§ 11. Плавление и кристаллизация

Задумывались ли вы над тем, почему комочек снега тает в руке? Почему появляются ледяные сосульки и когда это происходит — в оттепель или, наоборот, в мороз? Как охладить немного снега без морозильной камеры? Почему кусочек свинца можно расплавить в стальной ложке, а кусочек стали в свинцовой — нельзя? Изучив материал данного параграфа, вы сможете ответить на эти вопросы.

1. Знакомимся с процессами плавления и кристаллизации

Если в теплую комнату внести немного снега, через некоторое время он растает, или, как говорят физики, расплавится.

Плавление — это процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое.

Проследим изменение температуры снега в процессе его таяния в теплой комнате (рис. 11.1). В начале опыта температура снега ниже 0 °C, снег не тает, а его температура быстро увеличивается (рис. 11.1, а). Как только столбик термометра достигает отметки 0 °C, температура перестает увеличиваться, а в сосуде появляется вода (снег начинает плавиться). Осторожно перемешаем воду с остатками снега и отметим, что температура смеси остается неизменной (рис. 11.1, б). И только после того как снег полностью расплавится, температура снова начнет расти (рис. 11.1, в).

Рис. 11.1. Наблюдение процесса таяния снега: а — при отрицательной температуре вода находится в твердом состоянии; б — при температуре 0 °C снег начинает таять, во время таяния температура смеси неизменно равна 0 °C; в — при положительной температуре вода находится в жидком состоянии

Опыты показывают: практически все кристаллические вещества начинают плавиться после достижения ими определенной температуры (собственной для каждого вещества); в процессе плавления температура вещества не изменяется.

Температура плавления — это температура, при которой твердое кристаллическое вещество плавится, то есть переходит в жидкое состояние.

Итак, твердое вещество при достижении определенной температуры превращается в жидкость. Так же при определенных условиях отвердевают (кристаллизуются) жидкости. Например, если вынести воду на мороз или поставить сосуд с водой в морозильную камеру, то вода со временем кристаллизуется — превратится в лед (рис. 11.2).

Кристализация — это процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое кристаллическое.

Рис. 11.2. В морозильной камере вода кристаллизуется, превращаясь в лед

Измеряя температуру веществ в процессе их охлаждения и последующей кристаллизации, приходим к выводам:

1) процесс кристаллизации начинается только после охлаждения жидкости до определенной для этой жидкости температуры;
2) в процессе кристаллизации температура вещества не изменяется;
3) температура кристаллизации вещества равна температуре его плавления.

Температуры плавления (кристаллизации) разных веществ довольно сильно отличаются. Так, температура плавления спирта равна -115 °C, льда — 0 °C; сталь плавится при температуре 1400 °C, свинец — при 327 °C, а чтобы расплавить вольфрам, его нужно нагреть до огромной температуры 3387 °C.

• Надеемся, теперь вы легко сможете объяснить, почему кусок свинца можно расплавить в стальной ложке, а кусок стали в свинцовой ложке — нельзя.

Температура плавления (кристаллизации) — это характеристика вещества, ее определяют экспериментально и заносят в таблицы (см. табл. 2 Приложения). В таких таблицах нет аморфных веществ, ведь они, как вы уже знаете, не имеют определенной температуры плавления: нагреваясь, аморфные вещества постепенно размягчаются, а в ходе охлаждения постепенно затвердевают. Далее, изучая процессы плавления и кристаллизации, мы будем рассматривать только кристаллические вещества.

2. Строим график плавления и кристаллизации вещества

Для более детального изучения процессов плавления и кристаллизации рассмотрим график зависимости температуры кристаллического вещества (льда) от времени его нагревания и последующего охлаждения (рис. 11.3).

Рис. 11.3. График плавления льда и кристаллизации воды. График будет иметь такую симметричность, если количество теплоты, которую каждую минуту получает лед, а затем вода при работе нагревателя, будет равно количеству теплоты, которую каждую минуту отдает это же вещество во время работы холодильника

На момент начала наблюдения (точка А) температура льда равна -40 °C. В результате работы нагревателя температура льда увеличивается (участок АВ). С точки зрения молекулярно-кинетической теории в данный интервал времени увеличивается кинетическая энергия колебательного движения молекул воды в узлах кристаллической решетки льда.

После достижения температуры 0 °C лед начинает плавиться, а его температура не изменяется несмотря на то, что нагреватель продолжает работать и передавать льду некоторое количество теплоты (участок ВС). Вся энергия, поступающая от нагревателя, идет на разрушение кристаллической решетки льда. В данный интервал времени внутренняя энергия льда продолжает увеличиваться.

После того как весь лед расплавился и превратился в воду (точка С), температура воды начинает увеличиваться (участок CD), то есть начинает возрастать кинетическая энергия движения молекул.

В момент, когда температура достигла 40 °C (точка D), нагреватель выключили. Воду поместили в холодильник, и ее температура начала снижаться (участок DE). Снижение температуры свидетельствует о том, что кинетическая энергия, а значит, скорость движения молекул уменьшаются.

При достижении температуры кристаллизации 0 °C (точка Е), скорость движения молекул уменьшается настолько, что они уже не могут перепрыгивать с места на место. Молекулы постепенно занимают фиксированные положения (участок ЕF), и к моменту завершения кристаллизации они уже все колеблются в узлах кристаллической решетки. Вода переходит в состояние с меньшей внутренней энергией — полностью превращается в лед (точка F).

Во время дальнейшей работы холодильника замерзшая вода (лед) остывает, а кинетическая энергия колебательного движения молекул уменьшается (участок FK).

3. Убеждаемся, что процессы плавления и кристаллизации невозможны без передачи энергии

Если поместить снег в холодильную камеру, температура в которой неизменна и равна 0 °C, выяснится следующее.

Как и в опыте с таянием снега в теплой комнате (см. рис. 11.1), температура снега будет сначала увеличиваться (правда, медленнее). Ведь температура в камере выше температуры снега, поэтому более теплый воздух в камере отдает энергию более холодному снегу. Увеличение температуры снега будет продолжаться до тех пор, пока его температура не достигнет 0 °C. И тут начинается самое интересное. Температура снега достигла температуры плавления, а снег не тает. Почему?

Вспомните: опыт, представленный на рис. 11.1, проводился в теплой комнате (то есть при температуре выше 0 °C). Следовательно, в течение всего времени наблюдения происходил теплообмен между воздухом в комнате и снегом. При этом все время снег получал энергию, в частности и тогда, когда его температура оставалась неизменной. И снег таял. А вот в опыте с холодильной камерой температура плавления снега и температура воздуха в холодильной камере одинаковы, поэтому теплообмен не происходит. Снег не получает энергию, следовательно, и не тает.

Если в холодильную камеру, температура в которой 0 °C, поместить теплую воду, то понятно, что вода будет охлаждаться (теплая вода будет отдавать энергию воздуху в камере). Однако после достижения температуры 0 °C вода не будет кристаллизоваться, поскольку теперь, чтобы перейти в состояние с меньшей внутренней энергией, ей нужно отдать окружающей среде некоторое количество теплоты, а в случае теплового равновесия теплообмен не происходит.

Подводим итоги

Тепловой процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое называют плавлением. В процессе плавления температура кристаллического вещества не изменяется.

При одинаковой температуре внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии этого вещества в твердом состоянии.

Чтобы перевести вещество из твердого состояния в жидкое, необходимо выполнение двух условий: во-первых, нужно нагреть вещество до температуры плавления; во-вторых, вещество должно получать энергию и во время плавления.

Тепловой процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое кристаллическое называют кристаллизацией. Температура кристаллизации вещества равна температуре его плавления.

Чтобы вещество перевести из жидкого состояния в кристаллическое, должны быть выполнены два условия: во-первых, жидкость нужно охладить до температуры кристаллизации; во-вторых, вещество должно отдавать энергию и во время кристаллизации.

Контрольные вопросы

1. Какой процесс называют плавлением? 2. Как изменяется температура вещества в процессе плавления? 3. Какой процесс называют кристаллизацией? 4. Сравните температуры плавления (кристаллизации) разных веществ. 5. Будет ли таять лед в холодильнике, температура в котором равна 0 °C? А будет ли кристаллизоваться при такой температуре вода? 6. Опишите процессы, происходящие при плавлении льда и кристаллизации воды.

Упражнение № 11

1. Почему нить накала электрической лампы изготовляют из вольфрама?

2. На рис. 1 приведен график плавления и кристаллизации некоторого вещества. Какому состоянию вещества соответствуют точки А, В, С и D графика?

Рис. 1

3. На рис. 2 представлены графики плавления некоторых веществ. Какое вещество имеет большую температуру плавления? Какое вещество в начале опыта имело более высокую температуру? Воспользовавшись табл. 2 Приложения, определите, о каких веществах идет речь.

Рис. 2

4. В ведре с водой плавают куски льда. Будет ли таять лед? Будет ли вода замерзать? От чего это зависит?

5. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, когда и почему появляются сосульки.

6. Какие из приведенных физических величин являются характеристикой тела?

а) масса;
б) жесткость;
в) объем;
г) плотность;
д) кинетическая энергия;
е) удельная теплоемкость.

Экспериментальное задание

«Морозная соль». Смешайте 100 г снега, взятого при температуре 0 °C, и 30 г поваренной соли (1 столовая ложка с горкой). Снег начнет быстро таять и охлаждаться. Если в такой раствор опустить кусочек картофеля, то он замерзнет. Объясните почему. (Подсказка: температура кристаллизации водного раствора соли ниже, чем температура кристаллизации воды, и зависит от концентрации раствора.)