Na tej lekcji omówimy pojęcie „ciepła właściwego topnienia”. Wartość ta charakteryzuje ilość ciepła, jaką należy przekazać 1 kg substancji w jej temperaturze topnienia, aby stan stały zamienił się w ciecz (lub odwrotnie).
Przeanalizujemy wzór na znalezienie ilości ciepła potrzebnego do stopienia (lub uwolnienia podczas krystalizacji) substancji.
Temat: Zbiorcze stany materii
Lekcja: Ciepło właściwe topnienia
Ta lekcja poświęcona jest głównej charakterystyce topnienia (krystalizacji) substancji - ciepłu właściwemu topnienia.
Na ostatniej lekcji poruszyliśmy kwestię: jak zmienia się energia wewnętrzna ciała podczas topnienia?
Odkryliśmy, że po dodaniu ciepła energia wewnętrzna ciała wzrasta. Jednocześnie wiemy, że energię wewnętrzną ciała można scharakteryzować za pomocą takiego pojęcia jak temperatura. Jak już wiemy, temperatura nie zmienia się podczas topienia. Można zatem podejrzewać, że mamy do czynienia z paradoksem: energia wewnętrzna wzrasta, ale temperatura się nie zmienia.
Wyjaśnienie tego faktu jest dość proste: cała energia jest wydawana na zniszczenie sieci krystalicznej. Odwrotny proces jest podobny: podczas krystalizacji cząsteczki substancji łączą się ujednolicony system, natomiast nadmiar energii jest oddawany i pochłaniany przez środowisko zewnętrzne.
W wyniku różnych eksperymentów udało się ustalić, że ta sama substancja potrzebuje różnej ilości ciepła, aby przejść ze stanu stałego w ciekły.
Następnie zdecydowano się porównać te ilości ciepła z tą samą masą substancji. Doprowadziło to do pojawienia się takiej cechy, jak ciepło właściwe topnienia.
Definicja
Ciepło właściwe topnienia- ilość ciepła, jaką należy przekazać 1 kg substancji ogrzanej do temperatury topnienia, aby przejść ze stanu stałego w ciekły.
Taka sama ilość uwalnia się podczas krystalizacji 1 kg substancji.
Oznacza się je ciepłem właściwym topnienia (grecka litera czytana jako „lambda” lub „lambda”).
Jednostki: . W w tym przypadku w wymiarze nie ma temperatury, ponieważ podczas topienia (krystalizacji) temperatura się nie zmienia.
Aby obliczyć ilość ciepła potrzebną do stopienia substancji, stosuje się wzór:
Ilość ciepła (J);
Specyficzne ciepło topnienia (które szuka się w tabeli;
Masa substancji.
Kiedy ciało się krystalizuje, jest to zapisywane ze znakiem „-”, ponieważ wydziela się ciepło.
Przykładem jest ciepło właściwe topnienia lodu:
. Lub ciepło właściwe topnienia żelaza:
.
Nie powinien dziwić fakt, że ciepło właściwe topnienia lodu okazało się większe od ciepła właściwego topnienia żelaza. Ilość ciepła potrzebna do stopienia danej substancji zależy od właściwości substancji, w szczególności od energii wiązań między cząsteczkami tej substancji.
Na tej lekcji przyjrzeliśmy się pojęciu ciepła właściwego topnienia.
Na następnej lekcji nauczymy się rozwiązywać problemy polegające na ogrzewaniu i topieniu ciał krystalicznych.
Bibliografia
- Gendenshtein L. E., Kaidalov A. B., Kozhevnikov V. B. Fizyka 8 / wyd. Orlova V. A., Roizena I. I. - M.: Mnemosyne.
- Peryshkin A.V. Fizyka 8. - M .: Drop, 2010.
- Fadeeva A. A., Zasov A. V., Kiselev D. F. Fizyka 8. - M .: Edukacja.
- Fizyka, mechanika itp. ().
- Fajna fizyka ().
- Portal internetowy Kaf-fiz-1586.narod.ru ().
Praca domowa
Topnienie to przejście ciała ze stanu stałego krystalicznego do stanu ciekłego. Topienie zachodzi wraz z absorpcją ciepła właściwego topnienia i jest przejściem fazowym pierwszego rzędu.
Zdolność do topienia odnosi się do właściwości fizycznych substancji
Na normalne ciśnienie wśród metali najwyższą temperaturą topnienia jest wolfram (3422°C), w ogóle prostych substancji – węgiel (według różnych źródeł 3500 – 4500°C), a wśród substancji dowolnych – węglik hafnu HfC (3890°C). Możemy założyć, że hel ma najniższą temperaturę topnienia: przy normalnym ciśnieniu pozostaje ciekły w dowolnie niskich temperaturach.
Wiele substancji pod normalnym ciśnieniem nie ma fazy ciekłej. Po podgrzaniu natychmiastowo przechodzą w stan gazowy poprzez sublimację.
Rysunek 9 – Topnienie lodu
Krystalizacja to proces przejścia fazowego substancji ze stanu ciekłego do stałego stanu krystalicznego z utworzeniem kryształów.
