (рис. 269), ответьте на вопросы: для какого вещества составлен график? Сколько времени охлаждалось вещество от 20 °С до температуры кристаллизации? Сколько времени длился процесс кристаллизации? О чем говорит участок графика DE? Как приблизительно расположились бы точки А, В, С, D, Е относительно друг друга и оси t, если бы при той же температуре окружающей среды был бы составлен график для того же вещества, но большей массы?
График составлен для воды. Вещество охлаждалось 20 мин. Процесс кристаллизации длился 30 минут. На участке DE к веществу не подводили и не отводили теплоту. Для вещества большей массы участки АВ, ВС (как, впрочем, и CD, DE) вытянулись бы вдоль оси t.

1069. При постановке эксперимента отдельно нагревали до 1000 °С алюминий, железо, медь, цинк, сталь, серебро и золото. В каком состоянии — жидком или твердом — находились эти металлы при указанной температуре?
В жидком состоянии находились: алюминий, цинк, серебро. В твердом — железо, медь, сталь, золото.

1070. Болванки из алюминия и серого чугуна одинаковой массы нагреты до температуры их плавления. Для плавления какого из этих тел потребуется больше энергии? Во сколько раз?

41. Плавление и отвердевание

1071. Алюминиевый и медный бруски массой 1 кг каждый нагреты до температуры их плавления. Для плавления какого тела потребуется больше количества теплоты? На сколько больше?

41. Плавление и отвердевание

1072. Смогли бы мы наблюдать привычные нам изменения в природе весной, если бы удельная теплота плавления льда была такой же маленькой, как у ртути?
Смогли бы, но паводки были бы более обильными вследствие быстрого таяния льда.

1073. Почему агроном дал указание полить вечером огородные культуры, когда по радио передали сообщение о том, что ночью будут заморозки? Ответ объясните.
Огородные культуры поливают водой перед заморозками для предохранения их от замерзания. Вода покрывается тонким слоем льда и защищает посадки от отрицательных температур.

1074. На сколько при плавлении увеличится внутренняя энергия ртути, свинца, меди массами по 1 кг, взятых при их температурах плавления?
По определению удельная теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг при температуре плавления для того, чтобы его перевести в жидкое состоянии. По закону сохранения энергии все это количество теплоты пойдет на изменение внутренней энергии тела. При плавлении 1 кг ртути внутренняя энергия увеличилась на 104Дж, 1 кг свинца — на 2,5 • 10 4Дж, 1 кг меди — на 21 • 10 4Дж.

Читайте так же:
Отличие шлифовки от полировки

1075. На сколько уменьшится внутренняя энергия при кристаллизации брусков из белого чугуна массой 2 кг, олова массой 1 кг, железа массой 5 кг, льда массой 10 кг, охлажденных до температуры их кристаллизации?

41. Плавление и отвердевание

1076. Во сколько раз плавление куска железа массой 1 кг требует больше энергии, чем плавление той же массы белого чугуна, серебра, серого чугуна и ртути, нагретых до своей температуры плавления?

41. Плавление и отвердевание

1077. Во сколько раз требуется больше энергии для плавления льда при температуре 0 °С, чем для изменения температуры той же массы льда на 1 °С?

41. Плавление и отвердевание

1078. Какое количество теплоты поглощают при плавлении тела из серебра, золота, платины? Масса каждого тела равна 10 г. Тела взяты при их температурах плавления.

41. Плавление и отвердевание

1079. Какое количество теплоты поглощает при плавлении лед массой 5 кг, если начальная температура льда 0; -1; -10 °С?

41. Плавление и отвердевание

1080. Какое количество теплоты поглощает при плавлении кусок свинца массой 1 г, начальная температура которого 27 °С; олова массой 10 г, взятого при температуре 32 °С?

41. Плавление и отвердевание

1081. Сколько энергии приобретет при плавлении кусок свинца массой 0,5 кг, взятый при температуре 27 °С?

41. Плавление и отвердевание

1082. Сколько энергии приобретет при плавлении брусок из цинка массой 0,5 кг, взятый при температуре 20 °С?

