Содержание
Одно и то же вещество может находиться в трех разных агрегатных состояниях в зависимости от условий. Например, лед, вода и водяной пар (рисунок 1).
Рисунок 1. Агрегатные состояния одного вещества на примере льда, воды и пара
Соответственно, это одно вещество в твердом, жидком и газообразном состоянии. Эти состояния отличаются друг от друга расположением, характером движения и взаимодействия молекул. В жидких и твердых телах, в отличии от газов, молекулы не могут далеко удалиться друг от друга. Изначально они расположены близко друг к другу и их средняя кинетическая энергия недостаточна для того, чтобы совершить работу по преодолению сил молекулярного притяжения.
Тем не менее, на практике мы часто наблюдаем, как тела переходят из твердого состояния в жидкое, и наоборот. Например, процесс таяния льда или его замерзания. В данном уроке мы более подробно рассмотрим эти процессы, узнаем при каких условиях они проходят.
Измерения точки плавления
Основная статья: Аппарат точки плавления
Стенд Кофлера с образцами для калибровки
Много лабораторные методы существуют для определения точек плавления. Скамейка Кофлера представляет собой металлическую полосу с температурным градиентом (диапазон от комнатной температуры до 300 ° C). Любое вещество может быть помещено на участок полосы, чтобы выявить его термическое поведение при температуре в этой точке. Дифференциальная сканирующая калориметрия дает информацию о температуре плавления вместе с ее энтальпия плавления.
Автоматический цифровой измеритель температуры плавления
Базовый прибор для определения температуры плавления для анализа кристаллических твердых веществ состоит из масляная ванна с прозрачным окном (самая простая конструкция: Трубка Тиле) и простую лупу. Несколько зерен твердого вещества помещают в тонкую стеклянную трубку и частично погружают в масляную ванну. Масляную баню нагревают (и перемешивают), и с помощью лупы (и внешнего источника света) можно наблюдать плавление отдельных кристаллов при определенной температуре. Вместо масляной ванны можно использовать металлический блок. Некоторые современные инструменты имеют автоматическое оптическое обнаружение.
Измерение также может производиться непрерывно во время рабочего процесса. Например, нефтеперерабатывающие заводы измеряют точку замерзания дизельного топлива «в режиме онлайн», что означает, что проба берется из технологического процесса и измеряется автоматически. Это позволяет проводить более частые измерения, так как пробу не нужно собирать вручную и отправлять в удаленную лабораторию.
Технологии изготовления огнеупорных материалов
Для тугоплавких материалов (например, платины, вольфрама, тантала, некоторых карбидов и нитридов и т. Д.) Чрезвычайно высокая температура плавления (обычно считается выше, скажем, 1800 ° C) может быть определена путем нагревания материала в печи черного тела и измерение температуры черного тела с помощью оптического пирометр. Для материалов с самой высокой температурой плавления это может потребовать экстраполяции на несколько сотен градусов. Известно, что спектральная яркость раскаленного тела зависит от его температуры. Оптический пирометр сравнивает яркость исследуемого тела с яркостью источника, который ранее был откалиброван в зависимости от температуры. Таким образом, измерение абсолютной величины интенсивности излучения не требуется. Однако для определения калибровки пирометра необходимо использовать известные температуры. Для температур выше диапазона калибровки источника необходимо использовать метод экстраполяции. Эта экстраполяция осуществляется с помощью Закон планка излучения. Константы в этом уравнении неизвестны с достаточной точностью, что приводит к увеличению ошибок экстраполяции при более высоких температурах. Однако для этой экстраполяции были разработаны стандартные методы.
