Підручник Фізика 8 клас - В.Д. Сиротюк - Генеза 2016 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

§ 11. ПЛАВЛЕННЯ І КРИСТАЛІЗАЦІЯ ТВЕРДИХ ТІЛ. ПИТОМА ТЕПЛОТА ПЛАВЛЕННЯ РЕЧОВИНИ

Спостереження. Виймемо з морозильної камери лід, покладемо його в тарілку. Через певний час він почне танути і повністю перетвориться на воду.

Дослід 1. Візьмемо шматочки олова або свинцю, помістимо їх у сталеву ложку і будемо нагрівати на спиртівці або газовому пальнику (мал. 73). Олово почне плавитися й повністю перейде в рідкий стан. Приймемо ложку з рідким оловом із полум’я пальника. Олово почне кристалізуватися і повністю перетвориться на тверде тіло, яке матиме форму ложки.

Отже, нагріваючи тіла, їх можна перевести з твердого стану в рідкий, і, навпаки, охолоджуючи - з рідкого стану в твердий.

Процес переходу речовини з твердого стану в рідкий називають плавленням, а процес переходу речовини з рідкого стану в твердий — кристалізацією.

Узимку, восени, навесні, коли температура повітря може бути 0 °С, тануть сніг і лід, але водночас замерзає вода. За температури 0 °С сніг і лід тануть (плавляться), а вода - замерзає (твердне).

На Півночі та в Антарктиді, де температура повітря може опускатися нижче від -40 °С, не можна користуватися ртутним термометром, бо ртуть твердне за температури -39 °С. Там використовують спиртові термометри, тому що спирт замерзає за температури -114 °С.

Кожна речовина плавиться або кристалізується за певної температури. Температуру, за якої речовина плавиться, називають температурою плавлення, а за якої твердне, - температурою кристалізації. З дослідів відомо, що речовини тверднуть за тієї самої температури, за якої плавляться. Під час плавлення тіла поглинають теплоту, а під час тверднення - теплоту виділяють. Значення температури плавлення для частовживаних речовин подано в таблиці 4 (див. с. 48).

Дослід 2. У посудину з грудочками льоду помістимо термометр і будемо її підігрівати (мал. 74). Лід танутиме, а термометр показуватиме 0 °С. Поки весь лід не розтане, температура (0 °С) у посудині не змінюватиметься.

Мал. 73

Мал. 74

Під час плавлення речовини температура її не змінюється.

Дослід 3. Поставимо на шальку терезів закриту посудину з льодом, зрівноважимо терези (мал. 75, а). Через якийсь час лід розтане. Рівновага терезів не порушиться (мал. 75, б).

Під час переходу речовини з одного стану в інший її маса не змінюється.

Мал. 75

Мал. 76

Дослід 4. Наллємо в скляну пляшку води і щільно її закриємо. Помістимо цю посудину з водою в холодильну камеру. Коли вода замерзне, пляшка трісне, тому що об’єм льоду більший, ніж води (мал. 76).

Під час переходу речовини з одного стану в інший змінюється густина, а отже, й об’єм даної маси речовини.

Тепер з’ясуємо, від чого залежить кількість теплоти, яку потрібно затратити, щоб розплавити кристалічне тіло (за температури плавлення), або яка виділяється під час його кристалізації.

Дослід 5. В одній посудині будемо плавити 100 г свинцю (мал. 77, а), а в іншій - 200 г (мал. 77, б). Якщо нагрівники однакові, то побачимо, що для плавлення 200 г свинцю треба затратити більшу кількість теплоти, ніж для 100 г.

Кількість теплоти, яка потрібна для плавлення тіла, залежить від його маси.

Дослід 6. На однакових нагрівниках в одній посудині будемо плавити 100 г свинцю (мал. 78, а), а в іншій - 100 г олова (мал. 78, б). У результаті досліду побачимо, що для плавлення олова потрібно затратити більшу кількість теплоти, ніж для плавлення свинцю.

Мал. 77

Мал. 78

Кількість теплоти, яка потрібна для плавлення тіла, залежить від роду речовини, з якої виготовлено тіло.

Величину, що характеризує енергетичні затрати на плавлення 1 кг певної речовини, назвали питомою теплотою плавлення речовини. Її позначають малою грецькою літерою X (ламбда). Одиницею питомої теплоти плавлення речовини в СІ є один джоуль на кілограм (1 Дж/кг).

Питому теплоту плавлення речовини визначають за допомогою дослідів. Було встановлено, що питома теплота плавлення льоду дорівнює 340 000 (3,4 ∙ 105) Дж/кг. Це означає, що для перетворення бруска льоду масою 1 кг (за температури плавлення 0 °С) на воду потрібно затратити 340 000 Дж енергії. Під час зворотного процесу - кристалізації - така сама кількість теплоти виділиться.

Питома теплота плавлення речовини — фізична величина, що показує, яку кількість теплоти потрібно надати тілу масою 1 кг, щоб перетворити його на рідину за температури плавлення.

З дослідів визначено питому теплоту плавлення для кожної речовини, значення якої для частовживаних речовин подано в таблиці 4.