41. Плавление и отвердевание

1083. На сколько увеличилась внутренняя энергия расплавленного железного металлолома массой 4 т, начальная температура которого была равна 39 °С?

41. Плавление и отвердевание

1084. Масса серебра 10 г. Сколько энергии выделится при его кристаллизации и охлаждении до 60 °С, если серебро взято при температуре плавления?

41. Плавление и отвердевание

1085. Сколько энергии выделится при кристаллизации и охлаждении от температуры плавления до 27 °С свинцовой пластинки размером 2X5X10 см?

41. Плавление и отвердевание

1086. Из копильника вагранки для отливки детали выпустили расплавленное железо массой 50 кг. Какое количество теплоты выделилось при его кристаллизации и охлаждении до 39 °С?

41. Плавление и отвердевание

1087. Какое количество теплоты потребуется для обращения в воду льда массой 2 кг, взятого при 0 °С, и при нагревании образовавшейся воды до температуры 30 °С?

41. Плавление и отвердевание

1088. Готовя пищу, полярники используют воду, полученную из расплавленного льда. Какое количество теплоты потребуется для того, чтобы расплавить лед массой 20 кг и полученную воду вскипятить, если начальная температура льда равна -10 °С? (Потерями подводимой теплоты на нагревание окружающих тел пренебречь.)

41. Плавление и отвердевание

1089. Объем формы для пищевого льда равен 750 см3. Сколько энергии отдают вода и лед форме и окружающему ее воздуху в холодильнике, если у воды начальная температура 12 °С, а температура образовавшегося льда равна -5 °С?

41. Плавление и отвердевание

1090. Какое количество теплоты пошло на приготовление в полярных условиях питьевой воды из льда массой 10 кг, взятого при температуре -20 °С, если температура воды должна быть равной 15 °С?

41. Плавление и отвердевание

1091. Рассчитайте расход энергии на процессы, соответствующие участкам АВ, ВС и CD графика (рис. 270), приняв массу льда равной 0,5 кг.

41. Плавление и отвердевание

1092. Сколько энергии выделилось при отвердевании и охлаждении до 25 °С заготовки маховика массой 80 кг, отлитой из белого чугуна? Удельную теплоемкость чугуна принять равной удельной теплоемкости железа. Температура плавления чугуна равна 1165 °С.

41. Плавление и отвердевание

1093. Свинцовая деталь массой 100 г охлаждается от 427 °С до температуры плавления, отвердевает и охлаждается до 27 °С. Какое количество теплоты передает деталь окружающим телам? (Удельную теплоемкость расплавленного свинца принять равной 170 Дж/(кг-°С).)

41. Плавление и отвердевание

1094. В железной коробке массой 300 г мальчик расплавил 100 г олова. Какое количество теплоты пошло на нагревание коробки и плавление олова, если начальная температура их была равна 32 °С?

41. Плавление и отвердевание

1095. Железная заготовка, охлаждаясь от температуры 800 до 0 °С, растопила лед массой 3 кг, взятый при 0 °С. Какова масса заготовки, если вся энергия, выделенная ею, пошла на плавление льда?

Урок по теме «Плавление и отвердевание кристаллических тел»

Организационный момент (готовность к уроку, проверка отсутствующих).

Рис. 1 – страница № 1 первоначально закрыта шторкой, сдвинуть шторку — открыть первые три рисунка.

— Что вы видите на рисунках? Ответ: пар из чайника, вода, лед. Сдвинуть шторку – появятся надписи: пар, вода, лед.

— Что все это объединяет? Ответ: это 3 различные состояния одного и того же вещества.

— Как называют различные состояния одного и того же вещества? Ответ: агрегатные.

— Что вы можете сказать о молекулах одного и того вещества в различных состояниях? Ответ: они одни и те же.

— Чем же тогда отличаются агрегатные состояния? Ответ: расположением, характером движения, характером взаимодействия молекул.

