Графік плавлення. Молекулярна фізика Плавлення та кристалізація При плавленні льоду його температура
Перехід речовини з твердого кристалічного стану в рідке називається плавленням. Щоб розплавити тверде кристалічне тіло, його потрібно нагріти до певної температури, тобто підвести тепло.Температура, за якої речовина плавиться, називаєтьсятемпературою плавлення речовини.
Зворотний процес - перехід з рідкого стану в твердий - відбувається при зниженні температури, тобто тепло відводиться. Перехід речовини з рідкого стану в твердий називаєтьсязатвердінням , або кристаллізацією . Температура, за якої речовина кристалізується, називаєтьсятемпературою кристаліції .
Досвід показує, що будь-яка речовина кристалізується і плавиться за однієї і тієї ж температури.
На малюнку представлений графік залежності температури кристалічного тіла (льоду) від часу нагрівання (від точки Адо точки D)та часу охолодження (від точки Dдо точки K). На ньому горизонтальною осі відкладено час, а вертикальною — температура.
З графіка видно, що спостереження за процесом почалося з моменту, коли температура льоду була -40 ° С, або, як кажуть, температура в початковий момент часу tпоч= -40 ° С (крапка Ана графіку). При подальшому нагріванні температура льоду зростає (на графіці це ділянка АВ). Збільшення температури відбувається до 0 ° С - температури плавлення льоду. При 0°С лід починає плавитися, яке температура перестає зростати. Протягом усього часу плавлення (тобто поки весь лід не розплавиться) температура льоду не змінюється, хоча пальник продовжує горіти і тепло, отже, підводиться. Процесу плавлення відповідає горизонтальна ділянка графіка НД . Тільки після того, як весь лід розплавиться і перетвориться на воду, температура знову починає підніматися (ділянка CD). Після того, як температура води досягне +40 °С, пальник гасять і воду починають охолоджувати, тобто тепло відводять (для цього можна посудину з водою помістити в іншу, більшу посудину з льодом). Температура води починає знижуватись (ділянка DE). При досягненні температури 0 °С температура води перестає знижуватися, незважаючи на те, що тепло, як і раніше, відводиться. Це йде процес кристалізації води - утворення льоду (горі-зонтальна ділянка EF). Поки вся вода не перетвориться на кригу, температура не зміниться. Лише після цього починає зменшуватись температура льоду (ділянка FK).
Вигляд розглянутого графіка пояснюється так. На ділянці АВзавдяки теплу, що підводиться, середня кінетична енергія молекул льоду збільшується, і температура його підвищується. На ділянці НДвся енергія, одержувана вмістом колби, витрачається на руйнування кристалічних ґрат льоду: упорядковане просторове розташування його молекул змінюється невпорядкованим, змінюється відстань між молекулами, тобто. відбувається перебудова молекул таким чином, що речовина стає рідкою. Середня кінетична енергія молекул при цьому не змінюється, тому незмінною залишається і температура. Подальше підвищення температури розплавленої льоду-води (на ділянці CD) означає збільшення кінетичної енергії молекул води внаслідок тепла, що підводиться пальником.
При охолодженні води (ділянка DE) частина енергії у неї відбирається, молекули води рухаються з меншими швидкостями, їхня середня кінетична енергія падає — температура зменшується, вода охолоджується. При 0°С (горизонтальна ділянка EF) молекули починають шикуватися в певному порядку, утворюючи кристалічну решітку. Поки цей процес не завершиться, температура речовини не зміниться, незважаючи на тепло, що відводиться, а це означає, що при отвер-деваніі рідина (вода) виділяє енергію. Це якраз та енергія, яку поглинув лід, перетворюючись на рідину (ділянка) НД). Внутрішня енергія у рідини більша, ніж у твердого тіла. При плавленні (і кристалізації) внутрішня енергія тіла змінюється стрибком.
Метали, що плавляться за температури вище 1650 ºС, називають тугоплавкими(титан, хром, молібден та ін.). Найвища температура плавлення серед них у вольфраму – близько 3400 °С. Тугоплавкі метали та їх сполуки використовують як жароміцні матеріали в літакобудуванні, ракетобудуванні та космічній техніці, атомній енергетиці.
