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

Розділ 2. Зміна агрегатних станів речовини

ЧАСТИНА І. ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

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

Думки вголос

Я зможу розраховувати кількість теплоти, потрібної для плавлення, а також ту, що виділяється тілом під час його тверднення.

Продовжимо аналізувати результати дослідів із вивчення процесів плавлення і тверднення речовин, щоб з’ясувати залежність потрібної для зміни агрегатного стану кількості теплоти від характеристик речовини. Це допоможе зрозуміти математичну формулу, за якою виконують кількісні розрахунки зміни внутрішньої енергії тіла за його плавлення і кристалізації.

Із графіка плавлення і кристалізації кристалічного тіла (мал. 62) видно, що поки лід плавився, його температура не змінювалася. Лише після того, як весь лід розплавився, температура утвореної води почала зростати. Але під час плавлення нагрівач надавав енергію льоду. За законом збереження енергії вона мала на щось витрачатися.

На що витрачається енергія палива під час плавлення тіла?

За молекулярно-кінетичною теорією будови речовини у кристалах мікрочастинки щільно розміщені у вузлах кристалічних ґрат, вони лише коливаються і не можуть вільно рухатися по кристалу. Отримуючи енергію ззовні за нагрівання тіла, мікрочастинки починають коливатися інтенсивніше. Коли тіло нагрівається до температури плавлення, порядок в кристалі порушується, кристал втрачає форму, речовина переходить із твердого агрегатного стану в рідкий. Отже, вся енергія, яку отримує кристал від нагрівання, після досягнення температури плавлення витрачається на руйнування кристалічних ґрат тіла. При цьому збільшується потенціальна енергія взаємодії між частинками, а їх середня кінетична енергія лишається сталою, доки не зруйнуютьcя кристалічні ґрати. Тому й температура тіла, що є мірою середньої кінетичної енергії мікрочастинок, не підвищується.

Тепер стає зрозумілим, чому не змінювалася температура суміші води і льоду під час кристалізації, хоча при цьому теплота речовини віддавалася охолоджувачу. Під час тверднення з розплаву знов відновлюються кристалічні ґрати, що супроводжується зменшенням потенціальної енергії взаємодії мікрочастинок і перетворенням її на кінетичну енергію їх коливального руху. За рахунок цього температура речовини в процесі тверднення підтримується сталою.

Під час плавлення і кристалізації температура речовини не змінюється. У процесі плавлення енергія поглинається речовиною, а в разі тверднення — виділяється.

Дослід 1. Візьмемо посудину із 100 г колотого льоду за температури 0 °С і розплавимо його на нагрівачі, відмітивши час, який для цього знадобиться. Потім повторимо цей дослід, розплавивши 200 г такого самого льоду. Виявилось, що для цього знадобилося удвічі більше часу, тобто удвічі більша кількість теплоти.

Кількість теплоти Q, яка потрібна для плавлення тіла, прямо пропорційно залежить від його маси m:

Q ~ m.

Дослід 2. На одному й тому самому нагрівнику спочатку росплавимо 100 г свинцю, а потім 100 г льоду. Виявилося, що в другому випадку процес плавлення тривав значно довше, тобто для розплавлення льоду знадобилася більша кількість теплоти, ніж для розплавлення свинцю однакової маси.

Кількість теплоти, яка потрібна для перетворення в рідину твердого тіла певної маси за температури плавлення, залежить від роду речовини, з якої виготовлене тіло.

Кожна кристалічна речовина характеризується питомою теплотою плавлення — фізичною величиною, яка й визначає кількість теплоти, яка знадобиться для переведення її у рідкий стан за температури плавлення.

Кількість теплоти, яку потрібно надати речовині масою 1 кг, щоб перетворити її з твердого стану в рідкий за температури плавлення, називають ПИТОМОЮ теплотою плавлення.

Питому теплоту плавлення позначають малою грецькою літерою L. З означення питомої теплоти плавлення випливає, що кількість теплоти, що потрібна для розплавлення тіла із певної речовини довільної маси, визначатиметься добутком питомої теплоти плавлення цієї речовини на масу тіла:

Q = m.

За цією самою формулою також обчислюють кількість теплоти, що виділяється під час кристалізації тіла масою m.

Якщо відома кількість теплоти Q, що витрачена на розплавлення тіла масою m, то питому теплоту плавлення можна розрахувати за формулою:

Саме цією формулою користуються, коли визначають питому теплоту плавлення експериментальним шляхом. З неї також видно, що одиницею питомої теплоти плавлення є джоуль на кілограм (1).

