"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Плавление и кристаллизация — переходы между твёрдым и жидким состояниями вещества. При плавлении тело поглощает теплоту, а при кристаллизации отдаёт её окружающей среде. У чистого кристаллического вещества при постоянном давлении температура во время перехода не меняется: энергия идёт на перестройку частиц, а не на нагрев. Зная удельную теплоту плавления, можно рассчитать энергию, нужную для плавления тела, или теплоту, выделившуюся 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 при поглощении теплоты. Частицы твёрдого тела при этом перестают удерживаться в прежнем порядке и могут перемещаться друг относительно друга. Понятие помогает описывать, что происходит с веществом при нагревании до определённого состояния.
Кристаллизация — переход вещества из жидкого состояния в твёрдое при выделении теплоты. Частицы жидкости упорядочиваются и образуют кристаллическую структуру. Это определение нужно, чтобы отличать затвердевание от простого охлаждения жидкости.
Температура плавления — температура, при которой кристаллическое вещество плавится при данном давлении. Для чистого вещества при одном и том же давлении ей соответствует температура кристаллизации. Эта величина помогает определить, когда начнётся фазовый переход и будет ли вещество твёрдым или жидким.
Удельная теплота плавления — количество теплоты, необходимое для плавления 1 кг вещества при температуре плавления; обозначается λ и измеряется в Дж/кг. Чем больше λ, тем больше энергии требуется для плавления одинаковой массы. Эта величина входит в расчёт Q = λm, где m — масса вещества.
В твёрдом кристаллическом теле частицы расположены упорядоченно и колеблются около устойчивых положений. При нагревании они получают энергию и колеблются всё сильнее, поэтому температура тела растёт. Когда достигается температура плавления, прежний порядок уже не может сохраняться, и начинается переход в жидкость.
Во время плавления температура чистого кристаллического вещества при постоянном давлении остаётся неизменной. Причина в том, что подводимая энергия расходуется на преодоление связей между частицами и разрушение кристаллической решётки. Средняя энергия их теплового движения в этот период не растёт, поэтому не растёт и температура; после полного плавления дальнейший нагрев снова повышает её.
Для плавления тела, уже нагретого до температуры плавления, количество теплоты зависит от массы и от вещества. Удельная теплота λ показывает, сколько энергии требуется на единицу массы, поэтому для массы m получаем Q = λm. Если тело сначала холоднее температуры плавления, нужно отдельно учесть его нагрев: формула Q = λm описывает только сам фазовый переход.
При кристаллизации частицы жидкости переходят в более упорядоченное состояние и образуют кристаллическую решётку. В таком состоянии внутренняя энергия вещества меньше, чем в жидком, поэтому разность энергии передаётся окружающей среде как теплота. Для чистого вещества при постоянном давлении температура при кристаллизации остаётся равной температуре плавления.
Температура плавления зависит от рода вещества и давления, потому что они влияют на устойчивость твёрдого и жидкого состояний. Примеси нарушают упорядоченность кристалла и могут изменить условия его разрушения. Поэтому у чистого вещества переход обычно происходит при определённой температуре, а смесь или загрязнённое вещество может плавиться в диапазоне температур.
График показывает три этапа: нагревание твёрдого вещества, плавление при постоянной температуре и нагревание получившейся жидкости. Горизонтальный участок соответствует фазовому переходу: энергия поступает, но температура не меняется.
| Свойство | Плавление | Кристаллизация |
|---|---|---|
| Направление перехода между состояниями | Из твёрдого состояния в жидкое | Из жидкого состояния в твёрдое |
| Тепловой эффект | Теплота поглощается | Теплота выделяется |
| Температура чистого кристаллического вещества при переходе | Остаётся постоянной и равна температуре плавления | Остаётся постоянной и равна температуре плавления |
| Изменение внутренней энергии | Увеличивается | Уменьшается |
| Расчёт количества теплоты | Q = λm | Q = λm по модулю |
Сначала определите направление перехода: так проще понять, поглощается теплота или выделяется. Затем проверьте, идёт ли речь о самом фазовом переходе, а не о нагревании или охлаждении до него. При кристаллизации Q = λm указывает модуль выделившейся теплоты.
Сколько теплоты нужно сообщить 2 кг льда при температуре плавления, если λ = 3,4·10⁵ Дж/кг? Лёд уже достиг температуры плавления, поэтому дополнительный нагрев до начала перехода учитывать не нужно. Требуется найти энергию, которая пойдёт на превращение льда в воду.