— Давайте вспомним различия в молекулярном строении веществ в различных агрегатных состояниях. Полностью открыть шторку. Посмотрите на молекулы воды в трех разных состояниях и определите, какой рисунок, по-вашему, соответствует газообразному состоянию, какой – жидкому, а какой – твердому? Надо выйти к доске, установить соответствие между рисунками и объяснить, почему вы так думаете. Пригласить обучающегося к доске для перестановки нижних рисунков. Ответ: молекулы по-разному расположены. В газах расстояние между молекулами много больше размера самих молекул. Расстояние между молекулами жидкости и твердого тела сравнимо с размерами самих молекул. Но в твердых (кристаллических) телах молекулы расположены в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку.

Читайте так же:
Столяр обязанности и требования

— Сравните теперь характер движения и взаимодействия молекул в разных агрегатных состояниях. Посмотрим анимацию (рис. 2).

— Ответы: 1) Все молекулы движутся беспорядочно. В газах они свободно летают с большими скоростями. Поскольку расстояние между молекулами большое, то они и очень слабо притягиваются друг к другу. 2) В жидкостях молекулы совершают колебательное движение возле положения равновесия и довольно часто перескакивают из одного положения в другое (жидкость течет). Есть взаимодействие между молекулами. 3) В твердых телах сильное взаимодействие между молекулами. Они колеблются возле положения равновесия, и очень редко какой-нибудь молекуле удается преодолеть силы молекулярного притяжения и перескочить в новое положение.

— Ребята, в своей жизни вы постоянно встречаетесь с различными веществами, находящимися в каком-либо агрегатном состоянии. Возможны различные переходы из одного состояния в другое. Посмотрите на схему (рис. 3). Назовите возможные переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое.

— Ответ: Возможны переходы: из твердого состояния в жидкое, из жидкого состояния в газообразное, из газообразного в твердое и обратные переходы: из твердого состояния в газообразное, из газообразного в жидкое, из жидкого в твердое.

— А теперь попробуйте установить соответствие между переходами и явлениями, им соответствующими (рис. 4). Пригласить по очереди двух обучающихся к доске для выполнения задания.

— В результате на доске должно получиться:

Т → Ж: таяние льда, плавление металла;

Ж → Г: образование пара при кипении воды; испарение воды;

Т → Г: запах нафталина, испарение сухого льда;

Ж → Т: замерзание воды;

Г → Ж: выпадение росы, образование тумана;

Г → Т: образование на окнах узоров зимой.

— Скажите, а какое практическое значение имеют явления перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое? Ответ: В металлургии, например, плавят металлы и изготавливают различные детали. Водяной пар используют в паровых турбинах. Переходы происходят, когда замораживаем воду в холодильнике, зажигаем свечку, растапливаем сливочное масло на сковороде, кипятим воду, сушим белье и т. д. В природе – круговорот воды. Испарение воды с водоемов, образование тумана, облаков, снега, росы… Давайте посмотрим как это происходит. Смотрим анимацию «Изменение агрегатных состояний в природе». При нажатии на «Старт» происходит смена рисунков. Можно попросить обучающихся прокомментировать увиденное (рис. 5).

Подведение к теме урока.

— Перейти к странице № 6 (аналогичному странице № 3 – рис. 3) Нажатием на стрелочки обозначить процессы плавления и кристаллизации на схеме (на слайде появляются названия процессов).

— Цель урока. Сегодня на уроке мы более подробно познакомимся с переходами вещества из твердого состояния в жидкое, а из жидкого состояния в твердое, т. е. с процессом плавления кристаллических тел и обратным ему процессом – процессом кристаллизации .

— Откройте тетради. Запишите тему урока: «Плавление и отвердевание кристаллических тел» (рис. 6). Остальной материал слайда закрыт шторкой.

Изучение нового материала.

1. Чтобы понимать процессы, происходящие в природе и уметь ими управлять, надо знать условия, при которых происходит превращение одного агрегатного состояния вещества в другое. Давайте попытаемся выяснить условия, при которых происходят плавление и отвердевание.

— Скажите, что будет происходить с кусочком льда, вынутым из морозилки?

— Сразу будет таять? Что же нужно сделать с твердым веществом, чтобы оно стало жидким? Ответ: Его надо нагреть.

— Давайте посмотрим, что будет происходить с оловом при нагревании. Просмотр видеофильма «Плавление». Нажать на ссылку * на странице .