Використовують також кратну одиницю кілоджоуль на кілограм:

У таблиці 10 вміщено визначені експериментально значення питомої теплоти плавлення деяких речовин.

Таблиця 10

Питома теплота плавлення деяких речовин (за температури плавлення і нормального атмосферного тиску)

Речовина

Питома теплота плавлення,

Речовина

Питома теплота плавлення,

Алюміній

390

Платина

101

Залізо

277

Ртуть

12

Золото

66,2

Свинець

25

Лід

335

Срібло

105

Мідь

213

Цинк

102

Нафталін

151

Чавун (білий)

14

Олово

60,7

Чавун (сірий)

100

Кисень

14

Водень

59

Спирт

110

Олово

590

Приклад. З таблиці 10 видно, що значення питомої теплоти плавлення для льоду д = 3,35 ∙ 105.

Це означає, що льоду масою 1 кг за 0 °С потрібно передати ззовні енергію 3,35 ∙ 105 Дж, тоді він весь розтане і перейде в рідкий агрегатний стан. А під час заморожування 1 кг води за 0 °С виділиться енергія 3,35 ∙ 105 Дж (тобто дія заморожування у води потрібно забрати таку кількість теплоти).

Значення питомої теплоти плавлення алюмінію = 3,9 х 103. Це означає, що для розплавлення 1 кг цього металу, за температури 660 °С, потрібно витратити 3,9 ∙ 105 Дж.

Узагальнюючи викладені дослідні дані, можна зробити такі висновки:

• За температури плавлення внутрішня енергія речовини в рідкому стані більша за внутрішню енергію речовини такої самої маси у твердому стані.

• Під час кристалізації виділяється така сама кількість теплоти, як і під час плавлення кристалічного тіла з тієї самої речовини такої самої маси.

• За кристалізації зменшуються середня кінетична енергія і швидкість руху мікрочастинок речовини.

Якщо відома кількість теплоти Q, що витрачена на розплавлення речовини з питомою теплотою плавлення , то можна визначити масу цієї речовини за формулою:

m =

За цією формулою також обчислюють теплоту, що виділяється за кристалізації тіла масою m.

Приклад розв’язування задач

Задача. В піч металургійного заводу завантажили 120 т залізного брухту за температури 20 °С (мал. 63). Яку кількість теплоти потрібно передати брухту для його повного розплавлення?

Мал. 63. Піч металургійного заводу

Розв'язання

Залізний брухт спочатку треба нагріти від 20 °С до 1539 °С. Для цього потрібна кількість теплоти:

Q1 = сзал ∙ m ∙ (t2 - t1).

Q1 = 460 ∙ 1,2 ∙ 105 кг (1539 - 20)°С =

= 460 ∙ 1,2 ∙ 1519 ∙ 105 Дж = 83848,8 МДж ≈ 83,85 ГДж.

За температури плавлення метал буде плавитися. Для цього знадобиться кількість теплоти:

Q2 = ∙ m = 2,7 ∙ 103 ∙ 1,2 ∙ 105кг = 3,24 ∙ 1010 Дж = 32,4 ГДж.

Загальна кількість теплоти: Q = Q1 + Q2;

Q = 83,85 ГДж + 32,4 ГДж = 116,25 ГДж.

Відповідь: Q = 116,25 ГДж, таку кількість теплоти потрібно передати залізному брухту для повного розплавлення.

Підсумки

• Питома теплота плавлення і тверднення — це фізична величина, яка показує енергію, що поглинається 1 кг кристалічного тіла під час плавлення за температури плавлення або виділяється за його тверднення.

• Питома теплота плавлення і тверднення кристалічних тіл знаходиться дослідним шляхом і заноситься до таблиці.

Перевір свої знання

1. Скільки енергії потрібно витратити, щоб розплавити лід масою 6 кг за температури 0 °С?

2. У якого із тіл внутрішня енергія більше: мідного бруска масою 1 кг при температурі плавлення чи 1 кг розплавленої міді при цій самій температурі?

3. Яка необхідна кількість теплоти, щоб в мідному казані масою 2 кг розплавити 3 кг льоду за 0 °С?

4. Залізна деталь, охолоджуючись від 800 °С до 0 °С, розтопила лід масою 3 кг, взятий за 0 °С. Яка маса деталі, якщо вся енергія, що виділилась за її остигання, пішла на плавлення льоду?

5. Срібло масою 120 г охолоджують до кристалізації і перетворюють у твердий стан. Скільки тепла при цьому виділиться, якщо початкова температура срібла була 1050 °С? (Температура плавлення срібла 962 °С, питома теплоємність срібла 250 , питома теплота плавлення 105 ).





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