7. Peleburan dan kristalisasi (§ 12-14)
1. Pelajari materi pendidikan
Keadaan agregat materi
Peleburan dan kristalisasi
2. Uji diri Anda sendiri. Tes "Keadaan agregat materi", "Pencairan dan pemadatan"
3. Jawablah pertanyaan:
1. Bagaimana kecepatan molekul dan jarak antar molekul berubah selama proses peleburan dan pemadatan? Proses mana yang disertai dengan peningkatan dan proses manakah yang disertai dengan penurunan energi internal tubuh?
2. Apa yang terjadi pada es yang bersuhu nol jika dimasukkan ke dalam air yang bersuhu sama?
3. Apa yang lebih menurunkan suhu air hangat: sepotong es atau jumlah air yang sama pada suhu nol?
4. Dengan menggunakan tabel “Titik Leleh”, cari tahu: dalam keadaan apa timah pada suhu 230°C; baja pada suhu 1503°C; nitrogen pada suhu - 215°C?
5. Dengan menggunakan grafik, jawablah pertanyaan:
Berapa suhu tubuh awal?
- Pada titik waktu manakah pencairan tubuh dimulai?
- Dengan zat apa proses termal terjadi?
- bagaimana keadaan tubuh 3 menit setelah dimulainya pemanasan?
- Berapa lama waktu yang dibutuhkan tubuh untuk meleleh?
- bagaimana keadaan tubuh 8 menit setelah dimulainya pemanasan?
6. Buatlah grafik proses termal yang terjadi di dalam tubuh:
air: 80°С —› - 10°С
Jika es dimasukkan ke dalam wadah dan diletakkan di atas kompor yang menyala, wadah tersebut akan memanas dan es akan mulai mencair. Namun, hingga seluruh es mencair, suhu air tidak akan naik melebihi 0°C (32°F), tidak peduli seberapa panas kompornya. Hal ini terjadi karena semua panas yang disuplai ke es digunakan untuk mengatasi gaya fisik yang mengikat molekul-molekulnya.
Dalam es, molekul air disatukan oleh ikatan antarmolekul yang terbentuk antara atom hidrogen (ditunjukkan dengan warna biru) dari satu molekul dan atom oksigen (ditunjukkan dengan warna merah) dari molekul lainnya. Struktur kristal heksagonal yang dihasilkan mempunyai kekuatan yang cukup tinggi. Pada suhu 0°C, molekul bergerak sangat cepat sehingga ikatannya melemah. Beberapa ikatan antarmolekul terputus, sehingga molekul air meninggalkan es dan membentuk cairan. Proses ini disebut transisi fasa (air berubah dari fasa padat menjadi fasa cair), dan suhu terjadinya disebut titik leleh.
Untuk memutus ikatan yang memungkinkan air tetap dalam keadaan padat, diperlukan energi, dan dalam jumlah yang sangat besar, sehingga semua panas yang dihasilkan oleh pembakar digunakan untuk memutus ikatan tersebut, dan bukan untuk meningkatkan suhu es. Panas yang diperlukan untuk menyelesaikan transformasi fasa yang dijelaskan di atas disebut panas laten peleburan atau panas perubahan fasa, karena panas ini tidak menyebabkan kenaikan suhu. Hanya setelah ikatan terakhir terputus dan semua es mencair barulah suhu air mulai meningkat dan menjadi di atas 0°C.
Bagaimana es mencair?
- Di dalam es, molekul air bergerak sangat lambat sehingga selalu terhubung satu sama lain, membentuk benda padat. Ketika panas diterapkan pada es (ditunjukkan sebagai bola kuning pada gambar di sebelah kanan), molekul air memperoleh energi tambahan dan bergerak lebih cepat, namun masih terikat bersama sebagai es.
- Jika pasokan panas terus berlanjut, molekul air di permukaan es akan meningkatkan kecepatan gerakan getarannya, memutus ikatan antarmolekul yang sebelumnya menahannya. Molekul-molekul ini meninggalkan es dan membentuk fase cair air. Pasokan panas lebih lanjut menyebabkan rusaknya ikatan antarmolekul yang tersisa dan pencairan es secara bertahap.
- Penambahan panas yang terus menerus pada akhirnya memberikan energi yang cukup pada molekul air beku terakhir untuk mengatasi ikatan antarmolekul yang menyatukan mereka sebagai es. Semua air kini menjadi cair.