Рассмотрим случай использования золота в качестве источника (т.пл. = 1063 ° C). В этом методе ток через нить накала пирометра регулируется до тех пор, пока интенсивность света нити не будет соответствовать интенсивности света черного тела при температуре плавления золота. Это устанавливает температуру первичной калибровки и может быть выражено через ток через лампу пирометра. При той же настройке тока пирометр наводится на другое черное тело с более высокой температурой. Между пирометром и этим черным телом вставлена поглощающая среда с известной пропускной способностью. Затем температура черного тела регулируется до тех пор, пока не будет совпадать его интенсивность и интенсивность нити накала пирометра. Истинная более высокая температура черного тела затем определяется по закону Планка. Затем поглощающая среда удаляется, и ток через нить накаливания регулируется так, чтобы интенсивность нити накала соответствовала силе черного тела. Таким образом устанавливается вторая точка калибровки пирометра. Этот шаг повторяется для переноса калибровки на более высокие температуры. Теперь температуры и соответствующие им токи накала пирометра известны, и можно построить кривую зависимости температуры от тока. Затем эту кривую можно экстраполировать на очень высокие температуры.
При определении температуры плавления тугоплавкого вещества этим методом необходимо либо иметь условия черного тела, либо знать излучательная способность измеряемого материала. Сохранение тугоплавкого материала в жидком состоянии может вызвать экспериментальные трудности. Таким образом, температуры плавления некоторых тугоплавких металлов были измерены путем наблюдения излучения из полости черного тела в твердых металлических образцах, которые были намного длиннее, чем их ширина. Для образования такой полости просверливается отверстие перпендикулярно длинной оси в центре стержня из материала. Затем эти стержни нагревают, пропуская через них очень большой ток, и излучение, выходящее из отверстия, наблюдается с помощью оптического пирометра. На точку плавления указывает потемнение отверстия при появлении жидкой фазы, разрушающей условия черного тела. Сегодня методы бесконтейнерного лазерного нагрева в сочетании с быстрыми пирометрами и спектропирометрами используются для точного контроля времени, в течение которого образец находится при экстремальных температурах. Такие эксперименты продолжительностью менее секунды решают несколько проблем, связанных с более традиционными измерениями точки плавления, проводимыми при очень высоких температурах, такими как испарение образца и реакция с контейнером.
Плавление и температура плавления
- Если мы сообщим телу достаточную энергию, то возможно перевести его из твердого состояния в жидкое (расплавить лед) и из жидкого в газообразное (превратить воду в пар)
- Если же тело будет отдавать энергию, то оно может перейти из газообразного состояния в жидкое и из жидкого в твердое
Плавление — это переход вещества из твердого состояния в жидкое.
Чтобы началось плавление тела, его необходимо нагреть до определенной температуры.
Температура плавления вещества — это температура, при которой вещество плавится.
Разные вещества плавятся при разных температурах. Лед начнет плавится, если мы возьмем его в руку, а чтобы расплавить железо понадобится специальная печь. Кусок олова или свинца можно расплавить в стальной ложке.
В таблице 1 представлены температуры плавления различных веществ. Вы можете заметить, что их диапазон очень широк.
| Вещество | $t_{пл}, \degree C$ | Вещество | $t_{пл}, \degree C$ |
| Водород | -259 | Цинк | 420 |
| Кислород | -219 | Алюминий | 660 |
| Азот | -210 | Серебро | 962 |
| Спирт | -114 | Латунь | 1000 |
| Ртуть | -39 | Золото | 1064 |
| Лед | 0 | Медь | 1085 |
| Цезий | 29 | Чугун | 1200 |
| Калий | 63 | Сталь | 1500 |
| Натрий | 98 | Железо | 1539 |
| Олово | 232 | Платина | 1772 |
| Свинец | 327 | Осмий | 3045 |
| Янтарь | 360 | Вольфрам | 3387 |
Таблица 1. Температура плавления некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении)
Плавление и кристаллизация твердых тел.
Вещество существует в твердом кристаллическом состоянии при определенных значениях давления и температуры. В этом состоянии вещество находится до тех пор, пока кинетической энергии атомов недостаточно, чтобы преодолеть силы взаимного притяжения. Эти силы удерживают атомы на некотором расстоянии друг относительно друга, не позволяя им перемещаться. При этом атом колеблется около положения своего равновесия. При нагревании твердого тела кинетическая энергия атомов или молекул возрастает. При этом амплитуды колебаний могут стать настолько большими, что уже будут сравнимы с периодом решетки, произойдет нарушение дальнего порядка, кристаллическая решетка начнет разрушаться. При дальнейшем увеличении температуры происходит плавление твердых тел.
Плавление –переход вещества из твердого состояния в жидкое.
