Фізика. 8 клас. Максимович

Розділ II. Зміна агрегатних станів речовини

§ 9. Агрегатні стани речовини. Плавлення і кристалізація

Усім з дитинства відомий вірш Платона Воронька «Падав сніг»:

Падав сніг на поріг,

Кіт зліпив собі пиріг.

Поки смажив, поки пік,

А пиріг водою стік.

Кіт не знав, що на пиріг

Треба тісто, а не сніг.

Чому ж сніг «водою стік»? Чому сніг надворі лежить, з нього можна ліпити сніжки, а під час нагрівання перетворюється на воду? Чому сніжинки, які потрапляють нам на долоні, зникають, а на їх місці залишаються краплинки води?

Дізнайтеся про...

плавлення твердих тіл;
температуру плавлення кристалічних тіл;
кристалізацію тіл;
графіки плавлення та кристалізації.

Пригадайте вивчене

Речовина може перебувати у трьох агрегатних станах: твердому, рідкому та газоподібному.

У твердому стані молекули розташовані в певному порядку близько одна до одної на відстанях, сумірних з розмірами молекул. Вони коливаються навколо певних положень рівноваги та не переміщуються в тілі. Тверді тіла зберігають не лише об’єм, а й форму. У багатьох твердих тілах молекули зберігають порядок у розміщенні — утворюють кристали. Якщо ж молекули твердого тіла не мають строгого порядку в розміщенні, то такі речовини називають аморфними.

У рідкому стані молекули розміщені на відстанях, сумірних з їхніми розмірами, тому рідини важко стиснути. Молекули здійснюють коливальний рух на одному місці, а інколи можуть «перестрибнути» на інше місце. Тому рідини зберігають об’єм, легко змінюють свою форму, їм властива плинність (текучість).

Молекули в газах розміщені на великих відстанях (у десятки разів більших за розміри молекул), тому притягання між ними слабке. Унаслідок цього гази не мають власної форми й сталого об’єму, заповнюють весь наданий їм об’єм.

1. Процес плавлення. Температура плавлення

Якщо грудочку снігу принести з вулиці до кімнати, то за якийсь час вона перетвориться на воду, тобто розплавиться. Тепле повітря в кімнаті віддає свою енергію снігу, він спочатку нагрівається до 0 °С і аж тоді починає плавитися — перетворюватися на воду. Такий процес можливий з будь-яким кристалічним тілом за умови нагрівання до певної температури. По-іншому себе поведе льодяник, забутий на деякий час у кишені одягу. Він розм’якне і стане липким та тягучим — розплавиться, хоча для цього нагрівання до певної температури не потрібне. Цю властивість проявляють аморфні тіла.

Плавлення — процес переходу речовини з твердого агрегатного стану в рідкий.

Температура плавлення — температура, за якої тверда кристалічна речовина переходить у рідкий стан.

Кожна речовина у кристалічному стані має свою температуру плавлення (мал. 9.1). Особливу увагу слід звернути на ртуть — метал, який плавиться за температури -39 °С, а за звичайних умов перебуває в рідкому стані. Аморфні тіла не мають визначеної температури плавлення. Вони поступово пом’якшуються в певному інтервалі температур.

Мал. 9.1. Речовини та їхні температури плавлення

У разі нагрівання твердого кристалічного тіла його температура підвищується внаслідок збільшення внутрішньої енергії. Зростає амплітуда коливань частинок, сили взаємодії між ними зменшуються, і за температури плавлення кристалічна ґратка твердого тіла починає руйнуватися. Речовина поступово переходить у рідкий стан. Тобто енергія, яку одержує тіло, витрачається на руйнування кристалічної ґратки (перехід з твердого стану (мал. 9.2, а) у рідкий (мал. 9.2, б)). Температура залишатиметься однаковою до того часу, поки все тверде тіло не перетвориться на рідину. Якщо продовжувати і далі надавати енергію тілу, то температура утвореної рідини буде підвищуватись.

Мал. 9.2. а - твердий стан речовини; б — рідкий стан речовини

Температури плавлення більшості кристалічних тіл відомі (додаток 1, табл. 4).

