Підручник Фізика 8 клас - А. М. Сердюченко - Освіта 2016 рік

Розділ 2. Зміна агрегатних станів речовини

ЧАСТИНА І. ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

А з чого утворилася сніжинка?

Чому одні тіла тверді, інші - рідкі або в газовому стані?

Чи може залізо перебувати в газовому стані?

Істина - це те, що витримує перевірку дослідом.

Альберт Ейнштейн

• Кристалічні та аморфні тіла. Плавлення і тверднення кристалічних тіл, графіки цих процесів

• Питома теплота плавлення і тверднення. Розрахунок кількості теплоти, що потрібна для плавлення тіла та виділяється ним під час його тверднення

• Енергія палива. Питома теплота згоряння палива. Обчислення кількості теплоти, що виділяється за повного згоряння палива

• Пароутворення і конденсація. Кипіння рідини. Температура кипіння

• Питома теплота пароутворення і конденсації. Розрахунок кількості теплоти, що потрібна для пароутворення та виділяється під час конденсації

• Робота газу й пари за їхнього розширення

• Принцип дії теплових двигунів. ККД теплового двигуна. Двигун внутрішнього згоряння

• Наноматеріали

§ 14. Кристалічні та аморфні тіла. Плавлення і тверднення кристалічних тіл, графіки цих процесів

Я вивчу, що відбувається з агрегатним станом твердих речовин за зміни температур.

З § 4 вам уже відомо, що речовина може перебувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному і за певних умов переходить із одного стану в інший. Наведемо кілька прикладів спостереження зміни агрегатного стану речовини в природі, а також використання цього явища на практиці:

• 3 поверхонь водоймищ вода випаровується, вода в річках і озерах взимку замерзає, а навесні лід тане (мал. 56, а).

• У металургії метали виплавляють із руди, а тверді метали плавлять для отримання сплавів (мал. 56, б).

• У парових котлах на електростанціях вода переходить в пару, а відпрацьована пара знов перетворюється на рідину (мал. 56, в).

• У холодильних установках використовують зріджені газ (мал. 56, г).

а — плавлення металів

б — парові котли на електростанціях

в — холодильні установки

г — хмари, вода у водоймах

Мал. 56. Приклади зміни агрегатного стану речовини у природі та техніці

Зміна агрегатних станів речовини

Розглянемо тіла у твердому агрегатному стані.

Ви вже знаєте, що вони мають полікристалічну будову, а іноді — монокристалічну. Монокристали трапляються в природі доволі великих розмірів, геологи знаходять монокристали кам’яної солі, кришталю, кварцу. У лабораторних умовах вирощують монокристали для багатьох промислових цілей (мал. 57).

У монокристалах мікрочастинки розміщені в строго визначених місцях — вузлах кристалічних ґрат. Це доведено за допомогою електронних мікроскопів і рентгенівських досліджень.

Полікристали складаються із великої кількості монокристалів.

Якщо кристалічному тілу передавати енергію, наприклад, нагріванням, то його можна перетворити на рідину.

Перехід речовини із твердого стану в рідкий називають плавленням.

Плавлення кристалічного тіла розпочинається і відбувається за певної температури.

Мал. 57. Вирощені монокристали: а — кварц; б — кухонна сіль

Температуру, за якої тверде кристалічне тіло переходить у рідкий стан, називають температурою плавлення.

На ливарному виробництві розплавлений метал, наприклад, чавун, розливають у спеціальні форми. Під час остигання металу він твердне, і з форми забирають готовий виріб-відливок (мал. 58).

Мал. 58. Розливання і тверднення рідкого металу

Перехід речовини з рідкого стану в твердий називають кристалізацією, або твердненням.

Температуру, за якої рідина переходить у твердий стан, називають температурою кристалізації (тверднення).

Із досвіду відомо, що кристалічні тіла плавляться і кристалізуються за однією і тією самою температурою. Наприклад, вода кристалізується, а лід плавиться за температури О °С; чисте залізо плавиться і кристалізується за температури 1539 °С.

Температура плавлення (кристалізації) твердого тіла залежить від речовини, з якої воно складається.

Температура плавлення (кристалізації) є одною з характеристик кожної речовини. їх визначають дослідним шляхом і вміщують у таблиці, якими користуються під час розрахунків теплових процесів (див. таблицю 9).

Таблиця 9

Температура плавлення (кристалізації) деяких речовин

(за нормального атмосферного тиску)

Речовина

tплав, °С

Речовина

t плав, °С

Речовина

tплав, °С

Водень

-259

Натрій

98

Мідь

1 085

Кисень

-219

Олово

232

Чавун

1 200

Азот

-210

Свинець

327

Сталь

1 500

Спирт

-114

Янтар

360

Залізо

1 539

Ртуть

-39

Цинк

420

Платина

1 772

Лід

0

Алюміній

660

Осмій

3 045

Цезій

29

Срібло

962

Вольфрам

3 387

Калій

63

Золото

1064

Із таблиці 9 видно, що азот, кисень, водень, які за нормальних умов є газами, можуть переходити в рідкий стан і мають дуже низькі температури плавлення (тверднення). Виявляється, що ртутний термометр не може виміряти температуру, нижчу за -39 °С, оскільки саме за цієї температури ртуть перетвориться на тверде тіло, і термометр, напевно, вийде з ладу. Метал цезій розплавиться у долоні. А нитку розжарення в електричних лампах роблять із вольфрама, тому що він плавиться за температури 3387 °С (його відносять до тугоплавких металів).

Аморфні тіла за своїми фізичними властивостями займають проміжне положення між кристалами і рідинами. Це, наприклад, пластилін, стеарин, скло.

