"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Кристаллическое тело при нагревании плавится не сразу: сначала его температура растёт до определённого значения, а затем некоторое время остаётся постоянной. Получаемая энергия в этот момент разрушает упорядоченную кристаллическую решётку, а не нагревает вещество. При охлаждении жидкость отвердевает при той же температуре и отдаёт энергию окружающей среде. Знание этих процессов помогает объяснять изменения состояния веществ и рассчитывать количество теплоты, нужное для плавления или выделяющееся при отвердевании.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кристаллическое тело — тело, частицы которого образуют упорядоченную кристаллическую решётку. Иными словами, частицы расположены не беспорядочно, а повторяют определённый порядок. Это понятие помогает понять, почему твёрдое вещество плавится при определённой температуре.
Плавление — переход вещества из твёрдого состояния в жидкое. Например, при нагревании лёд превращается в воду, а твёрдый металл — в расплав. Понимание этого перехода нужно, чтобы отличать изменение состояния вещества от его нагревания без плавления.
Отвердевание — переход вещества из жидкого состояния в твёрдое. При этом частицы жидкости образуют кристаллическую решётку, как при замерзании воды. Это понятие описывает обратный плавлению процесс и помогает разобраться, куда передаётся энергия при охлаждении.
Температура плавления — температура, при которой кристаллическое тело плавится и отвердевает. Для чистого вещества при одинаковом давлении она одна и та же в обоих процессах. Это значение позволяет определить, когда начинается изменение состояния, а не просто нагревание или охлаждение.
Если нагревать кристаллическое тело, его частицы начинают двигаться интенсивнее. Поэтому внутренняя энергия тела увеличивается, а температура растёт. Этот рост продолжается до температуры плавления: именно при ней частицы получают возможность покинуть упорядоченные положения решётки и перейти в жидкое состояние.
Во время плавления телу продолжают передавать энергию, но температура не повышается. Причина в том, что поступившая энергия расходуется не на усиление движения частиц, а на ослабление связей между ними и разрушение решётки. Пока всё твёрдое вещество не расплавится, температура чистого кристаллического тела остаётся постоянной.
При разрушении кристаллической решётки внутренняя энергия вещества увеличивается. Частицы получают возможность перемещаться относительно друг друга, как это происходит в жидкости. Поэтому отсутствие роста температуры не означает, что тело не получает энергию: меняется внутреннее состояние вещества.
При охлаждении жидкости частицы теряют энергию движения, и температура падает до температуры отвердевания. Во время самого отвердевания температура чистого кристаллического вещества остаётся постоянной, потому что изменение состояния продолжается при неизменных условиях. При образовании решётки энергия выделяется и передаётся внешней среде.
Количество теплоты для плавления зависит от массы тела и вида вещества. Чем больше масса, тем больше энергии нужно, чтобы расплавить всё тело; для разных веществ требуются разные количества энергии на килограмм. Это учитывает удельная теплота плавления λ, а расчёт ведут по формуле Q = λm. При отвердевании той же массы вещества выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении.
| Процесс | Состояние вещества | Изменение температуры | Изменение внутренней энергии | Обмен энергией |
|---|---|---|---|---|
| Нагревание твёрдого тела | Твёрдое | Повышается до температуры плавления | Увеличивается | Тело получает энергию |
| Плавление | Твёрдое и жидкое | Не меняется | Увеличивается | Тело получает энергию |
| Нагревание жидкости | Жидкое | Повышается | Увеличивается | Тело получает энергию |
| Охлаждение жидкости | Жидкое | Понижается до температуры отвердевания | Уменьшается | Тело отдаёт энергию |
| Отвердевание | Жидкое и твёрдое | Не меняется | Уменьшается | Энергия выделяется во внешнюю среду |
| Охлаждение твёрдого тела | Твёрдое | Понижается | Уменьшается | Тело отдаёт энергию |
Сначала определите, меняется ли состояние вещества: при плавлении и отвердевании одновременно присутствуют две фазы, а температура постоянна. Затем проследите, получает тело энергию или отдаёт её. Таблица также помогает не путать изменение температуры с изменением внутренней энергии: при плавлении температура постоянна, но внутренняя энергия растёт.
По графику нагревания определить, на каком участке тело плавится, и назвать его температуру плавления. При нагревании температура сначала растёт с 20 °C до 60 °C, затем некоторое время остаётся постоянной, а после снова увеличивается. Нужно связать ровный участок не с прекращением нагревания, а с переходом вещества в жидкое состояние.
Ответ: тело плавится на участке от 4 до 8 минут; температура плавления — 60 °C. После завершения этого участка всё вещество стало жидким, поэтому последующий рост температуры показывает нагревание жидкости. На графике нужно ориентироваться на значение температуры горизонтального отрезка, а не на его длительность.
