7. Топене и кристализация (§ 12-14)
1. Проучете учебния материал
Агрегатни състояния на материята
Топене и кристализация
2. Тествайте себе си. Тестове "Агрегатни състояния", "Топене и втвърдяване"
3. Отговорете на въпросите:
1. Как се променят скоростите на молекулите и празнините между тях по време на процеса на топене и втвърдяване? Кой процес е съпроводен с увеличаване и кой с намаляване на вътрешната енергия на тялото?
2. Какво се случва с леда при нулева температура, ако се постави във вода със същата температура?
3. Какво ще понижи повече температурата на топлата вода: парче лед или същото количество вода при нулева температура?
4. Използвайки таблицата „Точка на топене“, разберете: в какво състояние е калайът при температура 230°C; стомана при температура 1503°C; азот при температура - 215°C?
5. Използвайки графиката, отговорете на въпросите:
Каква е първоначалната телесна температура?
- В кой момент е започнало топенето на тялото?
- С какво вещество са протичали топлинните процеси?
- в какво състояние беше тялото след 3 минути след началото на нагряването?
- Колко време отне тялото да се разтопи?
- в какво състояние беше тялото след 8 минути след началото на нагряването?
6. Изградете графика на топлинните процеси, протичащи в тялото:
вода: 80°С —› - 10°С
Ако ледът се постави в контейнер и се постави върху горяща горелка, контейнерът ще се нагрее и ледът ще започне да се топи. Въпреки това, докато целият лед не се втечни, температурата на водата няма да се повиши над 0°C (32°F), независимо колко горещ е котлонът. Това се дължи на факта, че цялата топлина, подадена към леда, се използва за преодоляване на физическите сили, които свързват молекулите му заедно.
В леда водните молекули се държат заедно чрез междумолекулни връзки, образувани между водородния атом (показан в синьо) на едната молекула и кислородния атом (показан в червено) на другата. Получената шестоъгълна кристална структура има доста висока якост. При 0°C молекулите се движат толкова бързо, че връзките отслабват. Някои от междумолекулните връзки са разкъсани, което позволява на водните молекули да напуснат леда, за да образуват течност. Този процес се нарича фазов преход (водата преминава от твърда фаза в течна фаза), а температурата, при която се случва, се нарича точка на топене.
За да се разрушат връзките, които позволяват на водата да остане в твърдо състояние, е необходима енергия и то в много големи количества, така че цялата топлина, генерирана от горелката, отива за разрушаване на тези връзки, а не за повишаване на температурата на леда. Топлината, необходима за завършване на фазовата трансформация, описана по-горе, се нарича латентна топлина на топене или топлина на фазова промяна, тъй като тази топлина не предизвиква повишаване на температурата. Едва след като и последните връзки се разкъсат и целият лед се разтопи, температурата на водата ще започне да се повишава и ще стане над 0°C.
Как се топи ледът?
- В леда водните молекули се движат толкова бавно, че винаги остават свързани една с друга, образувайки твърдо тяло. Когато се приложи топлина към леда (показан като жълти топки на снимката вдясно), водните молекули получават допълнителна енергия и се движат по-бързо, но все още са свързани заедно като лед.
- Ако подаването на топлина продължи, водните молекули на ледената повърхност увеличават скоростта на своите вибрационни движения, разрушавайки междумолекулните връзки, които преди това са ги държали на място. Тези молекули напускат леда и образуват течната фаза на водата. По-нататъшното подаване на топлина води до разрушаване на останалите междумолекулни връзки и постепенното топене на леда.
- Продължителното добавяне на топлина в крайна сметка дава на последните от замръзналите водни молекули достатъчно енергия, за да преодолеят междумолекулните връзки, които ги държат заедно като лед. Сега цялата вода е станала течна.
