"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Плавление — переход вещества из твёрдого состояния в жидкое при поглощении теплоты. Оно происходит при определённой температуре, которая зависит от вещества и давления. Во время плавления кристаллическое тело продолжает получать энергию, но его температура не меняется: энергия разрушает кристаллическую решётку. Для расчётов используют удельную теплоту плавления и формулу Q = λm. Обратный процесс называется кристаллизацией и сопровождается выделением теплоты.
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 энергии. Частицы получают возможность перемещаться более свободно, чем в кристаллической решётке. Это понятие нужно, чтобы отличать изменение агрегатного состояния от обычного нагревания.
Температура плавления — температура, при которой кристаллическое вещество плавится при нормальном давлении. Она зависит от рода вещества, поэтому лёд, железо и алюминий плавятся при разных температурах. По этой величине можно определить вещество или понять, начался ли переход в жидкое состояние.
Удельная теплота плавления — количество теплоты, необходимое для плавления 1 кг вещества при температуре плавления. Её обозначают λ и измеряют в Дж/кг. Эта величина показывает, насколько велики энергетические затраты на плавление разных веществ.
Кристаллизация — переход вещества из жидкого состояния в твёрдое, обратный плавлению. При нём частицы занимают более упорядоченные положения, а вещество отдаёт энергию. Понятие помогает описывать замерзание воды, застывание металла и другие обратные процессы.
При нагревании твёрдого тела частицы колеблются всё быстрее, поэтому растёт его внутренняя энергия. В кристалле частицы удерживаются силами взаимодействия и расположены упорядоченно. Когда энергия становится достаточно большой, колебания нарушают устойчивость решётки, и вещество начинает плавиться.
Во время плавления подводимая теплота расходуется главным образом на разрушение кристаллической решётки. Она увеличивает энергию взаимодействия частиц, а не их среднюю скорость движения. Поэтому температура кристаллического вещества остаётся постоянной до тех пор, пока не расплавится последняя твёрдая часть.
Разные вещества имеют неодинаковое строение и разные силы взаимодействия между частицами. Поэтому для разрушения их решёток нужны разные температуры, а температура плавления получается неодинаковой. Отличаются и энергетические затраты: удельная теплота плавления показывает, сколько энергии требуется для плавления одинаковой массы каждого вещества.
Если вещество уже достигло температуры плавления, количество теплоты находят по формуле Q = λm. Здесь Q — полученная теплота, λ — удельная теплота плавления, а m — масса вещества. Чем больше масса или значение λ, тем больше энергии нужно затратить.
При кристаллизации частицы вновь образуют упорядоченную решётку, поэтому их внутренняя энергия уменьшается. Энергия не исчезает, а передаётся окружающей среде в виде теплоты. При одинаковых массе и веществе выделяется такое же количество теплоты, какое было поглощено при плавлении, но процесс идёт в обратную сторону.
| Свойство | Нагревание твёрдого тела | Плавление | Кристаллизация |
|---|---|---|---|
| Состояние вещества | Твёрдое | Твёрдое и жидкое одновременно | Жидкое и твёрдое одновременно |
| Изменение температуры | Повышается | Не изменяется | Не изменяется |
| Изменение внутренней энергии | Увеличивается | Увеличивается | Уменьшается |
| Поведение частиц | Колеблются быстрее | Решётка разрушается, частицы становятся подвижнее | Частицы образуют упорядоченную решётку |
| Поглощение или выделение теплоты | Поглощается | Поглощается | Выделяется |
| Основная формула | Q = cmΔt | Q = λm | Q = λm, теплота выделяется |
Сначала определите, какой процесс происходит, а затем посмотрите, меняется ли температура. Для нагревания используют теплоёмкость и разность температур, а для плавления или кристаллизации — удельную теплоту фазового перехода. При чтении таблицы также учитывайте направление передачи энергии: при плавлении она подводится, при кристаллизации отдаётся.