— В каком состоянии находилось олово сначала? Ответ: твердом.

— Чтобы оно стало жидким, что с ним сделали? Ответ: его стали нагревать.

— Скажите, олово сразу стало плавиться? Ответ: нет. Его нагрели до какой-то определенной температуры и только тогда оно начало плавиться. (Обратить внимание!).

— Как называют температуру, при которой вещество плавится? Ответ: температуру, при которой вещество плавится, называют температурой плавления.

— Что сделали после того, как олово полностью расплавилось? Ответ: его вылили в стакан с водой , произошло отвердевание олова. Произошел обратный процесс.

— Откройте учебники и найдите, что такое температура кристаллизации и в чем ее особенность. Ответ: Температура, при которой вещество отвердевает (кристаллизуется), называют температурой отвердевания или кристаллизации.

— Какова особенность? Ответ: вещества отвердевают при той же температуре, при которой плавятся. Пример: вода кристаллизуется (а лед плавиться) при 0ºС.

— Запишем: что такое плавление, что такое отвердевание? Постепенно сдвигать шторку на слайде: Плавление – переход Т → Ж. Отвердевание – переход Ж → Т. t пл = t кр .

2. Температуру плавления (кристаллизации) различных веществ мы можем узнать из таблицы “Температура плавления некоторых веществ”. Найдите таблицу ее в учебнике. Аналогичная – на доске (рис. 7).

— Давайте поработаем с таблицей. Вопросы открываются постепенно с помощью шторки. Для выделения использовать перемещающиеся прямоугольные объекты.

— Назовите самый тугоплавкий металл. Ответ: вольфрам (нити накала в электрических лампочках).

— Назовите легкоплавкие вещества? Ответ: лед, цезий, калий, натрий.

— Есть ли металл, который можно расплавить в руке? Ответ: цезий.

— А в кипящей воде? Ответ: еще натрий.

— Можно ли расплавить серебро в алюминиевой ложке? Ответ: нет, т. к. t пл серебра больше t пл алюминия.

— Можно ли расплавить янтарь в цинковом сосуде? Ответ: да, т. к. t пл янтаря меньше t пл цинка.

— Для обогрева небольших помещений используют металлические печки. Температура в печи достигает 1100 ºС. Можно ли сделать эту печку из алюминия? из стали? Ответ: из алюминия – нет (t пл алюминия 660 ºС); из стали – да (t пл стали 1500ºС).

Читайте так же:
Укладка греющего кабеля под плитку

— Почему на Севере для измерения низких температур пользуются не ртутными, а спиртовыми термометрами? Ответ: t отвердевания ртути – 39ºС, спирта – 114ºС. На севере температура может быть ниже – 39ºС.

— Дополнительно: галлий плавиться при температуре 30ºС, кипит при 2300ºС. Его используют для замены ртути в термометрах. Уже изготовлены термометры для температур до 1500ºС.

3. Плавление кристаллических тел – сложный процесс. Вы уже получили некоторую информацию о плавлении и отвердевании, но многое можно узнать из графика плавления и отвердевания. На рисунке представлен график плавления и отвердевания льда (рис. 8). Проанализируем его вместе.

Работа с графиком (вопросы открываются постепенно с помощью шторки).

— При какой температуре взяли лед? Ответ: — 10ºС.

— Представьте такую ситуацию: на улице мороз – 10ºС. Взяли кусок льда и принесли домой. Посмотрим, что же с ним будет происходить?

— Как меняется температура льда на участке АВ? Ответ: увеличивается (лед нагревается).

— До какой температуры? Ответ: до 0 ºС.

— Что стало происходить со льдом при 0 ºС? Ответ: он начал плавиться.

— Горизонтальный участок ВС графика соответствует процессу плавления льда. Посмотрите, меняется ли температура в процессе плавления?

— Обратите внимание: температура не менялась, пока весь лед не расплавился, полностью не превратился в воду. Процесс плавления происходит при постоянной температуре. Итак, в т. С – это уже вода.

— И что же будет происходить с водой дальше? Посмотрите, как меняется ее температура? Ответ: температура увеличивается до 20 ºС (до комнатной температуры); на участке СD происходит процесс нагревания воды (жидкости).