Лед, вода и температура
Когато се подаде топлина към леда (фигурата вляво), температурата му първо се повишава. Въпреки това, при 0°C (32°F), повишаването на температурата спира и настъпва фазов преход: ледът започва да се топи. Както показва синята крива на графиката, допълнителното подаване на топлина води до по-нататъшно топене на леда, без да се повишава температурата на водата. Едва след като целият лед премине в течно състояние (фигурата над текста), допълнителното подаване на топлина води до повишаване на температурата на водата.
Преминаването на веществото от твърдо кристално състояние в течно се нарича топене. За да се разтопи твърдо кристално тяло, то трябва да се нагрее до определена температура, тоест трябва да се подаде топлина.Температурата, при която веществото се топи, се наричаточка на топене на веществото.
Обратният процес - преходът от течно към твърдо състояние - се случва, когато температурата се понижи, т.е. топлината се отвежда. Преминаването на веществото от течно в твърдо състояние се наричазакаляване , или кристаллизация . Температурата, при която веществото кристализира, се наричакристална температурации .
Опитът показва, че всяко вещество кристализира и се топи при една и съща температура.
Фигурата показва графика на температурата на кристално тяло (лед) спрямо времето за нагряване (от точката Акъм основния въпрос Д)и време за охлаждане (от точка дкъм основния въпрос К). Той показва времето по хоризонталната ос и температурата по вертикалната ос.
Графиката показва, че наблюдението на процеса започва от момента, в който температурата на леда е -40 ° C, или, както се казва, температурата в началния момент от време Tначало= -40 °C (точка Ана графиката). При по-нататъшно нагряване температурата на леда се повишава (на графиката това е секцията AB). Температурата се повишава до 0 °C - температурата на топене на леда. При 0°C ледът започва да се топи и температурата му спира да се повишава. През цялото време на топене (т.е. докато целият лед се разтопи), температурата на леда не се променя, въпреки че горелката продължава да гори и следователно се подава топлина. Процесът на топене съответства на хоризонталния участък на графиката слънце . Едва след като целият лед се стопи и се превърне във вода, температурата започва да се повишава отново (раздел CD). След като температурата на водата достигне +40 °C, горелката се изгасва и водата започва да се охлажда, т.е. топлината се отстранява (за целта можете да поставите съд с вода в друг, по-голям съд с лед). Температурата на водата започва да намалява (раздел DE). Когато температурата достигне 0 °C, температурата на водата спира да се понижава, въпреки факта, че топлината все още се отстранява. Това е процесът на кристализация на водата - образуване на лед (хоризонтален разрез Е.Ф.). Докато цялата вода не се превърне в лед, температурата няма да се промени. Едва след това температурата на леда започва да намалява (раздел FK).
Появата на разглежданата графика се обяснява по следния начин. Местоположение на ABБлагодарение на подадената топлина средната кинетична енергия на ледените молекули се увеличава и температурата му се повишава. Местоположение на слънцецялата енергия, получена от съдържанието на колбата, се изразходва за разрушаването на кристалната решетка на леда: подреденото пространствено разположение на неговите молекули се заменя с неподредено, разстоянието между молекулите се променя, т.е. Молекулите се пренареждат по такъв начин, че веществото става течно. Средната кинетична енергия на молекулите не се променя, така че температурата остава непроменена. По-нататъшно повишаване на температурата на разтопената ледена вода (в района CD) означава увеличаване на кинетичната енергия на водните молекули поради топлината, доставяна от горелката.
При охлаждане на вода (раздел DE) част от енергията му се отнема, водните молекули се движат с по-ниски скорости, средната им кинетична енергия пада - температурата намалява, водата се охлажда. При 0°C (хоризонтален участък Е.Ф.) молекулите започват да се подреждат в определен ред, образувайки кристална решетка. Докато този процес не приключи, температурата на веществото няма да се промени, въпреки отнетата топлина, което означава, че при втвърдяване течността (водата) отделя енергия. Това е точно енергията, която ледът пое, превръщайки се в течност (раздел слънце). Вътрешната енергия на течността е по-голяма от тази на твърдото тяло. По време на топенето (и кристализацията) вътрешната енергия на тялото се променя рязко.
