Плавление и отвердевание кристаллических тел
Как мы помним из предыдущих уроков, в результате теплообмена тело может изменить своё агрегатное состояние. Сегодня мы поговорим о частных случаях этого явления, таких как плавление и отвердевание. Переход вещества из твёрдого состояния в жидкое называют плавлением.
Например, можно расплавить лёд и получить воду. Как мы знаем из бытового опыта, лёд нужно нагреть до температуры 0 оС (в нормальных условиях), и тогда он начнёт плавиться. Значит, для льда, 0 оС — это температура плавления. Конечно, у разных тел температура плавления разная. Температуры плавления некоторых тел приведены в таблице.
Не трудно догадаться, что процесс перехода из жидкого вещества в твёрдое называют отвердеванием. Однако, у этого процесса есть и другое название — кристаллизация. Дело в том, что структура молекул в твёрдых телах называется кристаллической решёткой, отсюда и название. Температура, при которой тело отвердевает или кристаллизуется, называется температурой отвердевания или кристаллизации.
Наверное, все замечали, что не только лед может расплавиться при температуре 0 оС, но и вода может замерзнуть. Это не случайное совпадение, поскольку опытным путём оказано, что вещества кристаллизуются при той же температуре, при которой плавятся.
Упражнения.
1. Допустим, вам нужно расплавить медь так чтоб она осталась в какой-нибудь ёмкости. Подойдёт ли для этого емкость из алюминия?
Нет. Ведь температура плавления алюминия значительно ниже, поэтому ёмкость расплавится раньше, чем медь, или же медь не удастся нагреть до достаточно высокой температуры.
2. Можно ли какие-нибудь металлы из таблицы расплавить в кипящей воде?
|
|
Да, потому что температура кипения воды превышает температуру плавления цезия и калия. Да и натрий, теоретически, тоже расплавится.
3. Как вы думаете, почему ртутные термометры не используются в холодных районах?
Потому что в некоторых районах температура опускается ниже минус сорока градусов, а температура кристаллизации ртути –39 оС.
Графики плавления и отвердевания
График плавления и отвердевания тела показывает нам все этапы процесса. Из него мы можем извлечь информацию о температуре плавления тела, например, о том, как долго это тело потребовалось нагревать, чтобы достичь той или иной температуры. Для понимания того, как строятся подобные графики, рассмотрим некоторые примеры.
На рисунке представлен график плавления и отвердевания железа.
В начальный момент времени, температура была равна 1200 оС, и пока она не достигла 1539 оС, плавление не началось. Молекулы сохраняли свой порядок, что характерно для твёрдого тела. По достижении температуры плавления, порядок нарушается, поскольку тело переходит в жидкое состояние. Его температура какое-то время остаётся постоянной, о чем свидетельствует горизонтальный участок графика. После того, как железо полностью расплавилось, температура снова начала увеличиваться. Порядок полностью нарушился, поскольку этот участок графика соответствует периоду, когда железо было полностью жидким. Достигнув отметки 1880 оС, железо перестали нагревать, и температура начала падать. Достигнув температуры кристаллизации, железо начало твердеть. Это заняло какое-то время, в течение которого температура вновь не менялась, начал восстанавливаться порядок. После этого, температура стала ниже температуры отвердевания, и железо вновь стало полностью твёрдым, а порядок молекул восстановился. Этому соответствует последний участок графика.
|
|
Упражнения.
1. Построить график плавления олова. Температура плавления составляет 232 оС, а начальная температура 200 оС. За 5 мин олово достигнет температуры плавления, и ещё 5 мин будет плавиться. 2,5 мин занимает нагревание олова от температуры плавления до 250 оС, и столько же займет охлаждение до 232 оС.
Итак, возьмём 20 оС за одну клетку по вертикали и 2,5 мин за одну клетку по горизонтали. Тогда первая точка будет иметь координаты 0 минут и 200 градусов, а вторая — 5 минут и 232 градуса. Соединим эти две точки. В этой точке начинается плавление длительностью 5 минут. Температура не меняется, поэтому координаты третьей точки будет 10 минут и 232 градуса. После этого, олово нагревается до 250 градусов за 2,5 минуты, поэтому координаты четвёртой точки будут 12,5 минут и 250 градусов. Это точка является пиком графика, поскольку в этот момент олово достигло наивысшей температуры. Дальше график симметричен, поэтому абсолютно аналогичным способом достраиваем и вторую часть графика.
