ИЗМЕНЕНИЕ АГРЕГАТНЫХ СОСОТОЯНИЙ ВЕЩЕСТВА Удельная теплота плавления

ИЗМЕНЕНИЕ АГРЕГАТНЫХ СОСОТОЯНИЙ ВЕЩЕСТВА
Удельная теплота плавления
Для того, чтобы расплавить какое-либо вещество в твердом состоянии, необходимо его
нагреть. И при нагревании любого тела отмечается одна любопытная особенность
Особенность такая: температура тела растет вплоть до температуры плавления, а потом
останавливается до того момента, пока все тело целиком не перейдет в жидкое состояние.
После расплавления температура вновь начинает расти, если, конечно, продолжать
нагревание. То есть, существует промежуток времени, во время которого мы нагреваем тело,
а оно не нагревается. Куда же девается энергия тепла, которую мы расходуем? Чтобы
ответить на этот вопрос, надо заглянуть внутрь тела.
В твердом теле молекулы расположены в определенном порядке в виде кристаллов. Они
практически не двигаются, лишь слегка колеблясь на месте. Для того, чтобы вещество
перешло в жидкое состояние, молекулам необходимо придать дополнительную энергию,
чтобы они смогли вырваться от притяжения соседних молекул в кристалликах. Нагревая
тело, мы придаем молекулам эту необходимую энергию. И вот пока все молекулы не получат
достаточно энергии и не разрушатся все кристаллики, температура тела не повышается.
Опыты показывают, что для разных веществ одной массы требуется разное количество
теплоты для полного его расплавления.
То есть существует определенная величина, от которой зависит, сколько тепла необходимо
поглотить веществу для расплавления. И величина эта различна для разных веществ. Эта
величина в физике называется удельная теплота плавления вещества. Опять же, вследствие
опытов установлены значения удельной теплота плавления для различных веществ и
собраны в специальные таблицы, из которых можно почерпнуть эти сведения. Обозначают
удельную теплоту плавления греческой буквой λ (лямбда), а единицей измерения является 1
Дж/кг.
Формула удельной теплоты плавления
Удельная теплота плавления находится по формуле:
λ=Q/m, где Q – это количество теплоты, необходимое для того, чтобы расплавить тело
массой m.
Опять-таки из опытов известно, что при отвердевании вещества выделяют такое же
количество тепла, которое требовалось затратить на их расплавление. Молекулы, теряя
энергию, образуют кристаллы, будучи не в силах сопротивляться притяжению других
молекул. И опять-таки, температура тела не будет понижаться вплоть до того момента, пока
не отвердеет все тело, и пока не выделится вся энергия, которая была затрачена на его
плавление. То есть удельная теплота плавления показывает, как сколько надо затратить
энергии, чтобы расплавить тело массой m, так и сколько энергии выделится при
отвердевании данного тела.
Для примера, удельная теплота плавления воды в твердом состоянии, то есть, удельная
теплота плавления льда равна 3,4*105 Дж/кг. Эти данные позволяют рассчитать, сколько
потребуется энергии, чтобы расплавить лед любой массы. Зная также удельную
теплоемкость льда и воды, можно рассчитать, сколько точно потребуется энергии для
конкретного процесса, например, расплавить лед массой 2 кг и температурой - 30˚С и
довести получившуюся воду до кипения. Такие сведения для различных веществ очень
нужны в промышленности для расчета реальных затрат энергии при производстве какихлибо товаров.
Кипение и испарение в физике
Если оставить незакрытым сосуд с водой, то через некоторое время вода испарится. Если
проделать тот же опыт с этиловым спиртом или бензином, то процесс происходит несколько
быстрее. Если кастрюлю с водой нагревать на достаточно мощной горелке, то вода закипит.
Все эти явления являются частным случаем парообразования превращения жидкости в
пар. Существует два вида парообразования испарение и кипение.
Что такое испарение
Испарением называют парообразование с поверхности жидкости. Объяснить испарение
можно следующим образом.
При соударениях скорости молекул меняются. Часто находятся молекулы, скорость которых
настолько велика, что они преодолевают притяжение соседних молекул и отрываются от
поверхности жидкости. (Молекулярное строение вещества). Так как даже в небольшом
объёме жидкости очень много молекул, такие случаи получаются довольно часто, и идёт
постоянный процесс испарения.
