Отримання знань

Тверді тіла та їх властивості.

Плавлення і кристалізація твердих тіл. Температура плавлення і кристалізації. Питома теплота плавлення і кристалізації.

Мета уроку: навчити учнів розуміти суть теплових процесів- плавлення й кристалізації, переконати їх у сталості температури при плавленні й кристалізації речовини.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Вивчення нового матеріалу

1. Згадуємо, як розташовані і як рухаються молекули в рідинах і твердих тілах

Ми звикли вважати, що більшість речовин звичайно бувають твердими, рідкими або газоподібними. Наприклад, лід ми вважаємо твердим тілом, воду - рідиною, а водяну пару - газом.

Однак сьогодні встановлено, що при нагріванні до певної температури будь-яке кристалічне тверде тіло плавиться, тобто перетворюється на рідину.

Кожної весни, наприклад, ми спостерігаємо танення льоду - це і є окремий випадок плавлення: при таненні льоду вода переходить із твердого стану (лід) у рідкий (який ми найчастіше й називаємо «водою»).

Як відомо, молекулярно-кінетична теорія будови речовини заснована на трьох твердженнях:

усяка речовина складається з частинок - молекул або атомів;

частинки здійснюють хаотичний тепловий рух;

частинки взаємодіють одна з одною.

Тепловий рух молекул характеризується їх середньою кінетичною енергією. Вона, як відомо, визначає температуру тіл.

Взаємодія молекул характеризується потенціальною енергією. Вона залежить від відстані між молекулами.

У твердих кристалічних тілах молекули розташовані в певному порядку й можуть лише здійснювати коливальний рух біля положення рівноваги.

У рідинах молекули розташовані хаотично, хоча й близько одна від одної. Рух молекул у рідині - коливально-поступальний.

Молекули рухаються й взаємодіють одночасно, отже, вони мають і кінетичну, і потенціальну енергії. Тому, чи бути тілу твердим, рідким або газоподібним, залежить від співвідношення обох видів енергії. А зміна цього співвідношення й приводить до переходу речовини з одного стану в інший.

Мікрочастинки твердого тіла, утворюючи кристалічну решітку, хаотично коливаються навколо деяких середніх положень рівноваги, які називаються вузлами кристалічної решітки. Значна потенціальна енергія їх взаємодії перешкоджає зміні середньої відстані між ними. Наслідком цього є збереження твердими тілами їх форми та об'єму.

Отже, речовина знаходиться у твердому стані тоді, коли середня потенціальна енергія взаємного притягання молекул значно більша від їх кінетичної енергії.

2. Знайомимося з процесами плавлення й кристалізації

Як відомо, при нагріванні до певної температури будь-яке кристалічне тверде тіло плавиться, тобто перетворюється на рідину.

Перехід речовини із кристалічного стану в рідкий називають плавленням.

 Температуру, при якій речовина плавиться, називають його температурою плавлення.

Далі проаналізуємо таблицю температур плавлення. З таблиці видно, у яких межах лежать температури плавлення різних речовин. Наприклад, тугоплавкі метали (вольфрам, титан) можуть застосовуватися для створення космічних кораблів, для виготовлення спіралей теплових електричних приладів, а цезій і натрій можна розплавити в гарячій воді.

Досліди показують, що речовини тверднуть при тій же температурі, при якій плавляться. Процес кристалізації супроводжується виділенням такої ж кількості теплоти, що поглинається при плавленні.

Перехід речовини з рідкого стану в кристалічний називають кристалізацією.

Кристалізація відбувається при тій же температурі, що й плавлення.

3. Переконуємося, що процеси плавлення й кристалізації неможливі без передачі енергії

Отже, ми повинні засвоїти три таких положення:

Отже, плавлення відбувається обов'язково з поглинанням теплоти. Якщо не надавати тілу теплоту, то припиниться й сам процес плавлення. Зі зростанням температури твердих тіл зростає кінетична енергія їхніх частинок: вони починають коливатися з більшою швидкістю.

При певній для даної речовини температурі сили притягання між частинками вже не в змозі втримувати їх у вузлах кристалічних ґрат. Відбувається руйнування, розпад кристалічних ґрат, і кристал починає плавитися, тобто починає переходити в рідкий стан.

Під час плавлення температура тіла не змінюється, оскільки вся енергія йде на руйнування кристалічних ґрат.

Температура плавлення визначається тим, наскільки сильно зв'язані одна з одною частинки (атоми або молекули) даної речовини: що сильніше вони зв'язані, то більшою повинна бути їхня кінетична енергія, щоб унаслідок руху частинок зруйнувалися кристалічні ґрати, а отже, і вищою має бути температура плавлення.

