Фізика. 8 клас. Головко

§ 10. Плавлення твердих тіл. Кристалізація

• Плавлення твердих тіл. Кристалізація
• Розрахунок кількості теплоти при плавленні твердих тіл і кристалізації

ПЛАВЛЕННЯ ТВЕРДИХ ТІЛ. КРИСТАЛІЗАЦІЯ. Вивчаючи агрегатні стани речовини ви ознайомилися з плавленням і кристалізацією твердих тіл. Плавленням називають процес переходу речовини з твердого стану в рідкий (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Плавлення льоду

Зворотний процес переходу речовини з рідкого стану в твердий називають кристалізацією (твердненням). Кристалічні тіла плавляться та тверднуть за певної сталої для кожної речовини температури, яку називають температурою плавлення. Різні кристалічні тіла плавляться та тверднуть при різних температурах (табл. 10.1).

Таблиця 10.1

Температура плавлення та кристалізації деяких речовин

Речовина	Температура плавлення/кристалізації tпл°
Ртуть	-39
Лід	0
Галій	29,8
Олово	232
Свинець	327
Алюміній	660
Срібло	960
Сталь	1400
Вольфрам	3387

Для кожної кристалічної речовини є своя температура плавлення. Наприклад, температура плавлення вольфраму становить 3387 °С, заліза — 1535 °С, алюмінію — 660 °С, нафталіну — 80 °С. Є метали, які плавляться при температурі, меншій за температуру тіла людини (рис. 10.2).

Під час нагрівання твердого тіла інтенсивність коливального руху молекул у кристалі підвищується, а з досягненням температури плавлення коливання стають такими інтенсивними, що молекули (атоми) уже не можуть утриматися у вузлах ґратки і вона руйнується — відбувається плавлення. У процесі плавлення вся енергія, що передається твердому тілу, надходить на руйнування його кристалічної ґратки, тому під час плавлення температура кристалічної речовини залишається сталою.

Отже, внутрішня енергія розплаву завжди більша, ніж внутрішня енергія такої самої маси кристалів за тієї самої температури.

Спостереження показують, що температура плавлення не тільки визначається природою речовини, а й залежить від тиску. Якщо плавлення речовини супроводжується збільшенням її об’єму, то зі зростанням зовнішнього тиску температура плавлення цієї речовини підвищується. Якщо плавлення речовини супроводжується зменшенням її об’єму (наприклад, льоду, чавуну, вісмуту, сурми), то під час підвищення зовнішнього тиску температура плавлення цієї речовини знижується.

Рис. 10.2. Температура плавлення металу галію становить 29 °С

Під час кристалізації речовини відбувається протилежний процес. Середня кінетична енергія молекул зменшується. Сили притягання починають утримувати молекули між собою. Як наслідок, рух молекул стає впорядкованим — утворюються кристали. Енергія, що виділяється під час тверднення речовини, витрачається на підтримання сталої температури. Температура кристалізації речовини дорівнює температурі її плавлення.

Досліди показують: якщо взяти різні речовини однакової маси, то для перетворення цих речовин у рідину при температурі плавлення необхідна різна кількість теплоти.

Фізичну величину, що показує кількість теплоти, необхідну для повного перетворення 1 кг кристалічної речовини з твердого стану в рідкий за сталої температури плавлення, називають питомою теплотою плавлення:

Одиницею питомої теплоти плавлення у СІ є:

Питому теплоту плавлення кристалічної речовини визначають експериментально за допомогою калориметра. У табл. 10.2. наведено значення питомої теплоти плавлення та кристалізації певних речовин.

Таблиця 10.2

Питома теплота плавлення та кристалізації речовини

З формули (10.1) випливає, що для плавлення твердого тіла масою m потрібно надати кількість теплоти, пропорційну його масі:

Q = λm. (10.2)

Відповідно до закону збереження енергії, під час кристалізації речовини виділяється певна кількість теплоти. Тому під час випадання снігу підвищується температура навколишнього середовища. За кристалізації речовини її внутрішня енергія зменшується. Кількість теплоти, що виділяється під час кристалізації речовини, визначають за формулою

Q = -λm. (10.3)

Особливості плавлення та кристалізації твердих тіл розглянемо на прикладі графіка залежності температури льоду від часу його нагрівання (рис. 10.3). По горизонтальній осі відкладено час нагрівання, а по вертикальній — температуру в градусах Цельсія. Для спостереження візьмемо певну кількість льоду при температурі -40 °С. Нехай для нагрівання використано нагрівник постійної потужності, тоді кількість теплоти, яка ним виділяється, буде прямо пропорційна часу роботи нагрівника (кількість теплоти дорівнює добутку потужності нагрівника на час його роботи).

