Mekkora a jég fajlagos olvadási hője. Téma: "Olvadás és kristályosodás

Ebben a leckében a „fajlagos olvadási hő” fogalmát fogjuk tanulmányozni. Ez az érték azt a hőmennyiséget jellemzi, amelyet az olvadásponton 1 kg anyagnak át kell adni ahhoz, hogy az szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba kerüljön (vagy fordítva).

Tanulmányozzuk azt a képletet, amivel meg lehet találni azt a hőmennyiséget, amely egy anyag megolvadásához (vagy a kristályosodás során felszabadulásához) szükséges.

Téma: Aggregált halmazállapotok

Tanulság: Fajlagos olvadási hő

Ezt a leckét az anyag olvadásának (kristályosodásának) fő jellemzőjének – az olvadás fajlagos hőjének – szenteljük.

Az utolsó órán érintettük azt a kérdést: hogyan változik egy test belső energiája az olvadás során?

Megállapítottuk, hogy hőellátás esetén a test belső energiája megnő. Ugyanakkor tudjuk, hogy egy test belső energiája olyan fogalommal jellemezhető, mint a hőmérséklet. Mint már tudjuk, az olvadás során a hőmérséklet nem változik. Felmerülhet tehát a gyanú, hogy paradoxonnal állunk szemben: a belső energia nő, de a hőmérséklet nem változik.

Ennek a ténynek a magyarázata meglehetősen egyszerű: minden energiát a kristályrács megsemmisítésére fordítanak. Hasonlóan fordított folyamatban is: a kristályosodás során egy anyag molekulái egyetlen rendszerré egyesülnek, miközben a felesleges energiát a külső környezet leadja és elnyeli.

Különböző kísérletek eredményeként sikerült megállapítani, hogy ugyanazon anyag esetében más hőmennyiség szükséges ahhoz, hogy szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba kerüljön.

Aztán úgy döntöttek, hogy összehasonlítják ezeket a hőmennyiségeket azonos tömegű anyaggal. Ez egy olyan jellemző megjelenéséhez vezetett, mint a fajlagos olvadási hő.

Meghatározás

Fajlagos olvadási hő- az a hőmennyiség, amelyet 1 kg olvadáspontig melegített anyagnak át kell adni ahhoz, hogy szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba kerüljön.

Ugyanez az érték szabadul fel 1 kg anyag kristályosodása során.

Meg van adva a fajlagos olvadási hő (görög betű, „lambda” vagy „lambda”).

Egységek: . Ebben az esetben nincs hőmérséklet a dimenzióban, mivel a hőmérséklet nem változik az olvadás (kristályosodás) során.

Az anyag megolvasztásához szükséges hőmennyiség kiszámításához a következő képletet használjuk:

A hőmennyiség (J);

Fajlagos olvadási hő (melyet a táblázatban keresünk;

Az anyag tömege.

Amikor a test kikristályosodik, „-” jellel írják, mivel hő szabadul fel.

Példa erre a jég olvadásának fajhője:

. Vagy a vas fajlagos olvadási hője:

.

Az a tény, hogy a jég fajolvadáshője nagyobbnak bizonyult, mint a vas olvadáshője, nem lehet meglepő. Az a hőmennyiség, amelyre egy adott anyag megolvadásához szüksége van, az anyag jellemzőitől, különösen az anyag részecskéi közötti kötések energiájától függ.

Ebben a leckében megvizsgáltuk a fajlagos olvadási hő fogalmát.

A következő leckében megtanuljuk a kristálytestek melegítésével és olvasztásával kapcsolatos problémák megoldását.

Bibliográfia

1. Gendenshtein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. Fizika 8 / Szerk. Orlova V.A., Roizena I.I. - M.: Mnemosyne.
2. Peryshkin A. V. Fizika 8. - M .: Túzok, 2010.
3. Fadeeva A. A., Zasov A. V., Kiselev D. F. Fizika 8. - M .: Oktatás.

1. Fizika, mechanika stb. ().
2. Klassz fizika ().
3. Kaf-fiz-1586.narod.ru internetes portál ().

Házi feladat

Az olvadás a test átalakulása kristályos szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba. Az olvadás a fajlagos olvadási hő elnyelésével történik, és elsőrendű fázisátalakulás.