— А теперь взяли и вынесли воду на улицу. Что же будет дальше происходить с водой? Ответ: она будет остывать (охлаждаться).

— До какой температуры вода охлаждается и на каком участке это происходит? Ответ: до 0 ºС; на участке DE.

— И как только вода охладиться до 0 ºС, какой процесс начнется? Ответ: процесс отвердевания.

— И горизонтальный участок EF соответствует процессу кристаллизации воды. И до тех пор, пока вода превращалась в лед, температура менялась? Ответ: нет.

— В т. F – вся вода превратилась в лед. Чему соответствует участок FК? Как менялась температура на этом участке? Ответ: температура уменьшалась. Происходило охлаждение льда до уличной температуры.

Вопросы открываются постепенно с помощью шторки (рис. 9).

— Что вы можете сказать про температуру плавления и температуру отвердевания? Можно возвратиться к странице № 9. Ответ: они равны.

— Какие участки графика соответствуют плавлению и отвердеванию льда? Можно возвратиться к станице № 9. Почему эти участки параллельны оси времени? Ответ: участок ВС – плавлению, EF – отвердеванию. А параллельны оси времени, потому что температура не менялась, пока эти процессы происходили.

— Почему лед не сразу начинает таять, если его внести с мороза в натопленную комнату? Ответ: t таяния льда 0 ºС. Чтобы снег начал таять, он должен нагреться до 0 ºС.

— А если лед внести с улицы в подвал, температура воздуха в котором 0 ºС. Будет ли таять лед в подвале? Ответ: Нет. Чтобы лед плавился, необходим приток энергии. Нет теплообмена, t льда и воздуха — одинаковые.

— Допишем в тетрадях. Открыть записи на странице № 11 – аналогичной № 7 (Рис. 6) : t пл = t кр – остается постоянной при плавлении (отвердевании). Для плавления необходим приток энергии .

— Дополнительно: работа по готовым графикам плавления и отвердевания олова, свинца (рис. 9) – вернуться к странице № 10. Открыть полностью шторку.

1. Для каких веществ построены графики? Как вы это определили? Ответ: Верхний ( красный) график построен для свинца, т. к. свинец плавится при температуре 327ºС и участок LM графика как раз соответствует процессу плавления. Нижний (зеленый) график построен для олова, т. к. температура плавления олова 232ºС.

2. Надо выйти к доске и путем переноса объектов дать название происходящих процессов на каждом участке для верхнего (или нижнего) графика.

Первичная проверка знаний.

Хотелось бы узнать, насколько внимательны вы были сегодня на уроке. Все ли вам было понятно? Пишем тест – страница № 12. Вам понадобится таблица температур плавления различных веществ из учебника. Работа по группам – тест в двух вариантах на 7 мин. Ответы записывают на заранее подготовленных бланках.

1. В каком состоянии вещества при одинаковой температуре скорость движения молекул наибольшая?

А. В газообразном.

Г. Одинакова во всех состояниях вещества.

2. В каком состоянии вещества — жидком или твердом, силы притяжения между молекулами меньше?

В. Одинаковы во всех состояниях

3. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называют

4. Чугун плавится при температуре 1200 0 С. Что можно сказать о температуре отвердевания чугуна?

А. Может быть любой.

Б. Равна 1200 0 С.

В. Выше температуры плавления

Г. Ниже температуры плавления.

5. Можно ли в медном сосуде расплавить алюминий?

6. Во время полета температура наружной поверхности ракеты повышается до 1500 – 2000 0 С. Какие металлы используют для наружной обшивки?

7. Какой отрезок графика характеризует процесс нагревания твердого тела?

1. В каком состоянии вещества расстояние между молекулами наименьшее?

А. Одинаково во всех состояниях вещества.

Б. В газообразном.

2. В каком состоянии вещества – жидком или газообразном, сила притяжения между молекулами больше?

А. В газообразном.

В. Одинаковы во всех состояниях.

3. Переход вещества из твердого состояния в жидкое называют

4. Олово отвердевает при температуре 232 0 С. Что можно сказать о температуре его плавления?

