Фізика. 8 клас. Максимович

§ 10. Питома теплота плавлення та кристалізації

Одна з найдавніших галузей промисловості — металургія. Ще шість тисяч років тому люди навчилися одержувати перший сплав — бронзу. Для цього сплавляли мідь і олово. Значно пізніше почали отримувати залізо з руди. Продуктами сучасної металургії є понад 75 металів і велика кількість сплавів. Метали в сучасному світі залишаються важливим матеріалом для виробництва різноманітних інструментів, машин та обладнання. Розвиток електротехніки, електроніки, робототехніки зумовив зростання виробництва кольорових та рідкісноземельних металів. В авіакосмічній, автомобільній, радіотехнічній, авіаційній, харчовій промисловості, медицині дедалі частіше використовують металокераміку. Процеси плавлення і кристалізації лежать в основі будь-якої галузі металургії. Як розрахувати енергію, що потрібна для плавлення кристалічних тіл і виділяється в процесі їх тверднення (кристалізації), дізнаємося в цьому параграфі.

Дізнайтеся про...

• кількість теплоти, яка необхідна для процесу плавлення;
• питому теплоту плавлення кристалічних тіл.

1. Кількість теплоти, яка необхідна для плавлення кристалічного тіла

З’ясуємо, від чого залежить кількість теплоти, яку необхідно надати кристалічному тілу, щоб його розплавити за температури плавлення.

Для цього виконаємо декілька дослідів у лабораторних умовах.

Дослід 1. Візьмемо дві однакові посудини. В одну посудину покладемо 200 г, а в другу — 100 г подрібненого льоду за температури 0 °С. Поставимо їх на однакові нагрівники (мал. 10.1, а) й увімкнемо секундоміри. Як бачимо на малюнку 10.1, б, для плавлення більшої маси льоду потрібно більше часу, а отже, необхідна більша кількість теплоти.

Мал. 10.1. Плавлення льоду

Чим більша маса кристалічного тіла, узятого за температури плавлення, тим більша кількість теплоти йому необхідна для повного переходу в рідкий стан.

Експериментально встановлено, що для плавлення різних кристалічних тіл однакової маси, узятих за температури плавлення, потрібна різна кількість теплоти.

Кількість теплоти, яку потрібно надати тілу, щоб його повністю розплавити, залежить від роду речовини.

2. Питома теплота плавлення та кристалізації речовини

Питома теплота плавлення — це фізична величина, що характеризує кристалічну речовину та показує, яку кількість теплоти потрібно надати речовині у твердому стані масою 1 кг, нагрітій до температури плавлення, щоб повністю перетворити її на рідкий стан за незмінної температури.

Внутрішня енергія речовини масою 1 кг, узятої за температури плавлення, у рідкому стані більша, ніж внутрішня енергія цієї ж маси речовини у твердому стані, на величину, яка чисельно дорівнює питомій теплоті плавлення.

Питому теплоту плавлення позначають символом λ і розраховують за формулою:

Отже, за температури плавлення внутрішня енергія олова масою 1 кг у рідкому стані більша на 58 кДж, ніж внутрішня енергія такої самої маси олова у твердому стані.

Також експериментально доведено, що під час зворотного процесу — кристалізації (тверднення) — виділяється така ж енергія (кількість теплоти), яка поглинається під час плавлення. Процес кристалізації починається за умови охолодження рідини до температури кристалізації (тверднення).

Щоб визначити кількість теплоти, яка необхідна для перетворення твердого кристалічного тіла масою m, узятого за температури плавлення, на рідину, потрібно питому теплоту плавлення λ помножити на масу тіла m:

Q = λm.

Поміркуйте і дайте відповідь

3. Приклад розв’язування задачі

Задача. Рибалки вирішили зробити собі нові грузила різних форм. Для цього їм знадобився шматок олова масою 200 г, який вони розплавили та залили в заздалегідь підготовлені форми. Визначте кількість теплоти, витраченої на весь процес плавлення олова, якщо його початкова температура була 22 °С.

Запам'ятайте

Чим більша маса кристалічного тіла, узятого за температури плавлення, тим більша кількість теплоти йому необхідна для повного плавлення.

Кількість теплоти, яку потрібно надати тілу, щоб його повністю розплавити, залежить від роду речовини.

Питома теплота плавлення — фізична величина, що характеризує кристалічну речовину та показує, яку кількість теплоти потрібно надати речовині у твердому стані масою 1 кг, нагрітій до температури плавлення, щоб повністю перетворити її на рідкий стан за незмінної температури.

Внутрішня енергія речовини масою 1 кг, узятої за температури плавлення, у рідкому стані більша, ніж внутрішня енергія цієї ж маси речовини у твердому стані, на величину питомої теплоти плавлення.

Перевірте себе

• 1. Визначте кількість теплоти, яку необхідно затратити, щоб 100 г льоду, узятого за температури 0 °С, повністю розплавити.
• 2. Визначте енергію, що виділиться під час кристалізації свинцю масою 2 кг. Початкова температура свинцю дорівнює 327 °С.
• 3. Визначте кількість енергії, яка потрібна для плавлення бруска міді масою 400 г, узятого за температури 23 °С.
• 4. Для плавлення бруска із цинку, узятого за температури 20 °С, потрібна енергія 136 кДж. Визначте масу бруска.
• 5. Туристи для приготування води температурою 80 °С, поклали в казанок брилу льоду масою 4 кг. Температура льоду була -5 °С. Визначте енергію, необхідну для приготування води. Теплоємністю казанка знехтуйте.
• 6. Скільки торфу потрібно спалити, щоб розплавити олово масою 1 кг, узяте за температури 32 °С? Уся теплота, що виділяється під час повного згоряння палива, витрачається на цей процес.

Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)

Питома теплота плавлення речовини

Specific heat of fusion