Es, air dan suhu
Ketika panas disuplai ke es (gambar di sebelah kiri), suhunya pertama kali meningkat. Namun, pada 0°C (32°F), kenaikan suhu berhenti dan terjadi transisi fase: es mulai mencair. Seperti yang ditunjukkan oleh kurva biru pada grafik, masukan panas tambahan menyebabkan es semakin mencair tanpa meningkatkan suhu air. Hanya setelah semua es berubah menjadi cair (gambar di atas teks) barulah pasokan panas tambahan menyebabkan peningkatan suhu air.
Peralihan suatu zat dari wujud kristal padat menjadi cair disebut meleleh. Untuk melelehkan benda kristal padat, ia harus dipanaskan sampai suhu tertentu, yaitu panas harus disuplai.Suhu ketika suatu zat melebur disebuttitik leleh zat tersebut.
Proses sebaliknya—transisi dari wujud cair ke wujud padat—terjadi ketika suhu menurun, yaitu panas dihilangkan. Perubahan wujud zat dari cair menjadi padat disebutpengerasan , atau kristallisasi . Suhu saat suatu zat mengkristal disebutsuhu kristaltions .
Pengalaman menunjukkan bahwa zat apa pun mengkristal dan meleleh pada suhu yang sama.
Gambar tersebut menunjukkan grafik suhu benda kristal (es) versus waktu pemanasan (dari titik A ke titik D) dan waktu pendinginan (dari titik D ke titik K). Ini menunjukkan waktu sepanjang sumbu horizontal, dan suhu sepanjang sumbu vertikal.
Grafik menunjukkan bahwa pengamatan proses dimulai dari saat suhu es mencapai -40 °C, atau, seperti yang mereka katakan, suhu pada saat awal. Tawal= -40 °C (titik A pada grafik). Dengan pemanasan lebih lanjut, suhu es meningkat (pada grafik ini adalah bagiannya AB). Suhu meningkat hingga 0 °C - suhu leleh es. Pada suhu 0°C, es mulai mencair dan suhunya berhenti naik. Selama seluruh waktu pencairan (yaitu sampai semua es mencair), suhu es tidak berubah, meskipun pembakar terus menyala dan oleh karena itu, panas disuplai. Proses peleburan sesuai dengan bagian horizontal grafik Matahari . Hanya setelah semua es mencair dan berubah menjadi air barulah suhu mulai naik kembali (bagian CD). Setelah suhu air mencapai +40 °C, pembakar padam dan air mulai mendingin, yaitu panas dihilangkan (untuk melakukan ini, Anda dapat menempatkan bejana berisi air di bejana lain yang lebih besar berisi es). Suhu air mulai menurun (bagian DE). Ketika suhu mencapai 0 °C, suhu air berhenti turun, meskipun panas tetap dihilangkan. Ini adalah proses kristalisasi air - pembentukan es (bagian horizontal EF). Sampai semua air berubah menjadi es, suhunya tidak akan berubah. Baru setelah itu suhu es mulai menurun (bagian FK).
Kemunculan grafik yang diperhatikan dijelaskan sebagai berikut. Lokasi aktif AB Karena panas yang diberikan, energi kinetik rata-rata molekul es meningkat dan suhunya meningkat. Lokasi aktif Matahari semua energi yang diterima oleh isi labu dihabiskan untuk penghancuran kisi kristal es: susunan spasial molekul-molekulnya yang teratur digantikan oleh yang tidak teratur, jarak antar molekul berubah, mis. Molekul-molekul tersebut disusun ulang sedemikian rupa sehingga zat menjadi cair. Energi kinetik rata-rata molekul tidak berubah, sehingga suhunya tidak berubah. Peningkatan lebih lanjut pada suhu air es cair (di area tersebut CD) berarti peningkatan energi kinetik molekul air akibat panas yang disuplai oleh burner.
Saat mendinginkan air (bagian DE) sebagian energi diambil darinya, molekul air bergerak dengan kecepatan lebih rendah, energi kinetik rata-ratanya turun - suhu menurun, air menjadi dingin. Pada 0°C (bagian horizontal EF) molekul mulai berbaris dalam urutan tertentu, membentuk kisi kristal. Sampai proses ini selesai, suhu zat tidak akan berubah meskipun panasnya dihilangkan, yang berarti ketika membeku, cairan (air) melepaskan energi. Inilah energi yang diserap es, berubah menjadi cair (bagian Matahari). Energi dalam zat cair lebih besar dibandingkan energi dalam zat padat. Selama peleburan (dan kristalisasi), energi internal tubuh berubah secara tiba-tiba.
Logam yang meleleh pada suhu diatas 1650 ºС disebut tahan panas(titanium, kromium, molibdenum, dll.). Tungsten memiliki titik leleh tertinggi di antara semuanya - sekitar 3400 °C. Logam tahan api dan senyawanya digunakan sebagai bahan tahan panas dalam konstruksi pesawat terbang, teknologi roket dan luar angkasa, serta energi nuklir.
Mari kita tekankan sekali lagi bahwa ketika meleleh, suatu zat menyerap energi. Sebaliknya, selama kristalisasi, ia melepaskannya ke lingkungan. Menerima sejumlah panas yang dilepaskan selama kristalisasi, medium memanas. Hal ini diketahui oleh banyak burung. Tak heran jika mereka terlihat di musim dingin dalam cuaca dingin sambil duduk di atas es yang menutupi sungai dan danau. Karena pelepasan energi saat es terbentuk, udara di atasnya menjadi beberapa derajat lebih hangat dibandingkan di pepohonan di hutan, dan burung memanfaatkan hal ini.
Mencairnya zat amorf.
Ketersediaan tertentu titik leleh- Ini adalah fitur penting dari zat kristal. Dengan ciri inilah mereka dapat dengan mudah dibedakan dari benda amorf, yang juga diklasifikasikan sebagai benda padat. Ini termasuk, khususnya, kaca, resin yang sangat kental, dan plastik.
Zat amorf(tidak seperti kristal) tidak memiliki titik leleh tertentu - tidak meleleh, tetapi melunak. Ketika dipanaskan, sepotong kaca, misalnya, mula-mula menjadi lunak dari keras, mudah ditekuk atau diregangkan; pada suhu yang lebih tinggi, potongan tersebut mulai berubah bentuk karena pengaruh gravitasinya sendiri. Saat memanas, massa kental yang kental mengambil bentuk wadah tempatnya berada. Massa ini mula-mula kental, seperti madu, kemudian seperti krim asam, dan akhirnya menjadi cairan dengan viskositas rendah yang hampir sama dengan air. Namun, tidak mungkin untuk menunjukkan suhu transisi tertentu dari benda padat menjadi cair di sini, karena suhu tersebut tidak ada.
Alasannya terletak pada perbedaan mendasar antara struktur benda amorf dan struktur benda kristal. Atom-atom dalam benda amorf tersusun secara acak. Benda amorf menyerupai cairan dalam strukturnya. Sudah dalam kaca padat, atom-atomnya tersusun secara acak. Artinya, peningkatan suhu kaca hanya akan meningkatkan rentang getaran molekul-molekulnya, sehingga memberikan kebebasan bergerak yang semakin besar secara bertahap. Oleh karena itu, kaca melunak secara bertahap dan tidak menunjukkan transisi “padat-cair” yang tajam, yang merupakan karakteristik transisi dari susunan molekul dalam urutan yang ketat ke yang tidak teratur.
Panasnya fusi.
Panas Mencair- ini adalah jumlah panas yang harus diberikan pada suatu zat pada tekanan konstan dan suhu konstan sama dengan titik leleh agar dapat sepenuhnya mengubahnya dari wujud kristal padat menjadi cair. Panas peleburan sama dengan jumlah panas yang dilepaskan selama kristalisasi suatu zat dari wujud cair. Selama peleburan, semua panas yang disuplai ke suatu zat digunakan untuk meningkatkan energi potensial molekulnya. Energi kinetiknya tidak berubah karena peleburan terjadi pada suhu konstan.
Dengan mempelajari secara eksperimental peleburan berbagai zat dengan massa yang sama, kita dapat melihat bahwa jumlah panas yang berbeda diperlukan untuk mengubahnya menjadi cairan. Misalnya, untuk mencairkan satu kilogram es, Anda perlu mengeluarkan energi sebesar 332 J, dan untuk melelehkan 1 kg timbal - 25 kJ.
Jumlah panas yang dikeluarkan tubuh dianggap negatif. Oleh karena itu, ketika menghitung jumlah panas yang dilepaskan selama kristalisasi suatu zat bermassa M, sebaiknya gunakan rumus yang sama, tetapi dengan tanda minus:
Panas pembakaran.
Panas pembakaran(atau nilai kalori, kandungan kalori) adalah jumlah panas yang dilepaskan selama pembakaran sempurna bahan bakar.
Untuk memanaskan benda, energi yang dilepaskan selama pembakaran bahan bakar sering digunakan. Bahan bakar konvensional (batubara, minyak, bensin) mengandung karbon. Selama pembakaran, atom karbon bergabung dengan atom oksigen di udara untuk membentuk molekul karbon dioksida. Energi kinetik molekul-molekul ini ternyata lebih besar daripada energi kinetik partikel aslinya. Peningkatan energi kinetik molekul selama pembakaran disebut pelepasan energi. Energi yang dilepaskan selama pembakaran sempurna bahan bakar adalah panas pembakaran bahan bakar tersebut.
Panas pembakaran bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar dan massanya. Semakin besar massa bahan bakar, semakin besar jumlah panas yang dilepaskan selama pembakaran sempurna.
Besaran fisis yang menunjukkan banyaknya kalor yang dilepaskan pada pembakaran sempurna suatu bahan bakar bermassa 1 kg disebut panas spesifik pembakaran bahan bakar.Panas spesifik pembakaran ditunjukkan dengan hurufQdan diukur dalam joule per kilogram (J/kg).
Jumlah panas Q dilepaskan pada saat pembakaran M kg bahan bakar ditentukan dengan rumus:
Untuk mengetahui jumlah kalor yang dilepaskan selama pembakaran sempurna suatu bahan bakar dengan massa berapa pun, kalor jenis pembakaran bahan bakar tersebut harus dikalikan dengan massanya.
Pekerjaan mandiri dalam fisika Keadaan agregat materi Peleburan dan pemadatan benda kristal untuk siswa kelas 8. Pekerjaan mandiri terdiri dari 2 pilihan, masing-masing dengan 5 tugas.
1 pilihan
1. Bagaimana kecepatan molekul dan jarak antar molekul berubah selama proses peleburan dan pemadatan? Proses manakah yang disertai dengan peningkatan dan proses manakah yang disertai dengan penurunan energi dalam?
2. Apa yang terjadi pada es yang bersuhu nol jika dimasukkan ke dalam air yang bersuhu sama?
3. Apa yang lebih menurunkan suhu air hangat: sepotong es atau jumlah air yang sama pada suhu nol?
4. Pada musim gugur, air tertinggal di dalam pipa, dan pada musim semi ternyata pipa tersebut pecah. Mengapa?
5. Terkadang keripik dan bintang muncul di kaca depan mobil. Penyebabnya adalah hantaman batu dari mobil di depannya. Mengapa cacat kaca ini perlu dihilangkan sebelum embun beku pertama?
pilihan 2
1. Timah dipindahkan dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya. Apakah ia menjadi padat atau meleleh jika diketahui energi dalamnya meningkat?
2. Dalam hal apa air akan memanas hingga suhu yang lebih tinggi: jika timah cair dituangkan ke dalamnya pada suhu pemadatan atau timah padat dimasukkan ke dalamnya pada suhu leleh?
3. Mengapa bejana besar berisi air yang ditempatkan di ruang bawah tanah menyelamatkan sayuran dari embun beku pertama?
4. Terkadang botol air yang tertinggal di freezer retak. Mengapa?
5. Di mana dan kapan es terbentuk?
Jawaban atas karya independen dalam fisika Keadaan agregat materi Peleburan dan pemadatan benda kristal
1 pilihan
1. Saat meleleh, kecepatan molekul meningkat; saat mengeras, sebaliknya menurun. Saat meleleh, energi internal meningkat; saat mengeras, energi internal berkurang.
2. Es pasti akan mengapung di dalam air, karena massa jenis es lebih kecil dari massa jenis air, tetapi es pasti tidak akan meleleh, karena tidak akan menerima panas untuk mencair dari air, karena pertukaran panas pada suhu yang sama tidak mungkin dilakukan.
3. Sepotong es, karena selain memanaskan, sebagian panas akan digunakan untuk mencairkan es.
4. Air yang membeku akan memuai.
5. Karena air akan masuk ke dalam serpihan-serpihan ini dan ketika dibekukan, volume es akan lebih besar daripada volume air dan es akan terus menghancurkan kaca, sehingga memperbesar ukuran serpihan dan retakan.
pilihan 2
1. Meleleh karena meningkatkan energi dalam. Dan pengerasan ditandai dengan pelepasan energi ini.
2. Jika Anda menuangkan timah cair pada suhu pemadatan.
3. Jika tiba-tiba cuaca dingin, air akan membeku. Saat air membeku, sebagian panas dilepaskan.
4. Saat dibekukan, volume air bertambah.
5. Es terbentuk ketika air dari tempat yang suhunya di atas titik beku mengalir perlahan ke tempat yang suhunya di bawah nol. Misalnya: matahari menghangatkan atap dan salju mencair di atasnya.