Наголосимо ще раз, що при плавленні речовина поглинає енергію. При кристалізації воно, навпаки, віддає їх у довкілля. Отримуючи певну кількість теплоти, що виділяється при кристалізації, нагрівається середовище. Це добре відомо багатьом птахам. Недаром їх можна помітити взимку в морозну погоду тими, хто сидить на льоду, який покриває річки та озера. Через виділення енергії при утворенні льоду повітря над ним виявляється на кілька градусів теплішим, ніж у лісі на деревах, і птахи цим користуються.
Плавлення аморфних речовин.
Наявність певної точки плавлення- Це важлива ознака кристалічних речовин. Саме за цією ознакою їх легко відрізнити від аморфних тіл, які також відносять до твердих тіл. До них, зокрема, належать шибки, дуже в'язкі смоли, пластмаси.
Аморфні речовини(на відміну від кристалічних) немає певної температури плавлення — де вони плавляться, а размягчаются. При нагріванні шматок скла, наприклад, спочатку стає з твердого м'яким, його легко можна гнути або розтягувати; при вищій температурі шматок починає змінювати свою форму під впливом своєї тяжкості. У міру нагрівання густа в'язка маса набуває форми тієї судини, в якій лежить. Ця маса спочатку густа, як мед, потім як сметана і, нарешті, стає майже такою ж малов'язкою рідиною, як вода. Проте вказати певну температуру переходу твердого тіла у рідке тут неможливо, оскільки її немає.
Причини цього лежать у корінному відмінності будови аморфних тіл від кристалічних будови. Атоми в аморфних тілах розташовані безладно. Аморфні тіла за своєю будовою нагадують рідину. Вже у твердому склі атоми розташовані безладно. Значить, підвищення температури скла лише збільшує розмах коливань його молекул, дає їм поступово дедалі більшу і більшу свободу переміщення. Тому скло розм'якшується поступово і не виявляє різкого переходу "тверде-рідке", характерного для переходу від розташування молекул у строгому порядку до безладного.
Теплота плавлення.
Теплота плавлення— це кількість теплоти, яку необхідно повідомити речовині при постійному тиску та постійній температурі, що дорівнює температурі плавлення, щоб повністю перевести його з твердого кристалічного стану в рідкий. Теплота плавлення дорівнює тій кількості теплоти, яка виділяється при кристалізації речовини з рідкого стану. При плавленні вся теплота, що підводиться до речовини, йде на збільшення потенційної енергії його молекул. Кінетична енергія не змінюється, оскільки плавлення йде за постійної температури.
Вивчаючи на досвіді плавлення різних речовиноднієї і тієї ж маси, можна помітити, що для перетворення їх на рідину потрібна різна кількість теплоти. Наприклад, щоб розплавити один кілограм льоду, потрібно витратити 332 Дж енергії, а щоб розплавити 1 кг свинцю — 25 кДж .
Кількість теплоти, що виділяється тілом, вважається негативним. Тому при розрахунку кількості теплоти, що виділяється при кристалізації речовини масою mслід користуватися тією ж формулою, але зі знаком «мінус»:
Теплота спалювання.
Теплота спалювання(або теплотворна здатність, калорійність) - це кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні палива.
Для нагрівання тіл часто використовують енергію, що виділяється під час згоряння палива. Звичайне паливо (вугілля, нафта, бензин) містить вуглець. При горінні атоми вуглецю з'єднуються з атомами кисню, що у повітрі, у результаті утворюються молекули вуглекислого газу. Кінетична енергія цих молекул виявляється більшою, ніж у вихідних частинок. Збільшення кінетичної енергії молекул у процесі горіння називають виділенням енергії. Енергія, що виділяється при повному згорянні палива, є теплота згоряння цього палива.
Теплота згоряння палива залежить від виду палива та його маси. Чим більша маса палива, тим більше кількістьтеплоти, що виділяється при повному згорянні.
Фізична величина , що показує, скільки теплоти виділяється при повному згорянні палива масою 1 кг, називається питомою теплотою згоряння палива.Питому теплоту згоряння позначають буквоюqі вимірюють у джоулях на кілограм (Дж/кг).
