Коротко
Плавление — это процесс перехода вещества из твёрдого агрегатного состояния в жидкое при нагревании. Это одно из фазовых превращений, которое происходит при определённой температуре, называемой температурой плавления, и требует затрат энергии, даже если температура не меняется.
Определение
Плавление — это физический процесс, при котором вещество переходит из твёрдого кристаллического состояния в жидкое при достижении определённой температуры и поглощении энергии.
Формула
Q = λm
- Q — количество теплоты, необходимое для плавления
- λ — удельная теплота плавления вещества
- m — масса плавящегося вещества
Единицы измерения: джоуль (Дж) для Q, джоуль на килограмм (Дж/кг) для λ, килограмм (кг) для m
Как это происходит?
В твёрдом состоянии частицы (атомы или молекулы) вещества расположены строго упорядоченно и совершают лишь небольшие колебания около своих положений равновесия. При нагревании их колебания усиливаются. Когда температура достигает температуры плавления, колебания становятся настолько интенсивными, что частицы разрывают связи друг с другом и начинают беспорядочно перемещаться, образуя жидкость. При этом температура вещества остаётся постоянной до тех пор, пока всё вещество не расплавится.
Удельная теплота плавления
Чтобы твёрдое тело расплавилось, ему нужно сообщить определённое количество энергии, даже если его температура уже достигла температуры плавления и не изменяется в процессе. Эта энергия идёт на разрушение связей между частицами. Количество теплоты, необходимое для полного расплавления 1 кг вещества при температуре плавления, называется удельной теплотой плавления. У каждого вещества она своя и её можно найти в таблицах.
Почему температура не меняется при плавлении?
Во время плавления вся подводимая к веществу энергия расходуется не на увеличение кинетической энергии частиц (которая связана с температурой), а на разрушение межатомных или межмолекулярных связей в кристаллической решетке. Только после того, как все вещество перейдет в жидкое состояние, дальнейшее подведение теплоты начнет повышать температуру получившейся жидкости.
Зачем изучать плавление?
Понимание процесса плавления важно для многих областей: от металлургии, где плавят металлы для создания новых изделий, до пищевой промышленности, где плавление шоколада или сыра является частью технологического процесса. Также это знание помогает объяснять природные явления, например, таяние льдов или извержения вулканов, при которых горные породы плавятся и превращаются в лаву.
Как найти и применять
- Определите вещество, которое плавится, и его массу (m).
- Найдите в таблице удельную теплоту плавления (λ) для этого вещества.
- Убедитесь, что температура вещества достигла температуры плавления (если нет, сначала рассчитайте теплоту для нагрева до этой температуры).
- Перемножьте удельную теплоту плавления на массу вещества, чтобы найти количество теплоты (Q = λm).
- Запишите ответ в джоулях (Дж).
Разбор задач
Задача 1
Какое количество теплоты потребуется, чтобы расплавить 2 кг льда, находящегося при температуре плавления (0 °C)? Удельная теплота плавления льда 3,4 ⋅ 10⁵ Дж/кг.
1. Масса льда m = 2 кг. 2. Удельная теплота плавления льда λ = 3,4 ⋅ 10⁵ Дж/кг. 3. Используем формулу Q = λm. 4. Q = 3,4 ⋅ 10⁵ Дж/кг ⋅ 2 кг = 6,8 ⋅ 10⁵ Дж.
Ответ: 6,8 ⋅ 10⁵ Дж
Где это встречается
- Металлургия — При выплавке металлов из руды или переплавке лома их нагревают до температуры плавления для получения жидкого металла, который затем разливают в формы.
- Литье пластмасс — Гранулы полимеров нагревают до температуры плавления, чтобы получить вязкую массу, которую затем подают в пресс-формы для изготовления различных изделий.
- Сварка металлов — Для соединения металлических деталей их края или присадочный материал нагревают до температуры плавления, чтобы они слились в одно целое.
- Кулинария — Плавление шоколада для глазури, сыра на пицце или масла на сковороде — это примеры использования процесса плавления в приготовлении пищи.
