Билет № 5. Плавление и отвердевание кристаллических тел

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 284.

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 284.

В твердых кристаллических телах молекулы расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решетку, структура которой воспроизводится во всем объеме – такое расположение частиц называется дальним порядком. При нагревании тела кинетическая энергия молекул увеличивается, и при достижении температуры плавления структура решетки начинает разрушаться, твердое тело теряет форму — начинается процесс плавления. При охлаждении происходит отвердевание — переход из жидкой фазы в твердую.

Почему происходит плавление

В твердом состоянии молекулы и атомы находятся в узлах решетки, совершая непрерывные колебания вблизи фиксированного положения. Такие колебания не нарушают кристаллическую структуру. Прочность решетки обеспечивается межмолекулярными связями. В процессе нагрева тела происходит передача тепловой энергии, которая преобразуется во внутреннюю энергию молекул, увеличивая их скорость и частоту колебаний. При достижении некоторого критического значения температуры Tпл (температуры плавления) происходит разрыв межмолекулярных связей, молекулы покидают свои места, что приводит к изменению формы тела, которое начинает переходить в жидкое состояние.

Рис. 1. Примеры строения кристаллических решеток: графит, алмаз,NaCl.

Итак, плавлением называется процесс перехода из твердого состояния в жидкое.

Формулы

Какой процесс называют тепловым? Любой, при котором происходит смена агрегатных состояний материалов, поскольку в них большую роль играет температура. Любое тепловое изменение имеет ей обратное: из жидкого в твердое и наоборот, из твердого в пар и наоборот.

Важно! Почти все тепловые процессы обратимы.

Существуют формулы, по которым можно определить, какова будет удельная теплота, то есть тепло, требующееся для изменения 1 кг твердого вещества.

Например, формула отвердевания и плавки: Q=λm, где λ это удельная теплота.

А вот формула для отображения процесса охлаждения и нагревания Q=cmt, где с – удельная теплоемкость объем тепла для нагревания 1 кг материала на один градус, m -это масса, а t – разница температур.

Формула для конденсации и парообразования: Q=Lm, где удельная теплота -L, а m – масса.

Что такое отвердевание

Наблюдения показывают, что если расплавленное вещество охладить, то при достижении температуры Tотв (температура отвердевания) начинается обратный процесс перехода из жидкого состояния в твердое. Этот фазовый переход называется отвердеванием или кристаллизацией. Экспериментально доказано, что для кристаллических тел Tпл = Tотв. “Горячие” молекулы”, при охлаждении теряют скорость и отдают тепло в окружающую среду. Внутренняя энергия уменьшается, частицы под воздействием сил молекулярного взаимодействия начинают “занимать” постоянные места, восстанавливая структуру решетки.

Процессы плавления и отвердевания происходят не скачкообразно, а постепенно, так, что одновременно могут соседствовать твердая и жидкая компоненты. Эксперименты показывают, что до окончания плавления (или отвердевания) всей массы вещества, его температура остается постоянной.

Металлы, температура плавления которых больше 16500С, называют тугоплавкими. Например, температура плавления вольфрама равна 33700С. Поэтому из него делают долговечные нити накаливания для ламп. Тугоплавкие металлы и их сплавы незаменимы в ракетостроении, атомной энергетике, металлургии, космической технике — везде, где необходимы высокие жаропрочные свойства.

Фазовые диаграммы

Проведение большого количества экспериментов с веществами различного состава позволило составить графики существования жидкой и твердой фаз при тех или иных условиях (концентрации, температуры, давления). Они получили название фазовых диаграмм. С их помощью осуществляют термодинамические процессы обработки веществ с целью получения желаемых свойств. Линии образования жидкой и твердой фаз на этих диаграммах носят названия ликвидуса и солидуса, соответственно.

Таким образом, процессы плавления и кристаллизации являются фазовыми переходами, которые сопровождаются ощутимым энергетическим эффектом выделения и поглощения теплоты. При этом сохраняется постоянная температура вещества, и происходят существенные изменения в его микроструктуре.