Кількість теплоти Q, що виділяється при згоранні mкг палива, визначають за формулою:
Щоб знайти кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні палива довільної маси, потрібно питому теплоту згоряння палива помножити на його масу.
Збільшення обсягу води за її замерзанні має значення у природі. Внаслідок меншої щільності льоду порівняно із щільністю води (при 0 °С щільність льоду 900 кг/м 3 а води 1000 кг/м 3) лід плаває на воді. Маючи погану теплопровідність, шар льоду захищає воду, що знаходиться під ним, від охолодження та вимерзання. Тому риби та інші живі істоти, що у воді, не гинуть під час морозів. Якби крига тонула, то не дуже глибокі водоймища промерзали б за зиму наскрізь.
При розширенні замерзаючої води в закритій посудині з'являються великі сили, здатні розірвати товстостінну чавунну кулю. Подібний досвід легко здійснити з пляшкою, наповненою водою по шийку і виставленою на мороз. На поверхні води утворюється крижана пробка, що закупорює пляшку, і при розширенні води, що замерзає, пляшка буде розірвана.
Замерзання води у тріщинах гірських порідпризводить до їхнього руйнування.
Здатність води розширюватися при затвердінні повинна враховуватись при прокладанні труб водопроводу та каналізації, а також водяного опалення. Щоб уникнути розриву під час замерзання води, підземні труби повинні укладатися на такій глибині, щоб температура не опускалася нижче О °С. Зовнішні частини труб повинні зимовий часпокриватися теплоізолюючими матеріалами.
Залежність температури плавлення тиску
Якщо плавлення речовини супроводжується збільшенням його обсягу, то зі збільшенням зовнішнього тиску температура плавлення речовини підвищується.Це можна пояснити так. Стиснення речовини (при збільшенні зовнішнього тиску) перешкоджає збільшенню відстані між молекулами і, отже, зростанню потенційної енергії взаємодії молекул, яка потрібна для переходу в рідкий стан. Тому доводиться нагрівати тіло до більшої температури, доки потенційна енергія молекул не досягне необхідного значення.
Якщо плавлення речовини супроводжується зменшенням його обсягу, то зі збільшенням зовнішнього тиску температура плавлення речовини знижується.
Так, наприклад, лід при тиску 6 · 10 7 Па плавиться за температури -5 °С, а при тиску 2,2 · 10 8 Па температура плавлення льоду дорівнює -22 °С.
Зниження точки плавлення льоду зі збільшенням тиску добре ілюструється досвідом (рис. 8.34). Нейлонова нитка проходить крізь кригу, не руйнуючи її. Справа в тому, що завдяки значному тиску нитки на лід він підтає під нею. Вода, витікаючи з-під нитки, відразу замерзає.
Потрійна точка
Рідина може перебувати в рівновазі зі своєю парою (насиченою парою). На малюнку 6.5 (див. § 6.3) представлена залежність тиску насиченої пари від температури (крива АВ),отримана експериментально. Так як кипіння рідини відбувається при тиску, що дорівнює тиску її насиченої пари, то ця ж крива дає залежність температури кипіння від тиску. Область, що лежить нижче за криву АВ,відповідає газовому стану, а вище – рідкому.
Кристалічні тіла плавляться за певної температури, при якій тверда фаза знаходиться в рівновазі з рідкою. Температура плавлення залежить від тиску. Цю залежність можна показати тому ж малюнку, де зображено залежність температури кипіння від тиску.
На малюнку 8.35 крива ТКхарактеризує залежність температури кипіння від тиску. Вона закінчується у точці До,відповідної критичної температури, оскільки вище цієї температури рідина не може існувати. Лівіше кривий ТКза експериментальними точками побудована крива ТСзалежності температури плавлення від тиску (лівіше, тому що твердій фазі відповідають менші температури, ніж рідкій). Обидві криві перетинаються у точці Т.
Що буде з речовиною при температурі нижче температури tт p , відповідної точки Т? Рідка фаза за цієї температури вже існувати неспроможна. Речовина буде або у твердому, або у газоподібному стані. Крива ВІД(див. рис. 8.35) відповідає рівноважним станам тверде тіло- газ, що виникає під час сублімації твердих тіл.