Читайте так же:
Рубанок какой фирмы лучше

А. Выше температуры отвердевания

Б. Может быть любой.

В. Равна 232 0 С.

Г. Ниже температуры отвердевания

5. Можно ли в цинковом сосуде расплавить свинец?

6. Из сопла реактивного самолета вылетает газ, температура которого 800–1100 0 С. Какие металлы можно использовать для изготовления сопла?

7. Какой отрезок графика характеризует процесс плавления?

Обменяйтесь листочком с соседом по парте, проверьте правильность выполнения теста – открыть ответы (поставьте + или – напротив ответов (рис. 10). А теперь поставьте оценку – соответственно количеству правильных ответов. Открыть оценки.

Подведение итогов урока.

Сегодня на уроке вы познакомились с процессами плавления и отвердевания; узнали, что такое температура плавления и отвердевания, что температура не меняется, пока вещество плавится или кристаллизуется. А почему так происходит, вы узнаете на следующем уроке. Запишете домашнее задание.

Первоначально на странице закрыто шторкой – открыть полностью шторку. Запись в дневниках.

Инструктаж: читать § 13, 14, отвечать на вопросы, устно ответить на вопросы упражнения № 7, построить примерный график плавления и отвердевания олова, взятого при t 1 = 20 ºC и нагретого до t 2 = 400ºС.

Почему при плавлении температура не меняется?

Плавящиеся кубики льда

Все мы знаем из школьного курса физики, что при изменении веществом своего агрегатного состояния происходит фазовый переход. Вещество в твёрдом состоянии может напрямую перейти в газообразное. Например, когда температура сухого льда (твёрдого диоксида углерода, CO2) повышается, он превращается в газ. Этот процесс называется сублимацией или возгонкой.

Но чаще происходят другие процессы. К примеру, когда вода замерзает, из жидкого состояния она переходит в твёрдое (кристаллизация). Когда камни плавятся в лаве, из твёрдого вещества они превращаются в жидкость (плавление). Когда вода закипает в чайнике, из жидкости она становится газом (испарение и кипение). Пока рассматриваемое вещество при подведении или отведении дополнительного тепла переходит в новое состояние – жидкое, твёрдое или газообразное, температура не меняется. Почему так происходит?

Краткий ответ. Потому что вся поступающая тепловая энергия идет на разрушение связей между молекулами вещества (в случае плавления — на разрушение кристаллической решетки, в случае кипения — на преодоление молекулами сил межмолекулярного притяжение и вылет за пределы жидкости). Наоборот, при обратных фазовых переходах (конденсации и кристаллизации) температура не уменьшается, потому что происходит образование связей между молекулами вещества.

Подробное объяснение почему при плавлении температура не меняется

Представьте, что вы спокойно пьёте лимонад (который имеет примерно ту же теплоёмкость, что и обычная вода). В этом лимонаде плавают кусочки льда. Температура этой наполовину лимонадной, наполовину ледяной смеси находится вблизи нуля градусов по Цельсию. Пока вы держите в ладонях стакан и наблюдаете за происходящим в нём процессом, лёд начинает таять, однако содержимое ёмкости не нагревается, пока весь лёд в ней не растает.

Вопрос. Почему при плавлении температура не меняется? Тепловая энергия, поступающая из окружающей среды, плавит лёд, не нагревая смесь в целом. Делает ли это уравнение для расчёта количества теплоты (Q=cm\Delta T, где Q— количество теплоты, m— масса образца, \Delta t— изменение температуры) бесполезным? Вовсе нет – это лишь означает, что оно неприменимо к фазовому переходу.

Можно построить график зависимости температуры вещества tот количества переданной теплоты Q. К примеру, на Рис. 1 представлен график фазовых переходов льда, взятого из морозильной камеры. Участок Aсоответствует нагреванию льда, участок B— плавлению льда, участок C— нагреванию получившейся воды, участок D— кипению воды, участок E— нагреванию полученного пара.

Rendered by QuickLaTeX.com

Рис. 1. График фазовых переходов H20.