Графическое представление процессов плавления и отвердевания

График плавления и отвердевания кристаллических тел дает наглядное представление о временной зависимости этих фазовых переходов.

Рис. 2. График плавления и отвердевания вода-лед.

Обычная вода является хорошим примером для иллюстрации обсуждаемых явлений. На представленном графике по оси абсцисс отложено время t, а по оси ординат — температура. Пускай изначально, в момент времени t = 0, когда температура льда (кристалла) была равна -400С, начнется подача тепла — нагрев. Рассмотрим далее временную зависимость температурной зависимости T(t):

• На участке АВ, от -400С до 00С (температура плавления льда) существует лед в кристаллическом виде;
• Участок ВС — происходит стадия плавления, присутствуют одновременно лед и вода. Температура остается постоянной, равной 00С;
• СD — в точке С закончилось плавление, существует только жидкая фаза — вода;
• DЕ — в точке D прекратился нагрев, происходит остывание вплоть до точки Е, т.е. до температуры 00С. Присутствует только вода в жидком виде;
• EF — в точке Е, начинается отвердевание, появляются кристаллы льда, но одновременно присутствует и жидкая фаза. Температура остается постоянной, равной 00С;
• FK — в точке F произошло полное отвердевание, остается только лед в кристаллическом виде, температура которого постепенно понижается.

Описание процессов

Плавлением называют один из способов деформации структуры, перевода из твёрдого состояния в жидкое. Протекает практически одинаково во всех случаях, но двумя разными способами:

• элемент нагревают внешне,
• нагрев происходит изнутри.

Эти два способа отличаются инструментами: в первом случае вещества нагревают в специальной печи, а во втором – пропускают ток сквозь предмет или индукционно нагревают его, помещая в электромагнитное поле с высокими частотами.

Важно! Разрушение кристаллической структуры материала и возникновение изменений в ней приводит к жидкому состоянию элемента.

С помощью разных инструментов можно добиться одного и того же процесса:

• повышается температура,
• кристаллическая решетка изменяется,
• частицы отдаляются друг от друга,
• появляются прочие нарушения кристаллической решетки,
• межатомные связи разрываются,
• образовывается квазижидкий слой.

Как уже стало понятно, температура – основной фактор, из-за которого состояние элемента изменяется. По температура плавления металлы делят на:

Что такое удельная теплота плавления

Удельной теплотой плавления λ (греческая буква “лямбда”), называется физическая величина, равная количеству тепла, которое необходимо передать твердому телу массой 1 кг, чтобы полностью перевести его в жидкую фазу. Формула удельной теплоты плавления выглядит так:

$ λ ={Q \over m}$ (1)

где:

m — масса плавящегося вещества, кг;

Q — количество тепла, переданное веществу при плавлении, Дж.

Значения λ для разных веществ определяют экспериментально. Размерность λ следует из формулы (1):

$ [λ] = { [Дж]\over [кг] } $ (2)

Зная λ, можно рассчитать количество тепла Q, которое необходимо сообщить телу массой m для его полного расплавления:

$Q={ λ * m}$ (3)

При отвердевании ровно такое же количество тепла будет возвращено в окружающую среду.

Некоторые вещества при нагревании минуют стадию плавления и сразу испаряются. Такой процесс называют сублимацией или возгонкой. Примером такого вещества может служить кристаллический йод. Обратный переход из газообразного состояния, проходящий без образования жидкой фазы, называется десублимацией. Примерами таких переходов служат образование кристаллов йода из паров йода и выпадение инея и снежинок из водяных паров воздуха.

Рис. 3. Образование узоров инея на стекле.

Фазовые переходы: плавление, парообразование, кристаллизация.

