Представляем вашему вниманию видеоурок по теме «Плавление и отвердевание кристаллических тел. График плавления и отвердевания». Здесь мы начинаем изучение новой обширной темы: «Агрегатные состояния вещества». Здесь мы дадим определение понятию агрегатного состояния, рассмотрим примеры таких тел. И рассмотрим, как называются и что представляют собой процессы, при которых вещества переходят из одного агрегатного состояния в другое. Более подробно остановимся на процессах плавления и кристаллизации твердых тел и составим температурный график подобных процессов.
Тема: Агрегатные состояния вещества
Урок: Плавление и отвердевание кристаллических тел. График плавления и отвердевания
Аморфные тела - тела, в которых атомы и молекулы упорядочены определенным образом только вблизи рассматриваемого участка. Такой тип расположения частиц называют ближним порядком.
Жидкости - вещества без упорядоченной структуры расположения частиц, молекулы в жидкостях движутся свободнее, а межмолекулярные силы слабее, чем у твердых тел. Важнейшее свойство: сохраняют объем, легко меняют форму и принимают из-за свойства текучести форму сосуда, в котором находятся (рис. 3).
Рис. 3. Жидкость принимает форму колбы ()
Газы - вещества, молекулы которых слабо взаимодействуют между собой и движутся хаотически, часто сталкиваясь друг с другом. Важнейшее свойство: не сохраняют объем и форму и занимают весь объем сосуда, в котором находятся.
Важно знать и понимать, каким образом осуществляются переходы между агрегатными состояниями веществ. Схему таких переходов изобразим на рисунке 4.
1 - плавление;
2 - отвердевание (кристаллизация);
3 - парообразование: испарение или кипение;
4 - конденсация;
5 - сублимация (возгонка) - переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое;
6 - десублимация - переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое.
На сегодняшнем уроке мы уделим внимание таким процессам, как плавление и отвердевание кристаллических тел. Начать рассмотрение таких процессов удобно на примере наиболее часто встречающихся в природе плавления и кристаллизации льда.
Если поместить лед в колбу и начать его нагревать с помощью горелки (рис. 5), то можно будет заметить, что его температура начнет повышаться, пока не достигнет температуры плавления (0 o C), затем начнется процесс плавления, но при этом температура льда повышаться не будет, и только после окончания процесса плавления всего льда температура образовавшейся воды начнет повышаться.
Рис. 5. Плавление льда.
Определение. Плавление - процесс перехода из твердого состояния в жидкое. Этот процесс происходит при постоянной температуре.
Температура, при которой происходит плавление вещества, называется температурой плавления и является измеренной величиной для многих твердых веществ, а потому табличной величиной. Например, температура плавления льда равна 0 o C, а температура плавления золота 1100 o C.
Обратный плавлению процесс - процесс кристаллизации - также удобно рассматривать на примере замерзания воды и превращения ее в лед. Если взять пробирку с водой и начать ее охлаждать, то сначала будет наблюдаться уменьшение температуры воды, пока она не достигнет 0 o C, а затем ее замерзание при постоянной температуре (рис. 6), и уже после полного замерзания дальнейшее охлаждение образовавшегося льда.
Рис. 6. Замерзание воды.
Если описанные процессы рассматривать с точки зрения внутренней энергии тела, то при плавлении вся полученная телом энергия расходуется на разрушение кристаллической решетки и ослабление межмолекулярных связей, таким образом, энергия расходуется не на изменение температуры, а на изменение структуры вещества и взаимодействия его частиц. В процессе же кристаллизации обмен энергиями происходит в обратном направлении: тело отдает тепло окружающей среде, а его внутренняя энергия уменьшается, что приводит к уменьшению подвижности частиц, увеличению взаимодействия между ними и отвердеванию тела.
Полезно уметь графически изобразить процессы плавления и кристаллизации вещества на графике (рис. 7).