Для построения этого графика мы использовали некую начальную информацию о теле. Значит, из готового графика можно извлечь информацию.
2. На рисунке представлен график плавления и отвердевания для какого-то вещества.
И нам надо найти ответы на вопросы:
— Какой самой высокой температуры достигло вещество?
|
|
Итак, смотрим на график. Вертикальная ось соответствует температуре, следовательно, наивысшая температура соответствует пику графика. Это 1250 оС.
— Какова температура плавления данного вещества?
Температуре плавления соответствуют горизонтальные участки графика, поскольку температура остаётся неизменной во время плавления или кристаллизации. На графике видно, что горизонтальные участки соответствуют температуре 1000 оС, поэтому, это и есть температура плавления.
— Сколько времени заняло плавление, и сколько времени заняла кристаллизация?
На графике мы видим, что по горизонтальной оси, соответствующей времени между отметкой 0 и отметкой 40 — две клетки. Длина горизонтальных отрезков тоже составляет две клетки. Поэтому, и плавление, и кристаллизация заняли по 40 минут.
— Какова скорость нагревания данного вещества в твердом состоянии, и какова скорость нагревания в жидком состоянии?
По вертикальной оси расстояние между отметкой 1000 и отметкой 1250 — одна клетка. Следовательно, расстояние в две клетки соответствует пятистам градусам. Тогда, в начальный момент времени, температура составляла 500 градусов. Мы видим на графике, что температура достигла температуры плавления за 40 минут. Поэтому, скорость нагревания в твердом состоянии равна 500 оС за 40 минут, т.е. 12,5 оС/мин.
На графике видно, что вещество в жидком состоянии нагрелось от 1000 оС до 1250 оС. По горизонтальной оси, длина этого процесса соответствует одной клетке, а, значит, двадцати минутам, т.к. 40 минут — это две клетки. Значит, скорость нагревания в жидком состоянии равна 250 оС за 20 минут, т.е. 12,5 оС/мин.
Следует помнить о том, что нагревание вещества в твердом состоянии на самом деле может происходить не с той же скоростью, что и нагревание вещества в жидком состоянии. Да и зависимость скорости нагревания или остывания от температуры может быть нелинейной. Несмотря на это, даже из такого графика можно извлечь, некоторую информацию.
Данный график предполагает достаточно сложные математические операции для подробного анализа, с которыми мы познакомимся намного позже. Однако, у нас достаточно знаний, чтобы ответить на следующие вопросы:
— Какая максимальная температура была достигнута данным веществом?
Опять же, обращаемся к самой высокой точке. Она соответствует 450 оС.
Держалась ли в какой-нибудь момент времени постоянная температура свыше 315 оС?
Постоянной температуре будет соответствовать горизонтальный участок графика. На данном графике, такой участок только один. Исходя из того, что отметка 450 оС находится на расстоянии 3 клетки от нулевой отметки по оси температуры, одна клетка соответствует 150 оС, а 2 клетки — 300 оС. Мы видим, что наш горизонтальный участок находится ниже отметки оС градусов, следовательно, температура выше 315 оС не держалась.
— Определите, нагревалось тело или остывало в первые 12 минут?
Одна клетка по горизонтальной оси соответствует 20 минутам. Мы видим, что на промежутке, более длительном, чем 12 минут, температура увеличивалась с течением времени. Следовательно, тело нагревалось.
Определите среднюю скорость нагревания в период с 40 до 100 минут.
Итак, отмечаем на графике интервал от 40 до 100 минут. Мы видим, что в этот период температура менялась по какому-то сложному закону. Однако, мы знаем, что бы ни происходило в этот период, температура возросла от 150 оС до 450 оС за 60 минут. Поэтому, в среднем, тело нагревалось со скоростью 300 оС в час или 5 оС в минуту.
При построении графиков помните, что очень важно соблюдать масштабирование, т.е. равные интервалы, относящиеся к одной и той же величине, обозначать равным количеством клеток.
https://www.youtube.com/watch?v=LlGN44glHyU&t=51s
https://www.youtube.com/watch?v=r0EXZWNQKGo
https://www.youtube.com/watch?v=9jyQN7ciqYg
Д/З § - 33 изучить, подготовить конспект.