"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Кристаллическое вещество при плавлении превращается из твёрдого в жидкое, а при отвердевании — из жидкого в твёрдое. Эти переходы происходят при определённой температуре, которая для одного вещества при одинаковых условиях совпадает в обоих случаях. Во время перехода температура не меняется: энергия расходуется на изменение строения вещества или выделяется при его восстановлении. Формула Q = λm помогает рассчитать количество теплоты, связанное с переходом.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Плавление — переход кристаллического вещества из твёрдого состояния в жидкое; при этом вещество поглощает энергию. Например, лёд может превратиться в воду, если получает энергию от окружающей среды. Это понятие помогает описать изменение состояния вещества и определить, куда направлена передача энергии.
Отвердевание, или кристаллизация, — переход вещества из жидкого состояния в твёрдое; при этом энергия выделяется. Так, вода при замерзании отдаёт энергию окружающим телам. Понятие позволяет понять, почему охлаждение жидкости сопровождается передачей тепла от неё наружу.
Температура плавления — температура, при которой кристаллическое вещество плавится и при которой при тех же условиях происходит его отвердевание. Значение зависит от вещества, а для сравнения важно сохранять одинаковые условия, например давление. Эта температура показывает, когда при нагревании твёрдое тело начинает переходить в жидкость.
Удельная теплота плавления — количество теплоты, необходимое для плавления 1 кг вещества при температуре плавления. Её обозначают греческой буквой λ (лямбда) и измеряют в Дж/кг. По этому значению можно рассчитать энергию для любой массы вещества, если оно уже достигло температуры плавления.
Если твёрдое тело нагревать, оно получает энергию, и частицы начинают двигаться интенсивнее. Из-за этого средняя энергия их движения увеличивается, что проявляется в росте температуры. Нагрев продолжается до тех пор, пока температура тела не достигнет значения, при котором кристалл может плавиться.
Во время плавления чистого кристаллического вещества при постоянном давлении температура остаётся неизменной. Поступающая энергия расходуется на ослабление связей между частицами и разрушение упорядоченной структуры кристалла. Поэтому частицы не начинают двигаться быстрее в среднем, хотя вещество продолжает получать энергию.
Чтобы полностью расплавить тело, уже находящееся при температуре плавления, нужно сообщить ему количество теплоты Q = λm. Здесь Q — энергия в джоулях, λ — удельная теплота плавления в Дж/кг, а m — масса в килограммах. При неизменном веществе удвоение массы удваивает необходимое количество теплоты; чем больше λ, тем больше энергии нужно на каждый килограмм.
При охлаждении жидкость сначала теряет энергию, поэтому её температура снижается. Когда она достигает температуры кристаллизации, начинается отвердевание: частицы образуют упорядоченную структуру и выделяют энергию. Эта отдаваемая энергия компенсирует отвод тепла, поэтому температура не снижается до тех пор, пока жидкость не отвердеет полностью.
После завершения отвердевания жидкой части больше нет, и выделение энергии при переходе прекращается. Если тело продолжает отдавать тепло, теперь охлаждается уже твёрдое вещество, поэтому его температура снова падает. Это объясняет, почему на графике охлаждения горизонтальный участок сменяется наклонным.
| Характеристика | Плавление | Отвердевание |
|---|---|---|
| Переход между агрегатными состояниями | Из твёрдого в жидкое | Из жидкого в твёрдое |
| Направление передачи энергии | Вещество поглощает энергию | Вещество выделяет энергию |
| Изменение температуры во время перехода | Не меняется до завершения перехода | Не меняется до завершения перехода |
| Температура перехода при одинаковых условиях | Совпадает с температурой отвердевания | Совпадает с температурой плавления |
| Количество теплоты, связанное с переходом | Q = λm поглощается | Q = λm выделяется |
Сравнивайте столбцы по строкам: так удобно увидеть, что переходы противоположны по направлению и передаче энергии, но происходят при одной температуре. Формула показывает модуль количества теплоты, а направление передачи указывает, поглощается оно или выделяется. На графике нагревания горизонтальный отрезок соответствует плавлению: тело получает энергию, но его температура в этот момент не растёт.
Кусок льда массой 0,2 кг находится при 0 °C. Нужно найти теплоту для полного плавления; удельная теплота плавления льда равна 3,4 · 10⁵ Дж/кг. Лёд уже находится при температуре плавления, поэтому дополнительный нагрев до неё не требуется. Ищем только энергию, связанную с переходом из твёрдого состояния в жидкое.
