Плавление и кристаллизация
Разберемся, что такое плавление и кристаллизация, почему температура кристаллического вещества во время этих процессов остается постоянной, что показывает удельная теплота плавления и как рассчитать количество теплоты
Весной сугробы снега превращаются в ручьи, мороженое тает в жаркий день, а расплавленный металл застывает в форме. Во всех этих случаях вещество меняет агрегатное состояние: из твердого превращается в жидкое или, наоборот, из жидкого в твердое.
Но у этих процессов есть интересная особенность. Если нагревать тающий лед, его температура при нормальном атмосферном давлении будет оставаться равной 0°C, пока он полностью не растает. Куда же расходуется поступающая энергия? Вместе с экспертом разберем, как происходят плавление и кристаллизация, от чего зависит температура этих процессов, как читать график и рассчитывать количество теплоты.
Что такое плавление и кристаллизация в физике
Плавление — это переход вещества из твердого состояния в жидкое. Обратный процесс, при котором жидкость превращается в кристаллическое твердое тело, называют кристаллизацией, или отвердеванием.
Оба процесса связаны с изменением агрегатного состояния вещества и рассматриваются в школьных учебниках физики, включенных в Федеральный перечень учебников.1
Чтобы понять, как происходит плавление, вспомним строение кристаллического вещества. Его частицы, а именно атомы, молекулы или ионы, расположены в определенном порядке и образуют кристаллическую решетку. При этом они не остаются неподвижными, а постоянно колеблются около своих положений равновесия.
При нагревании колебания частиц усиливаются. Когда вещество достигает температуры плавления, поступающая энергия расходуется на разрушение кристаллической структуры. Частицы получают возможность свободнее перемещаться друг относительно друга, и вещество постепенно переходит в жидкое состояние.
При кристаллизации происходит обратное: частицы жидкости образуют упорядоченную кристаллическую решетку, а вещество отдает энергию окружающим телам.
Таким образом, при плавлении вещество поглощает энергию, а при кристаллизации выделяет ее. Поэтому внутренняя энергия жидкости при температуре плавления больше, чем внутренняя энергия такой же массы этого вещества в твердом состоянии при той же температуре.
Полезная информация о плавлении и кристаллизации
Основные определения, обозначения и формулы по теме собрали в таблице. Она поможет быстро повторить правила, которые понадобятся при решении задач.
| Плавление и кристаллизация | Описание |
|---|---|
| Плавление | Переход вещества из твердого состояния в жидкое |
| Кристаллизация (отвердевание) | Переход жидкости в кристаллическое твердое состояние |
| Температура плавления | Температура, при которой плавится кристаллическое вещество |
| Температура кристаллизации | Совпадает с температурой плавления того же вещества при одинаковом давлении |
| Температура во время процесса | При плавлении и кристаллизации чистого кристаллического вещества при постоянном давлении температура не меняется |
| Обмен энергией | При плавлении вещество поглощает энергию, при кристаллизации выделяет |
| Удельная теплота плавления (λ, Дж/кг) | Показывает, сколько теплоты необходимо для плавления 1 кг вещества при температуре плавления |
| Количество теплоты (Q, Дж) | Q = λm |
| Аморфные тела | Не имеют определенной температуры плавления, при нагревании постепенно размягчаются |
Температура плавления и кристаллизации
Кристаллическое вещество начинает плавиться при определенной температуре. Ее называют температурой плавления и обозначают tпл. Например, при нормальном атмосферном давлении лед плавится при 0 °C, олово — при 232 °C, а железо — примерно при 1539 °C.
При одинаковом давлении температура кристаллизации вещества совпадает с температурой его плавления. Так, вода превращается в лед при 0 °C, а жидкое олово застывает при 232 °C.
Важная особенность этих процессов заключается в том, что во время плавления и кристаллизации чистого кристаллического вещества при постоянном давлении температура не изменяется. Например, если нагревать смесь льда и воды, термометр будет показывать 0°C, пока весь лед не растает. Поступающая энергия расходуется на изменение внутренней структуры вещества, а не на повышение его температуры. При кристаллизации происходит обратный процесс. Вещество отдает энергию, но его температура остается постоянной до полного затвердевания.
Температура плавления может зависеть от давления и наличия примесей. Например, соленая вода замерзает при температуре ниже 0°C. Поэтому зимой дороги посыпают солью и специальными реагентами, которые помогают растапливать лед даже при небольшом морозе.