При нагріванні льоду до 0 °С його температура збільшилася від -40 °С до 0 °С (ділянка АВ). Збільшення температури відбувалося до 0 °С — температури плавлення льоду. При досягненні 0 °С лід почав плавитися, а температура суміші льоду й утвореної з нього води не змінювалася, хоча нагрівання тривало (ділянка на графіку ВС). Після того як увесь лід розтанув, температура утвореної води почала підвищуватися (ділянка CD).

Рис. 10.3. Графік залежності температури льоду від часу його нагрівання

Розглянемо процес охолодження та кристалізації води. Продовжимо розгляд графіка на ділянках DE, EF, FK. Коли температура води досягла +40 °С (точка D), нагрівання води припинилося, вода стала охолоджуватися (ділянка DE). Коли температура води знизилася до 0 °С (точка Е), почався процес кристалізації води. Кристалізація відбувається, як бачимо, при сталій температурі, що дорівнює температурі плавлення (ділянка EF) з виділенням теплоти речовиною. Відповідно до закону збереження енергії виділена енергія дорівнює теплоті плавлення. Поки вся вода не замерзає, її температура не змінюється, і лише після завершення процесу кристалізації температура утвореного льоду починає знижуватися (ділянка FK).

РОЗРАХУНОК КІЛЬКОСТІ ТЕПЛОТИ ПРИ ПЛАВЛЕННІ ТВЕРДИХ ТІЛ ТА КРИСТАЛІЗАЦІЇ. Аналізуючи особливості процесів плавлення та кристалізації твердих тіл, можна зробити висновок, що для плавлення речовини, взятої при температурі плавлення, їй необхідно надати кількість теплоти, обчислену за формулою (10.2): Q = λm.

Для того щоб розплавити кристалічну речовину, взяту при температурі t (нижчій за температуру плавлення), її спочатку необхідно нагріти до температури плавлення, надавши кількість теплоти Q₁ = cm(t_пл - t), а потім надати кількість теплоти, необхідну для плавлення: Q₂ = λm.

Отже, кількість теплоти, потрібна для плавлення речовини, взятої при температурі, нижчій за температуру плавлення, обчислюється за формулою:

Q = cm(t_пл - t) + λm. (10.4)

Під час охолодження та тверднення кристалічна речовина виділить таку саму кількість теплоти:

Q = cmΔt + λm. (10.5)

Зверніть увагу, що розраховуючи кількість теплоти, яку віддає тіло під час охолодження до температури тверднення, зміну температури Δt визначають, віднімаючи від більшого значення менше.

Головне в цьому параграфі

Кристалічні тіла плавляться і тверднуть за певної, 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.

Внутрішня енергія розплаву завжди більша, ніж внутрішня енергія такої самої маси кристалів за тієї самої температури.

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

Під час тверднення речовини її внутрішня енергія зменшується, за рахунок виділення кількості теплоти, що дорівнює Q = -λm.

Запитання для самоперевірки

• 1. Що називають плавленням речовини?
• 2. Що називають кристалізацією речовини?
• 3. Назвіть основні особливості процесів плавлення та кристалізації.
• 4. Поясніть, чому під час плавлення та кристалізації речовини її температура не змінюється.
• 5. Порівняйте внутрішню енергію речовини, взятої при температурі плавлення, та її розплаву.
• 6. Що називають питомою теплотою плавлення?
• 7. Як обчислюють кількість теплоти, необхідну для плавлення речовини, взятої за температури плавлення?

Вправа до § 10

• 1(п). Поясніть, які зміни внутрішньої енергії відбуваються при плавленні 1 кг льоду та 1 кг заліза, взятих при температурі плавлення.
• 2(п). Поясніть, які зміни внутрішньої енергії відбуваються при кристалізації 1 кг олова.
• 3(c). Яку кількість теплоти потрібно витратити, щоб розплавити 150 кг міді при температурі її плавлення?
• 4(c). Визначте речовину, при кристалізації 40 г якої виділяється 6 кДж теплоти.
• 5(д). Свинець масою 100 г, взятий при температурі 27 °С, розплавили у сталевій коробці. Знайдіть масу коробки, якщо кількість теплоти, витраченої на теплові процеси, дорівнює 44,2 кДж.
• 6(д). Визначте температуру льоду, що утворився з води масою 5 кг, взятої при температурі 10 °С, якщо під час кристалізації виділилися 2,225 МДж теплоти.
• 7(в). У посудині міститься 2 л води, що має температуру 30 °С. Визначте температуру, яка встановиться в посудині, якщо туди додали 200 льоду, температура якого 0 °С.