При плавлении температура тела остается постоянной
. Все переданное телу тепло идет на разрушение кристалла. При плавлении кристаллическое тело находится одновременно в твердом и жидком состояниях.
После разрушения кристалла и образования жидкости подводимая теплота идет на нагревание жидкости.
Температура плавления зависит от рода кристаллического тела.
При плавлении изменяется плотность и объем вещества. У большинства веществ объем при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается. При этом изменяется и плотность: при плавлении плотность уменьшается, а при отвердевании увеличивается. Например, кристаллики твердого нафталина или парафина тонут в расплавленном нафталине (парафине). Но лед плавает в воде. Также ведут себя висмут, галлий, германий, кремний, чугун, т.е. при плавлении их плотность увеличивается, а при отвердевании уменьшается. При плавлении они сжимаются (объем уменьшается), а при отвердевании расширяются (объем увеличивается).
Температура плавления зависит от атмосферного давления.
В тех случаях, когда объем вещества при плавлении возрастает, увеличение внешнего давления приводит к увеличению температуры плавления (т.к. увеличение давления затрудняет процесс плавления). Если же объем вещества при плавлении уменьшается, то увеличение внешнего давления ведет к понижению температуры плавления этого вещества (т.к. повышенное давление помогает процессу плавления в данном случае).
Чтобы перевести в жидкость твердое тело массой m при температуре плавления, ему надо сообщить количество теплоты
Q= λ m
где λ – удельная теплота плавления –количество теплоты, необходимое, чтобы перевести в жидкость твердое тело массой
1
кг при температуре плавления.
λ = Q / m [ Дж/кг ]
При плавлении увеличивается внутренняя энергия тела.
Если получившуюся при плавлении жидкость охладить до температуры плавления, то начнется обратный процесс.
Кристаллизация (отвердевание) –процесс перехода жидкости в твердое состояние.
Происходит сближение частиц жидкости и упорядочение их движения, в результате которого они начинают колебаться около узлов кристаллической решетки. Потенциальная энергия молекул при этом уменьшается, а т.к. температура кристаллизации постоянна (равна температуре плавления для данного вещества), процесс кристаллизации должен сопровождаться выделением тепла.
Процесс кристаллизации сопровождается выделением теплоты кристаллизации, которая равна теплоте плавления Q= λ m
Процесс кристаллизации происходит в двухфазной системе вблизи центров кристаллизации. такими центрами могут быть пылинки, мельчайшие примеси.
Процессы плавления и кристаллизации можно представить на графике:
По графику можно определить:
- участок АВ – нагревание льда от -40 0С до температуры плавления 0 0С
- участок ВС – плавление льда при температуре плавления
- участок СD – нагревание воды от 0 0С до температуры 50 0С
- участок DE – охлаждение воды от 50 0С до температуры кристаллизации (отвердевания) 0 0С
- участок EF – кристаллизация (отвердевание) воды при температуре плавления (кристаллизации)
- участок FK – охлаждение льда от 0 0С до температуры -40 0С
Многие твердые вещества обладают запахом – камфара, нафталин. Значит пары этих веществ есть в воздухе. Это доказывает, что при определенных условиях твердые вещества могут переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое.
Переход твердого состояния вещества в газообразное называется
сублимациейили возгонкой(«сублимаре» — возносить)
Легко обнаружить возгонку (сублимацию) льда и снега: уменьшение инея на деревьях со временем, высыхание оледеневшего белья зимой.
Часто можно наблюдать и обратный переход из газообразного состояния непосредственно в твердое, минуя жидкое состояние –
десублимация.На окнах зимой иногда можно видеть быстрый рост кристалликов льда в виде узоров на стеклах, которые образуются непосредственно из водяных паров, находящихся в воздухе.
Испарение твердых тел аналогично испарению жидкостей. Все твердые тела испаряются, но их паров обычно так мало, что их невозможно обнаружить.
Процесс сублимации происходит как при нагревании твердого тела, так и без подвода теплоты извне. При сублимации происходит охлаждение тела, т.к. его покидают наиболее быстрые молекулы (обладающие кинетической энергией, достаточной для преодоления молекулярного притяжения и отрыва молекул от поверхности тела).