Определить количество теплоты, необходимое для плавления 2 кг вещества, если λ = 150 кДж/кг. Масса дана в килограммах, а удельная теплота плавления — в килоджоулях на килограмм, поэтому единицы уже согласованы. Здесь не указано, что вещество нужно предварительно нагреть, значит, считаем только энергию на плавление.
Ответ: нужно передать 300 кДж теплоты. Проверка единиц показывает, что результат выражен в единицах энергии. Если бы масса была дана в граммах, перед подстановкой её следовало бы перевести в килограммы.
Сколько теплоты нужно передать алюминиевому бруску массой 0,5 кг, взятому при 20 °C, чтобы нагреть его до температуры плавления и полностью расплавить? В условии нужно использовать значения для алюминия: температура плавления tпл = 660 °C, удельная теплоёмкость c = 920 Дж/(кг·°C), удельная теплота плавления λ = 390 кДж/кг. Сначала брусок нагревается как твёрдое тело, затем плавится, поэтому процессы считаем отдельно.
Ответ: нужно передать 489 400 Дж, или примерно 489 кДж. Сложение необходимо, потому что брусок проходит два этапа и получает энергию на каждом из них. Если бы в задаче спрашивали только о плавлении уже нагретого алюминия, первое слагаемое не понадобилось бы.
Ошибка — считать, что во время плавления температура продолжает повышаться. Так рассуждают, потому что тело постоянно получает тепло и нагрев обычно связан с ростом температуры. Проверь себя: на участке плавления температура чистого кристаллического вещества постоянна, а энергия расходуется на разрушение решётки.
Плавление иногда путают с растворением, потому что оба процесса могут приводить к появлению жидкости. Но при плавлении твёрдое вещество само становится жидким под действием нагревания, а при растворении одно вещество распределяется в другом. Проверь себя: если твёрдое вещество превратилось в жидкость того же вещества, это плавление.
Для самого процесса плавления ошибочно применять Q = cmΔt. Эта формула описывает нагревание или охлаждение, когда температура меняется, поэтому её выбирают по привычке. Проверь условие: если тело уже достигло температуры плавления и меняет состояние, используй Q = λm; для предварительного нагревания нужна отдельная часть расчёта.
При отвердевании иногда считают, что выделяется не столько теплоты, сколько поглощалось при плавлении. Такая ошибка возникает, если забыть, что отвердевание — обратный переход того же вещества. Для той же массы при одинаковых условиях количество теплоты по модулю одинаково: проверь расчёт по формуле Q = λm, учитывая, что при отвердевании энергия отдаётся.
Чтобы изучать плавление и отвердевание, нужно знать, что такое внутренняя энергия и количество теплоты, а также понимать удельную теплоёмкость. Эти понятия помогают объяснить, почему температура изменяется при нагревании и куда расходуется энергия во время перехода состояния. Навык чтения графиков нагревания нужен, чтобы распознавать участки плавления.
Расчёты опираются на закон сохранения энергии: энергия не исчезает, а передаётся или меняет форму. Для нагревания используют связь количества теплоты с массой, теплоёмкостью и изменением температуры, а для плавления — Q = λm. Если процесс состоит из нескольких этапов, количества теплоты для этапов складывают.
Эти знания применяют при работе холодильников, в металлургии и при литье металлов. Они также помогают объяснять природные явления, например таяние снега и образование льда. Понимание теплового обмена позволяет оценить, сколько энергии нужно для изменения состояния вещества.
Почему лёд при плавлении не нагревается, хотя получает тепло?
Получаемая энергия расходуется на разрушение кристаллической решётки льда и переход вещества в жидкое состояние. Поэтому температура чистого льда во время плавления остаётся постоянной.
Может ли кристаллическое тело начать плавиться при любой температуре?
Нет, при данном давлении кристаллическое вещество плавится при определённой температуре. Пока тело не достигло этой температуры, его нагревание повышает температуру, но не вызывает плавления.
Одинакова ли температура плавления и температура отвердевания?
У чистого кристаллического вещества при одинаковом давлении эти температуры совпадают. Например, лёд плавится и вода отвердевает при одной и той же температуре.
Почему при отвердевании выделяется теплота?
При отвердевании частицы вещества образуют упорядоченную кристаллическую решётку. Энергия, связанная с этим изменением внутреннего состояния, передаётся окружающей среде в виде теплоты.
Как отличить участок плавления на графике нагревания?
При плавлении температура не меняется, хотя тело продолжает получать энергию. Поэтому на графике температуры от времени плавлению соответствует горизонтальный участок.
10. Плавление и отвердевание кристаллических тел