- Системы пожаротушения — В некоторых спринклерных системах используются легкоплавкие вставки, которые разрушаются при достижении определённой температуры (например, при пожаре), открывая клапан для подачи воды.
Типичные ошибки
| Неверно | Верно | Почему |
|---|---|---|
| Думать, что при плавлении температура вещества постоянно растет. | При плавлении температура вещества остается постоянной, пока весь твёрдый материал не перейдёт в жидкое состояние. | Вся подводимая теплота расходуется на разрушение кристаллической решётки, а не на повышение кинетической энергии частиц. |
| Считать, что для плавления не нужна энергия, если температура уже достигла точки плавления. | Для плавления необходима дополнительная энергия (теплота плавления), даже если вещество уже находится при температуре плавления. | Энергия нужна для разрыва связей между частицами и изменения их расположения из упорядоченного в хаотичное. |
| Путать плавление с нагреванием. | Нагревание – это повышение температуры, а плавление – это изменение агрегатного состояния при постоянной температуре (или в некотором диапазоне температур для аморфных тел). | Это два разных процесса: при нагревании увеличивается кинетическая энергия частиц, при плавлении – потенциальная энергия взаимодействия частиц. |
Не путать
- Кипение — Плавление — это переход из твёрдого в жидкое состояние. Кипение — это переход из жидкого в газообразное состояние, сопровождающийся образованием пузырьков пара по всему объёму жидкости.
- Испарение — Плавление происходит при определённой температуре плавления. Испарение может происходить при любой температуре жидкого вещества с его поверхности.
- Конденсация — Плавление — это поглощение теплоты и переход из твёрдого в жидкое. Конденсация — это выделение теплоты и переход из газообразного в жидкое.
Откуда взялось понятие
Понятие плавления и связанные с ним физические законы изучались многими учёными на протяжении веков, начиная с ранних экспериментов по теплоте и агрегатным состояниям вещества.
Как запомнить
Плавление — это когда твёрдое становится жидким, как лёд в воде, при постоянной температуре.
Проверь себя
4 задания-
Назовите процесс, обратный плавлению.
Ответ
Кристаллизация (или отвердевание). -
При какой температуре плавится чистый свинец, если его температура плавления 327 °C?
Ответ
При 327 °C. В процессе плавления температура не меняется. -
Что такое удельная теплота плавления?
Ответ
Это количество теплоты, необходимое для полного расплавления 1 кг вещества при температуре плавления. -
Может ли лёд плавиться при температуре -5 °C?
Ответ
Нет, чистый лёд плавится только при 0 °C и выше. Примеси могут понижать температуру плавления.
Частые вопросы
Все ли вещества плавятся?
Большинство твёрдых веществ плавятся при нагревании. Однако некоторые вещества, например, дерево или бумага, при сильном нагревании не плавятся, а сразу разлагаются или горят. Аморфные тела (стекло, смола) не имеют чёткой температуры плавления и постепенно размягчаются при нагревании.
Что такое температура плавления?
Температура плавления — это конкретная температура, при которой кристаллическое вещество начинает переходить из твёрдого состояния в жидкое. Для каждого чистого вещества это значение постоянно при нормальном давлении.
В чём отличие между плавлением и растворением?
Плавление — это переход вещества из твёрдого в жидкое состояние за счёт нагревания самого вещества. Растворение — это смешивание одного вещества с другим (растворителем), при котором частицы одного вещества распределяются между частицами другого.
Почему лёд в воде тает медленно, хотя вода вокруг него теплая?
Лёд плавится при 0 °C. Чтобы он растаял, ему нужно поглотить большое количество энергии (удельную теплоту плавления), даже если температура окружающего воздуха или воды выше нуля. Эта энергия расходуется на разрушение кристаллической решётки льда, а не на повышение его температуры.
Спросить про это понятие
Плавление
Где это изучается
4 параграфаОдна и та же тема разложена по разным учебникам — можно сравнить формулировки и выбрать более понятную.
Понятия рядом
Их разбирают в тех же параграфах, что и это понятие.