Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ

§ 14 Розрахунок кількості теплоти плавлення/ тверднення тіл

Ви дізнаєтесь

- Чому не змінюється температура під час плавлення

- Як обчислити теплоту плавлення

Пригадайте

- Основні відмінності між кристалічними та аморфними тілами

Плавлення твердих тіл. Як було з’ясовано в попередньому параграфі, тверді тіла поділяються на кристалічні та аморфні. Найважливішою властивістю будь-якого кристалічного тіла є наявність деякої фіксованої температури плавлення, за якої воно перетворюється в рідину, не розм’якшуючись перед цим. Щоб розплавити кристалічне тверде тіло, треба спочатку нагріти його до певної температури. В аморфних тіл фіксованої температури плавлення немає — вони починають плавитись відразу після початку їхнього нагрівання.

Сили взаємодії між атомами в кристалічних ґратках різних твердих тіл не однакові, тому одні кристалічні тіла плавляться за низьких температур, інші — за високих. Лід, наприклад, плавиться за температури 0 °С, свинець — за 327 °С, олово — за 232 °С, а сталь — за 1500 °С. Тому лід плавиться в кімнаті, кусок олова або свинцю можна розплавити в сталевій ложці, нагріваючи її над полум’ям плити, а сталь плавлять у спеціальних печах, де досягають потрібної температури.

Температурою плавлення речовини називають температуру, за якої речовина переходить із твердого в рідкий агрегатний стан.

Дослід показує, що речовини тверднуть за тієї самої температури, за якої плавляться. Наприклад, вода кристалізується (а лід плавиться) за температури 0 °С, а чисте золото плавиться і кристалізується за 1539 °С.

Якщо нагрівати будь-яке кристалічне тіло, то можна помітити, що його температура підвищується тільки до моменту початку плавлення тіла. За весь час процесу плавлення температура тіла не змінюється, оскільки вся енергія йде на руйнування зв’язків між атомами та молекулами. За цієї температури частина тіла перебуває в рідкому, а частина — у твердому стані.

Питома теплота плавлення. Оскільки в різних речовин атоми й молекули взаємодіють з неоднаковою силою, то для їх плавлення потрібна різна кількість теплоти. Для характеристики енергетичних затрат, пов’язаних із переходом речовини з твердого стану в рідкий, уводять фізичну величину, яка називається питомою теплотою плавлення, позначається (читається «лямбда»).

Питома теплота плавлення — це фізична величина, що показує, яка кількість теплоти потрібна для переходу 1 кг речовини із твердого стану в рідкий за температури плавлення.

Питома теплота плавлення вимірюється в джоулях на кілограм, . (Значення температури плавлення та питомої теплоти плавлення окремих речовин наведені на форзацах у таблицях).

Обчислення кількості теплоти. Щоб визначити кількість теплоти, необхідну для плавлення твердого тіла будь-якої маси, треба питому теплоту плавлення речовини X помножити на масу тіла m:

Qпл = m

Зворотний процес — перехід із рідкого стану у твердий — відбувається за умови втрати рідиною енергії. Якщо під час плавлення тверде тіло поглинає енергію, то під час тверднення — навпаки, рідина віддає енергію. Як і у випадку плавлення, для характеристики цього процесу вводять поняття питомої теплоти кристалізації. Її фізичний зміст такий самий, як і питомої теплоти плавлення: це кількість теплоти, необхідна для переходу 1 кг речовини з рідкого стану у твердий за температури кристалізації.

Отже, для переходу 1 кг речовини із твердого стану в рідкий, або навпаки — з рідкого у твердий, їй потрібно отримати або віддати однакову кількість теплоти.

Графічне зображення плавлення/тверднення. Процеси нагрівання і плавлення, а також зворотні процеси: охолодження і тверднення — можна зобразити графічно. Для цього по осі ординат відкладають значення температури речовини, а по осі абсцис — час, протягом якого триває процес. Наприклад, на малюнку 46 графічно зображено процеси нагрівання і плавлення льоду, нагрівання води та зворотні процеси.

Зверніть увагу, ділянки, що відповідають процесу нагрівання льоду та нагрівання води, мають різний нахил, який залежить від значення питомої теплоємності речовини: що більшим є її значення, то менший нахил.

Мал. 46. Графік залежності температури від часу

Підбиваємо підсумки

Підбиваємо підсумки

- Кристалічні тіла плавляться і тверднуть за деякої, сталої для кожної речовини, температури, яку називають температурою плавлення. Температура плавлення речовини дорівнює температурі її кристалізації.