Как видно, кривая обычно возрастает, то есть увеличение теплоты приводит к возрастанию температуры. Однако кривая идёт горизонтально при фазовых переходах (при температурах t_1и t_2), поскольку изменение состояния вещества требует энергии. После того, как переход завершается, температура вновь начинает возрастать.

Давайте представим, что вы взяли мешок со льдом и поставил его на кухонную плиту. Перед этим температура льда была ниже температуры замерзания воды, скажем -5 °C. Но на плите она начала изменяться. Пока фазовый переход не происходит, температура льда линейно возрастает при увеличении количества подведенной теплоты Q = cm\Delta t, где c = 2100 Дж/(кг⋅°C) — удельная теплоемкость льда.

Когда же лёд достигает температуры в t1 = 0 °C, он становится слишком тёплым, чтобы оставаться в твёрдом состоянии, и начинает плавиться, испытывая фазовый переход (кривая на графике выравнивается). Этот процесс – разрушение кристаллической решётки льда – нуждается в энергии, которая вырабатывается источником тепла. Вот почему при плавлении температура не меняется.

Наблюдая за мешком на плите в течение некоторого времени, вы замечаете, что весь лёд наконец расплавился. Поскольку плита продолжает вырабатывать тепловую энергию, температура воды поднимается. Наконец в ней появляются пузырьки. «Ага, – подумаете вы, – ещё один фазовый переход». Да, это так. Вода становится горячей и при температуре t2 = 100 °C закипает. Мешок при этом начинает раздуваться.

Вы измеряете температуру воды. Удивительно, но пока вода кипит, её температура также не изменяется. И снова, для завершения перехода – из жидкого состояния в газообразное – требуется определённое количество теплоты.

Что же произойдёт дальше, когда мешок расширится до немыслимых размеров? Лучше не проверять, поскольку мешок может взорваться, и вы ошпаритесь горячим паром и кипящей водой.

§ 8.7. ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ

Плавлением называется превращение вещества из твердого состояния в жидкое.

Между плавлением кристаллических и аморфных тел есть существенное различие.

Например, при нормальном атмосферном давлении температура плавления льда равна О °С, нафталина — 80 °С, меди — 1083 °С, вольфрама — 3380 °С.

Чтобы тело расплавилось, недостаточно его нагреть до температуры плавления; необходимо продолжать подводить к нему теплоту, т. е. увеличивать его внутреннюю энергию. Во время плавления температура кристаллического тела не меняется.

Читайте так же:
Спирально навивной станок spiro tubeformer 1602

Если тело продолжать нагревать и после того, как оно расплавилось, температура его расплава будет расти. Сказанное можно проиллюстрировать графиком зависимости температуры тела от времени его нагревания (рис. 8.27). Участок АВ соответствует нагреванию твердого тела, горизонтальный участок ВС — процессу плавления и участок CD — нагреванию расплава. Кривизна и наклон участков графика АВ и CD зависят от условий процесса (массы нагреваемого тела, мощности нагревателя и т. п.).

Переход кристаллического тела из твердого состояния в жидкое происходит резко, скачком — либо жидкость, либо твердое тело.

Плавление аморфных тел

Совсем не так ведут себя аморфные тела. При нагревании они постепенно, по мере повышения температуры, размягчаются и в конце концов становятся жидкими, оставаясь в течение всего времени нагревания однородными. Никакой определенной температуры перехода из твердого состояния в жидкое нет. На рисунке 8.28 изображен график зависимости температуры от времени при переходе аморфного тела из твердого состояния в жидкое.

Отвердевание кристаллических и аморфных тел

Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием или кристаллизацией (для кристаллических тел).

Между отвердеванием кристаллических и аморфных тел тоже имеется существенное различие. При охлаждении расплав-ленного кристаллического тела (расплава) оно продолжает оста-ваться в жидком состоянии, пока температура его не снизится до определенного значения. При этой температуре, называемой температурой кристаллизации, тело начинает кристаллизоваться. Температура кристаллического тела во время отвердевания не изменяется. Многочисленные наблюдения показали, что кристаллические тела плавятся и отвердевают при одной и той же определенной для каждого вещества температуре. При дальнейшем охлаждении тела, когда весь расплав отвердеет, температура тела снова будет уменьшаться. Сказанное иллюстрируется графиком зависимости температуры тела от времени его охлаждения (рис. 8.29). Участок А1В1 соответствует охлаждению жидкости, горизонтальный участок Б1С1 — процессу кристаллизации и участок CjDi — охлаждению твердого тела, получившегося в результате кристаллизации.