Процесс сублимации или возгонки наблюдается во Вселенной. При сближении с солнцем происходит возгонка поверхностного слоя ядер комет. Практически вся масса кометы сосредоточена в ядре, которое является единственной твердой частью кометы. Ядро кометы состоит из смеси пылинок, твердых кусочков вещества и замерзших газов (углекислый газ, аммиак, метан). В далеких от Солнца областях кометы не имеют хвостов. При приближении кометы к Солнцу ядро прогревается и из него выделяются газы и пыль. Они образуют вокруг ядра газовую оболочку, которая вместе с ядром составляет голову кометы. Газы и пыль, выбрасываемые в голову кометы, отталкиваются под действия давления солнечного света и создают хвост кометы, всегда направленный в сторону, противоположную Солнцу. Чем ближе к Солнцу подходит комета, тем она ярче и тем длиннее её хвост вследствие большего её облучения и интенсивного выделения газов.
Известно, что при повышении температуры линейные размеры твердых тел увеличиваются, а при понижении уменьшаются. При нагревании увеличивается среднее расстояние между атомами и молекулами твердого тела, а значит и линейные размеры тела.
Тепловым расширениемназывают увеличение линейных размеров тела и его объема при повышении температуры.
Расширение твердых тел при нагревании происходит одинаково по всем направлениям. Однако на практике часто приходится учитывать расширение только в одном направлении.
Линейное расширение –изменение одного определенного размера твердого тела при изменении температуры.
Предположим, что твердое тело при начальной температуре Т0 имеет длину l0
. При нагревании его до температуры T его длина увеличится до
l
, т.е. на Δ
l = l — l0
Относительное удлинение составит Δl/ l.
Величина, равная отношению относительного удлинения тела к изменению его температуры на
Δ
Т = Т – Т0, называется температурным коэффициентом линейного расширения.
α = (Δl/ l) /
Δ
Т
Зависимость длины твердого тела от температуры
определяется по формуле
l= l0 (1+ α
Δ
Т)
Для большинства тел можно считать, что температурные коэффициенты линейного расширения практически не зависят от температуры.
Объемное расширение –изменение объема тела при возрастании температуры.
Предположим, что твердое тело при начальной температуре Т0 имеет объем V0
. При нагревании его до температуры T его объем увеличится до
V
, т.е. на ΔV
= V — V0
Относительное увеличение объемаΔV/V
Величина, равная отношению относительного увеличения объема
Δ
V/Vтела к изменению температуры
Δ
Т = Т – Т0 называется температурным коэффициентом объемного расширения.
β = (ΔV/V) /
Δ
Т
Между температурными коэффициентами линейного и объемного расширения существует связь
β = 3α
Зависимость объема твердого тела от температуры
определяется по формуле
V= V0 (1+ β
Δ
Т)
Лекции по физике
Вещество существует в твердом кристаллическом состоянии при определенных значениях давления и температуры. В этом состоянии вещество находится до тех пор, пока кинетической энергии атомов недостаточно, чтобы преодолеть силы взаимного притяжения. Эти силы удерживают атомы на некотором расстоянии друг относительно друга, не позволяя им перемещаться. При этом атом колеблется около положения своего равновесия. При нагревании твердого тела кинетическая энергия атомов или молекул возрастает. При этом амплитуды колебаний могут стать настолько большими, что уже будут сравнимы с периодом решетки, произойдет нарушение дальнего порядка, кристаллическая решетка начнет разрушаться. При дальнейшем увеличении температуры происходит плавление твердых тел.
Плавление –переход вещества из твердого состояния в жидкое.
При плавлении температура тела остается постоянной
. Все переданное телу тепло идет на разрушение кристалла. При плавлении кристаллическое тело находится одновременно в твердом и жидком состояниях.
После разрушения кристалла и образования жидкости подводимая теплота идет на нагревание жидкости.
Температура плавления зависит от рода кристаллического тела.