Az olvadási képesség az anyag fizikai tulajdonságaira utal.

Normál nyomáson a volfrám rendelkezik a legmagasabb olvadásponttal a fémek (3422 ° C), az egyszerű anyagok általában - szén (különböző források szerint 3500-4500 ° C) és a tetszőleges anyagok között - a hafnium-karbid HfC (3890 ° C). Feltételezhetjük, hogy a hélium olvadáspontja a legalacsonyabb: normál nyomáson tetszőlegesen alacsony hőmérsékleten folyékony marad.

Sok normál nyomású anyagnak nincs folyékony fázisa. Melegítéskor szublimálással azonnal gáz halmazállapotúvá válnak.

9. ábra - Olvadó jég

A kristályosítás az a folyamat, amikor egy anyag folyékony halmazállapotból szilárd kristályos állapotba megy át kristályok képződésével.

A fázis a termodinamikai rendszer homogén része, amely a rendszer többi részétől (más fázisoktól) határfelülettel van elválasztva, és amelyen áthaladva az anyag kémiai összetétele, szerkezete és tulajdonságai hirtelen megváltoznak.

10. ábra - Víz kristályosodása jég képződésével

A kristályosítás az a folyamat, amikor a kristályok formájában lévő szilárd fázist elválasztják az oldatoktól vagy olvadékoktól, a vegyiparban a kristályosítási eljárást az anyagok tiszta formában történő előállítására használják.

A kristályosodás akkor kezdődik, amikor egy bizonyos határfeltételt elérünk, például a folyadék túlhűtését vagy a gőz túltelítettségét, amikor sok kis kristály szinte azonnal megjelenik - kristályosodási központok. A kristályok úgy nőnek, hogy atomokat vagy molekulákat kapcsolnak össze folyadékból vagy gőzből. A kristálylapok növekedése rétegről rétegre történik, a nem teljes atomi rétegek (lépcsők) szélei a növekedés során a lap mentén mozognak. A növekedési sebesség függése a kristályosodás körülményeitől sokféle növekedési formához és kristályszerkezethez vezet (poliéderes, lamellás, hegyes, vázas, dendrites és egyéb formák, ceruzaszerkezetek stb.). A kristályosodás során elkerülhetetlenül különböző hibák lépnek fel.

A kristályosodási centrumok számát és a növekedési sebességet jelentősen befolyásolja a túlhűtés mértéke.

A túlhűtés mértéke a folyékony fém lehűtésének szintje a kristályos (szilárd) módosulatba való átalakulásának hőmérséklete alá. Kompenzálni kell a kristályosodás látens hőjének energiáját. Az elsődleges kristályosodás a fémekben (és ötvözetekben) a folyékony állapotból szilárd állapotba való átmenet során kristályok képződése.

A fajlagos olvadáshő (és: olvadási entalpia; van egy ekvivalens fajlagos kristályosodási hő is) az a hőmennyiség, amelyet egy kristályos anyag tömegegységére kell átadni egy egyensúlyi izobár-izoterm folyamat során annak érdekében, hogy szilárd (kristályos) halmazállapotból folyékonyba (hogy egy anyag kristályosodása során ugyanannyi hő szabadul fel).

Hőmennyiség olvadáskor vagy kristályosodáskor: Q=ml

Bepárlás és forralás. Fajlagos párolgási hő

A párolgás egy anyag folyékony halmazállapotból gáz halmazállapotúvá (gőz) történő átalakulásának folyamata. A párolgási folyamat a kondenzációs folyamat fordítottja (gőzből folyékony halmazállapotba való átmenet. Párolgás (párolgás), az anyag átalakulása kondenzált (szilárd vagy folyékony) fázisból gázhalmazállapotúvá (gőz); elsőrendű fázis átmenet.

A párolgásnak van egy részletesebb fogalma a magasabb fizikában

A párolgás olyan folyamat, amelyben részecskék (molekulák, atomok) kirepülnek (leszakadnak) a folyadék vagy szilárd anyag felületéről, miközben Ek > Ep.

