Агрегатные состояния вещества. Плавление и кристаллизация
Строение твердых, жидких и газообразных тел. Процессы плавления и отвердевания (кристаллизации). График зависимости температуры от времени. Удельная теплота плавления.
Одно и то же вещество в зависимости от температуры и давления может находиться в трех основных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном (а при сверхвысоких температурах — в состоянии плазмы).
Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называют фазовым переходом. Переход из твердого состояния в жидкое называют плавлением, а обратный переход из жидкости в твердое состояние — кристаллизацией (отвердеванием).
Молекулярная картина плавления: при нагревании твердого тела амплитуда тепловых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки растет. При температуре плавления порядок решетки разрушается, и вещество переходит в жидкое состояние со свободным перемещением молекул.
Дальний порядок
Ближний порядок
Полный хаос
Кристаллические тела плавятся и отвердевают при строго определенной, постоянной для каждого вещества температуре — температуре плавления (tпл).
Главный закон плавления: на протяжении всего процесса плавления (пока не расплавится последняя крупинка твердого вещества) температура смеси твердого тела и жидкости остается строго постоянной, несмотря на непрерывный подвод тепла от нагревателя!
Вся подводимая энергия расходуется не на увеличение кинетической энергии молекул (температуры), а на разрыв межатомных связей и разрушение кристаллической решетки.
Температура отвердевания кристаллического вещества в точности равна температуре его плавления (лед плавится и вода замерзает при 0 °C; свинец плавится и кристаллизуется при 327 °C; железо — при 1539 °C; вольфрам — при 3422 °C; ртуть — при -39 °C).
График зависимости температуры кристаллического вещества от времени нагревания и охлаждения четко разделяется на характерные участки:
1. Участок AB (наклонный вверх): нагревание твердого тела от начальной температуры до температуры плавления (Q₁ = cтв · m · Δt).
2. Участок BC (горизонтальная полка): фазовый переход плавления. Температура постоянна (t = tпл). Сосуществуют твердая и жидкая фазы (Q₂ = λ · m).
3. Участок CD (наклонный вверх): нагревание полученной жидкости от tпл до некоторой температуры tкон (Q₃ = cж · m · Δt).
4. Участок DE (наклонный вниз): охлаждение жидкости до температуры кристаллизации.
5. Участок EF (горизонтальная полка): кристаллизация жидкости с выделением энергии в окружающую среду (Qкрист = -λ · m).
6. Участок FG (наклонный вниз): дальнейшее остывание твердого кристалла.
Фазовый переход (t = const)
Нагревание/охлаждение
Удельная теплота плавления (греческая буква λ — «лямбда») — физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг кристаллического вещества при температуре плавления, чтобы полностью перевести его в жидкое состояние:
λ = Q / m.
В Международной системе СИ удельная теплота плавления измеряется в Джоулях на килограмм (Дж/кг).
Количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела массы m, взятого при температуре плавления:
Qпл = λ · m.
При кристаллизации точно такое же количество теплоты выделяется в окружающую среду:
Qкрист = -λ · m.
Проверить начальную температуру
Рассчитать теплоту плавления
Сложить теплоты
В отличие от кристаллов, аморфные тела (стекло, смола, воск, янтарь, пластилин) не имеют кристаллической решетки и строго определенной температуры плавления!
При нагревании аморфное тело размягчается постепенно в широком температурном интервале, становясь все более текучим и вязким, пока не превратится в жидкость. На температурном графике нагревания аморфных тел отсутствует горизонтальная площадка постоянной температуры.
Тепловой парадокс замерзания:
Осенью выпадение первого снега и замерзание водоемов часто сопровождается временным потеплением воздуха, так как при замерзании каждой тонны воды в атмосферу выделяется колоссальное количество теплоты кристаллизации — 334 000 кДж!