Три криві КТ, ТЗі ВІДділять фазову площину втричі області, у яких речовина може у однієї з трьох фаз. Самі криві описують рівноважні стани рідина – пар, рідина – тверде тіло та тверде тіло – пар. Існує лише одна точка Т,у якій усі три фази перебувають у рівновазі. Це і є потрійна точка.
Потрійній точці відповідають єдині значення температури та тиску. Її можна точно відтворювати, і вона є однією з найважливіших опорних точок при побудові абсолютної шкали температур. Для води абсолютна температура потрійної точки прийнята рівною Т тр = 273,16 К, або tт p = 0,01 ° C.
На малюнку 8.35 зображено фазову діаграму води, у якої температура плавлення зменшується зі зростанням тиску. Для звичайних речовин крива ТСнахилена у протилежний бік по відношенню до вертикалі, що проходить через точку Т.
Наприклад, такий вигляд матиме фазова діаграма оксиду вуглецю 2 . Температура потрійної точки СО 2 tтр = -56,6 ° С, а тиск р тр = 5,1 атм. Тому при звичайному атмосферному тиску та температурі, близькій до кімнатної, вуглекислота не може перебувати в рідкому стані. Тверда фаза 2 називається зазвичай сухим льодом. Він має дуже низьку температуру і не плавиться, а одразу випаровується (сублімація).
Зміна об'єму при плавленні та затвердінні безпосередньо пов'язана із залежністю температури плавлення від тиску. У переважної більшості речовин температура плавлення зростає із тиском. У води та деяких інших речовин вона, навпаки, знижується. Для мешканців Землі на високих географічних широтахце велике благо.
Існує єдина точка на діаграмі р-Т (потрійна точка), де всі три фази речовини перебувають у рівновазі.
На закінчення відзначимо величезне значення фізики твердого тіла у розвиток техніки та цивілізації взагалі.
Людство завжди використовувало і використовуватиме тверді тіла. Але якщо раніше фізика твердого тіла не встигала за розвитком технології, що ґрунтується на безпосередньому досвіді, то тепер становище змінилося. Теоретичні дослідження починають призводити до створення твердих тіл, властивості яких абсолютно незвичайні і отримати які методом «проб і помилок» було б неможливо. Винахід транзисторів, про які йтиметься надалі, яскравий приклад того, як розуміння структури твердих тіл призвело до революції у всій радіотехніці.
Створення матеріалів із заданими механічними, магнітними та іншими властивостями - один із основних напрямків фізики твердого тіла. Приблизно половина фізиків усього світу працює зараз у галузі фізики твердого тіла.
Рух. Теплота Китайгородський Олександр Ісаакович
Вплив тиску на температуру плавлення
Якщо змінити тиск, то зміниться температура плавлення. З такою самою закономірністю ми зустрічалися, коли говорили про кипіння. Чим більший тиск, тим вища температура кипіння. Як правило, це правильно і для плавлення. Однак є невелика кількість речовин, які поводяться аномально: їхня температура плавлення зменшується зі збільшенням тиску.
Справа в тому, що переважна більшість твердих тіл щільніша за свої рідини. Виняток із цього правила становлять якраз ті речовини, температура плавлення яких змінюється при зміні тиску не зовсім звичайно – наприклад, вода. Лід легший за воду, і температура плавлення льоду знижується при зростанні тиску.
Стиснення сприяє утворенню щільнішого стану. Якщо тверде тіло щільніше за рідке, то стиск допомагає затвердінню і заважає плавленню. Але якщо плавлення утрудняється стисненням, це означає, що речовина залишається твердим, тоді як раніше за цієї температури воно вже плавилося б, тобто. зі збільшенням тиску температура плавлення зростає. У разі аномальному випадку рідина щільніше твердого тіла, і тиск допомагає утворенню рідини, тобто. знижує температуру плавлення.
Вплив тиску на температуру плавлення набагато менший за аналогічний ефект для кипіння. Підвищення тиску більш ніж на 100 кг/см 2 знижує температуру плавлення льоду на 1 °C.