11. ábra - Párolgás egy bögre tea felett

A fajlagos párolgási hő (párolgási hő) (L) egy fizikai mennyiség, amely azt a hőmennyiséget mutatja, amelyet a forrásponton vett 1 kg anyaghoz kell jelenteni ahhoz, hogy folyékony halmazállapotból gáz halmazállapotba kerüljön. A fajlagos párolgáshő mértékegysége J/kg.

A forralás a folyadékban történő elpárologtatás (az anyag folyadékból gáz halmazállapotúvá történő átmenete) fázisszétválasztási határok megjelenésével. A légköri nyomáson mért forráspontot általában a kémiailag tiszta anyagok egyik fő fizikai-kémiai jellemzőjeként adják meg.

A forralás elsőrendű fázisátalakulás. A forralás sokkal intenzívebben megy végbe, mint a felületről történő párolgás, a párolgási gócok kialakulása miatt, mind az elért forráspont, mind a szennyeződések jelenléte miatt.

A buborékképződés folyamatát nyomás, hanghullámok, ionizáció befolyásolhatja. A buborékkamra különösen azon az elven működik, hogy a töltött részecskék áthaladása során az ionizációból származó folyékony mikrotérfogatok felforrnak.

12. ábra - Forrásban lévő víz

Forrás, folyadékpárolgás és gőzkondenzáció során fellépő hőmennyiség: Q=mL

Azt az energiát, amelyet a test a hőátadás során nyer vagy veszít, ún a meleg mennyisége. A hőmennyiség a test tömegétől, a test hőmérséklet-különbségétől és az anyag típusától függ.

[Q]=J vagy kalória

1 cal az a hőmennyiség, amely 1 g víz hőmérsékletének 1°C-kal történő emeléséhez szükséges.

Fajlagos hő- fizikai mennyiség, amely megegyezik azzal a hőmennyiséggel, amelyet át kell adni egy 1 kg tömegű testnek ahhoz, hogy a hőmérséklete 1 ° C-kal megváltozzon.

[C] \u003d J / kg körülbelül C

A víz fajlagos hőkapacitása 4200 J / kg o C. Ez azt jelenti, hogy 1 kg víz 1 o C-os felmelegítéséhez 4200 J hőt kell felhasználni.

Egy anyag fajlagos hőkapacitása különböző aggregációs állapotokban eltérő. Így a jég hőkapacitása 2100 J/kg o C. A víz fajhőkapacitása a legnagyobb. Ebben a tekintetben a tengerek és óceánok vize, amely nyáron felmelegszik, nagy mennyiségű hőt nyel el. Télen a víz lehűl és nagy mennyiségű hőt ad le. Ezért a víztestek közelében található területeken nyáron nem túl meleg, télen pedig nagyon hideg. Nagy hőkapacitása miatt a vizet széles körben használják a mérnöki és a mindennapi életben. Például házak fűtési rendszereiben, amikor az alkatrészeket szerszámgépeken, gyógyszereken (fűtőberendezéseken) stb.

A szilárd anyagok és a folyadékok hőmérsékletének növekedésével a részecskéik mozgási energiája növekszik: nagyobb sebességgel kezdenek oszcillálni. Egy bizonyos hőmérsékleten, ami egy adott anyagra meglehetősen határozott, a részecskék közötti vonzási erők már nem képesek a kristályrács csomópontjain tartani őket (a nagy hatótávolságú rend rövid hatótávolságúvá alakul), és a kristály olvadni kezd, i.e. az anyag cseppfolyósodni kezd.

Olvasztó – az anyag szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotúvá történő átalakulásának folyamata.

Keményedés (kristályosodás)– az a folyamat, amikor egy anyag folyékonyból szilárd halmazállapotúvá változik.

Az olvadás során a kristály hőmérséklete állandó marad. Ezt a hőmérsékletet ún olvadáspont. Minden anyagnak megvan a maga olvadáspontja. Keresse meg a táblázat alapján.

A hőmérséklet állandósága az olvasztás során nagy gyakorlati jelentőséggel bír, mivel lehetővé teszi a hőmérők kalibrálását, biztosítékok és mutatók készítését, amelyek szigorúan meghatározott hőmérsékleten olvadnak. A különböző anyagok olvadáspontjának ismerete tisztán mindennapi szempontból is fontos: különben ki garantálja, hogy ez az edény vagy serpenyő nem fog elolvadni a gázégő tüzén?

Az olvadáspont és az ezzel megegyező megszilárdulási hőmérséklet az anyag jellemző tulajdonsága. A higany -39 o C hőmérsékleten megolvad és megszilárdul, ezért a Távol-Északon nem használnak higanyhőmérőket. Ezeken a szélességi fokokon a higanyos hőmérők helyett alkoholos hőmérőket használnak (-114 o C). A leginkább tűzálló fém a wolfram (3420 o C).

Az anyag megolvadásához szükséges hőmennyiséget a következő képlet határozza meg:

Ahol m az anyag tömege, a fajlagos olvadási hő.

j/kg

Fajlagos olvadási hő - 1 kg anyag olvadáspontján történő megolvasztásához szükséges hőmennyiség. Minden anyagnak megvan a sajátja. A táblázatban található.

Egy anyag olvadáspontja a nyomástól függ. Azoknál az anyagoknál, amelyek térfogata megnövekszik az olvadáskor, a nyomás növekedése növeli az olvadáspontot, és fordítva. Víznél az olvadás során a térfogat csökken, a nyomás növekedésével a jég alacsonyabb hőmérsékleten megolvad.

14-es számú jegy

Kapcsolódó információ:

1. kérdés» Mennyiségi, nem vámjellegű intézkedés, amely egy termék exportját vagy importját egy bizonyos mennyiséggel vagy mennyiséggel korlátozza egy bizonyos ideig
2. Tudod, hogy az atomban lévő anyag mennyisége hogyan függ össze magának az atomnak a térfogatával?
3. B. Abban, hogy a gyógyszerész megnevezi a receptben az első összetevőt, a gyógyszerész pedig emlékezetből megnevezi az összes általa szedett összetevőt és azok mennyiségét.

Az előző bekezdésben a jég olvadásának és megszilárdulásának grafikonját vettük figyelembe. A grafikonon látható, hogy miközben a jég olvad, a hőmérséklete nem változik (lásd 18. ábra). És csak miután az összes jég elolvadt, a kapott folyadék hőmérséklete emelkedni kezd. De végül is a jég még az olvadás során is energiát kap a fűtőben égő tüzelőanyagból. Az energiamegmaradás törvényéből pedig az következik, hogy nem tűnhet el. Mekkora az üzemanyag energiafogyasztása olvasztás közben?

Tudjuk, hogy a kristályokban a molekulák (vagy atomok) szigorú sorrendben helyezkednek el. Azonban még kristályokban is hőmozgásban vannak (oszcillálnak). Amikor a testet felmelegítjük, a molekulák átlagos sebessége megnő. Következésképpen átlagos kinetikus energiájuk és hőmérsékletük is nő. A grafikonon ez az AB szakasz (lásd 18. ábra). Ennek eredményeként megnő a molekulák (vagy atomok) rezgési tartománya. Amikor a testet olvadáspontra melegítjük, a részecskék kristályokban való elrendezésének rendje megsérül. A kristályok elveszítik alakjukat. Egy anyag megolvad, szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba változik.

Következésképpen az összes energia, amelyet egy kristályos test kap, miután már olvadáspontra hevítette, a kristály megsemmisítésére fordítódik. Ebben a tekintetben a testhőmérséklet nem emelkedik. A grafikonon (lásd 18. ábra) ez a BC szakasz.

A kísérletek azt mutatják, hogy különböző, azonos tömegű kristályos anyagok olvadásponton folyadékká történő átalakulásához eltérő mennyiségű hő szükséges.

Azt a fizikai mennyiséget, amely megmutatja, hogy mennyi hőt kell átadni egy 1 kg tömegű kristályos testnek ahhoz, hogy az olvadásponton teljesen folyékony halmazállapotba kerüljön, fajlagos olvadási hőnek nevezzük.

A fajlagos olvadási hőt λ-val (görög "lambda" betű) jelöljük. Mértékegysége 1 J/kg.

Határozza meg a kísérletben a fajlagos olvadási hőt! Így azt találták, hogy a jég fajlagos olvadási hője 3,4 10 5 -. Ez azt jelenti, hogy egy 1 kg tömegű, 0 °C-on vett jégdarab azonos hőmérsékletű vízzel történő átalakításához 3,4 10 5 J energia szükséges. Egy 1 kg tömegű ólomrúd megolvasztásához pedig az olvadáspontján mérve 2,5 10 4 J energiára van szükség.

Ezért az olvadásponton a folyékony halmazállapotú anyag belső energiája nagyobb, mint az azonos tömegű anyag belső energiája szilárd állapotban.

Az m tömegű kristálytest megolvasztásához szükséges Q hőmennyiség kiszámításához olvadási hőmérsékletén és normál légköri nyomásán a fajlagos olvadási hőt λ meg kell szorozni az m test tömegével:

Ebből a képletből megállapítható, hogy

λ = Q/m, m = Q/λ

A kísérletek azt mutatják, hogy egy kristályos anyag megszilárdulásakor pontosan ugyanannyi hő szabadul fel, mint amennyi az olvadáskor felszívódik. Tehát az 1 kg tömegű víz 0 ° C hőmérsékleten történő megszilárdulása során 3,4 10 5 J hőmennyiség szabadul fel. Pontosan ugyanennyi hő szükséges az 1 kg tömegű jég hőmérsékleten történő megolvadásához. 0 °C-on.

Amikor egy anyag megszilárdul, minden fordított sorrendben történik. Lehűtött olvadt anyagban a molekulák sebessége, és ezáltal az átlagos kinetikus energiája csökken. A vonzó erők most egymás közelében tudják tartani a lassan mozgó molekulákat. Ennek eredményeként a részecskék elrendezése rendezettté válik - kristály képződik. A kristályosodás során felszabaduló energiát az állandó hőmérséklet fenntartására használják fel. A grafikonon ez az EF szakasz (lásd 18. ábra).

A kristályosodást megkönnyíti, ha a folyadékban a kezdetektől idegen részecskék, például porrészecskék vannak jelen. A kristályosodás központjává válnak. Normál körülmények között a folyadékban sok kristályosodási központ található, amelyek közelében kristályok képződnek.

4. táblázat
Bizonyos anyagok fajlagos olvadási hője (normál légköri nyomáson)

A kristályosodás során energia szabadul fel és kerül át a környező testekre.

Az m tömegű test kristályosodása során felszabaduló hőmennyiséget is a képlet határozza meg

Ebben az esetben a test belső energiája csökken.

Példa. A tea elkészítéséhez a turista 2 kg súlyú, 0 °C hőmérsékletű jeget tett az edénybe. Mennyi hő szükséges ahhoz, hogy ez a jég 100°C-os forrásban lévő vízzé alakuljon? A vízforraló fűtésére fordított energiát nem veszik figyelembe.

Mekkora hőre lenne szükség, ha egy turista jég helyett azonos tömegű, azonos hőmérsékletű vizet venne ki a lyukból?

Írjuk fel a probléma feltételét és oldjuk meg.

Kérdések

1. Hogyan magyarázható a test olvadásának folyamata az anyag szerkezetéről szóló tan alapján?
2. Mire fordítják az üzemanyag-energiát az olvadáspontig hevített kristályos test olvadása során?
3. Mi a fajlagos olvadási hő?
4. Hogyan magyarázható a keményedés folyamata az anyag szerkezetéről szóló tan alapján?
5. Hogyan számítják ki a kristályos test megolvasztásához szükséges hőmennyiséget az olvadásponton?
6. Hogyan számítható ki egy olvadáspontos test kristályosodása során felszabaduló hőmennyiség?

12. gyakorlat

Gyakorlat

1. Helyezzen két egyforma kannát a tűzhelyre. Az egyikbe 0,5 kg-os vizet öntünk, a másikba több azonos tömegű jégkockát teszünk. Jegyezze meg, mennyi idő alatt forr fel mindkét üvegben a víz. Írj röviden tapasztalataidat, és magyarázd el az eredményeket.
2. Olvassa el az „Amorf testek. Amorf testek megolvadása". Készítsen jelentést róla.