Плавлення і кристалізація

Перехід речовини з твердого кристалічного стану в рідкий називається плавленням. Щоб розплавити тверде кристалічне тіло, його треба нагріти до певної температури, тобто підвести тепло. Температура, при якій речовина плавиться, називається температурою плавлення речовини.

Зворотний процес — перехід з рідкого стану в твердий — відбувається при зниженні температури, тобто тепло відводиться. Перехід речовини з рідкого стану в твердий називається отвердеванием, або кристалізацією. Температура, при якій речовина кристалізується, називається температурою кристалізації.

Досвід показує, що будь-яка речовина кристалізується і плавиться при одній і тій же температурі.

На малюнку представлений графік залежності температури кристалічного тіла (льоду) від часу нагрівання (від точки А до точки D) і часу охолодження (від точки D до точки K). На ньому по горизонтальній осі відкладено час, а по вертикальній — температура.

З графіка видно, що спостереження за процесом почалося з моменту, коли температура льоду була -40 °С, або, як прийнято говорити, температура в початковий момент часу tнач = -40 °С (точка А на графіку). При подальшому нагріванні температура льоду зростає (на графіку це ділянка АВ). Збільшення температури до 0 °С — температури плавлення льоду. При 0°С лід починає плавитися, а його температура перестає рости. Протягом всього часу плавлення (тобто поки весь лід не розплавиться) температура льоду не змінюється, хоча пальник продовжує горіти і тепло, отже, підводиться. Процесу плавлення відповідає горизонтальний ділянку графіка ВС. Тільки після того як весь лід розплавиться і перетвориться у воду, температура знову починає підніматися (ділянка CD). Після того, як температура води досягне +40 °С, пальник гасять і воду починають охолоджувати, тобто відводять тепло (для цього можна посудину з водою помістити в інший, більший посудину з льодом). Температура води починає знижуватися (ділянка DE). При досягненні температури 0 °С температура води перестає знижуватися, незважаючи на те, що тепло і раніше відводиться. Це йде процес кристалізації води — утворення льоду (горизонтальний ділянку EF). Поки вся вода не перетвориться в лід, температура не зміниться. Лише після цього починає зменшуватися температура льоду (ділянка FK).

Вид розглянутого графіка пояснюється наступним чином. На ділянці АВ завдяки подводимому тепла середня кінетична енергія молекул льоду збільшується, і температура його підвищується. На ділянці ВС вся енергія, що отримується вмістом колби, витрачається на руйнування кристалічної решітки льоду: впорядковане просторове розташування його молекул змінюється невпорядкованим, змінюється відстань між молекулами, тобто відбувається перебудова молекул таким чином, що речовина стає рідким. Середня кінетична енергія молекул при цьому не змінюється, тому незмінною залишається і температура. Подальше збільшення температури розплавленого льоду-води (на ділянці CD) означає збільшення кінетичної енергії молекул води внаслідок підводиться пальником тепла.

При охолодженні води (ділянка DE) частину енергії у неї відбирається, молекули води рухаються з меншими швидкостями, їх середня кінетична енергія падає температура зменшується, вода охолоджується. При 0°С (горизонтальний ділянку EF) молекули починають шикуватися в певному порядку, утворюючи кристалічну решітку. Поки цей процес не завершиться, температура речовини не зміниться, незважаючи на відводиться тепло, а це означає, що при твердінні рідина (вода) виділяє енергію. Це саме та енергія, яку поглинув лід, перетворюючись на рідину (ділянка ВС). Внутрішня енергія у рідини більше, ніж у твердого тіла. При плавленні (і кристалізації) внутрішня енергія тіла змінюється стрибком.

Метали, що плавляться при температурі вище 1650 ºС, називають тугоплавкими (титан, хром, молібден та ін). Найвища температура плавлення серед них у вольфраму — близько 3400 °С. Тугоплавкі метали та їх сполуки використовують як жароміцних матеріалів в літакобудуванні, ракетобудуванні та космічній техніці, атомній енергетиці.

Підкреслимо ще раз, що при плавленні речовина поглинає енергію. При кристалізації воно, навпаки, віддає її в навколишнє середовище. Отримуючи певну кількість теплоти, що виділяється при кристалізації, середа нагрівається. Це добре відомо багатьом птахам. Недарма їх можна помітити взимку в морозну погоду сидять на льоду, який покриває річки і озера. З-за виділення енергії при утворенні льоду повітря над ним виявляється на кілька градусів тепліше, ніж у лісі на деревах, і птиці цим користуються.

Плавлення аморфних речовин.

