"Физика", Андрюшечкин С.М.
Твёрдое тело может стать жидкостью, а жидкость — снова твёрдым телом: эти переходы называют плавлением и кристаллизацией. Они происходят при определённых условиях и сопровождаются поглощением или выделением энергии. Знание температуры плавления и удельной теплоты плавления помогает объяснить, почему лёд тает при неизменной температуре, сравнить вещества и вычислить, сколько теплоты нужно для плавления тела или сколько выделится при его затвердевании.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Плавление — переход вещества из твёрдого состояния в жидкое. Оно происходит, когда твёрдое тело получает энергию и достигает условий, при которых его кристаллическая структура начинает разрушаться. Это понятие помогает описывать, например, превращение льда в воду или нагретого металла в жидкий металл.
Кристаллизация — переход вещества из жидкого состояния в твёрдое. При этом частицы жидкости формируют упорядоченную структуру, характерную для твёрдого кристалла, а энергия передаётся окружающим телам. Так происходит, например, когда вода замерзает и превращается в лёд.
Температура плавления — температура, при которой кристаллическое вещество плавится. При том же давлении температура кристаллизации этого вещества совпадает с температурой плавления. Это позволяет определить, при какой температуре вещество может переходить из одного состояния в другое, если условия не меняются.
Удельная теплота плавления λ — количество теплоты, необходимое для плавления 1 кг вещества, уже нагретого до температуры плавления. Её измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг), а количество теплоты рассчитывают по формуле Q = λm. Значение λ показывает, сколько энергии нужно на каждый килограмм данного вещества; чем больше масса, тем больше теплоты потребуется.
В твёрдом теле частицы не стоят неподвижно, а колеблются около определённых положений. При нагревании они получают энергию и колеблются всё интенсивнее, поэтому удерживать прежний порядок становится труднее. Когда тело достигает температуры плавления, кристаллическая структура начинает разрушаться, и частицы могут перемещаться относительно друг друга, как в жидкости.
Во время плавления чистого кристаллического вещества при постоянном давлении температура не растёт. Теплота продолжает поступать, но она нужна не для усиления движения частиц, а для перестройки их взаимного расположения и разрушения кристаллического порядка. Поэтому на графике нагревания сначала виден подъём температуры твёрдого тела, затем горизонтальный участок плавления.
Если тело уже нагрето до температуры плавления, количество теплоты для перехода в жидкость находят по формуле Q = λm. Здесь λ зависит от вещества, а m — от массы тела: вдвое большая масса того же вещества требует вдвое больше теплоты. Для разных веществ значения λ различны, поэтому одинаковые массы льда и металла нельзя сравнивать без учёта их удельной теплоты плавления.
При охлаждении жидкость теряет энергию: движение её частиц становится менее интенсивным. При подходящих условиях частицы могут выстроиться в упорядоченную структуру, и начинается кристаллизация. В этот момент энергия выделяется, но температура чистого вещества при постоянном давлении остаётся неизменной до завершения перехода.
Температура плавления у разных веществ неодинакова: лёд и свинец переходят в жидкое состояние при разных температурах. Причина в том, что частицы разных веществ взаимодействуют по-разному, и для разрушения их кристаллических структур требуются неодинаковые условия. Примеси тоже могут изменить температуру и характер плавления, поэтому смесь не всегда плавится так же, как чистое вещество.
| Характеристика | Плавление | Кристаллизация |
|---|---|---|
| Переход между состояниями | Из твёрдого состояния в жидкое | Из жидкого состояния в твёрдое |
| Условия начала процесса | Твёрдое вещество нагрето до температуры плавления | Жидкость охлаждена до температуры кристаллизации |
| Изменение температуры во время процесса | Не меняется у чистого вещества при постоянном давлении | Не меняется у чистого вещества при постоянном давлении |
| Тепловой эффект | Теплота поглощается | Теплота выделяется |
| Направление передачи энергии | Энергия поступает к веществу | Энергия уходит от вещества |
Сравнивайте переходы по направлению изменения состояния и передачи энергии: это помогает не перепутать плавление с кристаллизацией. Строка о температуре относится к чистому веществу при постоянном давлении. Если в условии есть примеси или меняется давление, свойства перехода могут отличаться.