При плавлении изменяется плотность и объем вещества. У большинства веществ объем при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается. При этом изменяется и плотность: при плавлении плотность уменьшается, а при отвердевании увеличивается. Например, кристаллики твердого нафталина или парафина тонут в расплавленном нафталине (парафине). Но лед плавает в воде. Также ведут себя висмут, галлий, германий, кремний, чугун, т.е. при плавлении их плотность увеличивается, а при отвердевании уменьшается. При плавлении они сжимаются (объем уменьшается), а при отвердевании расширяются (объем увеличивается).
Температура плавления зависит от атмосферного давления.
В тех случаях, когда объем вещества при плавлении возрастает, увеличение внешнего давления приводит к увеличению температуры плавления (т.к. увеличение давления затрудняет процесс плавления). Если же объем вещества при плавлении уменьшается, то увеличение внешнего давления ведет к понижению температуры плавления этого вещества (т.к. повышенное давление помогает процессу плавления в данном случае).
Чтобы перевести в жидкость твердое тело массой m при температуре плавления, ему надо сообщить количество теплоты
Q= λ m
где λ – удельная теплота плавления –количество теплоты, необходимое, чтобы перевести в жидкость твердое тело массой
1
кг при температуре плавления.
λ = Q / m [ Дж/кг ]
При плавлении увеличивается внутренняя энергия тела.
Если получившуюся при плавлении жидкость охладить до температуры плавления, то начнется обратный процесс.
Кристаллизация (отвердевание) –процесс перехода жидкости в твердое состояние.
Происходит сближение частиц жидкости и упорядочение их движения, в результате которого они начинают колебаться около узлов кристаллической решетки. Потенциальная энергия молекул при этом уменьшается, а т.к. температура кристаллизации постоянна (равна температуре плавления для данного вещества), процесс кристаллизации должен сопровождаться выделением тепла.
Процесс кристаллизации сопровождается выделением теплоты кристаллизации, которая равна теплоте плавления Q= λ m
Процесс кристаллизации происходит в двухфазной системе вблизи центров кристаллизации. такими центрами могут быть пылинки, мельчайшие примеси.
Процессы плавления и кристаллизации можно представить на графике:
По графику можно определить:
- участок АВ – нагревание льда от -40 0С до температуры плавления 0 0С
- участок ВС – плавление льда при температуре плавления
- участок СD – нагревание воды от 0 0С до температуры 50 0С
- участок DE – охлаждение воды от 50 0С до температуры кристаллизации (отвердевания) 0 0С
- участок EF – кристаллизация (отвердевание) воды при температуре плавления (кристаллизации)
- участок FK – охлаждение льда от 0 0С до температуры -40 0С
Многие твердые вещества обладают запахом – камфара, нафталин. Значит пары этих веществ есть в воздухе. Это доказывает, что при определенных условиях твердые вещества могут переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое.
Переход твердого состояния вещества в газообразное называется
сублимациейили возгонкой(«сублимаре» — возносить)
Легко обнаружить возгонку (сублимацию) льда и снега: уменьшение инея на деревьях со временем, высыхание оледеневшего белья зимой.
Часто можно наблюдать и обратный переход из газообразного состояния непосредственно в твердое, минуя жидкое состояние –
десублимация.На окнах зимой иногда можно видеть быстрый рост кристалликов льда в виде узоров на стеклах, которые образуются непосредственно из водяных паров, находящихся в воздухе.
Испарение твердых тел аналогично испарению жидкостей. Все твердые тела испаряются, но их паров обычно так мало, что их невозможно обнаружить.
Процесс сублимации происходит как при нагревании твердого тела, так и без подвода теплоты извне. При сублимации происходит охлаждение тела, т.к. его покидают наиболее быстрые молекулы (обладающие кинетической энергией, достаточной для преодоления молекулярного притяжения и отрыва молекул от поверхности тела).
Процесс сублимации или возгонки наблюдается во Вселенной. При сближении с солнцем происходит возгонка поверхностного слоя ядер комет. Практически вся масса кометы сосредоточена в ядре, которое является единственной твердой частью кометы. Ядро кометы состоит из смеси пылинок, твердых кусочков вещества и замерзших газов (углекислый газ, аммиак, метан). В далеких от Солнца областях кометы не имеют хвостов. При приближении кометы к Солнцу ядро прогревается и из него выделяются газы и пыль. Они образуют вокруг ядра газовую оболочку, которая вместе с ядром составляет голову кометы. Газы и пыль, выбрасываемые в голову кометы, отталкиваются под действия давления солнечного света и создают хвост кометы, всегда направленный в сторону, противоположную Солнцу. Чем ближе к Солнцу подходит комета, тем она ярче и тем длиннее её хвост вследствие большего её облучения и интенсивного выделения газов.