Удельная теплота плавления
Чтобы расплавить кристаллическое тело, недостаточно просто нагреть его до температуры плавления. Необходимо передать ему дополнительное количество теплоты, которое зависит от массы тела и вида вещества. Для характеристики этого процесса используют специальную физическую величину.
Удельная теплота плавления — это физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты необходимо передать 1 кг кристаллического вещества при температуре плавления, чтобы полностью перевести его в жидкое состояние. Ее обозначают греческой буквой λ (лямбда).
В Международной системе единиц (СИ) удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг). Также используют килоджоули на килограмм: 1 кДж/кг = 1000 Дж/кг.
Например, удельная теплота плавления льда равна 3,4 · 10⁵ Дж/кг. Это означает, что для полного плавления 1 кг льда при 0°C необходимо передать ему 340 000 Дж теплоты. При кристаллизации такой же массы воды при той же температуре выделится столько же теплоты.
Удельная теплота плавления зависит от вида вещества, но не от массы тела. Например, небольшая сосулька и огромная льдина имеют одинаковую удельную теплоту плавления, хотя для их полного превращения в воду потребуется разное количество теплоты.
Таблица температур плавления и удельной теплоты плавления веществ
Температура плавления и удельная теплота плавления зависят от вида вещества. Их значения определяют экспериментально и приводят в справочных таблицах. Ниже представлены данные для нормального атмосферного давления.
В разных учебниках и справочниках значения могут немного различаться. При решении задач следует использовать данные, приведенные в условии или справочных материалах.
График плавления и кристаллизации
Плавление и кристаллизацию удобно рассматривать на графике зависимости температуры вещества от времени. Представим, что лед при температуре −20°C начали нагревать. После того как он полностью растаял, воду нагрели до 40°C, а затем дали ей остыть и замерзнуть.
Рассмотрим каждый участок графика.
- Участок AB. Лед нагревается от −20 до 0°C. Температура повышается, вещество остается твердым.
- Участок BC. Происходит плавление льда. Температура остается равной 0°C, в сосуде одновременно находятся лед и вода.
- Участок CD. Весь лед растаял. Теперь нагревается вода, и ее температура повышается до 40°C.
- Участок DE. Вода охлаждается от 40 до 0°C, оставаясь жидкой.
- Участок EF. Вода кристаллизуется при 0°C. Температура не меняется, а энергия выделяется в окружающую среду.
- Участок FK. Вся вода превратилась в лед, который продолжает охлаждаться.
Таким образом, горизонтальные участки графика соответствуют плавлению и кристаллизации. По ним можно определить температуру фазового перехода и его продолжительность. При одинаковой мощности теплопередачи продолжительность процесса увеличивается с ростом массы вещества и его удельной теплоты плавления.
Количество теплоты при плавлении и кристаллизации
Количество теплоты, необходимое для плавления вещества, зависит от его массы и удельной теплоты плавления. Рассчитать его можно по формуле:
Q = λm,
где:
- Q — количество теплоты (Дж),
- λ — удельная теплота плавления (Дж/кг),
- m — масса тела (кг).
По этой же формуле определяют количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации. При одинаковой массе вещества оно по модулю равно количеству теплоты, поглощенному при плавлении. Однако при учете направления теплообмена выделяемое количество теплоты записывают со знаком минус: Q = −λm.
Из основной формулы можно выразить удельную теплоту плавления и массу тела:
λ = Q/m,
m = Q/λ.
Важно помнить, что формула Q = λm применяется, когда вещество уже находится при температуре плавления. Если его начальная температура ниже, сначала необходимо нагреть тело, а затем расплавить. В таком случае общее количество теплоты рассчитывают по формуле:
Q = Q1 + Q2 = cm(tпл − t1) + λm,
где:
- Q1 — количество теплоты, необходимое для нагревания тела до температуры плавления (Дж),
- Q2 — количество теплоты, необходимое для плавления (Дж),
- c — удельная теплоемкость вещества в твердом состоянии (Дж/(кг·°C)),
- t1 — начальная температура тела (°C),
- tпл — температура плавления (°C).