Ответ: льду нужно сообщить 6,8·10⁵ Дж теплоты. Проверка единиц: Дж/кг умножили на кг, получили Дж.
Определить массу расплавившегося олова, если при температуре плавления ему сообщили известное количество теплоты Q. Численное значение Q в условии должно быть подставлено отдельно, а удельную теплоту плавления олова следует взять из таблицы физических величин. Поскольку олово уже находится при температуре плавления, применима формула для фазового перехода.
Ответ: масса расплавившегося олова равна Q/λ олова. Чтобы получить численный ответ, подставьте заданное значение теплоты и табличное значение λ; без этих чисел массу вычислить нельзя.
По графику нагревания требуется найти количество теплоты, полученное веществом на участке плавления, если известны мощность нагревателя и продолжительность этого участка. На графике участок плавления распознают по горизонтальному отрезку: температура там постоянна. Если нагреватель передаёт энергию равномерно, полученная теплота за время этого отрезка определяется его мощностью и длительностью.
Ответ: на плавление пошло Q = Pt джоулей. Убедитесь, что время выражено в секундах, а мощность — в ваттах; тогда результат получится в джоулях.
Ошибка: считать, что температура чистого вещества повышается на протяжении плавления. Такое ожидание возникает из опыта нагревания тел до перехода, но во время фазового перехода энергия расходуется на изменение структуры. Проверьте себя по графику: при постоянном давлении участок плавления должен быть горизонтальным.
Ошибка: применять Q = cmΔt для самого плавления. Формула с удельной теплоёмкостью описывает изменение температуры, а при плавлении температура не меняется и используется Q = λm. Спросите себя, меняется ли температура на рассматриваемом участке: если идёт фазовый переход, нужна λ.
Ошибка: путать плавление с кристаллизацией и направление теплообмена. Плавление поглощает теплоту, кристаллизация её выделяет, поэтому неверный знак или описание часто появляется из-за смешения названий процессов. Перед расчётом обозначьте начальное и конечное состояния и укажите, куда передаётся энергия.
Ошибка: забывать массу или подставлять λ не в тех единицах. Это обычно приводит к неверному результату даже при правильной формуле. Проверьте, что масса дана в килограммах, λ — в Дж/кг, а размерность произведения λm равна джоулям.
Для понимания плавления нужны знания о строении вещества, внутренней энергии и количестве теплоты. Удельная теплоёмкость и формула Q = cmΔt позволяют рассчитать нагрев до температуры плавления, а уравнение теплового баланса — учесть обмен энергией между телами. При этом сам переход рассчитывают отдельно по формуле Q = λm.
Эти знания применяются в задачах о нагревании и охлаждении, если вещество меняет агрегатное состояние. Плавление и кристаллизация помогают перейти к изучению испарения, кипения и конденсации: это другие переходы между состояниями, для которых также важен теплообмен. Такие процессы учитывают и при анализе работы тепловых машин.
Почему во время плавления температура вещества не повышается?
Подводимая энергия расходуется на ослабление связей и разрушение кристаллической решётки, а не на увеличение средней энергии теплового движения частиц. Поэтому температура чистого кристаллического вещества при постоянном давлении остаётся постоянной до завершения плавления.
Одинаковы ли температуры плавления и кристаллизации одного и того же вещества?
Для чистого вещества при одном и том же давлении температура плавления и температура кристаллизации совпадают. При примесях переход может происходить в диапазоне температур, а не в одной точке.
Почему при кристаллизации выделяется теплота?
При кристаллизации частицы жидкости занимают упорядоченные положения и образуют решётку. При этом внутренняя энергия вещества уменьшается, а разность энергии передаётся окружающей среде в виде теплоты.
Как определить количество теплоты, необходимое для плавления тела?
Если тело уже нагрето до температуры плавления, используют формулу Q = λm. Здесь m — масса тела, а λ — удельная теплота плавления вещества; величины нужно подставлять в единицах СИ.
Почему примеси изменяют температуру плавления?
Примесные частицы нарушают правильное расположение частиц в кристалле и меняют условия, при которых решётка разрушается. Поэтому температура перехода часто сдвигается, а само плавление происходит в некотором интервале температур.
1. Плавление и кристализация