Задача 1. Лёд при температуре плавления полностью растопили. Масса льда равна 0,5 кг, удельная теплота плавления — 330 кДж/кг. Какое количество теплоты потребовалось? Температура льда уже соответствует температуре плавления, поэтому учитываем только переход в жидкое состояние, без нагревания до этой температуры.
Ответ: 165 кДж.
Задача 2. Свинец уже нагрет до температуры плавления, и ему сообщили 12 кДж теплоты. Удельная теплота плавления свинца равна 25 кДж/кг. Найдём, какую массу можно расплавить; дополнительный нагрев тела в расчёт не входит, потому что оно уже достигло нужной температуры.
Ответ: 0,48 кг свинца.
Задача 3. В сосуде есть лёд и вода при 0 °C. Смесь охлаждают, отводя 66 кДж теплоты; теплообмен происходит только внутри смеси. Определим, какая масса воды может кристаллизоваться, если λ льда равна 330 кДж/кг. Поскольку оба вещества уже при температуре фазового перехода, отводимая энергия связана с кристаллизацией воды, а не с её охлаждением.
Ответ: 0,2 кг воды может кристаллизоваться.
Ожидать, что температура обязательно растёт во время плавления, — ошибка: при фазовом переходе поступающая энергия меняет состояние вещества. Так думают, потому что при обычном нагревании температура действительно повышается. Проверьте себя: если в условии тело уже плавится и давление постоянно, энергия может поступать без роста температуры.
Подставлять массу в граммах в формулу Q = λm, когда λ дана в Дж/кг, нельзя. Несогласованные единицы дают ответ, ошибочный в тысячу раз. Перед вычислением переведите граммы в килограммы и проверьте, что единицы массы в условии и значении λ согласованы.
Удельную теплоту плавления λ иногда принимают за количество теплоты Q. Но λ относится к одному килограмму вещества, тогда как Q — энергия для всей массы тела. Для самопроверки выпишите единицы: у λ это Дж/кг, а у Q — Дж; затем учтите массу по формуле Q = λm.
При кристаллизации теплота не поглощается, а выделяется. Путаница возникает из-за того, что для плавления нужно подводить энергию, и это правило ошибочно переносят на обратный процесс. Проверьте направление перехода: жидкость становится твёрдой — значит, энергия уходит от вещества к окружающей среде.
Чтобы понять плавление, нужно знать, что такое внутренняя энергия и как меняется энергия частиц при нагревании и охлаждении. При решении задач пригодятся формулы количества теплоты для нагревания и охлаждения, а также перевод единиц массы и энергии. Тема фазовых переходов продолжится при изучении испарения и конденсации: в этих случаях тоже меняется состояние вещества и происходит обмен энергией. В задачах несколько этапов — например, нагревание, плавление и дальнейший нагрев жидкости — рассматривают последовательно.
Почему лёд может таять, не нагреваясь?
При плавлении энергия, которую получает лёд, расходуется на изменение его внутренней структуры, а не на повышение температуры. Поэтому, пока лёд и вода сосуществуют при постоянном давлении, температура чистого вещества остаётся постоянной.
Одинакова ли температура плавления и кристаллизации?
Для одного и того же чистого кристаллического вещества при одинаковом давлении эти температуры совпадают. Например, при обычном давлении лёд плавится и вода кристаллизуется при 0 °C.
От чего зависит количество теплоты, необходимое для плавления?
Оно зависит от массы тела и от вещества, из которого тело состоит. Количество теплоты рассчитывают по формуле Q = λm, где λ — удельная теплота плавления.
Выделяется ли теплота, когда вода замерзает?
Да. При кристаллизации вода отдаёт энергию окружающим телам, хотя её температура во время перехода при постоянном давлении не меняется.
Почему примеси могут менять температуру плавления?
Примеси изменяют состав вещества и влияют на то, насколько легко разрушается его кристаллическая структура. Поэтому температура и характер плавления смеси могут отличаться от соответствующих свойств чистого вещества.
§ 11. Плавление. Кристаллизация
