Плавление и кристаллизация в физике

Плавление и кристаллизация

Переход вещества из твёрдого кристаллического состояния в жидкое называется плавлением. Чтобы расплавить твёрдое кристаллическое тело, его нужно нагреть до определённой температуры, т. е. подвести тепло. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества. Обратный процесс — переход из жидкого состояния в твёрдое — происходит при понижении температуры, т. е. тепло отводится.

Переход вещества из жидкого состояния в твёрдое называется отвердеванием, или кристаллизацией. Температура, при которой вещество кристаллизуется, называется температурой кристаллизации.

Опыт показывает, что любое вещество кристаллизуется и плавится при одной и той же температуре. На рис. 73 представлен график зависимости температуры кристаллического тела (льда) от времени нагревания (от точки до точки ) и времени охлаждения (от точки до точки ). На нём по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — температура.

Рис. 73

Вид рассмотренного графика объясняется следующим образом. На участке благодаря подводимому теплу средняя кинетическая энергия молекул льда увеличивается, и температура его повышается. На участке вся энергия, получаемая содержимым колбы, тратится на разрушение кристаллической решётки льда: упорядоченное пространственное расположение его молекул сменяется неупорядоченным, меняется расстояние между молекулами, т.е. происходит перестройка молекул таким образом, что вещество становится жидким. Средняя кинетическая энергия молекул при этом не меняется, поэтому неизменной остаётся и температура. Дальнейшее увеличение температуры расплавленного льда-воды (на участке ) означает увеличение кинетической энергии молекул воды вследствие подводимого горелкой тепла.

При охлаждении воды (участок ) часть энергии у неё отбирается, молекулы воды движутся с меньшими скоростями, их средняя кинетическая энергия падает — температура уменьшается, вода охлаждается. При О °C (горизонтальный участок ) молекулы начинают выстраиваться в определённом порядке, образуя кристаллическую решётку. Пока этот процесс не завершится, температура вещества не изменится, несмотря на отводимое тепло, а это означает, что при отвердевании жидкость (вода) выделяет энергию. Это как раз та энергия, которую поглотил лёд, превращаясь в жидкость (участок ). Внутренняя энергия у жидкости больше, чем у твёрдого тела. Пока вся вода не превратится в лёд, температура не изменится. Лишь после этого начинает уменьшаться температура льда (участок ). При плавлении (и кристаллизации) внутренняя энергия тела меняется скачком.

Подчеркнем ещё раз, что при плавлении вещество поглощает энергию. При кристаллизации оно, наоборот, отдаёт её в окружающую среду. Получая определённое количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, среда нагревается. Это хорошо известно многим птицам. Недаром их можно заметить зимой в морозную погоду сидящими на льду, который покрывает реки и озера. Из-за выделения энергии при образовании льда воздух над ним оказывается на несколько градусов теплее, чем в лесу на деревьях, и птицы этим пользуются.

Наличие определённой точки плавления — это важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их можно легко отличить от аморфных тел, которые также относят к твёрдым телам. К ним, в частности, относятся стёкла, очень вязкие смолы, пластмассы.

Аморфные вещества (в отличие от кристаллических) не имеют определённой температуры плавления — они не плавятся, а размягчаются. При нагревании кусок стекла, например, сначала становится из твёрдого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает менять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса принимает форму того сосуда, в котором лежит. Эта масса сначала густая, как мёд, затем — как сметана и наконец становится почти такой же маловязкой, как вода. Однако указать определённую температуру перехода твёрдого тела в жидкое здесь невозможно, поскольку её нет.

Причины этого лежат в коренном отличии строения аморфных тел от строения кристаллических. Атомы в аморфных телах расположены беспорядочно. Аморфные тела по своему строению напоминают жидкости. Значит, повышение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, даёт им постепенно всё большую и большую свободу перемещения. Поэтому стекло размягчается постепенно и не обнаруживает резкого перехода «твёрдое — жидкое».

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твёрдого кристаллического состояния в жидкое.
Теплота плавления равна тому количеству теплоты, которое выделяется при кристаллизации вещества из жидкого состояния.
При плавлении вся подводимая к веществу теплота идёт на увеличение потенциальной энергии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идёт при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить 1 кг льда, нужно затратить 332 Дж энергии, а 1 кг свинца — 25 кДж.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления. Её измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обозначают греческой буквой (лямбда).
Удельная теплота кристаллизации равна удельной теплоте плавления, поскольку при кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении.

Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела произвольной массы, или теплоту плавления, надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:
Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчёте количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой , следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:


Теплота сгорания — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обычное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.
Удельную теплоту сгорания обозначают буквой и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).
Количество теплоты , выделяющееся при сгорании кг топлива, определяют по формуле:

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.



Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:

Предмет физика

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Теплота парообразования в физике
Влажность воздуха в физике
Внутренняя энергия в физике
Внутренняя энергия идеального одноатомного газа в физике