Faza to jednorodna część układu termodynamicznego, oddzielona od innych części układu (innych faz) powierzchnią rozdziału faz, przez którą po przejściu skład chemiczny, struktura i właściwości materii zmieniają się gwałtownie.
Rysunek 10 - Krystalizacja wody z tworzeniem się lodu
Krystalizacja to proces izolowania fazy stałej w postaci kryształów z roztworów lub stopów; w przemyśle chemicznym proces krystalizacji wykorzystuje się do otrzymania substancji w czystej postaci.
Krystalizacja rozpoczyna się po osiągnięciu pewnego warunku granicznego, na przykład przechłodzenia cieczy lub przesycenia pary, kiedy niemal natychmiast pojawia się wiele małych kryształów - ośrodków krystalizacji. Kryształy rosną poprzez przyłączanie atomów lub cząsteczek cieczy lub pary. Wzrost ścian kryształu następuje warstwa po warstwie; krawędzie niekompletnych warstw atomowych (stopnie) przesuwają się wzdłuż ściany w miarę ich wzrostu. Zależność szybkości wzrostu od warunków krystalizacji prowadzi do powstania różnorodnych form wzrostu i struktur krystalicznych (wielościennych, blaszkowatych, igłowych, szkieletowych, dendrytycznych i innych, struktur ołówkowych itp.). Podczas krystalizacji nieuchronnie powstają różne defekty.
Na liczbę centrów krystalizacji i szybkość wzrostu istotny wpływ ma stopień przechłodzenia.
Stopień przechłodzenia to stopień ochłodzenia ciekłego metalu poniżej temperatury jego przejścia w modyfikację krystaliczną (stałą). Konieczne jest skompensowanie energii utajonego ciepła krystalizacji. Krystalizacja pierwotna to tworzenie się kryształów metali (i stopów) podczas przejścia ze stanu ciekłego do stanu stałego.
Specyficzne ciepło topnienia (też: entalpia topnienia; istnieje również równoważne pojęcie ciepła właściwego krystalizacji) - ilość ciepła, jaką należy przekazać jednej jednostce masy substancji krystalicznej w równowagowym procesie izobaryczno-izotermicznym, aby przenieść go ze stanu stałego (krystalicznego) do cieczy (wtedy podczas krystalizacji substancji wydziela się taka sama ilość ciepła).
Ilość ciepła podczas topnienia lub krystalizacji: Q=ml
Parowanie i wrzenie. Ciepło właściwe parowania
Parowanie to proces przejścia substancji ze stanu ciekłego do stanu gazowego (pary). Proces parowania jest odwrotnością procesu kondensacji (przejście ze stanu pary do stanu ciekłego. Parowanie (parowanie), przejście substancji z fazy skondensowanej (stałej lub ciekłej) do fazy gazowej (pary); pierwszego rzędu przejście fazowe.
W wyższej fizyce istnieje bardziej rozwinięta koncepcja parowania
Parowanie to proces, w którym cząstki (cząsteczki, atomy) wylatują (odrywają się) od powierzchni cieczy lub ciała stałego, przy czym Ek > Ep.
Rysunek 11 – Parowanie nad kubkiem herbaty
Ciepło właściwe parowania (parowania) (L) -- wielkość fizyczna, pokazujący ilość ciepła, jaką należy przekazać 1 kg substancji w temperaturze wrzenia, aby przejść ze stanu ciekłego w gazowy. Ciepło właściwe parowania mierzy się w J/kg.
Gotowanie to proces odparowania w cieczy (przejście substancji ze stanu ciekłego do stanu gazowego), z pojawieniem się granic rozdziału faz. Temperatura wrzenia przy ciśnienie atmosferyczne jest zwykle podawana jako jedna z głównych właściwości fizykochemicznych substancji chemicznie czystej.
Wrzenie jest przemianą fazową pierwszego rzędu. Wrzenie zachodzi znacznie intensywniej niż parowanie z powierzchni, ze względu na powstawanie ośrodków parowania, determinowanych zarówno osiąganą temperaturą wrzenia, jak i obecnością zanieczyszczeń.
Na proces tworzenia się pęcherzyków może wpływać ciśnienie, fale dźwiękowe, jonizacja. W szczególności komora pęcherzykowa działa na zasadzie wrzenia mikroobjętości cieczy powstałej w wyniku jonizacji podczas przepływu naładowanych cząstek.
Rysunek 12 - Wrząca woda
Ilość ciepła podczas wrzenia, odparowania cieczy i skraplania pary: Q=mL
Aby stopić substancję stałą, należy ją podgrzać. A podczas ogrzewania dowolnego ciała zauważa się jedną ciekawą cechę
Osobliwością jest to: temperatura ciała wzrasta do temperatury topnienia, a następnie zatrzymuje się, aż całe ciało przejdzie w stan ciekły. Po stopieniu temperatura zaczyna ponownie rosnąć, jeśli oczywiście ogrzewanie będzie kontynuowane. Oznacza to, że jest okres, w którym rozgrzewamy ciało, ale ono się nie nagrzewa. Gdzie trafia energia cieplna, którą zużywamy? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy zajrzeć do wnętrza organizmu.