Звідси, до речі, видно, як пояснення ковзання ковзанів по льоду, що наївно часто зустрічається, зниженням температури плавлення від тиску. Тиск на лезо ковзана у разі не перевищує 100 кг/см 2 і зниження температури плавлення з цієї причини не може відігравати ролі для ковзанярів.
З книги Фізична хімія: конспект лекцій автора Березовчук А В4. Вплив природи розчинника на швидкість електрохімічних реакцій Заміна одного розчинника на інший позначиться кожної зі стадій електрохімічного процесу. Насамперед це позначиться на процесах сольватації, асоціації та комплексоутворення в
Із книги Новітня книгафактів. Том 3 [Фізика, хімія та техніка. Історія та археологія. Різне] автора Кондрашов Анатолій Павлович З книги Блискавка та грім автора Стекольников І З З книги Рух. Теплота автора Китайгородський Олександр Ісаакович З книги Штурм абсолютного нуля автора Бурмін Генріх Самойлович7. Отримання електрики через вплив Тепер, коли ми знаємо, що атоми кожного тіла складаються з частинок, що містять як позитивну, так і негативну електрику, ми можемо пояснити важливе явище отримання електрики через вплив. Це допоможе нам зрозуміти,
З книги Історія лазера автора Бертолотті Маріо6. Вплив блискавки на роботу електричних систем та радіо Дуже часто блискавка вдаряє у дроти ліній передач електричної енергії. При цьому або грозовий розряд вражає один із проводів лінії і з'єднує його із землею, або блискавка з'єднує між собою два або навіть три
З книги Твіти про всесвіт автора Чаун МаркусЗміна тиску з висотою Зі зміною висоти тиск падає. Вперше це було з'ясовано французом Пер'є за дорученням Паскаля в 1648 р. Гора П'ю де Дім, біля якої жив Пер'є, була заввишки 975 м.
З книги Атомна проблема автора Рен ФіліпЗалежність температури кипіння від тиску Температура кипіння води дорівнює 100 °C; можна подумати, що це невід'ємна властивість води, що вода, де б і в яких умовах вона не знаходилася, завжди кипітиме при 100 °C.
З книги автора1. Чому «образили» температуру? Помилка Фаренгейта. Порядок та безладдя. Коли шлях вниз важче підйому. Крижаний окріп. Чи існують Землі «холодні рідини»? Довжину ми вимірюємо в метрах, масу – у грамах, час у секундах, а температуру у градусах.
З книги автораВплив магнітного поляна спектральні лінії У той час, коли було пояснено основні риси спектральних ліній. У 1896 р. Пітер Зеєман (1865-1943) жив у Лейдені (Голландія) відкрив, що магнітне поле здатне впливати на частоти спектральних ліній, що випускаються газом,
З книги автора135. Як же астрономи вимірюють температуру Всесвіту? Інфрачервоне (ІЧ) випромінювання з довжиною хвилі від 700 нм до 1 мм було відкрито в 1800 Вільямом Гершелем (1738-1822). Гершель використав призму, щоб отримати спектр сонячного світла, від червоного до синього. Він використав
З книги автораРозділ X Вплив прогресу в галузі атомної енергії на економічне та суспільне життя Перш ніж дати короткий аналіз соціальної проблеми, Що виникла у зв'язку з відкриттям атомної енергії, ми в загальних рисахрозглянемо економічну сторону питання, пов'язану з
При досягненні твердим тілом температури плавлення подальшого підвищення його температури не відбувається, а підводиться (або відводиться) витрачається на зміну - перетворення твердого тіла на рідину (при відведенні теплоти - з рідини на тверде тіло).Температура плавлення (затвердіння)залежить від виду речовини та тиску навколишнього середовища.
При атмосферному тиску(760 мм рт. ст.) температура плавлення водного льодудорівнює 0°С. Кількість теплоти, необхідне для перетворення 1 кг льоду у воду (або навпаки), називається прихованою чи питомою теплотою плавлення r. Для водяного льоду r=335 кДж/кг.
Кількість теплоти, необхідне перетворення льоду масою М у воду, визначають за формулою: Q=Mr.
Зі сказаного слід, що одним із способів штучного охолодження є відведення теплоти за рахунок плавлення речовини в твердому стані при низькій температурі.
