06-г. Теплота плавления и парообразования

• Главная
• Справочник
• Физика
• Введение в термодинамику
• Книги, лекции и конспекты по физике
• Физика 7 класс
• 06-г. Теплота плавления и парообразования

      § 06-г. Теплота плавления и парообразования

Изобретению уже известного вам жидконаполненного калориметра (см. § 06-в) предшествовало создание в ХVIII веке французами П.Лапласом и А.Лавуазье ледяного калориметра. Если при пользовании первым калориметром измеряют изменение температуры жидкости, то при пользовании вторым калориметром измеряют массу растаявшего льда. В ХVIII веке только так и можно было поступить, так как не было общепринятых методов измерения температуры.

Лаплас и Лавуазье опирались на труды своих предшественников, шотландца Д.Блэка и голландца И.Вильке, которые решили ввести в физику новое понятие: скрытая теплота.

Вильке, например, в 1772 году нагревал смесь воды и льда и обнаружил, что часть теплоты «исчезает». То есть пламя греет, а температура смеси не повышается (см. левую часть рисунка). В 1803 году Блэк описал постоянство температуры тающего льда, несмотря на приток теплоты. Отсюда он пришёл к понятию «скрытой теплоты плавления», как он её назвал.

Позже он установил наличие и «скрытой теплоты парообразования», поскольку вода кипит при постоянной температуре, несмотря на приток теплоты (см. правую часть рисунка). На основе своих наблюдений Блэк чётко разграничил термины «количество теплоты» и «количество температуры». Первый термин сохранился в физике до наших дней, хотя мы чаще говорим «тело получило 100 Дж теплоты» вместо «тело получило 100 Дж количества теплоты». Второй термин в наши дни употребляется исключительно как «температура».

Усилиями физиков конца XVIII–начала XIX веков установлено, что количество теплоты прямо пропорционально массе расплавившегося вещества или массе испарившейся жидкости. То есть во сколько раз больше масса вещества, которое перешло в другое состояние, во столько же раз больше нужно теплоты.

Далее показан современный вид формул для расчёта теплоты плавления и теплоты парообразования. Они, наряду с уже известной вам основной калориметрической формулой Q = cmΔt°, по сей день лежат в основе всех методов калориметрических измерений.

Количество теплоты, необходимое для плавления, зависит от массы плавящегося вещества и удельной теплоты плавления:

Формула для подсчёта количества теплоты, поглощаемого телом при плавлении или выделяющегося при его кристаллизации. Формула читается так: «Ку равно лямбда эм».

Удельная теплота плавления – физическая величина, показывающая количество теплоты, требуемое для превращения в жидкость 1 кг вещества без изменения его температуры. Коэффициенты «λ» для различных веществ, как правило, различны. Они измерены опытным путём и занесены в специальные таблицы (см. ниже).

Точные калориметрические измерения и опыты показывают, что при кристаллизации вещества (это процесс, обратный плавлению) выделяется такое же количество теплоты, какое было затрачено на образование расплава. Это – проявление закона сохранения энергии.

Количество теплоты, необходимое для парообразования, зависит от массы испаряющегося вещества и удельной теплоты парообразования:

Формула для подсчета количества теплоты, поглощаемого телом при парообразовании или выделяющегося при его конденсации. Формула читается так: «Ку равно эр эм».

Удельная теплота парообразования – физическая величина, показывающая количество теплоты, требуемое для превращения в пар 1 кг вещества без изменения его температуры. Коэффициенты «r» для различных веществ, как правило, различны. Они измерены опытным путём и занесены в специальные таблицы (см. ниже).

Точные калориметрические измерения и опыты показывают, что при конденсации вещества (это процесс, обратный парообразованию) выделяется такое же количество теплоты, какое было затрачено на образование пара. Это – проявление закона сохранения энергии.

Удельные теплоты плавления или парообразования показывают количество теплоты, которое необходимо для плавления или превращения в пар 1 кг вещества при постоянной температуре.

Источник информации

</h5>

Тема: Агрегатные состояния вещества

Урок: Удельная теплота плавления

1. Изменение внутренней энергии и температуры при плавлении (кристаллизации)

Данный урок посвящён основной характеристике плавления (кристаллизации) вещества – удельной теплоте плавления.

На прошлом уроке мы затрагивали вопрос: как изменяется внутренняя энергия тела при плавлении?

Мы выяснили, что при подведении теплоты внутренняя энергия тела возрастает. Вместе с тем, мы знаем, что внутренняя энергия тела может характеризоваться таким понятием, как температура. Как нам уже известно, при плавлении температура не меняется. Поэтому может возникнуть подозрение, что мы имеем дело с парадоксом: внутренняя энергия увеличивается, а температура не меняется.

Объяснение этого факта довольно простое: вся энергия тратится на разрушение кристаллической решётки. Аналогично и в обратном процессе: при кристаллизации молекулы вещества объединяются в единую систему, при этом избыток энергии отдаётся и поглощается внешней средой.

В результате различных экспериментов удалось установить, что для одного и того же вещества требуется различное количество теплоты, чтобы перевести его из твёрдого состояния в жидкое.

Тогда было решено сравнить эти количества теплоты при одинаковой массе вещества. Это привело к появлению такой характеристики, как удельная теплота плавления.