Наричат се метали, които се топят при температура над 1650 ºС огнеупорен(титан, хром, молибден и др.). Волфрамът има най-висока точка на топене сред тях - около 3400 ° C. Огнеупорните метали и техните съединения се използват като топлоустойчиви материали в самолетостроенето, ракетната и космическата техника и ядрената енергетика.
Нека подчертаем още веднъж, че при топене веществото поглъща енергия. По време на кристализация, напротив, той го освобождава в околната среда. Получавайки определено количество топлина, отделена по време на кристализацията, средата се нагрява. Това е добре известно на много птици. Нищо чудно, че могат да се видят през зимата в мразовито време, седнали върху леда, който покрива реки и езера. Поради освобождаването на енергия при образуването на лед, въздухът над него е с няколко градуса по-топъл, отколкото в дърветата в гората, и птиците се възползват от това.
Топене на аморфни вещества.
Наличие на определен точки на топене- Това е важна характеристика на кристалните вещества. Именно по този признак те могат лесно да бъдат разграничени от аморфните тела, които също се класифицират като твърди тела. Те включват по-специално стъкло, много вискозни смоли и пластмаси.
Аморфни вещества(за разлика от кристалните) нямат определена точка на топене - не се топят, а се размекват. При нагряване парче стъкло, например, първо става меко от твърдо, лесно може да се огъне или разтегне; при по-висока температура парчето започва да променя формата си под въздействието на собствената си гравитация. При нагряване гъстата вискозна маса приема формата на съда, в който се намира. Тази маса първо е гъста, като мед, след това като заквасена сметана и накрая става почти същата течност с нисък вискозитет като водата. Тук обаче е невъзможно да се посочи определена температура на преход на твърдо вещество в течност, тъй като тя не съществува.
Причините за това се крият в фундаменталната разлика в структурата на аморфните тела от структурата на кристалните. Атомите в аморфните тела са подредени произволно. Аморфните тела по своята структура наподобяват течности. Вече в твърдото стъкло атомите са подредени произволно. Това означава, че повишаването на температурата на стъклото само увеличава обхвата на вибрациите на неговите молекули, давайки им постепенно все по-голяма свобода на движение. Следователно стъклото омеква постепенно и не проявява рязък преход "твърдо-течно", характерен за прехода от подреждането на молекулите в строг ред към безпорядък.
Топлина на топене.
Топлина на топене- това е количеството топлина, което трябва да се предаде на вещество при постоянно налягане и постоянна температура, равна на точката на топене, за да се трансформира напълно от твърдо кристално състояние в течно. Топлината на топене е равна на количеството топлина, което се отделя по време на кристализацията на вещество от течно състояние. По време на топенето цялата топлина, предоставена на веществото, отива за увеличаване на потенциалната енергия на неговите молекули. Кинетичната енергия не се променя, тъй като топенето се извършва при постоянна температура.
Чрез експериментално изследване на топенето на различни вещества с еднаква маса може да се забележи, че са необходими различни количества топлина, за да се превърнат в течност. Например, за да разтопите един килограм лед, трябва да изразходвате 332 J енергия, а за да разтопите 1 kg олово - 25 kJ.
Количеството топлина, отделено от тялото, се счита за отрицателно. Следователно, когато се изчислява количеството топлина, отделена по време на кристализацията на вещество с маса м, трябва да използвате същата формула, но със знак минус:
Топлина на изгаряне.
Топлина на изгаряне(или калорична стойност, съдържание на калории) е количеството топлина, отделена при пълното изгаряне на горивото.
За нагряване на тела често се използва енергията, отделена при изгарянето на горивото. Конвенционалното гориво (въглища, петрол, бензин) съдържа въглерод. По време на горенето въглеродните атоми се комбинират с кислородните атоми във въздуха, за да образуват молекули въглероден диоксид. Кинетичната енергия на тези молекули се оказва по-голяма от тази на оригиналните частици. Увеличаването на кинетичната енергия на молекулите по време на горенето се нарича освобождаване на енергия. Енергията, отделена при пълното изгаряне на горивото, е топлината на изгаряне на това гориво.
Топлината на изгаряне на горивото зависи от вида на горивото и неговата маса. Колкото по-голяма е масата на горивото, толкова по-голямо количество топлина се отделя при пълното му изгаряне.
Физическото количество, което показва колко топлина се отделя при пълно изгаряне на гориво с тегло 1 kg, се нарича специфична топлина на изгаряне на горивото.Специфичната топлина на изгаряне се обозначава с букватари се измерва в джаули на килограм (J/kg).
Количество топлина Qотделени при горенето м kg гориво се определя по формулата:
За да се намери количеството топлина, отделена при пълното изгаряне на гориво с произволна маса, специфичната топлина на изгаряне на това гориво трябва да се умножи по неговата маса.
Самостоятелна работа по физика Агрегатни състояния на материята Топене и втвърдяване на кристални тела за ученици от 8 клас. Самостоятелната работа се състои от 2 варианта, всеки с по 5 задачи.
1 вариант
1. Как се променят скоростите на молекулите и пространствата между тях по време на процеса на топене и втвърдяване? Кой процес е съпроводен с увеличаване и кой с намаляване на вътрешната енергия?
2. Какво се случва с леда при нулева температура, ако се постави във вода със същата температура?
3. Какво ще понижи повече температурата на топлата вода: парче лед или същото количество вода при нулева температура?
4. През есента остана вода в тръбите, а през пролетта се оказа, че тръбите са се спукали. Защо?
5. Понякога на предното стъкло на кола се появяват чипове и звезди. Причина за това са ударите на камъни от автомобили отпред. Защо тези дефекти на стъклото трябва да бъдат отстранени преди първата слана?
Вариант 2
1. Калайът се прехвърля от едно агрегатно състояние в друго. Станало ли е твърдо или разтопено, ако е известно, че е увеличило вътрешната си енергия?
2. В какъв случай водата ще се нагрее до по-висока температура: ако в нея се излее течен калай при температурата на втвърдяване или в нея се хвърли твърд калай при температурата на топене?
3. Защо голям съд с вода, поставен в мазето, спасява зеленчуците от първата слана?
4. Понякога бутилките с вода, оставени във фризера, се пукат. Защо?
5. Къде и кога се образуват ледени висулки?
Отговори на самостоятелна работа по физика Агрегатни състояния на материята Топене и втвърдяване на кристални тела
1 вариант
1. При топене скоростта на молекулите се увеличава, а при втвърдяване, напротив, намалява. При топене вътрешната енергия се увеличава, при втвърдяване намалява.
2. Ледът определено ще плува във вода, тъй като плътността на леда е по-малка от плътността на водата, но ледът определено няма да се стопи, тъй като няма да получи топлина за топене от водата, тъй като топлообменът при същата температура е невъзможен.
3. Парче лед, тъй като освен за нагряване, малко топлина ще се изразходва за топене на леда.
4. Когато водата замръзне, тя се разширява.
5. Тъй като водата ще попадне в тези чипове и при замръзване обемът на леда ще бъде по-голям от обема на водата и ледът ще продължи да разрушава стъклото, увеличавайки размера на чипа и пукнатината.
Вариант 2
1. Разтопи се, защото увеличи вътрешната енергия. А закаляването се характеризира с това, че освобождава тази енергия.
2. Ако излеете течен калай при температурата на втвърдяване.
3. Ако има внезапно застудяване, водата ще замръзне. Когато водата замръзне, се отделя малко топлина.
4. При замръзване обемът на водата се увеличава.
5. Ледени висулки се образуват, когато водата от място, където температурата е над нулата, тече бавно към мястото, където температурата е под нулата. Например: слънцето загрява покрива и снегът се топи върху него.