Ответ: нужно сообщить 68 кДж теплоты. Получилось положительное количество энергии, потому что лёд плавится и поглощает тепло. Если бы лёд сначала имел температуру ниже 0 °C, пришлось бы отдельно рассчитать его нагрев до температуры плавления.
Сколько теплоты выделится при отвердевании 0,5 кг расплавленного вещества при температуре кристаллизации, если λ = 1,8 · 10⁵ Дж/кг? Вещество уже достигло нужной температуры, значит, считаем только энергию перехода. Используем то же значение λ: оно определяет количество теплоты для одного килограмма при плавлении и при обратном процессе.
Ответ: выделится 9 · 10⁴ Дж, или 90 кДж. Формула даёт величину энергии, а слова «выделится» или «поглотится» определяются видом перехода. Поэтому при записи ответа нельзя забывать указать, что происходит с теплотой.
В сосуде есть лёд при 0 °C и вода при 0 °C; смесь охлаждают, отводя 68 кДж. Найдём массу воды, которая может отвердеть, если λ льда равна 3,4 · 10⁵ Дж/кг. Изначально температура воды уже равна температуре кристаллизации, а лёд не нужно нагревать. Отведённая энергия может быть выделена водой при её отвердевании.
Ответ: может отвердеть 0,2 кг воды. Расчёт связывает отведённую теплоту с энергией, выделяемой при кристаллизации. Оставшаяся вода, если она есть, всё ещё будет при 0 °C, пока продолжается отвердевание.
Ошибка — считать, что во время плавления температура обязательно растёт. Так думают, потому что при обычном нагревании тела энергия приводит к повышению температуры, но во время перехода она меняет строение кристалла. Проверка: если перед нами чистое кристаллическое вещество при постоянном давлении, на участке плавления температура постоянна до полного завершения перехода.
Можно перепутать направления передачи энергии и решить, что при отвердевании вещество поглощает тепло. Путаница возникает из-за того, что и плавление, и отвердевание связаны с изменением состояния. Проверяйте себя вопросом: жидкость замерзает — значит, она отдаёт энергию; твёрдое тело плавится — значит, получает её.
При подстановке в формулу Q = λm иногда оставляют массу в граммах. Причина ошибки — привычка измерять небольшие массы в граммах, хотя λ выражена в Дж/кг. Перед вычислением переведите граммы в килограммы и проверьте единицы: произведение Дж/кг на кг должно дать джоули.
Неверно утверждать, что температуры плавления и отвердевания всегда одинаковы при любых условиях. Для одного вещества они совпадают, если условия одинаковы; изменение условий может изменить температуру перехода. Чтобы проверить утверждение, уточните, сравниваются ли одно и то же вещество и одинаковые условия, в частности давление.
Для понимания переходов нужны знания об агрегатных состояниях вещества, строении кристаллических тел и способах изменения внутренней энергии. Расчёты плавления и отвердевания опираются на уже знакомые способы нахождения количества теплоты при нагревании и охлаждении. В задачах, где теплообмениваются несколько тел, эти расчёты становятся частью теплового баланса. Понимание фазовых переходов поможет изучать парообразование и конденсацию, а также тепловые процессы в природе и технике.
Почему лёд при плавлении не нагревается, хотя получает теплоту?
Полученная энергия идёт на изменение упорядоченного строения кристалла, а не на повышение температуры. Поэтому лёд при плавлении остаётся при температуре плавления до тех пор, пока не растает.
Выделяется или поглощается энергия при отвердевании?
При отвердевании энергия выделяется: жидкость отдаёт её окружающим телам. Это тепло замедляет охлаждение, поэтому температура вещества не меняется, пока переход не завершится.
Одинаковы ли температуры плавления и отвердевания одного вещества?
Да, если речь идёт об одном и том же веществе при одинаковых условиях. При этой температуре вещество может плавиться или отвердевать в зависимости от направления передачи энергии.
Как найти количество теплоты, необходимое для плавления тела?
Если тело уже нагрето до температуры плавления, используют формулу Q = λm. Удельную теплоту плавления λ умножают на массу m; если тело холоднее, сначала отдельно рассчитывают нагрев до температуры плавления.
Почему для расчёта по формуле Q = λm массу нужно выражать в килограммах?
Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм, поэтому масса должна быть указана в килограммах. Тогда единицы кг сокращаются, и результат получается в джоулях.
§ 27. Плавление и отвердевание кристаллических веществ