W ciele stałym cząsteczki są ułożone w określonej kolejności w postaci kryształów. Praktycznie się nie poruszają, jedynie lekko oscylują w miejscu. Aby substancja przeszła w stan ciekły, cząsteczkom należy dostarczyć dodatkową energię, aby mogły uniknąć przyciągania sąsiednich cząsteczek w kryształach. Ogrzewając ciało, dajemy cząsteczkom niezbędną energię. I dopóki wszystkie cząsteczki nie otrzymają wystarczającej ilości energii i wszystkie kryształy nie zostaną zniszczone, temperatura ciała nie wzrośnie. Eksperymenty pokazują, że różne substancje o tej samej masie wymagają różnej ilości ciepła, aby je całkowicie stopić.
Oznacza to, że istnieje pewna wartość, od której to zależy ile ciepła musi pochłonąć substancja, aby się stopiła?. Wartość ta jest różna dla różnych substancji. Wielkość ta w fizyce nazywana jest ciepłem właściwym topnienia substancji. Ponownie w wyniku eksperymentów ustalono wartości ciepła topnienia różnych substancji i zebrano je w specjalnych tabelach, z których można uzyskać te informacje. Właściwe ciepło topnienia jest oznaczone grecką literą λ (lambda), a jednostką miary jest 1 J/kg.
Wzór na ciepło właściwe topnienia
Ciepło właściwe topnienia oblicza się ze wzoru:
gdzie Q jest ilością ciepła potrzebną do stopienia ciała o masie m.
Ponownie, z eksperymentów wiadomo, że gdy substancje zestalają się, uwalniają taką samą ilość ciepła, jaka była potrzebna do ich stopienia. Cząsteczki tracąc energię tworzą kryształy, nie mogąc oprzeć się przyciąganiu innych cząsteczek. I znowu temperatura ciała nie spadnie, dopóki całe ciało nie stwardnieje i dopóki nie zostanie uwolniona cała energia zużyta na jego stopienie. Oznacza to, że ciepło właściwe topnienia pokazuje zarówno, ile energii należy wydać, aby stopić ciało o masie m, jak i ile energii zostanie uwolnione podczas zestalania się danego ciała.
Na przykład ciepło właściwe topnienia wody w stanie stałym, czyli ciepło właściwe topnienia lodu, wynosi 3,4 * 105 J/kg. Dane te pozwalają obliczyć, ile energii potrzeba do stopienia lodu o dowolnej masie. Znając także ciepło właściwe lodu i wody, można dokładnie obliczyć, ile energii potrzeba na dany proces, np. stopienie lodu o masie 2 kg i temperaturze - 30˚C i doprowadzenie powstałej wody do wrzenia. Takie informacje dla różnych substancji są bardzo potrzebne w przemyśle do obliczenia rzeczywistych kosztów energii w produkcji jakichkolwiek towarów.
ABSTRAKCYJNY
„Topnące ciała”
Wykonane:
Prysyazhnyuk Olga 9-A
Sprawdzony:
Nevzorova Tatyana Igorevna
Wstęp
1) Obliczenie ilości ciepła
2) Topienie
3) Specyficzne ciepło topnienia
4) Topienie metali
5) Temperatura topnienia i wrzenia wody
6) Topi się
7) Interesujące fakty na temat topienia
Wniosek (wnioski)
Wykaz używanej literatury
Wstęp
Stan skupienia to stan materii charakteryzujący się pewnymi właściwościami jakościowymi: zdolnością lub niemożnością utrzymania objętości i kształtu, obecnością lub brakiem porządku dalekiego i krótkiego zasięgu i innymi. Zmianie stanu skupienia może towarzyszyć nagła zmiana energii swobodnej, entropii, gęstości i innych podstawowych właściwości fizycznych.
Istnieją trzy główne stany skupienia: stały, ciekły i gazowy. Czasami nie jest całkowicie poprawne klasyfikowanie plazmy jako stanu agregacji. Istnieją inne stany agregacji, na przykład ciekłe kryształy lub kondensat Bosego-Einsteina.
Zmiany stanu skupienia to procesy termodynamiczne zwane przejściami fazowymi. Wyróżnia się następujące odmiany: od stałego do płynnego - topienie; od stanu ciekłego do gazowego - parowanie i wrzenie; ze stanu stałego do gazowego - sublimacja; ze stanu gazowego do ciekłego lub stałego - kondensacja. Osobliwość jest brak ostrej granicy przejścia do stanu plazmowego.
Do opisu różne warunki w fizyce stosuje się szersze pojęcie fazy termodynamicznej. Zjawiska opisujące przejścia z jednej fazy do drugiej nazywane są zjawiskami krytycznymi.
Ciało stałe: stan charakteryzujący się zdolnością do zachowania objętości i kształtu. Atomy ciała stałego podlegają jedynie niewielkim drganiom wokół stanu równowagi. Istnieje porządek zarówno dalekiego, jak i krótkiego zasięgu.
Ciecz: Stan skupienia, w którym ma niską ściśliwość, to znaczy dobrze zachowuje objętość, ale nie jest w stanie zachować kształtu. Płyn z łatwością przybiera kształt pojemnika, w którym jest umieszczony. Atomy lub cząsteczki cieczy wibrują w pobliżu stanu równowagi, zablokowane przez inne atomy i często przeskakują w inne wolne miejsca. Obecny jest tylko porządek krótkiego zasięgu.