2. Удельная теплота плавления

Определение

Удельная теплота плавления – количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества, нагретому до температуры плавления, чтобы перевести его из твёрдого состояния в жидкое.

Такая же величина выделяется и при кристаллизации 1 кг вещества.

Обозначается удельная теплота плавления  (греческая буква, читается как «лямбда» или «ламбда»).

Единицы измерения: . В данном случае в размерности отсутствует температура, так как при плавлении (кристаллизации) температура не меняется.

3. Количество теплоты, необходимое для плавления вещества

Для вычисления количества теплоты, необходимого для плавления вещества, используется формула:

, где:

 – количество теплоты (Дж);

 – удельная теплота плавления (, которая ищется по таблице;

 – масса вещества.

Когда тело кристаллизуется,  пишется со знаком «-», так как тепло выделяется.

4. Вещества и их удельная теплота плавления

В качестве примера можно привести удельную теплоту плавления льда:

. Или удельную теплоту плавления железа:

.

То, что удельная теплота плавления льда получилась больше удельной теплоты плавления железа, не должно удивлять. Количество теплоты, которое необходимо тому или иному веществу для плавления, зависит от характеристик вещества, в частности, от энергии связей между частицами данного вещества.

На этом уроке мы рассмотрели понятие удельной теплоты плавления.

На следующем уроке мы научимся решать задачи на нагревание и плавление кристаллических тел.

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Физика, механика и т. п. (Источник).
2. Классная физика (Источник).
3. Интернет-портал Kaf-fiz-1586.narod.ru (Источник).

Домашнее задание

1. П. 15, упр. 8 (1–5), вопросы 1–6. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
2. Можно ли в алюминиевом сосуде расплавить свинец? Серебро?
3. Почему медные провода легче спаять, чем соединить с помощью сварки?
4. Какую энергию необходимо затратить, чтобы расплавить кусок свинца массой , взятый при температуре ?

Плавлением в физике называют переход вещества из твердого состояния в жидкое. Классическими примерами процесса плавления являются таяние льда и превращение твердого куска олова в жидкий припой при нагревании паяльником. Передача телу определенного количества тепла приводит к изменению его агрегатного состояния.

Почему твердое становится жидким?

Нагревание твердого тела приводит к увеличению кинетической энергии атомов и молекул, которые при нормальной температуре находятся четко в узлах кристаллической решетки, что и позволяет телу сохранять постоянные форму и размеры. При достижении некоторых критических значений скоростей атомы и молекулы начинают покидать свои места, происходит разрыв связей, тело начинает терять свою форму — становится жидким. Процесс плавление происходит не резким скачком, а постепенно, так, что некоторое время твердая и жидкая компоненты (фазы) находятся в равновесии. Плавление относится к эндотермическим процессам, то есть к таким которые происходят с поглощением теплоты. Противоположный процесс, когда жидкость затвердевает называется кристаллизацией.

Рис. 1. Переход твердого, кристаллического, состояния вещества в жидкую фазу.

Было обнаружено, что до окончания процесса плавления температура не изменяется, хотя тепло все время поступает. Никакого противоречия здесь нет, так как поступающая энергия в этот период времени уходит на разрыв кристаллических связей решетки. После разрушения всех связей приток тепла будет повышать кинетическую энергию молекул, а следовательно, температура начнет расти.

Рис. 2. График зависимости температуры тела от времени нагрева.

Определение удельной теплоты плавления

Удельной теплотой плавления (обозначение — греческая буква “лямбда” – λ ), называется физическая величина равная количеству тепла (в джоулях), которое необходимо передать твердому телу массой 1 кг, чтобы полностью перевести его в жидкую фазу. Формула удельной теплоты плавления выглядит так:

$$ λ ={Q over m}$$

где:

m — масса плавящегося вещества;

Q — количество тепла, переданное веществу при плавлении.

Значения для разных веществ определяют экспериментально.

Зная λ, можно вычислить количество тепла, которое необходимо сообщить телу массой m для его полного расплавления:

$$Q={λ*m}$$

В каких единицах измеряется удельная теплота плавления

Удельная теплота плавления в СИ (Международная система ) измеряется в джоулях на килограмм, Дж/кг. Для некоторых задач применяется внесистемная единица измерения – килокалория на килограмм, ккал/кг. Напомним, что 1 ккал = 4,1868 Дж.

Удельная теплота плавления некоторых веществ

Информацию о значениях удельной теплоты для конкретного вещества можно найти в книжных справочниках или в электронных версиях на интернет-ресурсах. Обычно они приводятся в виде таблицы:

Удельная теплота плавления веществ

Рис. 3. Процесс плавки металла.

Что мы узнали?

Мы узнали, что переход из твердого состояния в жидкое называется плавлением. Плавление происходит с помощью передачи тепла твердому телу. Удельная теплота плавления показывает какое количество тепла (энергии) необходимо твердому веществу массой 1 кг, чтобы перевести его в жидкое состояние.

Тест по теме

Используемые источники:

• https://calcsbox.com/post/06-g-teplota-plavlenia-i-paroobrazovania.html
• https://interneturok.ru/lesson/physics/8-klass/bagregatnye-sostoyaniya-vewestvab/udelnaya-teplota-plavleniya
• https://obrazovaka.ru/fizika/udelnaya-teplota-plavleniya.html