Отделившиеся от поверхности жидкости молекулы образуют над ней пар. Некоторые из них
вследствие хаотического движения возвращаются обратно в жидкость. Поэтому испарение
происходит быстрее, если есть ветер, так как он уносит пар в сторону от жидкости (здесь
также имеет место явление «захвата» и отрыва молекул с поверхности жидкости ветром).
Поэтому же в закрытом сосуде испарение быстро прекращается: количество «оторвавшихся»
за единицу времени молекул становится равно количеству «вернувшихся» в жидкость.
Интенсивность испарения зависит от рода жидкости: чем меньше притяжение между
молекулами жидкости, тем интенсивнее испарение.
Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул имеют возможность
покинуть её. Значит, интенсивность испарения зависит от площади поверхности жидкости.
При повышении температуры скорости молекул возрастают. Поэтому чем выше
температура, тем интенсивнее испарение.
Что такое кипение
Кипение это интенсивное парообразование, которое происходит в результате нагревания
жидкости, образования в ней пузырьков пара, всплывающих на поверхность и
разрывающихся там.
Во время кипения температура жидкости остаётся постоянной.
Температура кипения это температура, при которой жидкость кипит. Обычно, говоря о
температуре кипения данной жидкости, подразумевают температуру, при которой эта
жидкость кипит при нормальном атмосферном давлении.
При парообразовании молекулы, которые отделились от жидкости, уносят из неё часть
внутренней энергии. Поэтому при испарении жидкость охлаждается.
Удельная теплота парообразования
Физическую величину, характеризующую количество теплоты, которое требуется для
испарения единичной массы вещества, называют удельной теплотой парообразования. (по
ссылке более подробный разбор этой темы)
В системе СИ единица измерения этой величины Дж/кг. Её обозначают буквой L.
Чтобы рассчитать количество теплоты, которое потребляется при превращении в пар
некоторой жидкости с удельной теплотой плавления L и массой m, применяют формулу:
Q = m*L(где Q искомое количество теплоты).
Удельная теплота парообразования
Знаете ли вы, какова температура варящегося супа? 100 ˚С. Ни больше, ни меньше. При той
же температуре закипает чайник, и варятся макароны. Что это значит?
Почему при постоянном подогреве кастрюльки или чайника горящим газом температура
воды внутри не подымается выше ста градусов? Дело в том, что когда вода достигает
температуры в сто градусов, вся поступающая тепловая энергия расходуется на переход
воды в газообразное состояние, то есть испарение. До ста градусов испарение происходит в
основном с поверхности, а достигнув этой температуры, вода закипает. Кипение – это тоже
испарение, но только по всему объему жидкости. Пузырьки с горячим паром образуются
внутри воды и, будучи легче воды, эти пузырьки вырываются на поверхность, а пар из них
улетучивается в воздух.
До ста градусов температура воды при нагревании растет. После ста градусов при
дальнейшем нагревании будет расти температура водяного пара. А вот пока вся вода не
выкипит при ста градусах, ее температура не повысится, сколько энергии не прикладывай.
Куда девается эта энергия, мы уже разобрались – на переход воды в газообразное состояние.
Но раз существует такое явление, значит должна бытьописывающая это явление
физическая величина. И такая величина существует. Называется она удельной теплотой
парообразования.
Удельная теплота парообразования воды
Удельная
теплота
парообразования
–
это
физическая
величина,
которая
показывает количество теплоты, нужное, чтобы превратить жидкость массой 1 кг в пар при
температуре кипения. Обозначается удельная теплота парообразования буквой L. А
единицей измерения является джоуль на килограмм (1 Дж/кг).
Удельную теплоту парообразования можно найти из формулы:
L=Q/m,
где Q – это количество теплоты,
m – масса тела.
Кстати, формула такая же, как и для расчета удельной теплоты плавления, разница лишь в
обозначении. λ и L
Опытным путем найдены значения удельной теплоты парообразования различных веществ и
составлены таблицы, откуда можно найти данные для каждого вещества. Так, удельная
теплота парообразования воды равна 2,3*106 Дж/кг. Это означает, что на каждый
килограмм воды необходимо потратить количество энергии, равное 2,3*106 Дж, чтобы
превратить ее в пар. Но при этом вода должна уже обладать температурой кипения. Если
вода изначально была более низкой температуры, то необходимо рассчитать еще то
количество теплоты, которое потребуется для подогрева воды до ста градусов.
В реальных условиях часто требуется определить количество теплоты, необходимое
для превращения в пар определенной массы какой-либо жидкости, поэтому чаще
приходится иметь дело с формулой вида: Q=Lm, а значения удельной теплоты
парообразования для конкретного вещества берут из готовых таблиц.