Особливості теплових процесів за зміни температури кристалічних і аморфних тіл вивчають на дослідах.

Дослід 1. Нагріватимемо стеаринову свічку або пластилін. Пластилін стає м’яким, свічка «пливе». Аморфні тіла не мають строго визначеної температури плавлення, вони м’якшають поступово з підвищенням температури.

Мал. 59. Приклади аморфних тіл

Аморфні тіла (мал. 59) з часом (кілька місяців або років) можуть самовільно перейти в кристалічний стан. Наприклад, прозоре скло через багато років стає мутним — кристалізується; прозорий мед через деякий час стає непрозорим; цукерка-льодяник через кілька тижнів стає непрозорою.

Теорія МКТ пояснює це явище тим, що з часом мікрочастинки аморфного тіла розміщуються в певному порядку, що є характерним для кристалів.

Дослід 2. За кімнатної температури поставимо закорковану колбу зі шматочками льоду на шальку терезів і врівноважимо їх. Зачекаємо, доки весь лід не розтане, тобто вода перейде з твердого в рідкий стан. Пересвідчуємося, що рівновага терезів не порушилася.

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

Дослід 3. Наповнимо водою скляну пляшку і щільно її закоркуємо. Покладемо пляшку в цупкий пластиковий пакет, обгорнемо його і покладемо на ніч до морозильної камери холодильника. На ранок витягнемо його, розгорнемо і побачимо, що з води утворився лід, який виштовхнув корок із пляшки, яка при цьому розтріскалася, як це показано на малюнку 60. Тепер, побачивши результат досліду, обережно (щоб не поранитися гострими скляними уламками) згорніть пакет і винесіть на смітник.

Мал. 60. Лід, що утворився з води, розірвав пляшку

Під час переходу речовини певної маси з одного агрегатного стану в інший її об’єм, а отже, і густина змінюються.

Мал. 61. Схема досліду з нагрівання льоду

З цієї причини, зокрема, не можна, щоб заповнені водою водогінні труби перебували на морозі, інакше станеться аварія системи внаслідок розриву труб.

Треба зазначити, що збільшення об’єму води внаслідок кристалізації є винятком, решта речовин у рідкому стані зменшує свій об’єм під час тверднення.

Дослід 4. Нагріватимемо посудину з льодом, який взяли за температури -20 °С. За допомогою термометра і годинника стежитимемо, як при цьому з часом змінюватиметься температура речовини в посудині. Схему досліду показано на малюнку 61.

Одночасно побудуємо графік залежності температури речовини від переданої їй кількості теплоти від нагрівача. Для цього в системі координат уздовж вертикальної осі відкладатимемо показання термометра у градусах Цельсія, а вздовж горизонтальної осі — час нагрівання у хвилинах, адже передана тілу кількість теплоти прямо пропорційна часу нагрівання (мал. 62).

Мал. 62. Графік плавлення й тверднення льоду

На початку досліду температура льоду становила -20 °С, упродовж нагрівання температура його зростає пропорційно часу нагрівання, доки не досягне значення 0 °С (ділянка АВ графіка). При цьому лід почав плавитися, у посудиш міститься суміш льоду і

води. На диво стовпчик термометра зупиняється на позначці 0 °С і не рухається, доки весь лід не перетворився на воду, хоча теплота справно надходить від нагрівача до посудини (ділянка ВС графіка).

Як це може бути: тіло гріють, а температура його не змінюється?

Коли в посудині міститься саме вода, стовпчик нарешті знову рушає з місця: почався процес нагрівання води, її температура змінюється прямо пропорційно часу нагрівання (ділянка CD графіка).

Як ти гадаєш, чому кути нахилів до осі часу ділянок АВ і CD різні?

За температури 40 °С припинимо нагрівання води, а посудину вмістимо до морозильника, тобто почнемо охолоджувати воду. Припустимо, що охолоджувач забирає теплоту від води з такою самою швидкістю, з якою нагрів ач її надавав у першій частині досліду. В цьому разі побудуємо симетричну ділянку DE, що відповідає охолодженню води. Температура води спадає пропорційно часу охолодження, доки не знизиться до 0 °С. І знову стовпчик зупиняється на цій позначці: почалося тверднення води, утворюється лід, у посудині міститься суміш води і льоду. Стовпчик не рухається, доки вся вода не перетвориться на лід (ділянка EF графіка).

Чому тіло охолоджують, а його температура не змінюється?

Стовпчик рушає донизу, коли в посудині міститься саме лід, починається процес його охолодження. Будуємо ділянку FK графіка, симетрічну ділянці АВ нагрівання льоду.

Як відповісти на запитання, що виникли під час виконання цього досліду, ви дізнаєтесь, засвоївши матеріал наступного параграфа.

Підсумки

• Будову кристалічних і аморфних тіл пояснюють теорією МКТ.

• Кристалічні тіла можуть переходити в рідкий стан — процес плавлення і твердіти — процес кристалізації.

• Температура, за якої кристалічні тіла плавляться, називають температурою плавлення.

• Кристали плавляться і кристалізуються за однакової температури, яка залишається сталою протягом цих процесів.

• Аморфні тіла не мають визначеної температури плавлення.

Перевір свої знання

1. Запиши температури кристалізації': рідке олово, рідке залізо, рідка сталь (дані взяти в табл. 9).

2. Який із металів, записаних в таблиці, легкоплавкий і тугоплавкий?

3. Поясни процес плавлення тіла на основні МКТ.

4. Чи можна в алюмінієвій посудині розплавити цинк? Чому?

5. Запиши температури кристалізації рідкого олова, рідкого заліза, рідкої сталі (дані взяти в табл. 9).





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