По осям графика расположены: ось абсцисс - время, ось ординат - температура вещества. В качестве исследуемого вещества примем лед при отрицательной температуре, т. е. такой, который при получении тепла не начнет сразу плавиться, а будет нагревать до температуры плавления. Опишем участки на графике, которые представляют собой отдельные тепловые процессы:
Начальное состояние - a: нагревание льда до температуры плавления 0 o C;
a - b: процесс плавления при постоянной температуре 0 o C;
b - точка с некоторой температурой: нагревание образовавшейся из льда воды до некоторой температуры;
Точка с некоторой температурой - c: охлаждение воды до температуры замерзания 0 o C;
c - d: процесс замерзания воды при постоянной температуре 0 o C;
d - конечное состояние: остывание льда до некоторой отрицательной температуры.
Сегодня мы рассмотрели различные агрегатные состояния вещества и уделили внимание таким процессам, как плавление и кристаллизация. На следующем уроке мы обсудим главную характеристику процесса плавления и отвердевания веществ - удельную теплоту плавления.
1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. /Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
1. Словари и энциклопедии на Академике ().
2. Курс лекций «Молекулярная физика и термодинамика» ().
3. Региональная коллекция Тверской области ().
1. Стр. 31: вопросы №1-4; стр. 32: вопросы №1-3; стр. 33: упражнения №1-5; стр. 34: вопросы №1-3. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
2. В кастрюле с водой плавает кусок льда. При каком условии он не будет таять?
3. При плавлении температура кристаллического тела остается неизменной. А что происходит со внутренней энергией тела?
4.Опытные садовники в случае весенних ночных заморозков во время цветения плодовых деревьев вечером обильно поливают ветки водой. Почему это значительно уменьшает риск потери будущего урожая?
Любой элемент может пребывать в нескольких разных состояниях при соблюдении некоторых внешних условий . Плавление и отвердевание кристаллических тел – основные изменения в структуре материалов. Хорошим примером является вода, которая может пребывать в жидком, газообразном и твердом состояниях. Эти разные формы называют агрегатными (от греч. «связываю») состояниями. Агрегатное состояние – это формы одного элемента, отличающиеся по характеру расположения частиц (атомов), которые не меняют своего строения.
Вконтакте
Как происходят изменения
Существует несколько процессов, характеризующие изменение форм разных веществ:
- отвердевание;
- кипение;
- (из твердой формы сразу в газообразную);
- испарение;
- плавка;
- конденсация;
- десублимация (обратный переход из сублимации).
Каждое превращение характеризуется определенными условиями, которые должны быть соблюдены для удачного перехода.
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.
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 делят на:
- легкие — не более 600°С;
- средние — 600-1600°С;
- тугие –свыше 1600°С.
Инструмент для этой работы выбирают по принадлежности к той или иной группе: чем больше необходимо нагреть материал, тем мощнее должен быть механизм.
Однако, стоит быть внимательным и сверять данные с системой координат, например, критичная температура твердой ртути – это -39°С, а твёрдого спирта — -114°С, но большая из них будет -39°С, поскольку по системе координат это число ближе к нулю.
Не менее важным показателем является и температура кипения, при которой жидкость закипает . Данная величина равна теплоте паров, образующихся над поверхностью. Этот показатель прямо пропорционален давлению: при повышении давления - повышается температура плавления и наоборот.
Вспомогательные материалы
У каждого материала свои температурные показатели, при которых его форма изменяется, причем для каждого из них можно составить свой график плавления и отвердевания. В зависимости от кристаллической решетки, показатели будут изменяться. Например, график плавления льда показывает, что для него нужна крайне мало тепла, что показано ниже:
На графике изображено соотношение количества тепла (вертикально) и времени (горизонтально), необходимое для плавки льда.
Таблица показывает, какое количество необходимо для плавления самых распространенных металлов.
График плавления и прочие вспомогательные материалы крайне необходимы во время опытов, чтобы проследить изменения положение частиц и заметить начало изменения формы элементов.
Отвердевание тел
Отвердевание - это изменение жидкой формы элемента в твёрдую. Необходимым условием является понижение температуры ниже точки замерзания. Во время данной процедуры может образовываться кристаллическая структура молекул, и тогда изменение состояния называют кристаллизацией. При этом элемент в жидкой форме должен остыть до температуры отвердевания или кристаллизации.
Плавление и отвердевание кристаллических тел осуществляется при одинаковых условиях внешней среды: кристаллизуется при 0 °С, и при этом же показателе тает лед.