Что нам понадобится знать и помнить для решения задач таких типов? То, что температура плавления и кристаллизации – одинаковы, и температура тела остается постоянной в течение всего процесса плавления (кристаллизации), и точно так же температура парообразования и конденсации равны, и температура жидкости в течение данных процессов постоянна.

1. На рисунке показан график зависимости температуры кристаллического вещества от времени его нагревания. Какова температура плавления вещества?

График сначала показывает рост температуры – значит, идет нагрев вещества. Мы знаем, что плавление происходит при постоянной температуре, так как все подводимое тепло идет на разрушение кристаллической решетки, и пока это разрушение не закончится, температура будет сохраняться на одном и том же уровне. На графике такой уровень, очевидно, .

Ответ: 50.

2. Горячая жидкость медленно охлаждалась в стакане. В таблице приведены результаты измерений ее температуры с течением времени.

Через семь минут в стакане находилось вещество:

1) только в жидком состоянии;

2) только в твердом состоянии;

3) и в жидком, и в твердом состояниях;

4) и в жидком, и в газообразном состояниях.

По таблице видно, что температура сохраняется постоянной некоторое время, очевидно, что в это время продолжается кристаллизация. Тогда, раз она не закончена, значит, отвердело не все вещество, а только его часть, поэтому вещество будет присутствовать как в твердом, так и в жидком состоянии.

Ответ: 3.

3. На рисунке показан график изменения температуры вещества по мере поглощения теплоты. Масса тела 0,15 кг. Первоначально вещество было в твердом состоянии. Какова удельная теплота плавления вещества?

Удельная теплота плавления – это количество тепла, которое необходимо передать телу, чтобы расплавился 1 кг. Наше тело весит меньше, поэтому для его плавления требуется и тепла меньше, а именно, 15% от того количества, которое потребовалось бы для килограмма. По графику видим, что телу было передано количество тепла Дж, значит, килограмму потребуется Дж/K

4. Вещество массой m находится в твердом состоянии. К нему при постоянной температуре подводят количество теплоты Q, и оно переходит в жидкое состояние . Удельную теплоту плавления можно рассчитать по формуле:

1)

2)

3)

4)

Удельная теплота плавления – количество тепла, необходимое, чтобы расплавить 1 кг вещества, поэтому выбираем формулу 3.

Ответ: 3.

5. На графике показана зависимость температуры Т вещества от времени t. В начальный момент времени вещество находилось в кристаллическом состоянии. Окончанию процесса плавления вещества соответствует точка:

1) 5

2) 2

3) 3

4) 6

Рассмотрим график. На участке 1-2 температура тела изменяется – оно нагревается. Когда тело нагреется до температуры плавления, температура его перестанет меняться, так как теперь тепло идет на разрушение решетки, и так будет, пока тело все не расплавится. После этого температура снова начнет расти, так как будет нагреваться образовавшаяся жидкость. Точка, находящаяся в конце горизонтального участка и в начале наклонного – и есть точка окончания процесса плавления, это точка 3.

Ответ: 3. 6. В печь поместили некоторое количество алюминия. Диаграмма изменения температуры алюминия с течением времени показана на рисунке. Печь при постоянном нагреве передает алюминию 2 кДж энергии в минуту. Какое количество теплоты потребовало плавление алюминия?

1) 15 кДж

2) 40 кДж

3) 20 кДж

4) 30 кДж

Раз в одну минуту передавали 2 кДж тепла, значит, надо определить время, в течение которого происходило плавление – то есть отрезок времени, когда температура не менялась. Это горизонтальный участок, его продолжительность – 20 минут. Тогда количество теплоты будет равно кДж.

Ответ: 2.

7. На графике показаны кривые нагревания двух жидкостей одинаковой массы при постоянной мощности подводимого тепла. Отношение температур кипения первого вещества к температуре кипения второго вещества

Очевидно, что первое вещество (синий график) кипит при . а второе (красный график) при . Тогда отношение будет .

1) 1/3

2) 1/2

3) 2

4) 3

Ответ: 2.

