"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Плавление и кристаллизация — взаимные переходы вещества между твёрдым и жидким состояниями. При плавлении кристалл поглощает энергию, а при кристаллизации отдаёт её окружающей среде. Для кристаллического вещества при постоянном давлении температура во время перехода не изменяется. Главная расчётная формула темы — Q = λm, где λ показывает, сколько энергии нужно для плавления 1 кг вещества.
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 этом вещество поглощает энергию от нагревателя или окружающей среды. Понятие нужно, чтобы отличать сам фазовый переход от предварительного нагревания твёрдого тела.
Кристаллизация — переход вещества из жидкого состояния в твёрдое. Во время такого перехода энергия выделяется в окружающую среду. Так описывают, например, превращение воды в лёд или расплавленного металла в твёрдую деталь.
Температура плавления — температура, при которой при данном давлении твёрдое вещество плавится. У кристаллического вещества во время плавления она остаётся постоянной. Это значение помогает определить, начался ли переход и можно ли применять формулу для фазового перехода.
Удельная теплота плавления λ — количество теплоты, необходимое для плавления 1 кг вещества при температуре плавления без изменения температуры. Её измеряют в Дж/кг. Чем больше λ, тем больше энергии требуется для плавления одинаковой массы вещества.
При нагревании твёрдого тела его частицы начинают колебаться интенсивнее. Когда температура достигает температуры плавления, колебания становятся достаточными для разрушения устойчивого порядка кристаллической решётки. Частицы уже не удерживаются около определённых положений и могут перемещаться, поэтому твёрдое тело становится жидкостью.
Температура кристаллического вещества во время плавления не растёт, потому что подводимая энергия расходуется не на увеличение средней кинетической энергии частиц. Она изменяет внутреннюю структуру вещества и ослабляет связи, поддерживающие кристаллическую решётку. После полного плавления следующая порция энергии снова будет повышать температуру жидкости.
Кристаллизация начинается, когда жидкость охлаждается до температуры кристаллизации и в ней возникает упорядоченная структура. Частицы постепенно занимают положения, соответствующие кристаллической решётке, поэтому их движение становится более связанным. При образовании решётки выделяется энергия, которую нужно отвести, иначе дальнейшая кристаллизация замедлится.
При одинаковом давлении чистое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при одной и той же температуре. Причина в том, что оба процесса связаны с переходом между одними и теми же двумя состояниями и требуют одинакового изменения структуры. Различается только направление энергообмена: для плавления энергия подводится, а при кристаллизации такое же по модулю количество энергии отдаётся.
Количество теплоты при фазовом переходе находят по формуле Q = λm, где m — масса вещества в килограммах. Для плавления система получает энергию, поэтому при выбранном соглашении Q = +λm; при кристаллизации система отдаёт её и Q = −λm. Если спрашивают только, сколько теплоты выделилось, обычно указывают модуль: |Q| = λm.
| Характеристика | Плавление | Кристаллизация |
|---|---|---|
| Направление перехода между состояниями | Из твёрдого состояния в жидкое | Из жидкого состояния в твёрдое |
| Условия начала перехода | Нагревание до температуры плавления | Охлаждение до температуры кристаллизации |
| Изменение температуры во время перехода | Не изменяется при постоянном давлении | Не изменяется при постоянном давлении |
| Направление передачи энергии | Энергия поглощается веществом | Энергия выделяется веществом |
| Формула для количества теплоты | Q = λm | По модулю |Q| = λm |
| Что означает знак количества теплоты в выбранной системе | Q > 0: система получает энергию | Q < 0: система отдаёт энергию |
Сначала определите, какое превращение происходит и достигнута ли температура фазового перехода. Затем выберите столбец таблицы и проверьте направление энергообмена. Знак Q нужен при составлении полного теплового баланса, а в вопросе о количестве выделившейся теплоты обычно используют положительный модуль.
Нужно расплавить m = 0,5 кг льда, уже находящегося при температуре плавления 0 °C. Для льда возьмём табличное значение λ = 3,34 · 10⁵ Дж/кг. Дополнительный нагрев до 0 °C не нужен, поэтому учитывается только фазовый переход.
Ответ: льду нужно сообщить 1,67 · 10⁵ Дж теплоты, или 167 кДж.
Масса расплавленного металла равна 2 кг, а его удельная теплота плавления обозначена λ. Во время кристаллизации металл отдаёт энергию, но величина выделившейся теплоты находится по той же формуле по модулю. Поэтому знак минус понадобится только при записи изменения энергии самого металла.
Ответ: при кристаллизации выделится 2λ Дж теплоты; металл отдаёт эту энергию окружающей среде.
Лёд сначала имеет температуру t₀ ниже 0 °C, поэтому весь процесс состоит из нагревания и последующего плавления. Для нагревания используются удельная теплоёмкость льда c и изменение температуры от t₀ до 0 °C. После достижения 0 °C температура уже не растёт, а энергия расходуется на плавление.
Ответ: общее количество теплоты равно Q = cm(0 − t₀) + λm. Важно не смешивать два этапа: формула Q = cmΔT относится к изменению температуры, а Q = λm — к плавлению.
Температура продолжает расти при плавлении. Так думают, потому что нагреватель продолжает передавать энергию. Проверьте себя: если кристаллическое вещество уже достигло температуры плавления, энергия во время перехода меняет структуру, а не температуру.
Плавление путают с нагреванием. Формулу Q = cmΔT применяют к фазовому переходу, хотя она описывает изменение температуры. Определите этап процесса: для нагревания нужна эта формула, для плавления — Q = λm.
Забывают массу или используют граммы. Ошибка возникает при механической подстановке чисел в формулу. Проверьте единицы: если λ задана в Дж/кг, масса должна быть в килограммах.
Считают, что при кристаллизации теплота поглощается. Это следствие путаницы между прямым и обратным процессами. Представьте систему: при кристаллизации она отдаёт энергию, поэтому Q = −λm, а модуль выделившейся теплоты равен λm.
Для понимания темы нужны знания об агрегатных состояниях вещества, внутренней энергии и способах её изменения. В расчётах используются формула нагревания Q = cmΔT и табличные значения физических величин. Эти идеи применяются при составлении теплового баланса, изучении тепловых двигателей и других процессов изменения агрегатного состояния вещества.
Почему лёд при плавлении не нагревается выше 0 °C?
При постоянном давлении лёд плавится при 0 °C. Подводимая энергия расходуется на разрушение кристаллической решётки и переход вещества в жидкость, поэтому средняя кинетическая энергия частиц и температура не растут.
Одинакова ли температура плавления и температура кристаллизации?
Да, у чистого кристаллического вещества при одинаковом давлении эти температуры совпадают. Отличается направление перехода: при плавлении вещество получает энергию, а при кристаллизации выделяет её.
Почему при кристаллизации выделяется теплота?
При кристаллизации частицы жидкости переходят в более упорядоченное состояние и образуют кристаллическую решётку. Избыточная внутренняя энергия передаётся окружающей среде в виде теплоты.
Как найти количество теплоты, необходимое для плавления вещества?
Нужно умножить удельную теплоту плавления вещества на его массу: Q = λm. Массу следует выразить в килограммах, а результат получится в джоулях.
Чем плавление отличается от нагревания твёрдого тела?
При нагревании твёрдого тела его температура повышается, а энергия увеличивает среднюю кинетическую энергию частиц. При плавлении температура кристаллического вещества постоянна, потому что энергия разрушает структуру кристалла.
§ 56. Плавление и кристаллизация вещества
