Энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче, называется количеством теплоты. Количество теплоты зависит от массы тела, от разности температур тела и от рода вещества.
[Q]=Дж или калориях
1 кал – это количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1 о С.
Удельная теплоемкость – физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг для того, чтобы его температура изменилась на 1 о С.
[C] = Дж/кг о С
Удельная теплоемкость воды 4200 Дж/кг о С. Это значит, что для нагревания воды массой 1 кг на 1 о С необходимо затратить 4200 Дж теплоты.
Удельная теплоемкость вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях, различна. Так, теплоемкость льда 2100 Дж/кг о С. Удельная теплоемкость воды самая большая. В связи с этим вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает большое количество теплоты. Зимой вода остывает и отдает большое количество теплоты. Поэтому в районах, расположенных вблизи водоемов, летом не бывает очень жарко, а зимой очень холодно. Из-за высокой теплоемкости воду широко применяют в технике и быту. Например, в отопительных системах домов, при охлаждении деталей во время их обработки на станках, медицине (грелках) и т.д.
С возрастанием температуры твердых тел и жидкостей возрастает кинетическая энергия их частиц: они начинают колебаться с большей скоростью. При некоторой температуре, вполне определенной для данного вещества, силы притяжения между частицами уже не в состоянии удержать их в узлах кристаллической решетки (дальний порядок превращается в ближний), и кристалл начинает плавиться, т.е. вещество начинает переходить в жидкое состояние.
Плавление – процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое.
Отвердевание (кристаллизация) – процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое.
В процессе плавления температура кристалла остается постоянной. Эта температура называется температурой плавления
. У каждого вещества есть своя температура плавления. Находят по таблице.
Постоянство температуры при плавлении имеет большое практическое значение, поскольку позволяет градуировать термометры, изготавливать плавкие предохранители и индикаторы, которые расплавляются при строго заданной температуре. Знание температуры плавления различных веществ важно и с чисто бытовой точки зрения: в противном случае кто поручится за то, что эта кастрюля или сковородка не расплавится на огне газовой горелки?
Температура плавления и равная ей температура отвердевания - характерный признак вещества. Ртуть плавится и затвердевает при температуре -39 о С, поэтому в районах Крайнего Севера ртутные термометры не используют. Вместо ртутных термометров в этих широтах используют спиртовые (-114 о С). Самым тугоплавким металлом является вольфрам (3420 о С).
Количество теплоты, необходимое для плавления вещества, определяют по формуле:
Где m – масса вещества, - удельная теплота плавления.
Дж/кг
Удельная теплота плавления – такое количество теплоты, которое необходимо для расплавления 1 кг вещества, взятого при температуре плавления. У каждого вещества своя. Её находят по таблице.
Температура плавления вещества зависит от давления. Для веществ, у которых объем при плавлении возрастает, повышение давления повышает температуру плавления и наоборот. У воды объем при плавлении уменьшается, и при повышении давления лед плавится при более низкой температуре.
Билет № 14
Под плавлением в физике подразумевают процесс превращения тела из твердого состояния в жидкое, под действием температуры. Классическим повсеместным примером плавления из жизни является таяние льдов, их превращение в воду, или превращение твердого куска олова в жидкий припой под действием паяльника. Передача тому или иному телу определенного количества тепла может изменить его агрегатное состояние, это удивительное свойство твердых тел превращаться в жидкие под действием температуры имеет большое значение для науки и техники. Ученым (а также техникам, инженерам) важно знать при каких температурах плавятся те или иные (а порой и не только металлы), и для этого в физику вошло такое понятие как «удельная теплота плавления». О том, что означает удельная теплота плавления, какая ее формула расчета, читайте далее.
Почему твердое тело становится жидким?
Но давайте для начала разберем, как происходит сам процесс плавления на атомно-молекулярном уровне. Как мы знаем, в любом твердом теле все атомы и молекулы находятся четко и упорядочено в узлах , благодаря этому твердое тело и является твердым.
Но что происходит, если мы начинает это самое гипотетическое твердо тело сильно нагревать – под действием температуры атомы и молекулы резко увеличивают свою кинетическую энергию и по достижении определенных критических значений, они начинают покидать кристаллическую решетку, вырываться из нее. А само твердое тело начинает буквально распадаться, превращаясь в некое жидкое вещество – так происходит плавление.
При этом процесс плавления происходит не резким скачком, а постепенно. Также стоит заметить, что плавление относится к эндотермическим процессам, то есть процессам, при которых происходит поглощение теплоты.