На практиці цей спосіб давно і широко застосовують, здійснюючи охолодження за допомогою заготовленого взимку з використанням холоду природного водного льоду або за допомогою замороженої в льодогенераторах з використанням холодильних машин води.
При плавленні чистого водного льоду температуру речовини, що охолоджується, можна знизити до 0°С. Для досягнення нижчих температур використовують. У цьому випадку температура та прихована теплота плавлення залежать від виду солі та її вмісту у суміші. При вмісті суміші 22,4% хлористого натрію температура плавлення льодосоляної суміші дорівнює -21,2°С, а прихована теплота плавлення становить 236,1 кДж/кг.
Застосовуючи суміші хлористий кальцій (29,9%), можна знизити температуру плавлення суміші до -55°С, у разі r= =214 кДж/кг.
Сублімація- перехід речовини з твердого стану газоподібне, минаючи рідку фазу, з поглинанням теплоти. Для охолодження та заморожування харчових продуктів, а також їх зберігання та транспортування у замороженому стані широко використовують сублімацію сухого льоду(твердого двоокису вуглецю). При атмосферному тиску сухий лід, поглинаючи теплоту з навколишнього середовища, переходить з твердого стану газоподібне при температурі -78,9°С. Питома теплота сублімації r-571 кДж/кг.
Сублімація замороженої водипри атмосферному тиску відбувається при сушінні білизни взимку. Цей процес лежить в основі промислового сушіння харчових продуктів, (). Для інтенсифікації сублімаційного сушіння в апаратах (субліматорах): підтримують за допомогою вакуумних насосів тиск нижче атмосферного.
Випаровування- процес пароутворення, що відбувається з вільної поверхнірідини. Його фізична природа пояснюється вильотом молекул, що володіють великою швидкістю і кінетичною енергією теплового руху, з поверхневого шару. Рідина при цьому охолоджується. У холодильній техніці цей ефект використовують у градирнях для та у випарних конденсаторах для передачі теплоти конденсації до повітря. При атмосферному тиску та температурі О°С прихована теплота r=2509 кДж/кг при температурі 100°С r=2257 кДж/кг.Кипіння- Процес інтенсивного пароутворення на поверхні нагріву за рахунок поглинання теплоти. Кипіння рідини при низькій температурі є одним з основних процесів у парокомпресійних холодильних машинах. Киплячу рідину називають холодильним агентом (скорочено - холодоагент), а апарат, де він кипить, забираючи теплоту від охолоджуваної речовини,- випарником(Назва не зовсім точно відображає суть того, що відбувається в апараті процесу). Кількість теплоти Q, що підводиться до киплячої рідини, визначають за такою формулою: Q=Mr,
де М - маса рідини, що перетворилася на пару. Кипіння однорідної («чистої») речовини відбувається при постійній температурі, яка залежить від тиску. Зі зміною тиску змінюється і температура кипіння. Залежність температури кипіння від тиску кипіння (тиску фазової рівноваги) зображують кривою, званою кривою пружності насиченої пари.
Хладагент R12, маючи значно меншу приховану теплоту пароутворення, забезпечує роботу холодильної машини при нижчих (порівняно з роботою на) тисках конденсації, що для конкретних умов може мати вирішальне значення.
2. Дроселювання (ефект Джоуля - Томпсона).
Ще один з основних процесів у парокомпресійних холодильних машинах, що полягає в падінні тиску та зниженні температури холодоагенту при його протіканні - через звужений переріз під впливом різниці тисків без здійснення зовнішньої роботи та теплообміну довкіллям.У вузькому перерізі швидкість потоку зростає, кінетична енергія витрачається на внутрішнє тертя між молекулами. Це призводить до частини рідини та зниження температури всього потоку. Процес відбувається в регулювальному вентиліабо іншому дросельному органі () холодильної машини.
3. Розширення із здійсненням зовнішньої роботи.
Процес використовують у газових холодильних машинах.Якщо на шляху потоку, що рухається під впливом різниці тисків, поставити (розширювальну машину, в якій потік обертає колесо або штовхає поршень), то енергія потоку здійснюватиме зовнішню корисну роботу. При цьому після детандера одночасно зі зниженням тиску знижуватиметься і температура холодоагенту.