Наявність певної точки плавлення — це важливий ознака кристалічних речовин. Саме за цією ознакою їх можна легко відрізнити від аморфних тіл, які також відносять до твердих тіл. До них, зокрема, відносяться скла, дуже в’язкі смоли, пластмаси.

Аморфні речовини (на відміну від кристалічних) не мають певної температури плавлення — вони не плавляться, а розм’якшуються. При нагріванні шматок скла, наприклад, спочатку стає з твердого м’яким, його легко можна гнути або розтягувати; при більш високій температурі шматок починає змінювати свою форму під дією власної ваги. По мірі нагрівання густа в’язка маса приймає форму посудини, в якому лежить. Ця маса спочатку густа, як мед, потім — як сметана і, нарешті, стає майже такою ж маловязкой рідиною, як вода. Однак вказати певну температуру переходу твердого тіла на рідке тут неможливо, оскільки її немає.

Причини цього лежать у докорінній відмінності будови аморфних тіл від будови кристалічних. Атоми в аморфних тілах розташовані безладно. Аморфні тіла за своєю будовою нагадують рідини. Вже у твердому склі атоми розташовані безладно. Отже, підвищення температури скла лише збільшує розмах коливань його молекул, що дає їм поступово все більшу і більшу свободу переміщення. Тому скло поступово розм’якшується і не виявляє різкого переходу «тверде—рідке», характерного для переходу від розташування молекул в строгому порядку до безладного.

Теплота плавлення.

Теплота плавлення — це кількість теплоти, яку необхідно повідомити речовини при постійному тиску і постійній температурі, рівній температурі плавлення, щоб повністю перевести його з твердого кристалічного стану в рідкий. Теплота плавлення дорівнює кількості теплоти, що виділяється при кристалізації речовини з рідкого стану. При плавленні вся підводиться до речовини теплота йде на збільшення потенційної енергії його молекул. Кінетична енергія не змінюється, оскільки плавиться при постійній температурі.

Вивчаючи досвід плавлення різних речовин однієї і тієї ж маси, можна помітити, що для перетворення їх в рідину потрібно різну кількість теплоти. Наприклад, для того щоб розплавити один кілограм льоду, потрібно витратити 332 Дж енергії, а для того, щоб розплавити 1 кг свинцю — 25 кДж.

Фізична величина, що показує, яку кількість теплоти необхідно повідомити кристалічному тілу масою 1 кг, щоб при температурі плавлення повністю перевести його в рідкий стан, називається питомою теплотою плавлення.

Питому теплоту плавлення вимірюють в джоулях на кілограм (Дж/кг) і позначають грецькою буквою λ (лямбда).

Питома теплота кристалізації дорівнює питомої теплоти плавлення, оскільки при кристалізації виділяється така ж кількість теплоти, яка поглинається при плавленні. Так, наприклад, при замерзанні води масою 1 кг виділяються ті ж 332 Дж енергії, які потрібні для перетворення такої ж маси льоду в воду.

Щоб знайти кількість теплоти, необхідна для плавлення кристалічного тіла довільної маси, або теплоту плавлення, треба питому теплоту плавлення цього тіла помножити на його масу:

Q = km.

Кількість теплоти, що виділяється тілом, вважається негативним. Тому при розрахунку кількості теплоти, що виділяється при кристалізації речовини масою m, слід користуватися тією ж формулою, але зі знаком «мінус»:

Теплота згоряння.

Теплота згоряння (або теплотворна здатність, калорійність) — це кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні палива.

Для нагрівання тіл часто використовують енергію, що виділяється при згорянні палива. Звичайне паливо (вугілля, нафта, бензин) містить вуглець. При горінні атоми вуглецю з’єднуються з атомами кисню, що міститься в повітрі, в результаті чого утворюються молекули вуглекислого газу. Кінетична енергія цих молекул виявляється більшою, ніж у вихідних часток. Збільшення кінетичної енергії молекул в процесі горіння називають виділенням енергії. Енергія, що виділяється при повному згорянні палива, і є теплота згоряння цього палива.

Теплота згоряння палива залежить від виду палива і його маси. Чим більше маса палива, тим більша кількість теплоти, що виділяється при його повному згорянні.

Фізична величина, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні палива масою 1 кг, називається питомою теплотою згоряння палива. Питому теплоту згоряння позначають буквою q і вимірюють в джоулях на кілограм (Дж/кг).

Кількість теплоти Q, що виділяється при згорянні m кг палива, визначають за формулою:

Q = qm.

Щоб знайти кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні палива довільної маси, потрібно питому теплоту згоряння цього палива помножити на його масу.

Посилання на основну публікацію