Поміркуйте і дайте відповідь

1. Чи залишиться свинцевий дріт у твердому стані, якщо його занурити в розплавлений цинк?
2. Чи можна розплавленим металом заморозити воду?
3. Чому для виготовлення корпусу космічного корабля використовують особливо тугоплавкі метали?

2. Процес кристалізації

Обернений до плавлення процес називають кристалізацією, або твердненням.

Кристалізація — процес переходу речовини з рідкого агрегатного стану у твердий.

Цей процес відбувається також за певної температури, яку називають температурою кристалізації. Ця температура дорівнює температурі плавлення. Щоб тіло почало кристалізуватися, його спочатку потрібно охолодити до температури кристалізації. Процес кристалізації відбувається з виділенням тепла (енергії), а процес плавлення — з поглинанням енергії. Під час кристалізації температура тіла буде однаковою доти, поки вся рідина не кристалізується. У цей час відбувається перехід речовини з рідкого стану (мал. 9.3, а) у твердий (мал. 9.3, б).

Мал. 9.3. а - рідкий стан речовини; б - твердий стан речовини

3. Графіки плавлення та кристалізації

Процеси плавлення та кристалізації можна описати графічно. Розглянемо процеси, що відбуваються з льодом, температура якого -10 °С, у разі перетворення його на воду, температура якої 50 °С (мал. 9.4).

Мал. 9.4. Графік плавлення льоду та кристалізації води

Оскільки початкова температура льоду дорівнює -10 °С, графік починається у т. А. На ділянці АВ відбувається нагрівання льоду від -10 °С до 0 °С за допомогою нагрівника. Тіло поглинає енергію, але ще перебуває у твердому агрегатному стані. За 0 °С починається процес плавлення льоду (ділянка ВС). Поки весь лід не перетвориться на воду, його температура залишатиметься рівною 0 °С, тож на цій ділянці будуть одночасно і лід, і вода (мал. 9.5). Цей процес триватиме деякий час, тому горизонтальна ділянка графіка досить велика. Наступна ділянка CD відповідає процесові нагрівання вже води до 50 °С.

Мал. 9.5. Лід і вода

Якщо вимкнути нагрівник, то вода охолоджуватиметься. Її внутрішня енергія зменшиться до температури навколишнього середовища (настає стан теплової рівноваги). Для подальшого зниження температури води до 0 °С (ділянка DE) її треба помістити в морозильну камеру. За 0 °С вода почне кристалізуватися (ділянка EF). Упродовж цього процесу температура не змінюватиметься. Якщо на початку цієї ділянки була вода, то в кінці вже буде лід. Подальше охолодження льоду спричинить зниження його температури до -10 °С (ділянка FK).

Запам'ятайте

Плавлення — процес переходу речовини з твердого агрегатного стану в рідкий.

Температура плавлення — температура, за якої тверда кристалічна речовина переходить у рідкий стан.

Кристалізація — процес переходу речовини з рідкого агрегатного стану у твердий.

Температура кристалізації — температура, за якої речовина з рідкого стану переходить у твердий.

Для кожної речовини температури плавлення і кристалізації є однаковими.

Перевірте себе

1. Чому невеликий шматок олова можна розплавити в полум’ї свічки, а такої самої маси шматок заліза не можна?
2. Під час подорожей у спекотну погоду для запобігання псуванню їжі її кладуть у пластмасові коробки із замороженою в холодильнику рідиною. Яка рідина найкраще підходить для цього? Чому?
3. Дайте відповідь на запитання рубрики «Мотивація».
4. Розгляньте графік плавлення речовини (мал. 9.6). Дайте відповіді на запитання: які теплові процеси відбуваються на ділянках АВ, ВС та CD? У яких агрегатних станах перебуває речовина на цих ділянках? Якій речовині відповідає наведений графік?
5. Намалювати графік (схематично) кристалізації цинку з подальшим охолодженням його до температури 20 °С, якщо на початку спостереження він мав температуру 600 °С.

Мал. 9.6. Графік плавлення речовини

Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)

Плавлення	Melting\fusion
Температура плавлення	Melting point\melting temperature
Кристалізація	Crystallization
Температура кристалізації	Crystallization temperature\Crystallization point

Зміст