Контрольная работа по теме
«Тепловые явления».
Часть А
А1. Тело нагревают. Его внутренняя энергия
1) уменьшается
2) увеличивается
3) не изменяется
4) может и уменьшаться, и увеличиваться в зависимости от внешних условий
А2. Затачиваемый нож нагревается за счет
1) совершения работы
3) совершения работы и теплопередачи
2) теплопередачи
4) теплопроводности
A3. Батареи водяного отопления обогревают комнату. Основным видом теплопередачи
при этом является
1) теплопроводность
2) конвекция
3) излучение
4) все виды теплопередачи вносят одинаковый вклад
А4. Не сопровождается переносом вещества
1) теплопроводность 2) конвекция 3) излучение
4) излучение и теплопроводность
А5. При увеличении температуры тела увеличивается …
1) скорость молекул
2) масса молекул
3) размеры молекул
4) число молекул
А6. Удельная теплоемкость графита равна 750 Дж/кг °С. Это означает, что …
1) для нагревания любой массы графита на 1 °С требуется 750 Дж теплоты
2) 1 кг графита при 0 °С выделяет 750 Дж теплоты
3) любой массе графита при 100 °С сообщается 750 Дж теплоты
4) для нагревания 1 кг графита на 1 °С потребуется 750 Дж теплоты.t°c
A7. На рисунке представлены графики зависимости температуры t оС от
времени t трех тел одинаковой массы. Удельная теплоемкость больше …
1) у первого тела 2) у второго тела
3) у третьего тела 4) удельные теплоемкости трех тел одинаковы
А8. При плавлении
1) внутренняя энергия тела уменьшается
2) температура вещества уменьшается
3) внутренняя энергия тела увеличивается
4) температура вещества увеличивается
А9. Лед тает при постоянной температуре 0 °С. При этом
1) энергия поглощается
2) энергия выделяется
3) энергия может поглощаться или выделяться в зависимости от внешних условий
4) энергия не поглощается и не выделяется
А10. Температура плавления ртути - 39 °С. При 38 °С ртуть находится
1) в жидком состоянии
2) в твердом состоянии
3) в парообразном состоянии
4) часть в твердом, часть в жидком состоянии
А11. Температура плавления кристаллического тела не изменяется, т.к.
1) идет процесс разрушения молекул
2) изменяется скорость молекул
3) разрушается кристаллическая решетка
4) усиливаются колебания молекул
А12. На рисунке представлен график зависимости температуры
твердого тела t оС от времени t. Процесс плавления начался при …
1) 150 °С
2) 300 °С
3) 450 °С
4) 600
°С
А13. Скорость испарения жидкости зависит …
1) только от рода жидкости
2) только от
температуры
3) только от площади открытой поверхности жидкости
4) от 1, 2 и З
А14. Внутренние энергии 1 кг воды и 1 кг водяного пара при 100°С …
1) одинаковы
2) у воды внутренняя энергия меньше
3) у воды внутренняя энергия больше
4) у воды внутренняя энергия может быть и больше и
меньше, чем у водяного пара
А15. На рисунке изображен график нагревания
жидкости. Жидкость кипела в течение …
1) 2 минут
2) 4 минут
3) 10 минут
4) 12 минут
А16. В двигателе внутреннего сгорания происходит преобразование
1) внутренней энергии топлива в кинетическую энергию частей двигателя
2) потенциальной энергии топлива в кинетическую энергию частей двигателя
3) внутренней энергии топлива во внутреннюю энергию поршня
4) кинетической энергии поршня в кинетическую энергию газа
А17. КПД паровой машины равен 30 %. Это означает, что от энергии, выделившейся при
полном сгорании топлива,
1) 30 % идет на совершение полезной работы
2) 70 % идет на совершение полезной работы
3) 30 % преобразуется во внутреннюю энергию деталей
4) 30 % преобразуется во внутреннюю энергию пара
Часть В
В1. При нагревании куска бронзы массой 2 кг на 20 °С затрачено 7600 Дж энергии.
Удельная теплоемкость бронзы (в Дж/кг °С) равна.....
В2. Для плавления олова массой 10 кг, взятого при температуре плавления, требуется
количество теплоты (в кДж), равное ... Удельная теплота плавления олова 0,59  105 Дж/кг.
В3. Для превращения в пар 100 г жидкого эфира требуется 40 кДж тепла. Для
превращения в пар 200 г эфира требуется ... кДж тепла. Эфир нагрет до температуры
кипения.