это интересно
Коэффициент полезного действия (КПД)
Почему нагреватель тратит на плавление не всю полученную энергию и как оценить эти потери
подробнее
Примеры плавления и кристаллизации
С плавлением и кристаллизацией мы регулярно сталкиваемся в повседневной жизни. Рассмотрим несколько примеров этих процессов в природе и технике.
Весеннее таяние снега. Чтобы снег и лед растаяли, им необходимо получить определенное количество теплоты. Поэтому даже при положительной температуре воздуха большие сугробы могут сохраняться довольно долго.
Замерзание водоемов. При понижении температуры вода на поверхности рек и озер постепенно превращается в лед, выделяя энергию в окружающую среду. Лед остается на поверхности, поскольку его плотность меньше плотности жидкой воды.
Лед в напитках. Кубики льда охлаждают напиток не только из-за своей низкой температуры. При плавлении лед поглощает энергию, которую получает от окружающей жидкости.
Литье металлов. На производстве металлы нагревают до плавления, а затем заливают в специальные формы. При охлаждении расплавленный металл кристаллизуется и принимает нужную форму.
Свеча. Под действием тепла пламени парафин плавится. Часть расплавленного парафина стекает по свече, образуя капли, которые при охлаждении снова затвердевают.
Таким образом, при плавлении вещество поглощает энергию, а при кристаллизации выделяет ее в окружающую среду.
Задачи и ответы по теме «Плавление и кристаллизация»
Закрепим материал на практике. Попробуйте самостоятельно решить задачи на плавление и кристаллизацию, а затем сверьтесь с подробными решениями.
Задача 1
При нагревании кристаллического вещества его температура повысилась от 20 до 65°C. Затем в течение нескольких минут она оставалась постоянной, хотя нагревание продолжалось. После этого температура снова начала расти.
Какой процесс происходил при постоянной температуре? Чему равна температура плавления вещества?
Решение и ответ к задаче 1
При постоянной температуре происходило плавление вещества. Поступающая энергия расходовалась на изменение его внутренней структуры, поэтому температура не повышалась.
Когда вещество полностью расплавилось, температура снова начала расти.
Ответ: плавление; температура плавления 65°C
Задача 2
Для полного плавления металлического образца массой 300 г, взятого при температуре плавления, потребовалось 17,7 кДж теплоты. Определите удельную теплоту плавления металла и установите по таблице, из какого вещества изготовлен образец.
Решение и ответ к задаче 2
Дано: m = 300 г = 0,3 кг; Q = 17,7 кДж = 17 700 Дж
Найти: λ
Решение:
Выразим удельную теплоту плавления из формулы Q = λm:
λ = Q/m.
Подставим значения:
λ = 17 700 / 0,3 = 59 000 Дж/кг.
По таблице определяем, что такая удельная теплота плавления соответствует олову.
Ответ: 59 000 Дж/кг; олово
Задача 3
В две формы залили одинаковые массы расплавленных свинца и олова. Каждый металл находится при своей температуре кристаллизации. Из обеих форм тепло отводится с одинаковой постоянной мощностью.
Какой металл затвердеет быстрее? Удельная теплота плавления свинца равна 25 000 Дж/кг, олова — 59 000 Дж/кг.
Решение и ответ к задаче 3
При кристаллизации металл выделяет количество теплоты, равное Q = λm.
Массы металлов одинаковые, но удельная теплота плавления свинца меньше, чем у олова. Значит, при кристаллизации свинец должен отдать меньше энергии.
Поскольку тепло отводится с одинаковой мощностью, свинец затвердеет быстрее.
Ответ: свинец
Популярные вопросы и ответы
Отвечает Алексей Смирнов, учитель математики и физики, репетитор по подготовке к ЕГЭ по математике и физике:
Почему у аморфных тел, например стекла или пластилина, нет определенной температуры плавления?
Причина заключается во внутреннем строении вещества. В отличие от кристаллических тел, частицы аморфных тел не образуют упорядоченную кристаллическую решетку. Поэтому при нагревании они постепенно размягчаются, а не переходят в жидкое состояние при одной определенной температуре.
Например, стекло при повышении температуры становится все более пластичным и текучим. Пластилин также постепенно размягчается, хотя его поведение зависит еще и от состава, поскольку он представляет собой смесь различных компонентов.
Таким образом, для аморфных тел характерен постепенный переход к более текучему состоянию в некотором диапазоне температур, а не плавление при строго определенной температуре.