8. На графике показана зависимость температуры воды в чайнике от времени. Такой ход графика возможен, если

1) первые 20 минут чайник стоял на горячей плите, а вторые 20 минут – на столе;

2) первые 20 минут чайник стоял на столе, а вторые 20 минут – на горячей плите;

3) все сорок минут чайник стоял на столе;

4) все сорок минут чайник стоял на горячей плите.

Температура сначала постоянна – так бывает во время кипения, или парообразования. Потом температура снижается – вода остывает. Значит, чайник стоял на плите и кипел, после чего остывал на столе.

Ответ: 1.

9. Не­ко­то­рое ко­ли­че­ство воды по­ме­сти­ли в за­кры­тый сосуд, в ко­то­ром на­хо­дил­ся сухой воз­дух. Через до­ста­точ­но про­дол­жи­тель­ное время после этого от­но­си­тель­ная влаж­ность в со­су­де будет

1) мень­ше 100% 2) равна 100% 3) боль­ше 100% 4) мень­ше 100% или равна 100%

Ответ на этот вопрос зависит от того, какое же количество воды находилось в сосуде. Поскольку мы этого не знаем, но знаем точно, что испарение будет происходить, то влажность воздуха не может остаться равной 0%. Но, возможно, воды столько, что относительная влажность достигнет и 100%. Поэтому выбираем ответ 4.

Плавление льда

В природе твердый лед существует только при температуре 0 °C и ниже. Если же температура окружающей среды поднимается и становится больше 0 °C, лед начинает таять.

При температуре таяния льда, при 0 °C, происходит и другой процесс – замерзание, или кристаллизация, жидкой воды.

Данный процесс можно наблюдать всем жителям умеренно континентального климата. Зимой, когда температура на улице опускается ниже 0 °C, достаточно часто выпадает снег, который не тает. А жидкая вода, находившаяся на улицах, замерзает, превращаясь в твердый снег или лед. Весной же можно увидеть обратный процесс. Температура окружающей среды поднимается, поэтому лед и снег тают, образуя многочисленные лужи и грязь, которую можно считать единственным минусом весеннего потепления.

Таким образом, можно сделать вывод, что, при какой температуре начинает таять лед, при такой же температуре начинается и процесс замерзания воды.

Как на графике выглядит процесс кристаллизации для кристаллического тела

Давайте теперь прекратим нагревание воды, вынесем кастрюльку на мороз и, оставим ее там на какое-то время. Вода начнет охлаждаться, ее температура будет понижаться. На рисунке 4 это отражено убывающей до нуля прямой наклонной синей линией.

Рис. 4. Процесс кристаллизации – это горизонтальная линия на температурном графике

Когда вода охладится до нуля градусов, начнется процесс превращения жидкости в твердое тело – лед. Потому, что ноль градусов Цельсия – это температура не только плавления, но и кристаллизации льда. Вначале начнут появляться маленькие льдинки. Этому соответствует левая часть красной горизонтальной линии на графике 4.

Примечание: Если в воде присутствуют пылинки, или другие мелкие примеси, то кристаллизация проходит быстрее. Такие мелкие примеси называют центрами кристаллизации.

Постепенно, количество льда увеличивается, а воды становится все меньше. При этом, температура воды и льда в кастрюльке продолжает оставаться равной нулю градусов по Цельсию.

Когда вся вода в кастрюльке превращается в лед – этому соответствует крайняя правая точка на красной линии на графике.

Только после этого температура льда начинает понижаться от нуля в отрицательную область температур. На рисунке это описано наклонной синей линией, примыкающей справа к горизонтальной красной линии.

Примечание: Чтобы тело перешло из жидкого состояния в твердое (кристаллизовалось), оно должно избавиться от избытка тепловой энергии. Значит, при кристаллизации, тело отдает энергию окружающим телам. Физики скажут так: «Тело выделяет тепловую энергию во внешнюю среду».