Gaz: stan charakteryzujący się dobrą ściśliwością, pozbawiony zdolności do zachowania zarówno objętości, jak i kształtu. Gaz ma tendencję do zajmowania całej dostarczonej mu objętości. Atomy lub cząsteczki gazu zachowują się stosunkowo swobodnie, odległości między nimi są znacznie większe niż ich rozmiary.
Inne stany: Po głębokim ochłodzeniu niektóre (nie wszystkie) substancje przekształcają się w stan nadprzewodzący lub nadciekły. Stany te są oczywiście odrębnymi fazami termodynamicznymi, jednak trudno nazwać je nowymi skupionymi stanami materii ze względu na ich nieuniwersalność. Substancje heterogeniczne, takie jak pasty, żele, zawiesiny, aerozole itp., które w określonych warunkach wykazują właściwości zarówno ciał stałych, jak i cieczy, a nawet gazów, klasyfikuje się zwykle jako materiały rozproszone, a nie do określonych skupionych stanów skupienia.
Topienie
Ryż. 1. Stan czystej substancji (schemat)
Ryż. 2. Temperatura topnienia ciała krystalicznego
Ryż. 3. Temperatura topnienia metali alkalicznych
Topienie to przejście substancji ze stanu krystalicznego (stałego) do cieczy; zachodzi wraz z absorpcją ciepła (przejście fazowe pierwszego rzędu). Głównymi cechami topnienia czystych substancji są temperatura topnienia (Tm) i ciepło niezbędne do przeprowadzenia procesu topnienia (ciepło topnienia Qm).
Temperatura P. zależy od ciśnienia zewnętrznego p; na diagramie stanu czystej substancji zależność tę obrazuje krzywa topnienia (krzywa współistnienia fazy stałej i ciekłej, AD lub AD” na rys. 1). Topienie stopów i roztworów stałych następuje z reguły w zakres temperatur (wyjątkiem jest eutektyka ze stałą Tm) Zależność temperatury początku i końca przejścia stopu od jego składu przy danym ciśnieniu jest przedstawiona na diagramach stanu specjalnymi liniami (krzywe likwidusu i solidusa, patrz rys. Systemy podwójne). W przypadku wielu związków wielkocząsteczkowych (na przykład substancji zdolnych do tworzenia ciekłych kryształów) przejście ze stanu stałego krystalicznego do cieczy izotropowej następuje etapami (w pewnym zakresie temperatur), każdy etap charakteryzuje się pewnym etapem zniszczenia struktury krystalicznej.
Obecność określonej temperatury P. - ważny znak prawidłowa struktura krystaliczna ciał stałych. Dzięki tej cesze można je łatwo odróżnić od amorficznych ciał stałych, które nie mają ustalonej temperatury topnienia. Amorficzne ciała stałe stopniowo przechodzą w stan ciekły, mięknąc wraz ze wzrostem temperatury (patrz Stan amorficzny). Wolfram ma najwyższą temperaturę spośród czystych metali (3410°C), a rtęć najniższą (-38,9°C). Do szczególnie ogniotrwałych związków należą: TiN (3200°C), HfN (3580°C), ZrC (3805°C), TaC (4070°C), HfC (4160°C) itp. Z reguły dla substancji o wysokiej Tmelt charakteryzuje się wyższymi wartościami Qmelt. Zanieczyszczenia obecne w substancjach krystalicznych obniżają ich temperaturę topnienia. W praktyce wykorzystuje się go do wytwarzania stopów o niskiej temperaturze topnienia (patrz np. stop Wooda o temperaturze topnienia = 68°C) i mieszanin chłodzących.
P. zaczyna się, gdy substancja krystaliczna osiąga Tm. Od początku procesu aż do jego zakończenia temperatura substancji pozostaje stała i równa Tmelt, pomimo przekazania substancji ciepła (rys. 2). Podgrzej kryształ do T > Tmel in normalne warunki zawodzi (patrz Przegrzanie), podczas gdy podczas krystalizacji stosunkowo łatwo można osiągnąć znaczne przechłodzenie stopu.
Charakter zależności Tmel od ciśnienia p określa kierunek zmian objętościowych (DVmel) w P. (patrz równanie Clapeyrona-Clausiusa). W większości przypadków uwolnieniu substancji towarzyszy wzrost ich objętości (zwykle o kilka procent). Jeśli tak się stanie, wzrost ciśnienia prowadzi do wzrostu Tmelt (ryc. 3). Jednak niektóre substancje (woda, wiele metali i metalidów, patrz ryc. 1) ulegają zmniejszeniu objętości podczas P. Temperatura P. tych substancji spada wraz ze wzrostem ciśnienia.
P. towarzyszy zmiana właściwości fizycznych substancji: wzrost entropii, który odzwierciedla zaburzenie w strukturze krystalicznej substancji; zwiększenie pojemności cieplnej, opór elektryczny[z wyjątkiem niektórych półmetali (Bi, Sb) i półprzewodników (Ge), które w stanie ciekłym mają wyższą przewodność elektryczną]. Odporność na ścinanie spada prawie do zera podczas P. (odporność na ścinanie poprzeczne nie może rozprzestrzeniać się w stopie fale sprężyste, patrz Ciecz), prędkość rozchodzenia się dźwięku (fale podłużne) itp. maleje.
Zgodnie z koncepcjami kinetyki molekularnej P. przeprowadza się w następujący sposób. Kiedy ciepło jest dostarczane do ciała krystalicznego, energia wibracyjna (amplituda oscylacji) jego atomów wzrasta, co prowadzi do wzrostu temperatury ciała i sprzyja tworzeniu się różnego rodzaju defekty (niewypełnione węzły sieci krystalicznej - wakaty; naruszenia okresowości sieci przez atomy osadzone pomiędzy jej węzłami itp., patrz Defekty w kryształach). W kryształach molekularnych może wystąpić częściowe zaburzenie wzajemnej orientacji osi molekularnych, jeśli cząsteczki nie mają kształtu kulistego. Etap przedtopienia charakteryzuje się stopniowym wzrostem liczby defektów i ich asocjacji. Po osiągnięciu Tm w krysztale powstaje krytyczne stężenie defektów i rozpoczyna się paraliż – sieć krystaliczna rozpada się na łatwo ruchome obszary submikroskopowe. Ciepło dostarczone podczas P. służy nie do ogrzania ciała, ale do rozerwania wiązań międzyatomowych i zniszczenia porządku dalekiego zasięgu w kryształach (patrz Porządek dalekiego zasięgu i porządek krótkiego zasięgu). W samych obszarach submikroskopowych porządek krótkiego zasięgu w ułożeniu atomów nie zmienia się znacząco podczas transformacji (liczba koordynacyjna stopu w Tm w większości przypadków pozostaje taka sama jak kryształu). Wyjaśnia to niższe wartości ciepła topnienia Qpl w porównaniu do ciepła parowania oraz stosunkowo niewielką zmianę szeregu właściwości fizycznych substancji podczas ich parowania.
Proces P. gra ważna rola w przyrodzie (produkcja śniegu i lodu na powierzchni Ziemi, produkcja minerałów w jej głębinach itp.) i technologii (produkcja metali i stopów, odlewanie w formach itp.).
Ciepło właściwe topnienia
Specyficzne ciepło topnienia (też: entalpia topnienia; istnieje również równoważne pojęcie ciepło właściwe krystalizacji) - ilość ciepła, jaką należy przekazać jednej jednostce masy substancji krystalicznej w równowagowym procesie izobaryczno-izotermicznym, aby przenieść go ze stanu stałego (krystalicznego) do cieczy (taka sama ilość ciepła uwolniona podczas krystalizacji substancji). Ciepło topnienia - szczególny przypadek ciepło przejścia fazowego pierwszego rzędu. Rozróżnia się ciepło właściwe topnienia (J/kg) i ciepło molowe (J/mol).
Ciepło właściwe topnienia jest oznaczone literą (grecka litera lambda).Wzór na obliczenie ciepła właściwego topnienia jest następujący:
gdzie jest ciepłem właściwym topnienia, jest ilością ciepła otrzymanego przez substancję podczas topnienia (lub uwolnionego podczas krystalizacji), jest masą topiącej się (krystalizującej) substancji.
Topienie metali
Podczas topienia metali należy przestrzegać dobrze znanych zasad. Załóżmy, że będą wytapiać ołów i cynk. Ołów szybko się topi, jego temperatura topnienia wynosi 327°; cynk pozostanie stały przez długi czas, ponieważ jego temperatura topnienia przekracza 419°. Co dzieje się z ołowiem przy takim przegrzaniu? Zacznie pokrywać się tęczowym filmem, a następnie jego powierzchnia ukryje się pod warstwą nietopliwego proszku. Ołów spalił się w wyniku przegrzania i utlenił, łącząc się z tlenem z powietrza. Proces ten, jak wiadomo, zachodzi w zwykłych temperaturach, ale po podgrzaniu przebiega znacznie szybciej. Tak więc, zanim cynk zacznie się topić, pozostanie bardzo mało ołowiu. Stop okaże się mieć zupełnie inny skład niż oczekiwano, a duża ilość ołowiu zostanie utracona w postaci odpadu. Oczywiste jest, że bardziej ogniotrwały cynk należy najpierw stopić, a następnie dodać do niego ołów. To samo stanie się, jeśli stopisz cynk z miedzią lub mosiądzem, najpierw podgrzewając cynk. Cynk wypali się, zanim miedź się stopi. Oznacza to, że metal o wyższej temperaturze topnienia należy zawsze stopić jako pierwszy.
Ale samo to nie może uniknąć zatrucia. Jeśli odpowiednio nagrzany stop będzie się palił przez dłuższy czas, w wyniku oparów na powierzchni ciekłego metalu ponownie utworzy się film. Oczywiste jest, że bardziej topliwy metal ponownie zamieni się w tlenek, a skład stopu ulegnie zmianie; Oznacza to, że metalu nie można niepotrzebnie przegrzewać przez długi czas. Dlatego starają się w każdy możliwy sposób zmniejszyć straty metalu, układając go w zwartą masę; małe kawałki, trociny, wióry są najpierw „pakowane”, kawałki mniej więcej tej samej wielkości są topione, podgrzewane do odpowiedniej temperatury, a powierzchnia metalu jest chroniona przed kontaktem z powietrzem. W tym celu mistrz może wziąć boraks lub po prostu pokryć powierzchnię metalu warstwą popiołu, który zawsze będzie unosił się na górze (dzięki mniejszemu środek ciężkości) i nie będzie bolało podczas wylewania metalu. Kiedy metal stwardnieje, następuje kolejne zjawisko, znane zapewne także młodym rzemieślnikom. W miarę twardnienia metalu zmniejsza się jego objętość, a zmniejszenie to następuje z powodu wewnętrznych, jeszcze nie zestalonych cząstek metalu. Na powierzchni odlewu lub wewnątrz niego tworzy się mniej lub bardziej znaczne wgłębienie w kształcie lejka, tzw. wnęka skurczowa. Zwykle formę wykonuje się w ten sposób, że w miejscach odlewu powstają wgłębienia skurczowe, które następnie usuwa się, starając się jak najlepiej zabezpieczyć sam wyrób. Oczywiste jest, że wnęki skurczowe psują odlew i czasami mogą sprawić, że nie będzie on nadawał się do użytku. Po stopieniu metal ulega lekkiemu przegrzaniu, dzięki czemu jest cieńszy i cieplejszy, dzięki czemu lepiej wypełnia szczegóły formy i nie zamarza przedwcześnie w wyniku kontaktu z zimniejszą formą.
Ponieważ temperatura topnienia stopów jest zwykle niższa niż temperatura topnienia najbardziej ogniotrwałego z metali tworzących stop, czasami korzystne jest postępowanie odwrotne: najpierw stopić łatwiej topiący się metal, a następnie bardziej ogniotrwały. Jest to jednak dopuszczalne tylko w przypadku metali, które nie utleniają się zbytnio lub jeśli metale te są chronione przed nadmiernym utlenianiem. Musisz wziąć więcej metalu, niż potrzeba na samą rzecz, aby wypełnił nie tylko formę, ale także kanał wlewowy. Oczywiste jest, że musisz najpierw obliczyć wymaganą ilość metalu.
Temperatura topnienia i wrzenia wody
Najbardziej niesamowitą i korzystną właściwością wody dla żywej przyrody jest jej zdolność do bycia cieczą w „normalnych” warunkach. Cząsteczki związków bardzo podobnych do wody (na przykład cząsteczki H2S lub H2Se) są znacznie cięższe, ale w tych samych warunkach tworzą gaz. Zatem woda wydaje się przeczyć prawom układu okresowego, który, jak wiadomo, przewiduje, kiedy, gdzie i jakie właściwości substancji będą sobie bliskie. W naszym przypadku z tabeli wynika, że właściwości związków wodorowych pierwiastków (zwanych wodorkami) znajdujących się w tych samych pionowych kolumnach powinny zmieniać się monotonicznie wraz ze wzrostem masy atomów. Tlen jest pierwiastkiem szóstej grupy tej tabeli. W tej samej grupie znajdują się siarka S (o masie atomowej 32), selen Se (o masie atomowej 79), tellur Te (o masie atomowej 128) i polon Po (o masie atomowej 209). W związku z tym właściwości wodorków tych pierwiastków powinny zmieniać się monotonicznie przy przechodzeniu od pierwiastków ciężkich do lżejszych, tj. w kolejności H2Po → H2Te → H2Se → H2S → H2O. I tak się dzieje, ale tylko w przypadku pierwszych czterech wodorków. Na przykład temperatury wrzenia i topnienia rosną wraz ze wzrostem masy atomowej pierwiastków. Na rysunku krzyżyki wskazują temperatury wrzenia tych wodorków, a kółka wskazują temperatury topnienia.
Jak widać, wraz ze spadkiem masy atomowej temperatura spada całkowicie liniowo. Obszar występowania fazy ciekłej wodorków staje się coraz bardziej „zimny”, a gdyby wodorek tlenu H2O był związkiem normalnym, podobnym do swoich sąsiadów z grupy szóstej, wówczas woda w stanie ciekłym występowałaby w zakresie od -80°C do -95°C. Więcej wysokie temperatury H2O zawsze będzie gazem. Na szczęście dla nas i całego życia na Ziemi woda jest anomalią; nie rozpoznaje wzorców okresowych, ale kieruje się własnymi prawami.
Wyjaśnia się to po prostu - większość cząsteczek wody jest połączona wiązaniami wodorowymi. To właśnie te wiązania odróżniają wodę od ciekłych wodorków H2S, H2Se i H2Te. Gdyby ich tam nie było, woda wrzełaby już w temperaturze minus 95°C. Energia wiązań wodorowych jest dość wysoka i można je rozerwać jedynie w znacznie wyższej temperaturze. Nawet w stanie gazowym duża liczba cząsteczek H2O zachowuje swoje wiązania wodorowe, łącząc się, tworząc dimery (H2O)2. Wiązania wodorowe zanikają całkowicie dopiero przy temperaturze pary wodnej wynoszącej 600°C.
Przypomnijmy, że gotowanie ma miejsce, gdy we wrzącej cieczy tworzą się pęcherzyki pary. Przy normalnym ciśnieniu czysta woda wrze w temperaturze 100°C. Jeśli ciepło zostanie dostarczone przez swobodną powierzchnię, proces parowania powierzchniowego zostanie przyspieszony, ale nie nastąpi charakterystyczne dla wrzenia odparowanie objętościowe. Wrzenie można również osiągnąć poprzez obniżenie ciśnienia zewnętrznego, ponieważ w tym przypadku prężność pary jest równa ciśnieniu zewnętrznemu, osiągana jest w niższej temperaturze. U góry jest bardzo wysoka góra ciśnienie i odpowiednio temperatura wrzenia spadają tak bardzo, że woda staje się nieodpowiednia do gotowania potraw - nie zostaje osiągnięta wymagana temperatura wody. Kiedy wystarczy wysokie ciśnienie krwi Wodę można podgrzać na tyle, aby stopić ołów (327°C), a mimo to nie zagotować.
Oprócz niezwykle wysokich temperatur wrzenia topnienia (a ten ostatni proces wymaga zbyt wysokiego ciepła topnienia dla tak prostej cieczy), sam zakres istnienia wody jest anomalny - sto stopni, o które różnią się te temperatury, to dość duży zakres dla cieczy o tak niskiej masie cząsteczkowej jak woda. Granice dopuszczalnych wartości hipotermii i przegrzania wody są niezwykle duże – przy ostrożnym podgrzewaniu lub chłodzeniu woda pozostaje w stanie ciekłym od -40°C do +200°C. Rozszerza to zakres temperatur, w których woda może pozostać w stanie ciekłym, do 240°C.
Kiedy lód jest podgrzewany, jego temperatura najpierw wzrasta, ale od momentu powstania mieszaniny wody i lodu temperatura pozostaje niezmieniona, aż cały lód się stopi. Wyjaśnia to fakt, że ciepło dostarczane do topniejącego lodu jest wydawane przede wszystkim wyłącznie na niszczenie kryształów. Temperatura topnienia lodu pozostaje niezmieniona, dopóki wszystkie kryształy nie zostaną zniszczone (patrz utajone ciepło topnienia).
Topi się
Stopy to ciekły, stopiony stan substancji w temperaturach w pewnych granicach odległych od krytycznej temperatury topnienia i położonych bliżej temperatury topnienia. Charakter stopu jest z natury zdeterminowany rodzajem wiązań chemicznych pierwiastków w stopionej substancji.
Znaleziono roztopy szerokie zastosowanie w metalurgii, szklarstwie i innych dziedzinach techniki. Zazwyczaj stopy mają złożony skład i zawierają różne oddziałujące na siebie składniki (patrz diagram fazowy).
Są roztopy
1.Metal (Metale (nazwa pochodzi od łacińskiego metallum – moje, moje) – grupa pierwiastków o charakterystycznych właściwości metaliczne takie jak wysoka przewodność cieplna i elektryczna, dodatni współczynnik temperaturowy rezystancji, wysoka ciągliwość i metaliczny połysk);
2. Jonowy (Jon (starożytny grecki ἰόν - dzieje) - jednoatomowa lub wieloatomowa cząstka naładowana elektrycznie, powstająca w wyniku utraty lub zyskania jednego lub więcej elektronów przez atom lub cząsteczkę. Jonizacja (proces powstawania jonów) może występują w wysokich temperaturach, pod wpływem pole elektryczne);
3. Półprzewodniki z wiązaniami kowalencyjnymi między atomami (Półprzewodniki to materiały, które ze względu na swoją przewodność właściwą zajmują miejsce pośrednie między przewodnikami a dielektrykami i różnią się od przewodników silną zależnością przewodności właściwej od stężenia zanieczyszczeń, temperatury i różne rodzaje promieniowanie. Główną właściwością tych materiałów jest wzrost przewodności elektrycznej wraz ze wzrostem temperatury);
4. Stopy organiczne z wiązaniami van der Waalsa;
5. Polimery wysokopolimerowe (gr. πολύ- - wiele; μέρος - część) - substancje nieorganiczne i organiczne, amorficzne i krystaliczne otrzymywane przez wielokrotne powtarzanie różne grupy atomy zwane „jednostkami monomeru” połączone w długie makrocząsteczki wiązaniami chemicznymi lub koordynacyjnymi)
Topi się według rodzaju związki chemiczne tam są:
1. Sól;
2.Tlenek;
3. Tlenkowo-krzemianowy (żużel) itp.
Topi się o specjalnych właściwościach:
1.Eutektyka
Interesujące fakty na temat topienia
Ziarna lodu i gwiazdy.
Przynieś kawałek czysty lód do ciepłego pokoju i patrzeć, jak się topi. Dość szybko staje się jasne, że lód, który wydawał się monolityczny i jednorodny, rozpada się na wiele drobnych ziaren – pojedynczych kryształów. Są one rozmieszczone chaotycznie w objętości lodu. Równie ciekawy obraz można zobaczyć, gdy lód topi się z powierzchni.
Przyłóż do lampy gładki kawałek lodu i poczekaj, aż zacznie się topić. Gdy topnienie dotrze do wewnętrznych ziaren, zaczną pojawiać się bardzo drobne wzory. Przy mocnej lupie widać, że mają one kształt sześciokątnych płatków śniegu. W rzeczywistości są to rozmrożone zagłębienia wypełnione wodą. Kształt i kierunek ich promieni odpowiada orientacji monokryształów lodu. Wzory te nazwano „gwiazdami Tyndale’a” na cześć angielskiego fizyka, który odkrył je i opisał w 1855 roku. „Gwiazdy Tyndalla”, które wyglądają jak płatki śniegu, to w rzeczywistości zagłębienia na powierzchni stopionego lodu o wielkości około 1,5 mm, wypełnione wodą. W ich centrum widoczne są pęcherzyki powietrza, które powstały w wyniku różnicy objętości stopionego lodu i roztopionej wody.
CZY WIEDZIAŁEŚ?
Istnieje metal, tzw. stop Wooda, który łatwo topi się nawet w ciepłej wodzie (+68 stopni Celsjusza). Tak więc, mieszając cukier w szklance, metalowa łyżka wykonana z tego stopu topi się szybciej niż cukier!
Najbardziej ogniotrwała substancja, węglik tantalu TaC0-88, topi się w temperaturze 3990°C.
W 1987 roku niemieckim badaczom udało się przechłodzić wodę do temperatury -700°C, utrzymując ją w stanie ciekłym.
Czasami, aby śnieg na chodnikach szybciej się stopił, posypuje się je solą. Topnienie lodu następuje w wyniku powstania roztworu soli w wodzie, którego temperatura zamarzania jest niższa niż temperatura powietrza. Rozwiązanie po prostu spływa z chodnika.
Co ciekawe, na mokrej nawierzchni stopy stają się zimniejsze, ponieważ temperatura roztworu soli i wody jest niższa niż temperatura czystego śniegu.
Jeśli nalejesz herbatę z imbryka do dwóch kubków: z cukrem i bez cukru, to herbata w kubku z cukrem będzie zimniejsza, bo energia jest również zużywana na rozpuszczenie cukru (zniszczenie jego sieci krystalicznej).
W przypadku silnych mrozów lodowisko jest podlewane, aby przywrócić gładkość lodu. gorąca woda.. Gorąca woda topi się cienko Górna warstwa lód, nie zamarza tak szybko, ma czas na rozłożenie się, a powierzchnia lodu okazuje się bardzo gładka.
Wniosek (wnioski)
Topnienie to przejście substancji ze stanu stałego w stan ciekły.
Po podgrzaniu temperatura substancji wzrasta, a prędkość ruchu termicznego cząstek wzrasta, a energia wewnętrzna ciała wzrasta.
Kiedy temperatura ciała stałego osiąga temperaturę topnienia, sieć krystaliczna ciała stałego zaczyna się zapadać. Zatem główna część energii cieplnej kierowanej do ciała stałego jest przeznaczana na redukcję wiązań między cząsteczkami substancji, czyli zniszczenie sieci krystalicznej. Jednocześnie wzrasta energia oddziaływania między cząsteczkami.
Stopiona substancja ma dużą rezerwę energia wewnętrzna niż w stanie stałym. Pozostała część ciepła topnienia jest zużywana na wykonanie pracy polegającej na zmianie objętości ciała podczas jego topienia.
Podczas topienia objętość większości ciał krystalicznych wzrasta (o 3-6%), a podczas krzepnięcia maleje. Ale są substancje, których objętość zmniejsza się po stopieniu, a po zestaleniu zwiększa się. Należą do nich na przykład woda i żeliwo, krzem i kilka innych. . Dlatego lód unosi się na powierzchni wody, a stałe żeliwo unosi się we własnym stopieniu.
ciała stałe zwane amorficznymi (bursztyn, żywica, szkło) nie mają określonej temperatury topnienia.
Ilość ciepła potrzebna do stopienia substancji jest równa iloczynowi ciepła właściwego topnienia i masy substancji.
Ciepło właściwe topnienia pokazuje, ile ciepła potrzeba, aby całkowicie przekształcić 1 kg substancji ze stanu stałego w ciecz, przy szybkości topnienia.
Jednostką ciepła właściwego topnienia w układzie SI jest 1J/kg.
Podczas procesu topienia temperatura kryształu pozostaje stała. Temperatura ta nazywana jest temperaturą topnienia. Każda substancja ma swoją własną temperaturę topnienia.
Temperatura topnienia danej substancji zależy od ciśnienia atmosferycznego.
Wykaz używanej literatury
1) Dane z elektronicznej wolnej encyklopedii „Wikpedia”
http://ru.wikipedia.org/wiki/Main_page
2) Strona internetowa „Fajna fizyka dla ciekawskich” http://class-fizika.narod.ru/8_11.htm
3) Strona internetowa” Właściwości fizyczne woda"
http://all-about-water.ru/boiling-temperature.php
4) Strona internetowa „Metale i Konstrukcje”
http://metaloconstruction.ru/osnovy-plavleniya-metallov/