Известно, что при повышении температуры линейные размеры твердых тел увеличиваются, а при понижении уменьшаются. При нагревании увеличивается среднее расстояние между атомами и молекулами твердого тела, а значит и линейные размеры тела.
Тепловым расширениемназывают увеличение линейных размеров тела и его объема при повышении температуры.
Расширение твердых тел при нагревании происходит одинаково по всем направлениям. Однако на практике часто приходится учитывать расширение только в одном направлении.
Линейное расширение –изменение одного определенного размера твердого тела при изменении температуры.
Предположим, что твердое тело при начальной температуре Т0 имеет длину l0
. При нагревании его до температуры T его длина увеличится до
l
, т.е. на Δ
l = l — l0
Относительное удлинение составит Δl/ l.
Величина, равная отношению относительного удлинения тела к изменению его температуры на
Δ
Т = Т – Т0, называется температурным коэффициентом линейного расширения.
α = (Δl/ l) /
Δ
Т
Зависимость длины твердого тела от температуры
определяется по формуле
l= l0 (1+ α
Δ
Т)
Для большинства тел можно считать, что температурные коэффициенты линейного расширения практически не зависят от температуры.
Объемное расширение –изменение объема тела при возрастании температуры.
Предположим, что твердое тело при начальной температуре Т0 имеет объем V0
. При нагревании его до температуры T его объем увеличится до
V
, т.е. на ΔV
= V — V0
Относительное увеличение объемаΔV/V
Величина, равная отношению относительного увеличения объема
Δ
V/Vтела к изменению температуры
Δ
Т = Т – Т0 называется температурным коэффициентом объемного расширения.
β = (ΔV/V) /
Δ
Т
Между температурными коэффициентами линейного и объемного расширения существует связь
β = 3α
Зависимость объема твердого тела от температуры
определяется по формуле
V= V0 (1+ β
Δ
Т)
Лекции по физике
От чего зависит температура плавления?
У различных материалов различается, и температура их плавления, при которой происходит коренное перестраивание решетки до состояния жидкости. Металлические изделия и изделия из сплавов имеют следующие особенности:
- У различных материалов различается, и температура их плавления, при которой происходит коренное перестраивание решетки до состояния жидкости. Металлические изделия и изделия из сплавов имеют следующие особенности:
- Они редко встречаются в натуральном виде, т.е. без примесей. Именно состав определяет, какой должна быть температура плавки. В пример можно взять олово, в которое добавляют включения серебра. Благодаря примесям материал начинает становится устойчивым к воздействию температуры.
- Существуют такие сплавы, которые из-за химического состава трансформируются в жидкое состояние, когда столбик термометра поднимается чуть выше отметки в + 1 500 °C. Есть и такие сплавы, которые «держатся», если их нагревать до 30 000 °C.
- Стоит учитывать тот факт, что одним из наиболее важных свойств веществ является их точка плавления. В качестве примера можно привести авиационную технику.
Расчет энергии при последовательных тепловых процессах
Рассмотрим процесс охлаждения m килограмм воды от температуры, например, +20°С до -10°С. Здесь мы имеем дело с тремя тепловыми процессами:
- охлаждение воды от температуры +20°С до 0°С, ∆T1 = — 20°;
- кристаллизация воды в лед при температуре 0°С;
- охлаждение льда от температуры 0°С до -10°С, ∆T2 = — 10°;
Количество высвобождаемой энергии Q равно сумме энергий в каждом из этих процессов:
Q = Q1 + Q2 + Q3;
Q1 = C1 * m * ∆T1;
Q3 = C2 * m * ∆T2;
где С1 и С2 – удельная теплоемкость воды и льда, соответственно. Знак «-» при Q2 означает, что идет процесс высвобождения энергии при кристаллизации.