Условие: по графику нужно определить температуру плавления вещества и продолжительность плавления. На графике температура растёт от −20 °C до 20 °C за первые 3 минуты, затем остаётся равной 20 °C до 7-й минуты.
Ответ: температура плавления равна 20 °C, продолжительность плавления — 4 минуты.
Условие: нужно расплавить вещество массой 0,5 кг, если λ = 200 кДж/кг. Тело уже находится при температуре плавления, поэтому нагревать его дополнительно не требуется.
Ответ: для плавления необходимо 100 кДж теплоты.
Условие: требуется определить общее количество теплоты для нагревания льда массой m от начальной температуры t₁ до 0 °C и его полного плавления. Удельная теплоёмкость льда равна c, а удельная теплота плавления — λ.
Ответ: общее количество теплоты равно cm(0 − t₁) + λm. Разбиение процесса на этапы помогает не применять формулу плавления к нагреванию.
Считать, что во время плавления температура обязательно повышается, — ошибка. Её допускают, потому что тело продолжает получать энергию, но при плавлении эта энергия разрушает решётку. Проверьте себя по графику: у кристаллического вещества должен быть горизонтальный участок до окончания перехода.
Нельзя применять Q = λm к нагреванию до температуры плавления. Сначала температура изменяется, поэтому используют Q = cmΔt, а формулу плавления — только после достижения температуры плавления. Проверьте, есть ли в условии начальная температура и разность температур.
Температура плавления и удельная теплота плавления — разные величины. Первая измеряется в градусах и описывает условие перехода, вторая — в Дж/кг и описывает затраты энергии. Сверяйте обозначения, единицы измерения и смысл каждой величины.
Нельзя забывать о согласованных единицах. Например, массу переводят в килограммы, если λ дана в Дж/кг, а килоджоули переводят в джоули при необходимости. Перед вычислением проверьте единицы в формуле и запишите промежуточное преобразование.
До изучения плавления нужны знания о внутренней энергии, количестве теплоты, способах её изменения, удельной теплоёмкости и формуле Q = cmΔt. Эти понятия объясняют, откуда берётся энергия и как рассчитывать нагревание.
Дальше тема связана с кипением, парообразованием и тепловым балансом. Формулы для фазовых переходов помогают оценивать энергетические затраты при нагревании, плавлении и превращении вещества в пар.
Молекулярно-кинетическая теория объясняет плавление изменением движения и взаимодействия частиц. Разрушение упорядоченной решётки показывает, почему внутренняя энергия растёт даже при постоянной температуре.
Почему во время плавления температура не повышается?
Получаемая теплота расходуется не на увеличение скорости движения частиц, а на разрушение кристаллической решётки и ослабление связей между частицами. Поэтому температура кристаллического вещества остаётся постоянной до полного плавления.
Плавятся ли все вещества при постоянной температуре?
Кристаллические вещества, например лёд или металл, плавятся при постоянной температуре при неизменном давлении. Аморфные вещества, такие как стекло и пластмасса, размягчаются постепенно и не имеют одной определённой температуры плавления.
Чем температура плавления отличается от удельной теплоты плавления?
Температура плавления показывает, при какой температуре вещество переходит из твёрдого состояния в жидкое. Удельная теплота плавления показывает, сколько теплоты нужно для плавления 1 кг вещества при этой температуре.
Как найти количество теплоты, необходимое для плавления тела?
Если тело уже нагрето до температуры плавления, используют формулу Q = λm. Нужно умножить удельную теплоту плавления вещества на его массу и заранее привести единицы к согласованному виду.
Почему при замерзании выделяется теплота?
При кристаллизации частицы образуют упорядоченную кристаллическую решётку, и их энергия уменьшается. Избыток энергии передаётся окружающей среде, поэтому замерзающее вещество выделяет столько же теплоты, сколько поглотило при плавлении той же массы.
2. Плавление