- Під час процесу плавлення (тверднення) речовини її температура не змінюється.

- Для плавлення кристалічного тіла масою m йому потрібно надати кількість теплоти, пропорційну масі тіла Q = m.

Я знаю, вмію й розумію

1. Який процес називається плавленням? Схарактеризуйте умови плавлення твердих тіл.

2. У чому полягає фізичний зміст питомої теплоти плавлення?

3. Чому під час плавлення кристалічних тіл температура залишається сталою?

4. У чому виявляється закон збереження і перетворення енергії при плавленні та кристалізації речовини?

ПОЯСНІТЬ

1. Чому ртуть не використовується в термометрах, якими вимірюють температуру полярники?

2. Чи можна залізний цвях розплавити в алюмінієвій ложці?

ВЧИМОСЯ РОЗВ'ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

Яка кількість теплоти потрібна, щоб розплавити 0,6 кг алюмінію, взятого за температури 20 °С?

Розв’язання:

Значення c, і tпл дізнаємось із таблиць. Щоб розплавити алюміній, його спершу слід нагріти до температури плавлення 660 °С.

Для цього необхідна кількість теплоти: Q1 = cm(tпл - t).

Q1= 920 ∙ 0,6 кг ∙ (660°С - 20°С) = 353280 Дж.

На процес плавлення витрачається кількість теплоти Q2 = m, Q2 = 393000 ∙ 0,6 кг = 235800 Дж.

Таким чином, щоб розплавити 0,6 кг алюмінію, взятого за температури 20 °С, необхідно затратити таку кількість теплоти:

Q = Q1 + Q2= 353 280 Дж + 235 800 Дж = 589 080 Дж ≈ 589 кДж.

Відповідь: Q ≈ 589 кДж.

Задача 2. Яка кількість енергії виділяється, якщо свинцеве тіло об’ємом 100 см3 кристалізується й охолоджується від температури плавлення до 27 °С?

Розв’язання:

Масу тіла визначимо за його густиною та об’ємом: m = pV (табличне значення густини свинцю 11 300 кг/м3), m = 11300 ∙ 10-4 м3 = 1,13 кг.

Під час кристалізації виділяється кількість теплоти Q1= m, Q1= 24000 ∙ 1,13 кг = 27120 Дж.

Під час охолодження відповідно — Q2 = cm(tпл - t), де температура плавлення свинцю t = 3270C , Q2 = 140 ∙ 1,13кг ∙ (327 °С - 27°С) = 47460 Дж.

Таким чином, загальна кількість енергії, що виділяється під час кристалізації та охолодження свинцевого тіла:

Q = Q1+ Q2= 27 120 Дж + 47 460 Дж = 74 580 Дж.

Відповідь: Q = 74 580 Дж.

Вправа 7

1. Лід і свинець масою 1 кг кожен узято за їх температур плавлення. Для плавлення якого з цих тіл потрібна більша кількість теплоти? У скільки разів?

2. У якому стані перебуває свинець за нормального атмосферного тиску, якщо його температура 330 °С?

3. У скільки разів більше енергії потрібно для плавлення льоду за 0 °С, ніж для нагрівання такої самої маси льоду на 1 °С?

4. Шматок льоду занесли з вулиці, де температура -5 °С, у сарай, де температура 0 °С. Чи почне танути лід у сараї?

5. У посудині міститься лід за температури -10 °С. Посудину поставили на пальник, який за однакові інтервали часу дає однакову кількість теплоти. Який із графіків (мал. 47) відповідає описаному випадку й у чому є помилковими інші графіки?

6. Маса срібла 10 г. Яка кількість теплоти виділяється під час його кристалізації й охолодження до 60 °С, якщо срібло взято за температури плавлення?

7. На малюнку 48 зображено залежність кількості поглинутої під час плавлення теплоти від маси речовини. Визначте питому теплоту плавлення для кожної речовини. Що це за речовини?

Мaл. 47 Графіки зміни температури льоду внаслідок нагрівання

8. До якої температури слід нагріти залізний кубик, щоб він повністю занурився в лід, температура якого 0 °С? Вважайте, що вся теплота, віддана кубиком, іде на плавлення льоду.

9. У посудині міститься 2 л води, яка має температуру 30 °С. Визначте температуру, що встановиться в посудині, якщо в неї покласти 200 г льоду, температура якого 0 °С.

10. У сталевій коробці масою 250 г розплавляють 100 г свинцю. Яка кількість теплоти витратилася на теплові процеси, якщо початкова температура тіл становила 27 °С?

Мал. 48. Графіки залежності кількості теплоти від маси


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