А в случае с металлами: железу необходимо 1539°С для плавления и кристаллизации.
Опыт доказывает, что для отвердевания вещество должно выделить равное количество тепла, как и при обратном превращении.
Молекулы при этом притягиваются друг к другу, образовывая кристаллическую решетку, не в силах сопротивляться, поскольку они теряют свою энергию. Таким образом, удельная теплота определяет, как много необходимо энергии для превращения тела в жидкое состояние и сколько ее выделиться при отвердевании.
Формула отвердевания – это Q = λ*m . При кристаллизации к знаку Q добавляется знак минуса, поскольку тело в таком случае энергию выделяет или теряет.
Изучаем физику — графики плавления и отвердевания веществ
Процессы плавления и отвердевания кристаллов
Вывод
Все эти показатели тепловых процессов необходимо знать для глубинного постижения физики и понимания примитивных природных процессов. Нужно как можно раньше объяснять их ученикам, используя в качестве примеров подручные средства.
При понижении температуры вещество может переходить из жидкого состояния в твердое.
Этот процесс называется отвердевание или кристаллизация.
При отвердевании вещества выделяется такое эже кол теплоты, которое поглощается при его плавлении.
Расчетные формулы для количества теплоты при плавлении и кристаллизации одинаковы.
Температура плавления и отвердевания одного и того же вещества, если давление не меняется, одинакова.
На протяжении всего процесса кристаллизации температура вещества не меняется, и оно может одновременно существовать как в жидком, так и в твердом состояниях.
ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ
ИНТЕРЕСНОЕ О КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Цветной лёд?
Если в пластмассовый стакан с водой добавить немного краски или заварки, размешать и, получив цветной раствор, укутать стакан сверху и выставить на мороз, то ото дна к поверхности начнет образовываться слой льда. Однако, не надейтесь получить разноцветный лёд!
Там, где начиналось замерзание воды, будет абсолютно прозрачный слой льда. Верхняя его часть будет окрашена, причем даже сильнее, чем первоначальный раствор. Если концентрация краски была очень велика, то на поверхности льда может остаться лужица её раствора.
Дело в том, что в растворах краски и солей образуется прозрачный пресный лёд, т.к. растущие кристаллы вытесняют любые посторонние атомы и молекулы примесей, стараясь построить идеальную решетку, пока это возможно. Только когда примесям деваться уже некуда, лёд начинает встраивать их в свою структуру или оставляет в виде капсул с концентрированной жидкостью. Поэтому морской лёд пресный, а даже самые грязные лужи покрываются прозрачным и чистым льдом.
При какой температуре замерзает вода?
Всегда ли при нуле градусов?
Но если в абсолютно чистый и сухой стакан налить прокипяченую воду и поставить за окно на мороз при температуре минус 2-5 градусов С, прикрыв чистым стеклом и защитив от прямых солнечных лучей, то через несколько часов содержимое стакана охладится ниже нуля, но останется жидким.
Если затем открыть стакан и бросить в воду кусочек льда или, снега или даже просто пыли, то буквально на ваших глазах вода мгновенно замёрзнет, прорастая по всему объёму длинными кристаллами.
Почему?
Превращение жидкости в кристалл происходит в первую очередь на примесях и неоднородностях - частичках пыли, пузырьках воздуха, неровностях на стенках сосуда. В чистой воде нет центров кристаллизации, и она может переохлаждаться, оставаясь жидкой. Таким способом удавалось довести температуру воды до минус 70°С.
Как это происходит в природе?
Глубокой осенью очень чистые речки и ручьи начинают замерзать со дна. Сквозь слой чистой воды хорошо видно, что водоросли и коряги на дне обрастают рыхлой ледяной шубой. В какой-то момент этот донный лёд всплывает, и поверхность воды мгновенно оказывается скованной ледяной коркой.
Температура верхних слоёв воды ниже, чем глубинных, и замерзание вроде бы должно начинаться с поверхности. Однако чистая вода замерзает неохотно, и лёд в первую очередь образуется там, где имеются взвесь ила и твёрдая поверхность, - возле дна.
Ниже по течению от водопадов и водосбросов плотин часто появляется губчатая масса внутриводного льда, вырастающего во вспененной воде. Поднимаясь на поверхность, она порой забивает всё русло, образуя так называемые зажоры, которые могут даже запрудить речку.
Почему лёд легче воды?
Внутри льда много пор и промежутков, заполненных воздухом, но эта не причина, которой можно объяснить то обстоятельство, что лед легче воды. Лёд и без микроскопических пор
все равно имеет плотность меньше, чем у воды. Все дело в особенностях внутреннего строения льда. В кристалле льда молекулы воды расположены в узлах кристаллической решетки так, что каждая имеет четырех "соседок".
У воды же нет кристаллической структуры, и молекулы в жидкости располагаются теснее, чем в кристалле, т.е. вода плотнее льда.
Сначала при таянии льда освободившиеся молекулы ещё сохраняют структуру кристаллической решётки, и плотность воды остаётся низкой, но постепенно кристаллическая решетка разрушается, и плотность воды растёт.
При температуре + 4°С плотность воды достигает максимума, а затем с увеличением температуры начинает уменьшаться из-за нарастания скорости теплового движения молекул.
Как замерзает лужа?
При охлаждении верхние слои воды становятся плотнее и опускаются вниз. Их место занимает более плотная вода. Такое перемешивание происходит до тех пор, пока температура воды не понизится до +4 градусов Цельсия. При такой температуре плотность воды максимальна.
При дальнейшем понижении температуры верхние слои воды уже нем могут более сжиматься, и постепенно охлаждаясь до 0 градусов вода начинает замерзать.
Осенью температура воздуха ночью и днем сильно отличается, поэтому лёд намерзает слоями.
Нижняя поверхность льда на замерзающей луже очень похожа на поперечный срез ствола дерева:
видны концентрические кольца. По ширине колец льда можно судить о погоде. Обычно лужа начинает замерзать от краев, т.к. там глубина меньше. Площадь же образующихся колец с приближением к центру уменьшается.
ИНТЕРЕСНО
Что в трубах подземной части зданий вода часто замерзает не в мороз, а в оттепель!
Это объясняется плохой теплопроводностью почвы. Тепло проходит сквозь землю так медленно, что минимум температуры в почве наступает позднее, чем на поверхности земли. Чем глубже, тем опоздание больше. Часто за время морозов почва не успевает охладиться, и лишь когда на земле наступает оттепель, под землю доходят морозы.
Что, замерзая в закупоренной бутылке, вода разрывает её. Что же произойдет со стаканом, если в нем заморозить воду? Вода, замерзая, будет расширяться не только вверх, но и в стороны, а стекло будет сжимается. Это всё равно приведет к разрушению стакана!
ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ
Известен случай, когда содержимое хорошо охлаждённой в морозильнике бутылки нарзана, открытой жарким летним днём, мгновенно превратилось в кусок льда.
Интересно ведет себя металл "чугун", который при кристаллизации расширяется. Это позволяет использовать его как материал для художественного литья тонких кружевных решёток и настольных скульптур малых форм. Ведь при застывании, расширяясь, чугун заполняет все, даже самые тонкие детали формы.
На Кубани зимой готовят крепкие напитки - „выморозки“. Для этого вино выставляют на мороз. В первую очередь замерзает вода, а остаётся концентрированный раствор спирта. Его сливают и повторяют операцию, пока не добьются нужной крепости. Чем выше концентрация спирта, тем ниже температура замерзания.
Самая крупная градина, зафиксированная людьми, упала в Канзасе, США. Вес ее составил почти 700 грамм.
Кислород в газообразном состоянии при температуре минус 183 градусов С превращается в жидкость, а при температуре минус 218,6градусов С из жидкого получается твердый кислород
В старину для хранения продуктов люди пользовались льдом. Карл фон Линде создал первый домашний холодильник, работавший от парового двигателя, который перекачивал газ фреон по трубам. Позади холодильника газ в трубах, конденсируясь, превращался в жидкость. Внутри холодильника жидкий фреон испарялся и его температура резко снижалась, охлаждая холодильную камеру. Только в 1923 году шведские изобретатели – Бальцен фон Платен и Карл Мунтенс создали первый электрический холодильник, в котором фреон превращается из жидкости в газ и забирает тепло из воздуха в холодильнике.
ВОТ ЭТО ДА-А
Несколько кусков сухого льда, брошенные в горящий бензин, гасят огонь.
Существует лёд, который обжег бы пальцы, если бы до него можно было дотронуться. Получают его под очень большим давлением, при котором вода переходит в твердое состояние при температуре значительно выше 0 градусов Цельсия.
Плавление
Плавление — это процесс превращения вещества из твёрдого состояния в жидкое.
Наблюдения показывают, что если измельчённый лёд, имеющий, например, температуру 10 °С, оставить в тёплой комнате, то его температура будет повышаться. При 0 °С лёд начнет таять, а температура при этом не будет изменяться до тех пор, пока весь лёд не превратится в жидкость. После этого температура образовавшейся изо льда воды будет повышаться.
Это означает, что кристаллические тела, к которым относится и лед, плавятся при определённой температуре, которую называют температурой плавления . Важно, что во время процесса плавления температура кристаллического вещества и образовавшейся в процессе его плавления жидкости остаётся неизменной.
В описанном выше опыте лёд получал некоторое количество теплоты, его внутренняя энергия увеличивалась за счёт увеличения средней кинетической энергии движения молекул. Затем лёд плавился, его температура при этом не менялась, хотя лёд получал некоторое количество теплоты. Следовательно, его внутренняя энергия увеличивалась, но не за счёт кинетической, а за счёт потенциальной энергии взаимодействия молекул. Получаемая извне энергия расходуется на разрушение кристаллической решетки. Подобным образом происходит плавление любого кристаллического тела.
Аморфные тела не имеют определённой температуры плавления. При повышении температуры они постепенно размягчаются, пока не превратятся в жидкость.
Кристаллизация
Кристаллизация — это процесс перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое состояние. Охлаждаясь, жидкость будет отдавать некоторое количество теплоты окружающему воздуху. При этом будет уменьшаться её внутренняя энергия за счёт уменьшения средней кинетической энергии его молекул. При определённой температуре начнётся процесс кристаллизации, во время этого процесса температура вещества не будет изменяться, пока всё вещество не перейдет в твёрдое состояние. Этот переход сопровождается выделением определённого количества теплоты и соответственно уменьшением внутренней энергии вещества за счёт уменьшения потенциальной энергии взаимодействия его молекул.
Таким образом, переход вещества из жидкого состояния в твёрдое состояние происходит при определённой температуре, называемой температурой кристаллизации. Эта температура остаётся неизменной в течение всего процесса плавления. Она равна температуре плавления этого вещества.
На рисунке приведён график зависимости температуры твёрдого кристаллического вещества от времени в процессе его нагревания от комнатной температуры до температуры плавления, плавления, нагревания вещества в жидком состоянии, охлаждения жидкого вещества, кристаллизации и последующего охлаждения вещества в твёрдом состоянии.
Удельная теплота плавления
Различные кристаллические вещества имеют разное строение. Соответственно, для того, чтобы разрушить кристаллическую решётку твёрдого тела при температуре его плавления, необходимо ему сообщить разное количество теплоты.
Удельная теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг кристаллического вещества, чтобы превратить его в жидкость при температуре плавления. Опыт показывает, что удельная теплота плавления равна удельной теплоте кристаллизации .
Удельная теплота плавления обозначается буквой λ . Единица удельной теплоты плавления — [λ] = 1 Дж/кг .
Значения удельной теплоты плавления кристаллических веществ приведены в таблице. Удельная теплота плавления алюминия 3,9*10 5 Дж/кг. Это означает, что для плавления 1 кг алюминия при температуре плавления необходимо затратить количество теплоты 3,9*10 5 Дж. Этому же значению равно увеличение внутренней энергии 1 кг алюминия.
Чтобы вычислить количество теплоты Q , необходимое для плавления вещества массой m , взятого при температуре плавления, следует удельную теплоту плавления λ умножить на массу вещества: Q = λm .
Эта же формула используется при вычислении количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации жидкости.
Конспект урока «Плавление и кристаллизация. Удельная теплота плавления».