Наприклад, одноатомні молекули гелію практично не взаємодіють одна з одною, тому перетворити гелій на тверде тіло надзвичайно важко: його треба не тільки остудити до дуже низької температури, але ще й піддати сильному стиску. Атоми ж металів порівняно сильно взаємодіють один з одним, тому багато металів характеризуються високими температурами плавлення. Найбільш тугоплавкий метал - вольфрам (із нього виготовляють нитки ламп розжарювання). Але й серед них є виключення: ртуть замерзає тільки при сибірському морозі, а натрій плавиться в склянці з окропом.

Аморфні тіла, на відміну від кристалічних, не мають певної температури плавлення: при нагріванні такі тіла розм'якшуються поступово.

4. Уводимо поняття питомої теплоти плавлення речовини

Різним речовинам для перетворення їх на рідину потрібна неоднакова енергія, оскільки сили взаємодії їхніх атомів одного з одним різні. Тому для характеристики енергетичних витрат, необхідних для плавлення речовини, використовують фізичну величину, яку називають питомою теплотою плавлення.

Питома теплота плавлення дорівнює кількості теплоти, необхідної для перетворення 1 кг речовини із твердого на рідкий стан при температурі плавлення.

Питому теплоту плавлення позначають буквою λ. Одиницею питомої теплоти плавлення є Дж/кг.

 Щоб визначити кількість теплоти, необхідної для плавлення твердого тіла, треба питому теплоту плавлення помножити на масу тіла:

Q = λ m

Зараз поглянемо на таблицю питомої теплоти плавлення деяких речовин. Наприклад, питома теплота плавлення міді дорівнює 210 кДж/кг. Це означає, що для того щоб розплавити 1 кг міді, температура плавлення якої дорівнює 1085 °С, необхідно затратити 210 кДж теплоти.

Кількість теплоти, що виділяється при кристалізації тіла, визначається за тією ж формулою:

Q = λ m

5. Розглядаємо рівняння теплового балансу для плавлення й кристалізації

Рівняння теплового балансу як загальне вираження закону збереження енергії в теплових процесах є справедливим і для процесів плавлення й кристалізації тіл.

При складанні рівняння необхідно враховувати деякі особливості.

Необхідно пам'ятати, що плавлення або кристалізація тіл відбувається при досягненні ними певної температури. Тому, розраховуючи кількість теплоти, треба враховувати кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання тіла до температури плавлення.

Плавлення твердого тіла відбувається, якщо воно одержує теплоту, і, навпаки, рідина кристалізується, якщо втрачає теплову енергію. При цьому температура плавлення твердого тіла й температура кристалізації рідини однакові.

Задача. Шматок льоду масою m = 2кг має температуру t₁ = -20 °С. Яку кількість теплоти  Q необхідно йому передати, щоб перетворити лід на воду з температурою t₂ = 20°С ?

Розв'язання. Перетворення відбуватиметься в три етапи: на 1 першому етапі лід нагрівається від температури t₁ до температури t_пл = 0°С, на другому етапі лід плавиться, а на третьому етапі вода, що утворилася, нагрівається від температури плавлення t_пл до температури t₂. Отже,

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ = сm (t_пл-t₁) + λ m + сm(t₂-t_пл)

Перевіривши одиниці величин і зробивши чисельні обчислення, одержимо: Q=912кДж.

6. Будуємо графіки й пояснюємо процеси плавлення й кристалізації

Простежимо за процесом плавлення нафталіну й разом з учнями побудуємо графік плавлення й кристалізації нафталіну.

На ділянці АВ (див. рисунок) температура леду зростає. Підвищення температури льоду впливає на рухливість його молекул: чим вища температура, тим інтенсивніше вони коливаються, отже, тим більша їхня кінетична енергія. Збільшення кінетичної енергії молекул унаслідок отриманої ними теплоти викликатиме ослаблення зв'язків між ними.

При температурі плавлення (точка В) кінетична й потенціальна енергії молекул стають приблизно однаковими (Ек=Еп) і зв'язки між ними можуть розриватися. Для того щоб лід почав плавитися, йому необхідно передати певну кількість теплоти. При цьому температура не змінюється, оскільки вся теплова енергія йде на розрив жорстких зв'язків між молекулами. Кристалічні ґрати руйнуються.

Після того, як весь лід розплавився (точка С), починає нагріватись вода (ділянка СD).

При кристалізації речовини все відбувається у зворотному порядку: ділянка DE - охолодження води до температури кристалізації. Середня кінетична енергія й швидкість молекул в охолодженій розплавленій речовині зменшуються. Ділянка DF - перехід води до твердого стану (процес кристалізації).Сили притягання тепер можуть утримувати молекули, що повільно рухаються, одна біля одної. Унаслідок цього розташування частинок стає впорядкованим - утворюється кристал. Енергія, що виділяється при кристалізації, витрачається на підтримування постійної температури. Ділянка FK - охолодження льоду.

Якщо ми зобразимо процеси плавлення та кристалізації на одному графіку, то буде чітко помітно, що ці процеси обернені один до одного.