Підручник Фізика 8 клас - М. I. Шут - Перун 2016 рік

Частина I ТЕПЛОВІ ЯВИЩА.

РОЗДІЛ 2. ВНУТРІШНЯ ЕНЕРГІЯ ТІЛА. ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ

§ 12. ПЛАВЛЕННЯ ТІЛ. ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕННЯ. ПИТОМА ТЕПЛОТА ПЛАВЛЕННЯ. РОЗРАХУНОК КІЛЬКОСТІ ТЕПЛОТИ ПІД ЧАС ПЛАВЛЕННЯ АБО КРИСТАЛІЗАЦІЇ ТІЛ.

1. Зміна агрегатних станів речовини. З § 4 ви дізналися, що речовини можуть переходити з одного стану в інший. Такі переходи називаються агрегатними перетвореннями.

Можливі різні види агрегатних перетворень речовини з одного агрегатного стажу в інший (рис. 61). Зміна агрегатного стану речовини супроводжується зміною розміщення, характеру руху та взаємодії частинок, з яких ця речовина

утворена.

Для успішного використання агрегатних перетворень в практичній діяльності необхідно знати, за яких умов вони відбуваються та як пояснюються з точки зору внутрішньої будови речовини.

В Україні одним з найпотужніших металургійних комбінатів є «Запоріжсталь», продукція якого широко відома у світі. Високоякісна українська сталь користується попитом у виробників труб, побутової та сільськогосподарської техніки, на підприємствах автомобільного транспорту.

2. Плавлення і кристалізація. Вам відомо, що тверді тіла зберігають своїх об’єм і форму. Але при нагріванні твердого кристалічного тіла збільшується його температура, а, отже, й швидкість і розмах коливань частинок, які утворюють кристалічну гратку твердого тіла. Це спричиняє збільшення відстаней між частинками, послаблення міжмолекулярних зв’язків, і, як кінцевий результат - руйнування кристалічної гратки. Тіло стає рідким, тобто відбувається процес плавлення.

Рис. 61. Види агрегатних перетворень речовини

Для життєдіяльності людини процеси переходу речовини з одного агрегатного стану в інший є дуже важливими. Завдяки цим процесам у металургії отримують метали та їх сплави; щоб прокласти підземний тунель або стримати раптовий зсув грунту його заморожують разом з наявними у ньому Ґрунтовими водами; пару, отриману з води, використовують на теплових електростанціях.

Плавлення - це процес переходу твердого кристалічного тіла в рідкий стан, який супроводжується поглинанням теплоти.

Оберненим до плавлення є процес кристалізації.

Кристалізація - це процес перетворення речовини з рідкого стану у твердий.

Кристалізація відбувається при зниженні температури тіла. Відповідно, зменшуються швидкість й розмах коливань частинок, відбувається їх зближення і збільшення сил міжмолекулярної взаємодії - тіло переходить у твердий стан.

Висловіть свою думку

Чому під час снігопаду стає тепліше, а під час танення льоду - холодніше?

3. Температура плавлення. Процес плавлення кристалічних тіл відбувається при певній температурі, яка називається температурою плавлення. Температури плавлення різних речовин визначаються дослідним шляхом і наводяться у таблицях (див. табл. 4).

З табл. 4 видно, що температури плавлення різних речовин знаходяться у широких межах. Якщо, наприклад, олово (tпл.= 232°С), свинець (tпл.= 327°С) або цинк (tпл.= 420°С) можна розплавити на відкритому вогні, то для розплавлення заліза (tпл. = 1539°С) або вольфраму (tпл. = 3387°С) необхідні спеціальні плавильні печі, в яких досягають потрібних температур плавлення.

Процес плавлення супроводжується поглинанням теплоти та збільшенням внутрішньої енергії тіла.

У процесі плавлення густина більшості речовин зменшується.

Процес кристалізації супроводжується виділенням теплоти та зменшенням внутрішньої енергії тіла. Кількість теплоти, яка виділяється у процесі кристалізації, передається оточуючим тілам.

Кількість теплоти, яка поглинається у процесі плавлення або виділяється у процесі кристалізації дорівнює зміні внутрішньої енергії тіл.

Як відомо, вода кристалізується, а лід тане при одній і тій самій температурі (0°С). Досліди показують, що й інші речовини також плавляться й тверднуть при одній і тій самій характерній для них температурі.

У сумішей температура плавлення є нижчою, ніж у чистих речовин. Саме тому тротуари та автомобільні дороги взимку посипають сіллю. Температура замерзання суміші солі з льодом стає нижчою, тротуар покривається шаром рідкої суміші, що дозволяє збільшити силу зчеплення з ним взуття (або шин з автомобільною дорогою).

Досліди показують, що під час кристалізації речовини виділяється така сама кількість теплоти, яка поглинається нею під час плавлення. Це означає, що питома теплота плавлення дорівнює питомій теплоті кристалізації.

Слід розрізняти процеси кристалізації та тверднення. Процес тверднення характерний для аморфних тіл. Аморфні тіла не мають певної температури плавлення: вони не плавляться, а поступового розм’якшуються. З твердого стану відбувається поступовий переходять аморфних тіл до м’якого, а далі - до густої рідини. При зворотному процесі аморфні тіла з м’якого стану поступово переходять до твердого - це і є процес тверднення. Така поведінка аморфних тіл пояснюється тим, що навіть у твердому стані вони не мають строгої періодичності у розташуванні частинок, які можуть переміщуватися одна відносно одної.

4. Питома теплота плавлення. Оскільки кристалічні речовини відрізняються внутрішньою будовою та характером руху і взаємодії частинок, то на їх плавлення витрачається, відповідно, й різна кількість теплоти. Тому для характеристики енергетичних затрат, необхідних для переходу речовини із твердого стану в рідкий вводиться фізична величина, яка називається питомою теплотою плавлення.

Питомою теплотою плавлення називають кількість теплоти, яку потрібно надати 1 кг речовини для перетворення її з твердого стану в рідкий при температурі плавлення.

Питому теплоту плавлення позначають літерою . Одиницею питомої теплоти плавлення є 1 ; [] = .

Для визначення кількості теплоти Q, необхідної для плавлення речовини при температурі її плавлення, треба питому теплоту плавлення X помножити на масу речовини m:

Q = ∙ m.

За цією ж формулою визначають і кількість теплоти, яка виділяється під час тверднення речовини.

Температура плавлення і питома теплота плавлення деяких речовин (за нормального атмосферного тиску)

Таблиця 4

Назва

речовини

tпл

, Дж/кг

Назва

речовини

tпл

, Дж/кг

°С

К

°С

К

Водень

-259

14

0,59 ∙ 105

Цинк

420

693

1,12 ∙ 105

Кисень

-219

54

0,14 ∙ 105

Золото

1064

1337

0,67 ∙ 105

Спирт

-114

159

1,1 ∙ 105

Мідь

1085

1358

2,1 ∙ 105

Ртуть

-39

234

0,12 ∙ 105

Сталь

1500

1773

0,84 ∙ 105

Лід

0

273

3,4 ∙ 105

Залізо

1539

1812

2,7 ∙ 105

Олово

232

405

0,59 ∙ 105

Платина

1772

2045

1,18 ∙ 105

Свинець

327

600

0,25 ∙ 105

Вольфрам

3387

3660

0,25 ∙ 105

5. Графіки зміни агрегатних станів речовини. У процесі плавлення (як і у процесі кристалізації) температура речовини з часом не змінюється. Тому в системі координат «температура-час» графіком відповідного теплового процесу буде пряма лінія, яка паралельна до осі часу, а на ось температур проектується у точку, що відповідає температурі плавлення речовини.

На рис. 62, а зображено графіки теплових процесів нагрівання, охолодження, плавлення і кристалізації (льоду і води залежно від температури).

Розглянемо його окремі ділянки:

АВ - нагрівання льоду від температури -40°С до температури плавлення 0°С; ВС - плавлення льоду при 0°С; CD - нагрівання води від 0°С до 40°С; DE - охолодження води від 40°С до 0°С; EF - кристалізація води при 0°С; FK - охолодження льоду від 0°С до -40°С.

У процесі плавлення тіло одночасно існує і в твердому, і в рідкому станах. Температура тіла не змінюється, а кількість теплоти, яка до нього підводиться, витрачається на руйнування кристалічної гратки.

За графіками можна порівнювати температури плавлення (кристалізації) речовин та досліджувати перебіг теплових процесів шляхом аналізу різних ділянок на графіках.

Рис. 62, а. Графік зміни агрегатного стану оксиду Гідрогену (лід - вода - лід)

Подумайте і дайте відповідь

1. Які види агрегатних перетворень речовини ви знаєте? Чому вони важливі у життєдіяльності людини?

2. Що називають плавленням речовини? Як змінюється внутрішня енергія тіла у процесі плавлення?

3. Що називають твердненням речовини? Як змінюється внутрішня енергія тіла у процесі тверднення?

4. Що таке температура плавлення речовини?

5. Який механізм плавлення аморфних тіл? Чи мають вони певну температуру плавлення?

6. Поглинається чи виділяється теплота у процес плавлення? тверднення?

7. Що називають питомою теплотою плавлення речовини?

8. За якою формулою обчислюють кількість теплоти, необхідної для розплавлення даної маси речовини при температурі плавлення?

9. Зобразіть графіки процесів плавлення і тверднення.

Розв’яжіть задачі та оцініть результати Вправа 12.

1. Які зміни внутрішньої енергії відбуваються у процесі плавлення 1 кг льоду і 2. Обчисліть, як зміниться внутрішня енергія 1 кг міді внаслідок її тверднення.

2. Яку кількість теплоти слід витратити, щоб розплавити 3 кг заліза, взятого при температурі плавлення?

4. Лід масою 5 кг знаходиться при температурі -20 °С.

Визначте кількість теплоти, яка необхідна для перетворення льоду на рідину.

5. На рисунку 62, б зображено графіки зміни температури з часом для двох тіл однакової маси. За графіком визначте, у якого з тіл температура плавлення вища? Яке тіло має більшу питому теплоту плавлення?

6. Відомо, що водойми взимку не промерзають до дна, що рятує від загибелі риб. Дайте пояснення цьому факту.

Рис. 62 б.

Графіки процесів нагрівання і плавлення до задачі 5





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