Вещества из жидкого состояния в твердое при кристаллизации переходят тоже резко без промежуточных состояний.

Затвердевание аморфного тела, например смолы, происходит постепенно и одинаково во всех сво- их частях; смола при этом остается однородной, т. е. затвердевание аморфных тел — это только постепенное эагустевание их. Определенной температуры отвердевания нет. На рисунке 8.30 изображен график зависимости температуры застывающей смолы от времени.

Таким образом, аморфные вещества не имеют определенной температуры плавления и отвердевания.

Объяснение плавления и отвердевания

на основании молекулярно-кинетической теории

Чтобы расплавить тело, мы его нагреваем. По мере нагревания кристаллического тела средняя энергия его молекул увеличивается за счет возрастания средней кинетической энергии. Увеличивается также потенциальная энергия молекул, так как увеличивается амплитуда колебаний молекул около положений равновесия, и увеличивается расстояние между молекулами, т.

После того как достигнута температура плавления, вся подводимая энергия идет на совершение работы по разрушению пространственной (кристаллической) решетки, т. е. на увеличение потенциальной энергии молекул. В процессе плав-ления кинетическая энергия молекул не изменяется, о чем свидетельствует постоянство температуры во время плавления.

Во время затвердевания вещества его молекулы располагаются упорядоченно, образуя кристаллическую решетку. Их потенциальная энергия в процессе кристаллизации уменьшается, а кинетическая энергия остается неизменной. Поэтому при кристаллизации температура не изменяется и происходит отдача количества теплоты окружающим телам.

Когда при охлаждении отвердевает аморфное вещество, его частицы не располагаются в правильном порядке и не образуют кристаллические решетки. В твердом состоянии частицы аморфного тела расположены примерно в таком же беспорядке, как и в жидком. При отвердевании аморфных веществ происходит постепенное уменьшение кинетической энергии 1 их частиц. Но нет скачкообразного уменьшения их потенциальной энергии. Точно так же при нагревании твердого аморф- ного тела постепенно растет кинетическая энергия его частиц, но нет скачкообразного возрастания их потенциальной энергии, как это наблюдается при плавлении кристаллических тел.

Кратко различие в поведении кристаллических и аморфных тел при плавлении можно объяснить следующим образом. В кристаллах связи между молекулами в разных местах разрушаются одновременно, так как они всюду одинаковы. Поэтому переход в жидкое состояние происходит при строго определенной температуре. В аморфных телах при некоторой температуре часть молекул приобретает способность к более или менее свободному перемещению, другая же еще нет. Ведь связи между молекулами неодинаковы из-за отсутствия строгого порядка в расположении молекул относительно друг друга. В результате переход из твердого состояния в жидкое оказывается растянутым на некоторый интервал температур.

В дальнейшем мы будем говорить только о плавлении и отвердевании (кристаллизации) кристаллических тел.

Жидкость может быть охлаждена ниже температуры крис-таллизации.

В § 8.3 мы отмечали, что для начала кристаллизации необходимы так называемые центры кристаллизации. Если же центров кристаллизации нет, то может произойти переохлаждение жидкости на несколько градусов или даже десятков градусов. Переохлаждение чистой, без каких-либо пылинок и примесей воды нередко наблюдается в природе. Капельки тумана могут оставаться незамерзшими даже при сильных морозах. Такие капельки, осаждаясь на почве, образуют гололедицу. Также переохлажденными оказываются обычно ка-пельки воды в облаках.

Переохлажденная жидкость находится в неустойчивом состоянии; с течением времени под влиянием тех или иных воз- действий переохлажденная жидкость переходит в более устойчивое при данной температуре кристаллическое состояние.

Плавление и кристаллизация тел происходят при строго фиксированной температуре для заданного давления. Аморфные тела постепенно переходят из одного состояния в другое и не имеют определенной температуры плавления (отвердевания).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector