Creare

Căldura specifică de fuziune a diferitelor substanțe. Căldura specifică de fuziune Căldura specifică de fuziune a gheții este

Am văzut că un vas cu gheață și apă adus într-o cameră caldă nu se încălzește până când toată gheața nu se topește. În acest caz, apa se obține din gheață la aceeași temperatură. În acest moment, căldura curge în amestecul de gheață-apă și, în consecință, energia internă a acestui amestec crește. Din aceasta trebuie să concluzionăm că energia internă a apei este mai mare decât energia internă a gheții la aceeași temperatură. Deoarece energia cinetică a moleculelor, a apei și a gheții este aceeași, creșterea energiei interne în timpul topirii este o creștere a energiei potențiale a moleculelor.

Experiența arată că cele de mai sus sunt valabile pentru toate cristalele. La topirea unui cristal, este necesară creșterea continuă a energiei interne a sistemului, în timp ce temperatura cristalului și a topiturii rămân neschimbate. De obicei, o creștere a energiei interne are loc atunci când o anumită cantitate de căldură este transferată către cristal. Același scop poate fi atins făcând muncă, de exemplu prin frecare. Deci, energia internă a unei topituri este întotdeauna mai mare decât energia internă a aceleiași mase de cristale la aceeași temperatură. Aceasta înseamnă că aranjamentul ordonat al particulelor (în stare cristalină) corespunde unei energii mai mici decât aranjamentul dezordonat (în topitură).

Cantitatea de căldură necesară pentru a transforma o unitate de masă a unui cristal într-o topitură de aceeași temperatură se numește căldură specifică de topire a cristalului. Se exprimă în jouli pe kilogram.

Când o substanță se solidifică, căldura de fuziune este eliberată și transferată către corpurile înconjurătoare.

Determinarea căldurii specifice de topire a corpurilor refractare (corpi cu un punct de topire ridicat) nu este o sarcină ușoară. Căldura specifică de fuziune a unui cristal cu topire scăzută, cum ar fi gheața, poate fi determinată folosind un calorimetru. După ce am turnat în calorimetru o anumită cantitate de apă de o anumită temperatură și aruncând în ea o masă cunoscută de gheață care a început deja să se topească, adică având o temperatură, așteptăm până când toată gheața se topește și temperatura apei din interior. calorimetrul capătă o valoare constantă. Folosind legea conservării energiei, vom întocmi o ecuație de bilanț termic (§ 209), care ne permite să determinăm căldura specifică de topire a gheții.

Fie masa apei (inclusiv echivalentul în apă al calorimetrului) să fie egală cu masa gheții - , capacitatea termică specifică a apei - , temperatura inițială a apei - , temperatura finală - , căldura specifică de topire a gheții - . Ecuația bilanţului termic are forma

În tabel Tabelul 16 arată căldura specifică de topire a unor substanțe. De remarcat este căldura mare de topire a gheții. Această circumstanță este foarte importantă, deoarece încetinește topirea gheții în natură. Dacă căldura specifică de fuziune ar fi mult mai mică, inundațiile de primăvară ar fi de multe ori mai puternice. Cunoscând căldura specifică de fuziune, putem calcula câtă căldură este necesară pentru a topi orice corp. Dacă corpul este deja încălzit până la punctul de topire, atunci căldura trebuie consumată doar pentru a-l topi. Dacă are o temperatură sub punctul de topire, atunci trebuie totuși să cheltuiți căldura pentru încălzire.

Tabelul 16.

Substanţă		Substanţă

În această lecție vom studia conceptul de „căldură specifică de fuziune”. Această valoare caracterizează cantitatea de căldură care trebuie transmisă la 1 kg de substanță la punctul de topire pentru ca aceasta să treacă de la o stare solidă la una lichidă (sau invers).

Vom studia formula pentru găsirea cantității de căldură care este necesară pentru a se topi (sau este eliberată în timpul cristalizării) unei substanțe.

Subiect: Stări agregate ale materiei

Lecția: Căldura specifică de topire

Această lecție este dedicată caracteristicii principale de topire (cristalizare) a unei substanțe - căldura specifică de fuziune.

În ultima lecție am atins întrebarea: cum se schimbă energia internă a unui corp în timpul topirii?

Am aflat că atunci când se adaugă căldură, energia internă a corpului crește. În același timp, știm că energia internă a unui corp poate fi caracterizată printr-un astfel de concept precum temperatura. După cum știm deja, temperatura nu se schimbă în timpul topirii. Prin urmare, poate apărea o suspiciune că avem de-a face cu un paradox: energia internă crește, dar temperatura nu se schimbă.

Explicația pentru acest fapt este destul de simplă: toată energia este cheltuită pentru distrugerea rețelei cristaline. Procesul invers este similar: în timpul cristalizării, moleculele unei substanțe sunt combinate într-un singur sistem, în timp ce excesul de energie este eliberat și absorbit de mediul extern.

În urma diferitelor experimente, a fost posibil să se stabilească că aceeași substanță necesită cantități diferite de căldură pentru a o transforma dintr-o stare solidă în stare lichidă.

Apoi s-a decis să se compare aceste cantități de căldură cu aceeași masă de substanță. Acest lucru a dus la apariția unei caracteristici precum căldura specifică de fuziune.

Definiție

Căldura specifică de fuziune- cantitatea de căldură care trebuie transmisă la 1 kg dintr-o substanță încălzită până la punctul de topire pentru a o transfera din stare solidă în stare lichidă.

Aceeași cantitate este eliberată în timpul cristalizării a 1 kg de substanță.

Este notat prin căldura specifică de fuziune (litera greacă, citită ca „lambda” sau „lambda”).

Unități: . În acest caz, nu există o temperatură în dimensiune, deoarece în timpul topirii (cristalizării) temperatura nu se modifică.

Pentru a calcula cantitatea de căldură necesară pentru a topi o substanță, se utilizează formula:

Cantitatea de căldură (J);

Căldura specifică de fuziune (, care este căutată în tabel;

Masa substanței.

Când un corp cristalizează, este scris cu semnul „-”, deoarece căldura este eliberată.

Un exemplu este căldura specifică de fuziune a gheții:

. Sau căldura specifică de topire a fierului:

Faptul că căldura specifică de topire a gheții s-a dovedit a fi mai mare decât căldura specifică de topire a fierului nu ar trebui să fie surprinzător. Cantitatea de căldură pe care o necesită o anumită substanță pentru topire depinde de caracteristicile substanței, în special de energia legăturilor dintre particulele acestei substanțe.

În această lecție ne-am uitat la conceptul de căldură specifică de fuziune.

În lecția următoare vom învăța cum să rezolvăm problemele care implică încălzirea și topirea corpurilor cristaline.

Bibliografie

Gendenshtein L. E., Kaidalov A. B., Kozhevnikov V. B. Fizica 8 / Ed. Orlova V. A., Roizena I. I. - M.: Mnemosyne.
Peryshkin A.V. Fizica 8. - M.: Gutarda, 2010.
Fadeeva A. A., Zasov A. V., Kiselev D. F. Fizica 8. - M.: Educație.

Fizică, mecanică etc. ().
Fizica cool ().
Portalul de internet Kaf-fiz-1586.narod.ru ().

Teme pentru acasă

În paragraful anterior, ne-am uitat la graficul topirii și solidificării gheții. Graficul arată că, în timp ce gheața se topește, temperatura acesteia nu se modifică (vezi Fig. 18). Și numai după ce toată gheața s-a topit, temperatura lichidului rezultat începe să crească. Dar chiar și în timpul procesului de topire, gheața primește energie din combustibilul care arde în încălzitor. Și din legea conservării energiei rezultă că aceasta nu poate dispărea. Cu ce se cheltuiește energia combustibilului în timpul topirii?

Știm că în cristale moleculele (sau atomii) sunt aranjați într-o ordine strictă. Cu toate acestea, chiar și în cristale sunt în mișcare termică (oscilează). Când un corp se încălzește, viteza medie de mișcare a moleculelor crește. În consecință, crește și energia lor cinetică medie și temperatura. Pe grafic aceasta este secțiunea AB (vezi Fig. 18). Ca urmare, gama de vibrații ale moleculelor (sau atomilor) crește. Când corpul se încălzește până la temperatura de topire, ordinea în aranjarea particulelor în cristale este perturbată. Cristalele își pierd forma. O substanță se topește, trecând de la starea solidă la starea lichidă.

În consecință, toată energia pe care o primește un corp cristalin după ce a fost deja încălzit până la punctul de topire este cheltuită pentru distrugerea cristalului. În acest sens, temperatura corpului încetează să crească. Pe grafic (vezi Fig. 18) aceasta este secțiunea BC.

Experimentele arată că sunt necesare cantități diferite de căldură pentru a transforma diferite substanțe cristaline de aceeași masă în lichid la punctul de topire.

O mărime fizică care arată cât de multă căldură trebuie transmisă unui corp cristalin care cântărește 1 kg pentru a-l transforma complet într-o stare lichidă la punctul de topire se numește căldură specifică de fuziune.

Căldura specifică de fuziune este notată cu λ (litera greacă „lambda”). Unitatea sa este de 1 J/kg.

Căldura specifică de fuziune este determinată experimental. Astfel, s-a constatat că căldura specifică de fuziune a gheții este de 3,4 10 5 -. Aceasta înseamnă că pentru a transforma o bucată de gheață de 1 kg, luată la 0 °C, în apă de aceeași temperatură, este nevoie de 3,4 10 5 J de energie. Și pentru a topi un bloc de plumb care cântărește 1 kg, luat la temperatura sa de topire, va trebui să cheltuiești 2,5 10 4 J de energie.

În consecință, la punctul de topire, energia internă a unei substanțe în stare lichidă este mai mare decât energia internă a aceleiași mase de substanță în stare solidă.

Pentru a calcula cantitatea de căldură Q necesară pentru a topi un corp cristalin de masa m, luată la temperatura de topire și presiunea atmosferică normală, căldura specifică de fuziune λ trebuie înmulțită cu masa corpului m:

Din această formulă se poate determina că

λ = Q / m, m = Q / λ

Experimentele arată că atunci când o substanță cristalină se solidifică, se eliberează exact aceeași cantitate de căldură care este absorbită atunci când se topește. Astfel, atunci când apa care cântărește 1 kg se solidifică la o temperatură de 0 °C, se eliberează o cantitate de căldură egală cu 3,4 10 5 J. Exact aceeași cantitate de căldură este necesară pentru a topi gheața de 1 kg la o temperatură de 0 °C. .

Când substanța se întărește, totul se întâmplă în ordine inversă. Viteza și, prin urmare, energia cinetică medie a moleculelor dintr-o substanță topită răcită scade. Forțele atractive pot ține acum moleculele care se mișcă lentă aproape unele de altele. Ca rezultat, aranjamentul particulelor devine ordonat - se formează un cristal. Energia eliberată în timpul cristalizării este cheltuită pentru menținerea unei temperaturi constante. Pe grafic aceasta este secțiunea EF (vezi Fig. 18).

Cristalizarea este facilitată dacă unele particule străine, cum ar fi particulele de praf, sunt prezente în lichid încă de la început. Ele devin centre de cristalizare. În condiții normale, într-un lichid există multe centre de cristalizare, în jurul cărora are loc formarea de cristale.

Tabelul 4.
Căldura specifică de fuziune a anumitor substanțe (la presiunea atmosferică normală)

În timpul cristalizării, energia este eliberată și transferată către corpurile din jur.

Cantitatea de căldură eliberată în timpul cristalizării unui corp de masă m este, de asemenea, determinată de formulă

Energia internă a corpului scade.

Exemplu. Pentru a pregăti ceaiul, turistul pune într-o oală 2 kg de gheață la o temperatură de 0 °C. Ce cantitate de căldură este necesară pentru a transforma această gheață în apă clocotită la o temperatură de 100 °C? Energia cheltuită pentru încălzirea cazanului nu este luată în considerare.

Ce cantitate de căldură ar fi necesară dacă, în loc de gheață, un turist ar lua apă de aceeași masă la aceeași temperatură dintr-o gaură de gheață?

Să notăm condițiile problemei și să o rezolvăm.

Întrebări

Cum se explică procesul de topire a unui corp pe baza doctrinei structurii materiei?
Cu ce se consumă energia combustibilului la topirea unui corp cristalin încălzit la temperatura de topire?
Cum se numește căldura specifică de fuziune?
Cum se explică procesul de solidificare pe baza teoriei structurii materiei?
Cum se calculează cantitatea de căldură necesară pentru a topi un solid cristalin luată la punctul său de topire?
Cum se calculează cantitatea de căldură eliberată în timpul cristalizării unui corp care are un punct de topire?

Exercițiul 12

Exercițiu

Puneți două conserve identice pe aragaz. Turnați apă cu o greutate de 0,5 kg într-unul, puneți mai multe cuburi de gheață de aceeași masă în celălalt. Observați cât durează apa din ambele borcane să fiarbă. Scrieți un scurt raport despre experiența dvs. și explicați rezultatele.
Citiți paragraful „Corpi amorfe. Topirea corpurilor amorfe.” Pregătește un raport despre el.

Topirea este trecerea unui corp de la starea solidă cristalină la starea lichidă. Topirea are loc cu absorbția căldurii specifice de fuziune și este o tranziție de fază de ordinul întâi.

Capacitatea de a se topi se referă la proprietăți fizice substante

La presiune normală, wolfram are cel mai mare punct de topire dintre metale (3422 °C), substanțele simple în general - carbonul (după diverse surse, 3500 - 4500 °C) și dintre substanțele arbitrare - carbura de hafniu HfC (3890 °C). Putem presupune că heliul are cel mai scăzut punct de topire: la presiune normală rămâne lichid la temperaturi arbitrar scăzute.

Multe substanțe la presiune normală nu au fază lichidă. Când sunt încălzite, se transformă imediat în stare gazoasă.

Figura 9 - Topirea gheții

Cristalizarea este procesul de tranziție de fază a unei substanțe de la o stare cristalină lichidă la una solidă cu formarea de cristale.

O fază este o parte omogenă a unui sistem termodinamic separată de alte părți ale sistemului (alte faze) printr-o interfață, în timpul tranziției prin care compoziția chimică, structura și proprietățile substanței se modifică brusc.

Figura 10 - Cristalizarea apei cu formarea gheții

Cristalizarea este procesul de izolare a fazei solide sub formă de cristale din soluții sau topituri în industria chimică, procesul de cristalizare este utilizat pentru obținerea de substanțe în forma lor pură.

Cristalizarea începe atunci când se atinge o anumită condiție limitativă, de exemplu, suprarăcirea unui lichid sau suprasaturarea aburului, când multe cristale mici - centre de cristalizare - apar aproape instantaneu. Cristalele cresc prin atașarea atomilor sau moleculelor dintr-un lichid sau vapori. Creșterea fețelor de cristal are loc strat cu strat, marginile straturilor atomice incomplete (trepte) se deplasează de-a lungul feței pe măsură ce cresc. Dependența ratei de creștere de condițiile de cristalizare duce la o varietate de forme de creștere și structuri cristaline (forme poliedrice, lamelare, în formă de ac, scheletice, dendritice și alte forme, structuri de creion etc.). În timpul procesului de cristalizare, apar inevitabil diferite defecte.

Numărul de centre de cristalizare și rata de creștere sunt semnificativ afectate de gradul de suprarăcire.

Gradul de suprarăcire este nivelul de răcire a metalului lichid sub temperatura de tranziție a acestuia la modificarea cristalină (solidă). Este necesar să se compenseze energia căldurii latente de cristalizare. Cristalizarea primară este formarea de cristale în metale (și aliaje) în timpul tranziției de la starea lichidă la starea solidă.

Căldura specifică de fuziune (de asemenea: entalpia de fuziune; există și un concept echivalent de căldură specifică de cristalizare) - cantitatea de căldură care trebuie transmisă unei unități de masă a unei substanțe cristaline într-un proces izobar-izotermic de echilibru pentru pentru a-l transfera dintr-o stare solidă (cristalină) într-o stare lichidă (apoi aceeași cantitate de căldură este eliberată în timpul cristalizării unei substanțe).

Cantitatea de căldură în timpul topirii sau cristalizării: Q=ml

Evaporare și fierbere. Căldura specifică de vaporizare

Evaporarea este procesul de trecere a unei substanțe de la starea lichidă la starea gazoasă (abur). Procesul de evaporare este proces invers condensare (trecerea de la o stare de vapori la una lichidă. Evaporare (vaporizare), trecere a unei substanțe dintr-o fază condensată (solidă sau lichidă) la o fază gazoasă (vapor); tranziție de fază de ordinul întâi.

Există un concept mai dezvoltat de evaporare în fizica superioară

Evaporarea este un proces în care particulele (molecule, atomi) zboară (se desprind) de pe suprafața unui lichid sau solid, cu Ek > Ep.

Figura 11 - Evaporarea peste o cană de ceai

Căldura specifică de evaporare (vaporizare) (L) -- cantitate fizica, arătând cantitatea de căldură care trebuie transmisă la 1 kg dintr-o substanță luată la punctul de fierbere pentru a o transfera din stare lichidă în stare gazoasă. Căldura specifică de evaporare se măsoară în J/kg.

Fierberea este procesul de vaporizare într-un lichid (trecerea unei substanțe de la starea lichidă la starea gazoasă), cu apariția limitelor de separare a fazelor. Punctul de fierbere la presiunea atmosferică este de obicei indicat ca una dintre principalele caracteristici fizico-chimice ale unei substanțe pure din punct de vedere chimic.

Fierberea este o tranziție de fază de ordinul întâi. Fierberea are loc mult mai intens decât evaporarea de la suprafață, datorită formării centrelor de vaporizare, determinate atât de temperatura de fierbere realizată, cât și de prezența impurităților.

Procesul de formare a bulelor poate fi influențat folosind presiunea, undele sonore și ionizarea. În special, camera cu bule funcționează pe principiul fierberii microvolumelor de lichid din ionizare în timpul trecerii particulelor încărcate.

Figura 12 - Apa clocotita

Cantitatea de căldură în timpul fierberii, evaporarea lichidului și condensarea aburului: Q=mL

În fizică, topirea este trecerea unei substanțe de la starea solidă la starea lichidă. Exemple clasice ale procesului de topire sunt topirea gheții și transformarea unei bucăți solide de staniu în lipit lichid atunci când este încălzită de un fier de lipit. Transferul unei anumite cantități de căldură către un corp duce la o schimbare a stării sale de agregare.

De ce un solid devine lichid?

Încălzirea unui corp solid duce la o creștere a energiei cinetice a atomilor și moleculelor, care la temperaturi normale sunt situate clar la nodurile rețelei cristaline, ceea ce permite corpului să mențină o formă și o dimensiune constantă. Când sunt atinse anumite valori critice ale vitezei, atomii și moleculele încep să-și părăsească locurile, legăturile sunt rupte, corpul începe să-și piardă forma - devine lichid. Procesul de topire nu are loc brusc, ci treptat, astfel încât de ceva timp componentele solide și lichide (fazele) sunt în echilibru. Topirea se referă la procesele endoterme, adică la cele care apar odată cu absorbția căldurii. Procesul opus, atunci când un lichid se solidifică, se numește cristalizare.

Orez. 1. Trecerea stării solide, cristaline a materiei în fază lichidă.

S-a descoperit că până la sfârșitul procesului de topire temperatura nu se modifică, deși căldura este furnizată în mod constant. Nu există nicio contradicție aici, deoarece energia primită în această perioadă de timp este cheltuită pentru a rupe legăturile cristaline ale rețelei. După distrugerea tuturor legăturilor, afluxul de căldură va crește energia cinetică a moleculelor și, în consecință, temperatura va începe să crească.

Orez. 2. Graficul temperaturii corpului față de timpul de încălzire.

Determinarea căldurii specifice de fuziune

Căldura specifică de fuziune (desemnare - litera greacă „lambda” - λ) este o mărime fizică egală cu cantitatea de căldură (în jouli) care trebuie transferată corp solid cântărind 1 kg pentru a-l transfera complet în fază lichidă. Formula pentru căldura specifică de fuziune arată astfel:

$$ λ =(Q \peste m)$$

m este masa substanței care se topește;

Q este cantitatea de căldură transferată substanței în timpul topirii.

Valorile pentru diferite substanțe sunt determinate experimental.

Cunoscând λ, putem calcula cantitatea de căldură care trebuie transmisă unui corp de masă m pentru topirea sa completă:

În ce unități se măsoară căldura specifică de fuziune?

Căldura specifică de fuziune în SI (Sistemul Internațional) este măsurată în jouli pe kilogram, J/kg. Pentru unele sarcini, se utilizează o unitate de măsură non-sistemică - kilocalorie pe kilogram, kcal / kg. Să ne amintim că 1 kcal = 4,1868 J.

Căldura specifică de fuziune a anumitor substanțe

Informații despre valorile termice specifice pentru o anumită substanță pot fi găsite în cărțile de referință sau în versiuni electronice asupra resurselor de pe Internet. Acestea sunt de obicei prezentate sub formă de tabel:

Căldura specifică de fuziune a substanțelor

Una dintre cele mai refractare substanțe este carbura de tantal - TaC. Se topește la o temperatură de 3990 0 C. Acoperirile TаC sunt folosite pentru a proteja matrițele metalice în care sunt turnate piesele din aluminiu.

Orez. 3. Procesul de topire a metalelor.

Ce am învățat?

Am aflat că trecerea de la solid la lichid se numește topire. Topirea are loc prin transferul de căldură la un solid. Căldura specifică de fuziune arată câtă căldură (energie) este necesară o substanță solidă cu o greutate de 1 kg pentru a o transforma în stare lichidă.

Test pe tema

Evaluarea raportului

Rata medie: 4.7. Evaluări totale primite: 217.