Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.
§ 12. Питома теплота плавлення
На фото зображено кристалічні речовини (сталь і лід) однакової маси, які перебувають за температури, близької до температури плавлення. Щоб розплавити ці речовини, їм слід передати певну кількість теплоти. Чи однакову кількість теплоти необхідно передати льоду і сталі, щоб перевести їх у рідкий стан? З’ясуємо.
1. Вводимо поняття питомої теплоти плавлення речовини
Ви знаєте, що під час переходу з твердого стану в рідкий речовина поглинає певну кількість теплоти і внутрішня енергія речовини збільшується, а перехід речовини з рідкого стану у твердий супроводжується виділенням теплоти та зменшенням внутрішньої енергії речовини.
Вивчення процесів плавлення та кристалізації показало, що кількість теплоти, яку необхідно витратити на плавлення певної маси речовини, дорівнює кількості теплоти, яка виділяється під час кристалізації цієї речовини (рис. 12.1).
Виникає запитання: чи однакову кількість теплоти необхідно витратити на плавлення різних речовин однакової маси? Логічно припустити, що різну: сили взаємодії між частинками різних речовин є різними, а отже, на руйнування різних кристалічних ґраток напевне потрібна різна енергія. І це справді так. Наприклад, щоб розплавити 1 кг льоду, йому потрібно передати в 13 разів більше теплоти, ніж необхідно для плавлення 1 кг свинцю.
Фізичну величину, яка показує, скільки теплоти поглинає 1 кг твердої кристалічної речовини під час перетворення на рідину, називають питомою теплотою плавлення.
Питома теплота плавлення — фізична величина, що характеризує певну речовину й дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати твердій кристалічній речовині масою 1 кг, щоб за температури плавлення повністю перетворити її на рідину.
Рис. 12.1. Під час плавлення речовина поглинає ту саму кількість теплоти, яку виділяє під час кристалізації: Q1 = Q2
Питому теплоту плавлення позначають символом λ («лямбда») і обчислюють за формулою:
де Q — кількість теплоти, необхідна для плавлення речовини масою m.
Із формули для визначення питомої теплоти плавлення дістанемо її одиницю в СІ — джоуль на кілограм:
Питома теплота плавлення показує, на скільки за температури плавлення внутрішня енергія 1 кг речовини в рідкому стані більша, ніж внутрішня енергія 1 кг цієї речовини у твердому стані. У цьому полягає фізичний зміст питомої теплоти плавлення.
Питому теплоту плавлення речовин визначають дослідним шляхом і фіксують у таблицях (див. табл. 3 Додатка).
Визначити питому теплоту плавлення тугоплавких речовин (речовин, які мають високу температуру плавлення) досить складно. А от питому теплоту плавлення інших речовин, наприклад льоду, ви можете визначити навіть самостійно (рис. 12.2).
Рис. 12.2. Дослід щодо визначення питомої теплоти плавлення льоду. У калориметр, який містить відому масу води mводи за температури t1, занурюють лід за температури плавлення (tпл = 0 °С). Вода буде віддавати тепло й охолоджуватися: Qводи = cводиmводи(t1 - t2); лід, отримуючи тепло, буде плавитися, а отримана внаслідок плавлення вода — нагріватися: Qльоду = λльодуmльоду + cводиmльоду(t2 - tпл). Вимірявши після плавлення льоду температуру t2 води і масу m води (m = mводи + mльоду) та обчисливши масу льоду (mльоду = m - mводи), визначають питому теплоту плавлення льоду:
2. Обчислюємо кількість теплоти, яка необхідна для плавлення речовини або виділяється під час її кристалізації
Щоб обчислити кількість теплоти, необхідну для плавлення кристалічної речовини, узятої за температури плавлення, потрібно питому теплоту плавлення цієї речовини помножити на її масу:
Зрозуміло, що кількість теплоти, яка виділяється під час кристалізації, розраховують за тією самою формулою.
3. Учимося розв’язувати задачі
Задача. Яку кількість теплоти потрібно передати свинцю масою 5 кг, взятому за температури 27 °С, щоб його розплавити?
Аналіз фізичної проблеми. Щоб розплавити свинець, його спочатку слід нагріти до температури плавлення. Знайдемо в табл. 2 Додатка температуру t2 плавлення свинцю та побудуємо схематичний графік процесу.
Загальна кількість теплоти Q дорівнюватиме сумі кількості теплоти Q1, необхідної для нагрівання свинцю до температури плавлення, та кількості теплоти Q2, необхідної для плавлення. Питому теплоємність с і питому теплоту плавлення λ свинцю знайдемо відповідно в табл. 1 і 3 Додатка.
Підбиваємо підсумки
Фізичну величину, що характеризує певну речовину й дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати 1 кг цієї речовини, взятої у твердому стані, щоб за температури плавлення повністю перетворити її на рідину, називають питомою теплотою плавлення λ.
Питома теплота плавлення показує, на скільки за температури плавлення внутрішня енергія 1 кг речовини в рідкому стані більша за внутрішню енергію 1 кг цієї речовини у твердому стані.
Кількість теплоти, яку необхідно витратити на плавлення певної речовини, узятої за температури плавлення, дорівнює кількості теплоти, яка виділяється під час кристалізації цієї речовини. Цю кількість теплоти обчислюють за формулою Q = λm.
Контрольні запитання
1. Від чого залежить кількість теплоти, яка виділяється під час кристалізації речовини? 2. Що називають питомою теплотою плавлення речовини? 3. Яким є фізичний зміст питомої теплоти плавлення? 4. Як обчислити кількість теплоти, яка необхідна для плавлення речовини або виділяється під час її кристалізації?
Вправа № 12
1. Яка кількість теплоти необхідна, щоб розплавити 500 г міді, узятої за температури плавлення?
2. Яке тіло має більшу внутрішню енергію: алюмінієвий брусок масою 1 кг, узятий за температури плавлення, чи 1 кг розплавленого алюмінію за тієї самої температури? На скільки більшу?
3. Яка кількість теплоти виділиться під час кристалізації 100 кг сталі та подальшого її охолодження до 0 °С? Початкова температура сталі дорівнює 1400 °С.
4. Яка кількість теплоти потрібна для перетворення 25 г льоду, узятого за температури -15 °С, на воду за температури 10 °С?
5. У гарячу воду поклали лід, маса якого дорівнює масі води. Після того як весь лід розтанув, температура води зменшилася до 0 °С. Якою була початкова температура води, якщо початкова температура льоду дорівнювала 0 °С?
6. На рисунку зображено графіки залежності температури від кількості відданої теплоти в процесі кристалізації двох речовин однакової маси. Яка речовина має вищу температуру плавлення? більшу питому теплоту плавлення? більшу питому теплоємність у рідкому стані?
7. Свинцева куля, яка рухалася зі швидкістю 300 м/с, ударилась об металеву пластину і зупинилась. Яка частина свинцю розплавилась, якщо вважати, що свинець повністю поглинув енергію, яка виділилася під час удару? Початкова температура кулі 27 °С.
8. На дні посудини намерз лід. У посудину налили води. Чи зміниться рівень води в посудині після того, як увесь лід розтане? Якщо зміниться, то як?
Експериментальне завдання
Скориставшись рис. 12.2, запишіть план проведення експерименту з визначення питомої теплоти плавлення льоду. Які прилади для цього потрібні? Якщо є можливість, проведіть експеримент.
Підказка: якщо лід, який уже почав танути, ретельно промокнути серветкою, він майже не міститиме води, а його температура становитиме 0 °С.