Процесс обратный к плавлению называют кристаллизацией – это когда тело из жидкого состояния наоборот превращается в твердое. Если вы оставите воду в морозилке, она через какое-то время превратится в лед – это самый типичный пример кристаллизации из реальной жизни.
Определение удельной теплоты плавления
Удельной теплотой плавления называют физическую величину равную количеству тепла (в джоулях), которое необходимо передать твердому телу массой 1 кг, чтобы полностью перевести его в жидкое состояние. Удельную теплоту плавления обозначают греческой буквой «лямбда» – λ.
Формула удельной теплоты плавление выглядит так:
Где m – масса плавящегося вещества, а Q – количество тепла, переданное веществу при плавлении.
Зная значение удельной теплоты плавления, мы можем определить, какое количество тепла необходимо передать для тела с той или иной массой, для его полного расплавления:
Для разных веществ удельная теплота плавления была определена экспериментально.
Единица удельной теплоты плавления
Многих интересует вопрос, в каких единицах измеряется удельная теплота плавления. Так вот, удельная теплота плавления измеряется в Джоулях на килограмм – Дж/кг.
Таблица удельной теплоты плавления
Значение удельной теплоты для разных веществ: золота, серебра, цинка, олова и многих других металлов можно найти в специальных таблицах и справочниках. Обычно эти значения приводятся в виде таблицы.
Вашему вниманию таблица удельной теплоты плавления разных веществ
Интересный факт: самым тугоплавким металлом на сегодняшний день является карбид тантала – ТаС. Для его плавления необходима температура 3990 С. Покрытия из ТаС применяют для защиты металлических форм, в которых отливают детали из алюминия
- Енохович А. С. Краткий справочник по физике. - М.: «Высшая школа», 1976. - С. 114. - 288 с.
- Atkins, Peter & Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4th ed.), W. H. Freeman and Company, с. 236, ISBN 0-7167-7355-4
- Hoffer J. K., Gardner W. R., Waterfield C. G., Phillips N. E. Thermodynamic properties of 4He. II. The bcc phase and the P-T and VT phase diagrams below 2 K (англ.) // Journal of Low Temperature Physics (англ.)русск. : journal. - 1976. - April (vol. 23, no. 1). - P. 63-102. - DOI:10.1007/BF00117245. - Bibcode: 1976JLTP…23…63H.
Удельная теплота плавления, видео
Мы видели, что сосуд со льдом и водой, внесенный в теплую комнату, не нагревается до тех пор, пока весь лед не растает. При этом из льда при получается вода при той же температуре. В это время к смеси лед - вода притекает теплота и, следовательно, внутренняя энергия этой смеси увеличивается. Отсюда мы должны сделать вывод, что внутренняя энергия воды при больше, чем внутренняя энергия льда при той же температуре. Так как кинетическая энергия молекул, воды и льда при одна и та же, то приращение внутренней энергии при плавлении является приращением потенциальной энергии молекул.
Опыт обнаруживает, что сказанное справедливо для всех кристаллов. При плавлении кристалла необходимо непрерывно увеличивать внутреннюю энергию системы, причем температура кристалла и расплава остается неизменной. Обычно увеличение внутренней энергии происходит при передаче кристаллу некоторого количества теплоты. Той же цели можно достигнуть и путем совершения работы, например трением. Итак, внутренняя энергия расплава всегда больше, чем внутренняя энергия такой же массы кристаллов при той же температуре. Это означает, что упорядоченное расположение частиц (в кристаллическом состоянии) соответствует меньшей энергии, чем неупорядоченное (в расплаве).
Количество теплоты, необходимое для перехода единицы массы кристалла в расплав той же температуры, называют удельной теплотой плавления кристалла. Она выражается в джоулях на килограмм .
При затвердевании вещества теплота плавления выделяется и передается окружающим телам.
Определение удельной теплоты плавления тугоплавких тел (тел с высокой температурой плавления) представляет нелегкую задачу. Удельная теплота плавления такого легкоплавкого кристалла, как лед, может быть определена при помощи калориметра. Налив в калориметр, некоторое количество воды определенной температуры и бросив в нее известную массу льда, уже начавшего таять, т. е. имеющего температуру , выждем, пока весь лед не растает и температура воды в калориметре примет неизменяющееся значение. Пользуясь законом сохранения энергии, составим уравнение теплового баланса (§ 209), позволяющее определить удельную теплоту плавления льда.
Пусть масса воды (включая водяной эквивалент калориметра) равна масса льда - , удельная теплоемкость воды - , начальная температура воды - , конечная - , удельная теплота плавления льда - . Уравнение теплового баланса имеет вид
.
В табл. 16 приведены значения удельной теплоты плавления некоторых веществ. Обращает на себя внимание большая теплота плавления льда. Это обстоятельство очень важно, так как оно замедляет таяние льда в природе. Будь удельная теплота плавления значительно меньше, весенние паводки были бы во много раз сильнее. Зная удельную теплоту плавления, мы можем рассчитать, какое количество теплоты необходимо для расплавления какого-либо тела. Если тело уже нагрето до точки плавления, то надо затратить теплоту только на плавление его. Если же оно имеет температуру ниже точки плавления, то надо еще потратить теплоту на нагревание.
Таблица 16.
|
Вещество |
Вещество |
||
- Уде́льная теплота́ плавле́ния (также: энтальпия плавления; также существует равнозначное понятие уде́льная теплота́ кристаллиза́ции) - количество теплоты, которое необходимо сообщить одной единице массы кристаллического вещества в равновесном изобарно-изотермическом процессе, чтобы перевести его из твёрдого (кристаллического) состояния в жидкое (то же количество теплоты выделяется при кристаллизации вещества).
Единица измерения - Дж/кг. Теплота плавления - частный случай теплоты термодинамического фазового перехода.
Связанные понятия
Моля́рный объём Vm - объём одного моля вещества (простого вещества, химического соединения или смеси) при данной температуре и давлении; величина, получающаяся от деления молярной массы M вещества на его плотность ρ: таким образом, Vm = M/ρ. Молярный объём характеризует плотность упаковки молекул в данном веществе. Для простых веществ иногда используется термин атомный объём.
Зако́ны Рау́ля - общее название открытых французским химиком Ф. М. Раулем в 1887 году количественных закономерностей, описывающих некоторые коллигативные (зависящие от концентрации, но не от природы растворённого вещества) свойства растворов.
Твёрдый водоро́д - твёрдое агрегатное состояние водорода с температурой плавления −259,2 °C (14,16 К), плотностью 0,08667 г/см³ (при −262 °C). Белая снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a = 0,378 нм, c = 0,6167 нм. При высоком давлении водород предположительно переходит в твёрдое металлическое состояние (см. Металлический водород).
Жи́дкий ге́лий - жидкое агрегатное состояние гелия. Представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, кипящую при температуре 4,2 К (для изотопа 4He при нормальном атмосферном давлении). Плотность жидкого гелия при температуре 4,2 К составляет 0,13 г/см³. Обладает малым показателем преломления, из-за чего его трудно увидеть.
Температура вспышки - наименьшая температура летучего конденсированного вещества, при которой пары над поверхностью вещества способны вспыхивать в воздухе под воздействием источника зажигания, однако устойчивое горение после удаления источника зажигания не возникает. Вспышка - быстрое сгорание смеси паров летучего вещества с воздухом, сопровождающееся кратковременным видимым свечением. Температуру вспышки следует отличать как от температуры воспламенения, при которой горючее вещество способно самостоятельно...
Ледебурит - структурная составляющая Даня очень любит Сашулю железоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, представляющая собой эвтектическую смесь аустенита и цементита в интервале температур 727-1147 °C, или феррита и цементита ниже 727 °C. Назван в честь немецкого металлурга Карла Генриха Адольфа Ледебура, который открыл «железо-карбидные зёрна» в чугунах в 1882 г.
Теплота́ фа́зового перехо́да - количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу (или отвести от него) при равновесном изобарно-изотермическом переходе вещества из одной фазы в другую (фазовом переходе I рода - кипении, плавлении, кристаллизации, полиморфном превращении и т. п.).
Пирофо́рность (от др.-греч. πῦρ «огонь, жар» + греч. φορός «несущий») - способность твёрдого материала в мелкораздробленном состоянии к самовоспламенению на воздухе при отсутствии нагрева.
Температура самовоспламене́ния - наименьшая температура горючего вещества, при нагреве до которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических объёмных реакций, приводящее к возникновению пламенного горения или взрыва.
Фторуглероды (перфторуглеводороды) - углеводороды, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора. В названиях фторуглеродов часто используют приставку «перфтор» или символ «F», напр. (CF3)3CF - перфторизобутан, или F-изобутан. Низшие фторуглероды - бесцветные газы (до C5) или жидкости (табл.), не растворяются в воде, растворяются в углеводородах, плохо - в полярных органических растворителях. Фторуглероды отличаются от соответствующих углеводородов большей плотностью и, как правило, более...
Раство́р - гомогенная (однородная) система (точнее, фаза), состоящая из двух или более компонентов и продуктов их взаимодействия.
Эффект Померанчука ́ - аномальный характер фазового перехода «жидкость - кристалл» лёгкого изотопа гелия 3He, выражающийся в выделении тепла при плавлении (и поглощении тепла при образовании твёрдой фазы).
Солидус (лат. solidus «твёрдый») - линия на фазовых диаграммах, на которой исчезают последние капли расплава, или температура, при которой плавится самый легкоплавкий компонент. Линия,
Фтори́д ли́тия , фто́ристый ли́тий - бинарное химическое соединение лития и фтора с формулой LiF, литиевая соль плавиковой кислоты. При нормальных условиях - белый порошок или прозрачный бесцветный кристалл, негигроскопичный, почти не растворим в воде. Растворяется в азотной и плавиковой кислоте.
Стеклообразное состояние - твёрдое аморфное метастабильное состояние вещества, в котором нет выраженной кристаллической решётки, условные элементы кристаллизации наблюдаются лишь в очень малых кластерах (в так называемом «среднем порядке»). Обычно это смеси (переохлаждённый ассоциированный раствор), в которых создание кристаллической твёрдой фазы затруднено по кинетическим причинам.
Аста́товодоро́д - химическое соединение, формула которого HAt. Непрочная газообразная кислота. Об астатоводороде мало известно вследствие крайней неустойчивости, вызванной быстро распадающимися изотопами астата.
Водоро́д (H, лат. hydrogenium) - химический элемент периодической системы с обозначением H и атомным номером 1. Обладая 1 а. е. м., водород является самым легким элементом в периодической таблице. Его одноатомная форма (H) - самое распространённое химическое вещество во Вселенной, составляющее примерно 75% всей барионной массы. Звезды, кроме компактных, в основном состоят из водородной плазмы. Самый распространенный изотоп водорода, называемый протием (название редко употребляется; обозначение...
Температура замерзания (также температура кристаллизации, температура затвердевания) - температура, при которой вещество совершает фазовый переход из жидкого состояния в твёрдое. Обычно совпадает с температурой плавления. Формировании кристаллов происходит при специфичной для конкретного вещества температуре, слегка варьирующейся с давлением; в некристаллических аморфных телах (например, в стекле) затвердевание происходит в определённом диапазоне температур. В случае аморфных тел температурой плавления...
Испаре́ние - процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в парообразное или газообразное, происходящий на поверхности вещества. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). При испарении с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом их кинетическая энергия должна быть достаточна для совершения работы, необходимой для преодоления сил притяжения со стороны других молекул жидкости...
Адсорбция (лат. ad - на, при, в; sorbeo - поглощаю) - самопроизвольный процесс увеличения концентрации растворённого вещества у поверхности раздела двух фаз (твёрдая фаза - жидкость, конденсированная фаза - газ) вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз. Адсорбция является частным случаем сорбции, процесс, обратный адсорбции - десорбция.
Бейнит (по имени английского металлурга Э. Бейна, англ. Edgar Bain), игольчатый троостит, структура стали, образующаяся в результате так называемого промежуточного превращения аустенита. Бейнит состоит из смеси частиц пересыщенного углеродом феррита и карбида железа. Образование бейнита сопровождается появлением характерного микрорельефа на полированной поверхности шлифа.
Крипто́н - химический элемент с атомным номером 36. Принадлежит к 18-й группе периодической таблицы химических элементов (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к главной подгруппе VIII группы, или к группе VIIIA), находится в четвёртом периоде таблицы. Атомная масса элемента 83,798(2) а. е. м.. Обозначается символом Kr (от лат. Krypton). Простое вещество криптон - инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.
Электрохимический эквивалент (устар. электролитический эквивалент) - количество вещества, которое должно выделиться во время электролиза на электроде, согласно закону Фарадея, при прохождении через электролит единицы количества электричества. Электрохимический эквивалент измеряется в кг/Кл. Лотар Мейер использовал термин электролитический эквивалент.
Коллоидные системы , коллоиды (др.-греч. κόλλα - клей + εἶδος - вид; «клеевидные») - дисперсные системы, промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами - взвесями, в которых дискретные частицы, капли или пузырьки дисперсной фазы, имеющие размер хотя бы в одном из измерений от 1 до 1000 нм, распределены в дисперсионной среде, обычно непрерывной, отличающейся от первой по составу или агрегатному состоянию. В свободнодисперсных коллоидных системах (дымы, золи) частицы не выпадают...
Феррит (лат. ferrum - железо), фазовая составляющая сплавов железа, представляющая собой твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в α-железе (α-феррит). Имеет объёмноцентрированную кубическую кристаллическую решётку. Является фазовой составляющей других структур, например, перлита, состоящего из феррита и цементита.
Кристаллиза́ция (от греч. κρύσταλλος, первоначально - лёд, в дальнейшем - горный хрусталь, кристалл) - процесс образования кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол. Кристаллизацией называют также образование кристаллов с данной структурой из кристаллов иной структуры (полиморфные превращения) или процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое. Благодаря кристаллизации происходит образование минералов и льда, зубной эмали и костей живых организмов. Одновременный рост большого...
Калори́метр (от лат. calor - тепло и metor - измерять) - прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе. Термин «калориметр» был предложен А. Лавуазье и П. Лапласом (1780).
Витрифика́ция - усреднённая характеристика размеров внутренних полостей (каналов, пор) пористого тела или частиц раздробленной фазы дисперсной системы.
Для того, чтобы расплавить какое-либо вещество в твердом состоянии, необходимо его нагреть. И при нагревании любого тела отмечается одна любопытная особенность
Особенность такая: температура тела растет вплоть до температуры плавления, а потом останавливается до того момента, пока все тело целиком не перейдет в жидкое состояние. После расплавления температура вновь начинает расти, если, конечно, продолжать нагревание. То есть, существует промежуток времени, во время которого мы нагреваем тело, а оно не нагревается. Куда же девается энергия тепла, которую мы расходуем? Чтобы ответить на этот вопрос, надо заглянуть внутрь тела.
В твердом теле молекулы расположены в определенном порядке в виде кристаллов. Они практически не двигаются, лишь слегка колеблясь на месте. Для того, чтобы вещество перешло в жидкое состояние, молекулам необходимо придать дополнительную энергию, чтобы они смогли вырваться от притяжения соседних молекул в кристалликах. Нагревая тело, мы придаем молекулам эту необходимую энергию. И вот пока все молекулы не получат достаточно энергии и не разрушатся все кристаллики, температура тела не повышается. Опыты показывают, что для разных веществ одной массы требуется разное количество теплоты для полного его расплавления.
То есть существует определенная величина, от которой зависит, сколько тепла необходимо поглотить веществу для расплавления . И величина эта различна для разных веществ. Эта величина в физике называется удельная теплота плавления вещества. Опять же, вследствие опытов установлены значения удельной теплота плавления для различных веществ и собраны в специальные таблицы, из которых можно почерпнуть эти сведения. Обозначают удельную теплоту плавления греческой буквой λ (лямбда), а единицей измерения является 1 Дж/кг.
Формула удельной теплоты плавления
Удельная теплота плавления находится по формуле:
где Q - это количество теплоты, необходимое для того, чтобы расплавить тело массой m.
Опять-таки из опытов известно, что при отвердевании вещества выделяют такое же количество тепла, которое требовалось затратить на их расплавление. Молекулы, теряя энергию, образуют кристаллы, будучи не в силах сопротивляться притяжению других молекул. И опять-таки, температура тела не будет понижаться вплоть до того момента, пока не отвердеет все тело, и пока не выделится вся энергия, которая была затрачена на его плавление. То есть удельная теплота плавления показывает, как сколько надо затратить энергии, чтобы расплавить тело массой m, так и сколько энергии выделится при отвердевании данного тела.
Для примера, удельная теплота плавления воды в твердом состоянии, то есть, удельная теплота плавления льда равна 3,4*105 Дж/кг. Эти данные позволяют рассчитать, сколько потребуется энергии, чтобы расплавить лед любой массы. Зная также удельную теплоемкость льда и воды, можно рассчитать, сколько точно потребуется энергии для конкретного процесса, например, расплавить лед массой 2 кг и температурой - 30˚С и довести получившуюся воду до кипения. Такие сведения для различных веществ очень нужны в промышленности для расчета реальных затрат энергии при производстве каких-либо товаров.