Плавление — переход тела из кристаллического твёрдого состояния в жидкое. Плавление происходит с поглощением удельной теплоты плавления и является фазовым переходом первого рода.
Способность плавиться относится к физическим свойствам вещества
При нормальном давлении, наибольшей температурой плавления среди металлов обладает вольфрам (3422 °C), простых веществ вообще — углерод (по разным данным 3500 — 4500 °C) а среди произвольных веществ — карбид гафния HfC (3890 °C). Можно считать, что самой низкой температурой плавления обладает гелий: при нормальном давлении он остаётся жидким при сколь угодно низких температурах.
Многие вещества при нормальном давлении не имеют жидкой фазы. При нагревании они путем сублимации сразу переходят в газообразное состояние.
Рисунок 9 — Плавление льда
Кристаллизация — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое с образованием кристаллов.
Фазой называется однородная часть термодинамической системы отделённая от других частей системы (других фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав, структура и свойства вещества изменяются скачками.
Рисунок 10 — Кристаллизация воды с образованием льда
Кристаллизация — это процесс выделения твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов, в химической промышленности процесс кристаллизации используется для получения веществ в чистом виде.
Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или перенасыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов — центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершённых атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.
На число центров кристаллизации и скорость роста значительно влияет степень переохлаждения.
Степень переохлаждения — уровень охлаждения жидкого металла ниже температуры перехода его в кристаллическую (твердую) модификацию. Она необходима для компенсации энергии скрытой теплоты кристаллизации. Первичной кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (и сплавах) при переходе из жидкого состояния в твердое.
Удельная теплота плавления (также: энтальпия плавления; также существует равнозначное понятие удельная теплота кристаллизации) — количество теплоты, которое необходимо сообщить одной единице массы кристаллического вещества в равновесном изобарно-изотермическом процессе, чтобы перевести его из твёрдого (кристаллического) состояния в жидкое (то же количество теплоты выделяется при кристаллизации вещества).
Количество теплоты при плавлении или кристаллизации: Q=mл
Получение и применение
В чистом виде рассматриваемый элемент не встречается. Он входит в состав касситерита в виде оксида. Много столетий назад этот металл добывался в открытых шахтах, но сегодня подобные месторождения практически не разрабатываются. Для получения олова проводится очистка руды. Концентрация элемента составляет 1%. Для получения 1 килограмма рассматриваемого металла приходится перерабатывать около центнера руды.
Температура плавления свинца и олова относительно невысокая, что определяет возможность использования этих материалов в домашних условиях на момент проведения пайки. Продаются металлы в виде небольшого прутка.
Тот факт, что температура плавления олова и свинца примерно одинаковая, определяет смешивание этих элементов для получения сплава с более привлекательными эксплуатационными качествами. Кроме этого, в олово могут добавлять серебро, медь и другие элементы.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть 1
1. В процессе плавления кристаллическое твёрдое тело становится жидкостью. При этом
1) уменьшается внутренняя энергия тела 2) увеличивается средняя кинетическая энергия молекул 3) увеличивается внутренняя энергия тела 4) уменьшается средняя кинетическая энергия молекул
2. В одном сосуде находится лёд при температуре 0 °С, в другом — такая же масса воды при температуре 0 °С. Внутренняя энергия льда
1) равна внутренней энергии воды 2) больше внутренней энергии воды 3) меньше внутренней энергии воды 4) равна нулю
3. На рисунке представлен график зависимости температуры от времени для процесса нагревания льда. Процессу плавления льда соответствует участок графика
1) AB 2) BC 3) CD 4) DE
4. На рисунке приведён график зависимости температуры некоторого вещества от времени. Первоначально вещество находилось в жидком состоянии. Какая точка графика соответствует началу процесса отвердевания вещества?
1) А 2) Б 3) В 4) Г
5. На рисунке приведён график зависимости температуры некоторого вещества от времени. Первоначально вещество находилось в жидком состоянии. Какая точка графика соответствует окончанию процесса отвердевания вещества?
1) А 2) Б 3) В 4) Г
6. На рисунке изображён график зависимости температуры тела от времени. Первоначально тело находилось в жидком состоянии. Какой процесс характеризует отрезок БВ?
1) нагревание 2) охлаждение 3) плавление 4) кристаллизацию
7. На рисунке представлен график зависимости температуры \( t \) от времени \( \tau \) при непрерывном нагревании и последующем непрерывном охлаждении вещества, первоначально находящегося в твёрдом состоянии. В каком состоянии находится вещество в точке Е?
1) только в жидком 2) только в твёрдом 3) только в газообразном 4) часть — в жидком, часть — в твёрдом
8. Удельную теплоту плавления можно рассчитать по формуле
1) \( \frac{Q}{m(t_2-t_1)} \) 2) \( \frac{Q}{m} \) 3) \( \frac{Q}{(t_2-t_1)} \) 4) \( \lambda m \)
9. Чему равно количество теплоты, которое необходимо затратить на полное превращение 2 кг свинца в жидкое состояние, если его начальная температура 27 °С?
1) 50 кДж 2) 78 кДж 3) 128 кДж 4) 15000 кДж
10. Какое количество теплоты выделяется при превращении 500 г воды, взятой при 0 °С, в лёд при температуре -10 °С? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь.
1) 10500 Дж 2) 175 500 Дж 3) 165 000 Дж 4) 10500 Дж
11. На рисунке представлен график зависимости температуры некоторого вещества от полученного количества теплоты. Первоначально вещество находилось в твёрдом состоянии.
Используя данные графика, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
1) Удельная теплоёмкость вещества в твёрдом состоянии равна удельной теплоёмкости вещества в жидком состоянии. 2) Температура кипения вещества равна tx. 3) В точке В вещество находится в твёрдом состоянии. 4) В процессе перехода из состояния Б в состояние В внутренняя энергия вещества увеличивается. 5) Участок графика ГД соответствует процессу плавления вещества.
12. На рисунке представлены графики зависимости температуры от полученного количества теплоты для двух веществ одинаковой массы. Первоначально каждое из веществ находилось в твёрдом состоянии.
Используя данные графиков, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
1) Удельная теплоёмкость первого вещества в твёрдом состоянии меньше удельной теплоёмкости второго вещества в твёрдом состоянии. 2) В процессе плавления первого вещества было израсходовано большее количество теплоты, чем в процессе плавления второго вещества. 3) Представленные графики не позволяют сравнить температуры кипения двух веществ. 4) Температура плавления второго вещества выше. 5) Удельная теплота плавления у второго вещества больше.
Часть 2
13. Зависимость температуры 1 л воды от времени при непрерывном охлаждении представлена на графике. Какое количество теплоты выделилось при кристаллизации воды и охлаждении льда?
Как определить температуру плавления?
Существует несколько методов экспериментального определения температуры плавления.
- Капиллярный способ Измельченное твердое вещество необходимо поместить в капилляр с открытым концом. Капилляр нагревают в таких условиях, чтобы тонкое стекло не лопнуло. Когда все вещество переходит в жидкую фазу, температуру фиксируют.
- Открытый капиллярный метод Этот способ схож с предыдущим, но вместо закрытого капилляра используют открытый.
- Мгновенное плавление На металлический блок, нагретый до температуры на 10°С ниже справочной температуры плавления, кладут измельченные порции сухого вещества. Регулируют нагревание так, чтобы градус повышался на 1°С в минуту. Затем записывают изначальную температуру t1, при которой вещество приобретает свойства жидкости сразу после контакта с блоком. После нахождения данной величины нагревание приостанавливают и очищают место соприкосновения блока и вещества. При постепенном охлаждении продолжают класть на блок порции вещества. Таким образом устанавливают конечную температуру t2, при которой вещество перестает плавиться.
Формула определения температуры плавления по методу «мгновенного плавления»:
Тпл = (t1 + t2) / 2
Для определения температуры плавления твердых веществ, которые быстро превращаются в порошок, используют методы №1 и №3, а для аморфных веществ, плавящихся при температуре ниже 100°С, — метод №2.
Температуру плавления нельзя определить теоретическим путем с помощью формул. Ознакомиться с ней можно в специальном химическом справочнике.