Например, стекло при повышении температуры становится все более пластичным и текучим. Пластилин также постепенно размягчается, хотя его поведение зависит еще и от состава, поскольку он представляет собой смесь различных компонентов.
Таким образом, для аморфных тел характерен постепенный переход к более текучему состоянию в некотором диапазоне температур, а не плавление при строго определенной температуре.
Чем плавление отличается от растворения?
При плавлении вещество переходит из твердого состояния в жидкое. Например, лед превращается в воду, а металл при нагревании становится расплавленным. При этом состав вещества не меняется.
При растворении одно вещество распределяется среди частиц другого. Например, сахар в горячем чае не плавится, а растворяется в воде. Если затем удалить воду, растворенное вещество можно снова получить в твердом состоянии.
Таким образом, плавление — это изменение агрегатного состояния вещества, а растворение — процесс образования раствора.
При растворении одно вещество распределяется среди частиц другого. Например, сахар в горячем чае не плавится, а растворяется в воде. Если затем удалить воду, растворенное вещество можно снова получить в твердом состоянии.
Таким образом, плавление — это изменение агрегатного состояния вещества, а растворение — процесс образования раствора.
Почему тему по физике «Плавление и кристаллизация» изучают в 8 классе?
Плавление и кристаллизация входят в раздел «Тепловые явления». К восьмому классу школьники уже знакомы с агрегатными состояниями вещества, внутренней энергией, количеством теплоты и удельной теплоемкостью. Эти знания позволяют понять, как происходят переходы между твердым и жидким состояниями и почему во время них температура может оставаться постоянной.
В дальнейшем школьники изучают другие изменения агрегатного состояния, а в старших классах возвращаются к этим процессам в молекулярной физике и термодинамике. Такая последовательность предусмотрена Федеральной рабочей программой по физике.2
В дальнейшем школьники изучают другие изменения агрегатного состояния, а в старших классах возвращаются к этим процессам в молекулярной физике и термодинамике. Такая последовательность предусмотрена Федеральной рабочей программой по физике.2
В каких заданиях ОГЭ и ЕГЭ по физике встречаются плавление и кристаллизация?
На ОГЭ по физике плавление и кристаллизация встречаются в качественных и расчетных заданиях по тепловым явлениям. Например, школьникам необходимо определить процесс по описанию, проанализировать график зависимости температуры от времени или рассчитать количество теплоты.
На ЕГЭ эти знания используются в заданиях по молекулярной физике и термодинамике. Это могут быть вопросы об изменении внутренней энергии, анализ графиков фазовых переходов и задачи на тепловой баланс.
Примеры подобных заданий можно найти в демоверсиях и открытом банке Федерального института педагогических измерений.3
На ЕГЭ эти знания используются в заданиях по молекулярной физике и термодинамике. Это могут быть вопросы об изменении внутренней энергии, анализ графиков фазовых переходов и задачи на тепловой баланс.
Примеры подобных заданий можно найти в демоверсиях и открытом банке Федерального института педагогических измерений.3
5 тем по физике, которые помогут глубже понять тепловые явления
- Теплопроводность: почему металлическая ложка в горячем чае быстро нагревается, а деревянная почти нет
- Конвекция в физике: как потоки жидкости и газа переносят энергию и почему батареи отопления ставят внизу
- Броуновское движение: какое явление доказало, что частицы вещества непрерывно движутся
- Первый закон термодинамики: как связаны количество теплоты, работа и изменение внутренней энергии
- Закон Джоуля — Ленца: почему проводник с током нагревается и как рассчитать выделившееся количество теплоты
Источники
Статья подготовлена в соответствии с официальными документами и рекомендациями:
1. Министерство просвещения России. Федеральный перечень учебников. URL: https://fpu.edu.ru/
- Перышкин И. М., Иванов А. И. «Физика. 8 класс. Базовый уровень»,
- Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. «Физика. 10 класс. Базовый и углубленный уровни»,
- Касьянов В. А. «Физика. 10 класс. Углубленный уровень».
2. Министерство просвещения России. Федеральная рабочая программа по учебному предмету «Физика». URL: https://static.edsoo.ru/projects/fop/index.html#/sections/200222
3. Федеральный институт педагогических измерений. Открытый банк заданий ОГЭ и ЕГЭ по физике, демоверсии и методические материалы. URL: https://fipi.ru/