Питома теплота плавлення речовин (за температури плавлення і нормального

атмосферного тиску)

Таблиця 4

Речовина

Питома теплота плавлення , Дж/кг

Температура плавлення (кристалізації), °С

Речовини

Питома теплота плавлення , Дж/кг

Температура плавлення (кристалізації), °С

Алюміній

393 000

660

Сталь, чавун

85 000 – 140 000

1100 – 1500

Лід

332 400

0

Золото

67 000

1064

Залізо

270 000

1535

Водень

58 600

-259

Мідь

213 000

1085

Олово

59 000

232

Вольфрам

185 000

3387

Свинець

24 300

327

Спирт

105 000

-98

Кисень

13 800

-218

Срібло

87 300

962

Ртуть

11 700

-39

Щоб обчислити кількість теплоти Q, яку потрібно затратити для плавлення тіла масою m, узятого за температури плавлення, треба питому теплоту плавлення X помножити на масу тіла:

Q = m

Кількість теплоти, яка виділяється під час тверднення тіла масою m, також визначають за цією формулою.

Процеси нагрівання і кристалізації можна зобразити графічно. По осі Оу відкладають значення температури речовини, а по осі Ох - час нагрівання і плавлення речовини. Наприклад, на малюнку 79 графічно зображено процеси нагрівання і плавлення льоду та нагрівання води. Графік нагрівання і плавлення речовини складається з трьох ділянок: для нагрівання льоду - це пряма лінія з певним кутом нахилу, який залежить від значення питомої теплоємності речовини: що більше її значення, то менший нахил, температура льоду збільшується прямо пропорційно до часу нагрівання; для плавлення льоду - це горизонтальна лінія, температура суміші води і льоду залишається сталою і дорівнює температурі плавлення льоду доти, доки весь лід не розтане; для нагрівання утвореної води - пряма лінія, кут нахилу якої визначається питомою теплоємністю води, її значення більше, ніж для льоду, тому і нахил менший, температура води збільшується прямо пропорційно до часу.

Мал. 79

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Що таке плавлення тіл?

2. Що називають кристалізацією речовини?

3. Як змінюється температура тіла під час плавлення і кристалізації?

4. Як змінюється маса тіла під час перетворення його з твердого стану в рідкий і навпаки?

5. Від чого залежить кількість теплоти, яку потрібно затратити, для розплавлення кристалічного тіла або яка виділяється під час його кристалізації?

6. Що таке питома теплота плавлення речовини?

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ

Розв’язуємо разом

1. Користуючись таблицею 4, з’ясуйте, у якому стані знаходяться метали: срібло, золото, мідь, алюміній, вольфрам, сталь за температури 1000 °С?

Відповідь: срібло, алюміній - у рідкому стані; золото, мідь, вольфрам, сталь - у твердому стані.

2. Яку кількість теплоти потрібно затратити, щоб розплавити 1 кг свинцю, узятого за температури 27 °С?

Розв’язання

Для того щоб розплавити свинець, його потрібно нагріти до температури плавлення, а потім розплавити.

Кількість теплоти, яку потрібно затратити на нагрівання свинцю, визначаємо за формулою:

Q1 = cm(tпл - t).

Кількість теплоти, яку потрібно затратити, щоб розплавити свинець, визначаємо за формулою:

Q2 = m.

Тоді кількість теплоти, затрачену на нагрівання і плавлення свинцю, визначимо так:

Q = Q1 + Q2 = cm(tпл - t) + m = m(c(tпл - t) + ). Підставивши значення величин, отримаємо:

Q = 1 кг (140 Дж/(кг ∙ °С) (327 °С - 27 °С) + 24 300 Дж/кг) = 66 300 Дж = 66,3 кДж.

Відповідь: 66 300 Дж = 66,3 кДж.

Рівень А

70. У воді плаває лід (температура води і льоду однакова - 0 °С). Один учень стверджує, що вода замерзне, а другий - що лід розтане. Вирішіть суперечку.

71. Чому олово можна розплавити в полум’ї свічки, а залізо - ні?

72. Яку кількість теплоти потрібно затратити, щоб розплавити 2 кг срібла, взятого за температури плавлення?

73. Яку кількість теплоти треба затратити, щоб розтопити 10 кг льоду, взятого за температури 0 °С? Поясніть розв’язок.

74. Яку масу золота можна розплавити, затративши 125 кДж теплоти?

75. Яка кількість теплоти виділиться під час замерзання води масою 5 кг за температури 0 °С?

Рівень Б

76. Весною, коли температура повітря набагато вища за 0 °С, лід ще тривалий час не тане і, навпаки, восени, коли температура повітря нижча від 0 °С, вода не відразу замерзає. Чому?

77. Чи можна розплавленим металом заморозити воду?

78. Яку кількість теплоти треба затратити, щоб розплавити 2 кг олова, взятого за температури 0 °С?

79. Яку кількість теплоти треба затратити, щоб повністю розплавити свинцеву штабу масою 4 кг, температура якої 7 °С?

80. Алюмінієва штаба, маса якої 5 кг, має температуру 20 °С. Чи можна повністю розплавити таку штабу, надавши їй 500 кДж енергії?

81. Для якої речовини на графіку (мал. 80) зображено процеси нагрівання і плавлення?

Мал. 80





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити