Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
§ 11. Плавлення та кристалізація
Чи замислювалися ви над тим, чому грудочка снігу в руці тане? Чому утворюються крижані бурульки і коли вони утворюються — у відлигу чи, навпаки, в мороз? Як охолодити трохи снігу без морозильної камери? Чому шматочок свинцю можна розплавити в сталевій ложці, а от шматочок сталі у свинцевій ложці — не можна? Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете відповісти на ці запитання.
1. Знайомимося з процесами плавлення та кристалізації, дізнаємося про температуру плавлення
Якщо трохи снігу занести до теплої кімнати, через деякий час сніг розтане, або, як кажуть фізики, розплавиться.
Плавлення — це процес переходу речовини з твердого стану в рідкий.
Простежимо зміну температури снігу в процесі його танення в теплій кімнаті (рис. 11.1). На початку досліду температура снігу є нижчою від 0 °С, сніг не тане, а його температура швидко збільшується (рис. 11.1, а). Щойно стовпчик термометра досягає позначки 0 °С, температура перестає збільшуватись, а в посудині з’являється вода (сніг починає плавитися). Обережно перемішаємо воду із залишками снігу й відзначимо, що температура суміші залишається незмінною (рис. 11.1, б). І тільки після того як сніг повністю розплавиться, температура знову починає зростати (рис. 11.1, в).
Досліди показують: практично всі кристалічні речовини починають плавитися після досягнення ними певної (власної для кожної речовини) температури; у процесі плавлення температура речовини не змінюється.
Температура плавлення — це температура, за якої тверда кристалічна речовина плавиться, тобто переходить у рідкий стан.
Отже, тверда речовина в разі досягнення певної температури перетворюється на рідину. Так само за певних умов тверднуть (кристалізуються) рідини. Наприклад, якщо винести воду на мороз або поставити посудину з водою в морозильну камеру, то вода з часом закристалізується, перетворившись на лід (рис. 11.2).
Рис. 11.1. Спостереження процесу танення снігу: а — за від’ємної температури вода перебуває у твердому стані; б — за температури 0 °С сніг починає танути, під час танення температура суміші незмінно дорівнює 0 °С; в — за додатної температури вода перебуває в рідкому стані
Рис. 11.2. У морозильній камері вода кристалізується, перетворюючись на лід
Кристалізація — це процес переходу речовини з рідкого стану у твердий кристалічний.
Вимірюючи температуру речовин під час їх охолодження та подальшої кристалізації, доходимо таких висновків:
- 1) процес кристалізації починається тільки після охолодження рідини до певної для цієї рідини температури;
- 2) під час кристалізації температура речовини не змінюється;
- 3) температура кристалізації речовини дорівнює температурі її плавлення.
Температури плавлення (кристалізації) різних речовин досить сильно різняться. Так, температура плавлення спирту становить -115 °С, льоду — 0 °С; сталь плавиться за температури 1400 °С, свинець — за температури 327 °С, а щоб розплавити вольфрам, його слід нагріти до величезної температури 3387 °С.
Сподіваємося, тепер ви легко можете відповісти на запитання: чому шматок свинцю можна розплавити в сталевій ложці, а шматок сталі у свинцевій ложці — не можна?
Температура плавлення (кристалізації) — це характеристика речовини, тому її визначають експериментально й заносять у таблиці (див. табл. 2 Додатка). У таких таблицях немає аморфних речовин, адже вони, як ви вже знаєте, не мають певної температури плавлення: нагріваючись, аморфні речовини поступово м’якшають, а в ході охолодження поступово твердішають. Надалі, вивчаючи процеси плавлення та кристалізації, ми розглядатимемо тільки кристалічні речовини.
2. Будуємо графік і пояснюємо процеси плавлення та кристалізації
Для детальнішого вивчення процесів плавлення та кристалізації речовин розглянемо графік залежності температури кристалічної речовини (льоду) від часу її нагрівання та охолодження (рис. 11.3).
На момент початку спостереження (точка А) температура льоду становила -40 °С. Унаслідок роботи нагрівника температура льоду збільшується (ділянка АВ). З погляду молекулярно-кінетичної теорії будови речовини в цей інтервал часу збільшується кінетична енергія коливального руху молекул води у вузлах кристалічної ґратки льоду.
Рис. 11.3. Графік плавлення льоду та кристалізації води. Графік матиме таку симетричність, якщо кількість теплоти, яку щохвилини отримує лід, а потім вода під час роботи нагрівника, дорівнюватиме кількості теплоти, яку щохвилини віддає та сама речовина під час роботи холодильника
Після досягнення температури 0 °С лід починає плавитися, а його температура не змінюється (ділянка ВС) незважаючи на те, що нагрівник продовжує працювати й передавати льоду певну кількість теплоти. Уся енергія, що надходить від нагрівника, іде на руйнування кристалічної ґратки льоду. У цей інтервал часу внутрішня енергія льоду продовжує збільшуватися.
Після того як весь лід розплавився й перетворився на воду (точка С), температура води починає зростати (ділянка CD), тобто починає зростати кінетична енергія руху молекул.
У той момент, коли температура сягнула 40 °С (точка D), нагрівник вимкнули. Воду помістили в холодильник, і її температура почала падати (ділянка DE). Зниження температури свідчить про те, що кінетична енергія, а отже, швидкість руху молекул зменшуються.
Коли досягнуто температури кристалізації 0 °С (точка Е), швидкість руху молекул зменшується настільки, що молекули вже не перестрибують з місця на місце. Вони поступово займають фіксовані положення (ділянка EF), і на момент завершення кристалізації вже всі молекули коливаються у вузлах кристалічної ґратки. Вода переходить у стан із меншою внутрішньою енергією — повністю перетворюється на лід (точка F).
Під час подальшої роботи холодильника замерзла вода (лід) холоне, а кінетична енергія коливального руху молекул зменшується (ділянка FK).
3. Переконуємося, що процеси плавлення та кристалізації неможливі без передачі енергії
Якщо помістити сніг у холодильну камеру, температура в якій є незмінною й дорівнює 0 °С, з’ясується ось що.
Як і в досліді з таненням снігу в теплій кімнаті (див. рис. 11.1), температура снігу буде спочатку збільшуватися (правда, повільніше). Адже температура в камері вища за температуру снігу, тому тепліше повітря в ній віддає певну кількість теплоти холоднішому снігу. Збільшення температури снігу триватиме доти, доки його температура не стане 0 °С. І отут починається найцікавіше. Температура снігу сягнула температури плавлення, а сніг не тане. Чому?
Згадайте: дослід, зображений на рис. 11.1, проводився в теплій кімнаті (тобто за температури вищої, ніж 0 °С). Отже, протягом усього часу спостереження відбувався теплообмін між повітрям у кімнаті та снігом. При цьому весь час сніг одержував енергію, зокрема й тоді, коли його температура залишалася незмінною. І сніг при цьому танув. А от у досліді з холодильною камерою температура плавлення снігу й температура повітря в холодильній камері є однаковими, тому теплообмін не відбувається. Сніг не одержує енергію, отже, й не тане.
Якщо в холодильну камеру, температура в якій 0 °С, помістити теплу воду, то зрозуміло, що вода буде охолоджуватися (тепла вода віддаватиме енергію повітрю в камері). Однак після досягнення температури 0 °С вода не кристалізуватиметься, оскільки тепер, щоб перейти в стан із меншою внутрішньою енергією, їй потрібно віддати довкіллю певну кількість теплоти, а у випадку теплової рівноваги теплообмін не відбувається.
Підбиваємо підсумки
Тепловий процес переходу речовини з твердого стану в рідкий називають плавленням. Під час плавлення температура кристалічної речовини не змінюється.
За однакової температури внутрішня енергія речовини в рідкому стані більша за внутрішню енергію речовини у твердому стані.
Щоб речовину перевести з твердого стану в рідкий, необхідне виконання двох обов’язкових умов: по-перше, потрібно нагріти речовину до температури плавлення; по-друге, під час плавлення речовина має одержувати енергію.
Тепловий процес переходу речовини з рідкого стану у твердий кристалічний називають кристалізацією. Температура кристалізації речовини дорівнює температурі її плавлення.
Щоб речовину перевести з рідкого стану в кристалічний, так само мають бути виконані дві умови: по-перше, рідину потрібно охолодити до температури кристалізації; по-друге, під час кристалізації речовина має віддавати енергію.
Контрольні запитання
1. Який процес називають плавленням? 2. Як змінюється температура речовини в процесі плавлення? 3. Який процес називають кристалізацією? 4. Порівняйте температури плавлення (кристалізації) різних речовин. 5. Чи танутиме лід у холодильнику, температура в якому становить 0 °С? А чи кристалізуватиметься за такої температури вода? 6. Опишіть процеси, які відбуваються під час плавлення льоду та кристалізації води.
Вправа № 11
1. Чому нитку розжарення електричної лампи виготовляють із вольфраму?
2. На рис. 1 наведено графік плавлення та кристалізації деякої речовини. Якому стану речовини відповідають точки А, В, С і D графіка?
Рис. 1
3. На рис. 2 подано графіки плавлення деяких речовин. Яка речовина має вищу температуру плавлення? Яка речовина на початку досліду мала вищу температуру? Скориставшись табл. 2 Додатка, визначте, про які речовини йдеться.
Рис. 2
4. У відрі з водою плавають шматки льоду. Чи танутиме лід, чи вода замерзатиме? Від чого це залежить?
5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, коли і чому утворюються бурульки.
6. Які з наведених фізичних величин є характеристикою тіла?
- а) маса;
- б) жорсткість;
- в) об’єм;
- г) густина;
- д) кінетична енергія;
- е) питома теплоємність.
Експериментальне завдання
«Морозна сіль». Змішайте 100 г снігу, узятого за температури 0 °С, і 30 г кухонної солі (1 столова ложка з гіркою). Сніг почне швидко танути й охолоджуватися. Якщо в такий розчин опустити шматочок картоплини, то картоплина замерзне. Поясніть чому. (Підказка: температура кристалізації водного розчину солі менша, ніж температура замерзання води, і залежить від концентрації розчину.)