Energija koju tijelo dobije ili izgubi tokom prijenosa topline naziva se količinu toplote. Količina toplote zavisi od mase tela, od razlike u telesnoj temperaturi i od vrste supstance.
[Q]=J ili kalorije
1 cal je količina topline potrebna za zagrijavanje 1 g vode za 1 o C.
Specifična toplota – fizička količina, jednaka količini toplote koja se mora preneti telu težine 1 kg da bi se njegova temperatura promenila za 1 o C.
[C] = J/kg o C
Specifični toplotni kapacitet vode je 4200 J/kg o C. To znači da je za zagrevanje vode težine 1 kg za 1 o C potrebno utrošiti 4200 J toplote.
Specifični toplotni kapacitet supstance koja se nalazi u razl agregatna stanja, je drugačije. Dakle, toplotni kapacitet leda je 2100 J/kg o C. Specifični toplotni kapacitet vode je najveći. S tim u vezi, voda u morima i okeanima, kada se zagrije ljeti, apsorbira veliku količinu topline. Zimi se voda hladi i daje veliku količinu toplote. Stoga, u područjima koja se nalaze u blizini vodenih tijela, ljeti nije jako vruće, a zimi vrlo hladno. Zbog svog velikog toplotnog kapaciteta, voda se široko koristi u tehnici i svakodnevnom životu. Na primjer, u sistemima grijanja kuća, pri hlađenju dijelova prilikom njihove obrade na mašinama, lijekovima (jastučići za grijanje) itd.
Sa povećanjem temperature čvrstih materija i tečnosti, kinetička energija njihove čestice: počinju da vibriraju većim brzinama. Na određenoj temperaturi, sasvim specifičnoj za datu tvar, sile privlačenja između čestica više ih ne mogu držati u čvorovima kristalna rešetka(daleko dometni poredak prelazi u kratkodometni), a kristal se počinje topiti, tj. tvar počinje prelaziti u tekuće stanje.
Topljenje – proces tranzicije materije iz čvrsto stanje u tečnost.
Stvrdnjavanje (kristalizacija)– proces prelaska supstance iz tečnog u čvrsto stanje.
Tokom procesa topljenja, temperatura kristala ostaje konstantna. Ova temperatura se zove tačka topljenja. Svaka supstanca ima svoju tačku topljenja. Pronađite ga iz tabele.
Konstantnost temperature tokom topljenja ima veliku praktični značaj, budući da vam omogućava kalibraciju termometara, proizvodnju osigurača i indikatora koji se tope na strogo određenoj temperaturi. Poznavanje tačke topljenja razne supstance Važno je i sa čisto svakodnevnog gledišta: inače, ko može garantovati da se ovaj lonac ili tiganj neće otopiti na vatri plinskog plamenika?
Temperatura topljenja i jednaka temperatura očvršćavanja - karakteristična karakteristika supstance. Živa se topi i stvrdnjava na temperaturi od -39 o C, dakle u područjima Daleki sjeverživini termometri se ne koriste. Umjesto živinih termometara na ovim geografskim širinama koriste se alkoholni termometri (-114 o C). Najvatrostalniji metal je volfram (3420 o C).
Količina topline potrebna za taljenje tvari određena je formulom:
Gdje je m masa tvari, a specifična toplina fuzije.
J/kg
Specifična toplota fuzije – količina topline potrebna da se topi 1 kg tvari uzeti na tački taljenja. Svaka supstanca ima svoje. Nalazi se pomoću tabele.
Tačka topljenja neke supstance zavisi od pritiska. Za supstance čija se zapremina povećava tokom topljenja, povećanje pritiska povećava tačku topljenja i obrnuto. Kada se voda topi, njen volumen se smanjuje, a kako pritisak raste, led se topi na nižoj temperaturi.
Ulaznica broj 14
Procesi kristalizacije i topljenja opisuju iste fizičke veličine. Razlika je u tome što je prilikom topljenja tijelu potrebna energija da uništi rešetku, a tokom kristalizacije, naprotiv, tijelo oslobađa energiju u okolinu.
Koncept specifične toplote kristalizacije
Specifična toplina kristalizacije (taljenja) se podrazumijeva kao količina energije koja se oslobađa (potrošava) za 1 kg. supstance tokom prelaska iz tečnog u čvrsto (i obrnuto). Važno je napomenuti da se tokom procesa kristalizacije (taljenja) temperatura supstance ne menja i da je već dovedena do vrednosti na kojoj je sam proces moguć.
Specifična toplota kristalizacije (taljenja) meri se u J/kg i označava se slovom grčka abecedaλ. po definiciji:
gdje je Q količina energije koju oslobađa (potrošena) m kilograma tvari.
Proračun energije za sekvencijalne termičke procese
Razmotrimo proces hlađenja m kilograma vode sa temperature, na primjer, +20°C do -10°C. Ovdje imamo posla sa tri termalna procesa:
- hlađenje vodom od temperature +20°S do 0°S, ∆T1 = - 20°;
- kristalizacija vode u led na temperaturi od 0°C;
- hlađenje leda od temperature 0°S do -10°S, ∆T2 = - 10°;
Količina oslobođene energije Q jednaka je zbroju energija u svakom od ovih procesa:
Q = Q1 + Q2 + Q3;
Q1 = C1 * m * ∆T1;
Q3 = C2 * m * ∆T2;
gdje su C1 i C2 specifični toplinski kapacitet vode i leda, respektivno. Znak “-” na Q2 znači da je proces oslobađanja energije tokom kristalizacije u toku.
Topljenje je prijelaz tijela iz kristalnog čvrstog stanja u tekuće stanje. Topljenje se događa apsorpcijom specifične topline fuzije i predstavlja fazni prijelaz prvog reda.
Sposobnost topljenja odnosi se na fizička svojstva supstance
Pri normalnom pritisku volfram ima najvišu tačku topljenja među metalima (3422 °C), jednostavne supstance općenito - ugljenik (prema različitim izvorima, 3500 - 4500 °C) i među proizvoljnim supstancama - hafnijev karbid HfC (3890 °C). Možemo pretpostaviti da helijum ima najnižu tačku topljenja: pri normalnom pritisku ostaje tečan na proizvoljno niskim temperaturama.
Mnoge supstance pri normalnom pritisku nemaju tečnu fazu. Kada se zagreju, sublimacijom se odmah pretvaraju u gasovito stanje.
Slika 9 - Topljenje leda
Kristalizacija je proces faznog prijelaza tvari iz tekućeg u čvrsto kristalno stanje uz stvaranje kristala.
Faza je homogeni deo termodinamičkog sistema odvojen od ostalih delova sistema (drugih faza) interfejsom, prolaskom kroz koji hemijski sastav, struktura i svojstva materije se naglo menjaju.
Slika 10 – Kristalizacija vode sa stvaranjem leda
Kristalizacija je proces izolacije čvrste faze u obliku kristala iz rastvora ili taline u hemijskoj industriji, proces kristalizacije se koristi za dobijanje materija u njihovom čistom obliku.
Kristalizacija počinje kada se postigne određeni granični uvjet, na primjer, prehlađenje tekućine ili prezasićenost pare, kada se gotovo trenutno pojavljuju mnogi mali kristali - centri kristalizacije. Kristali rastu spajanjem atoma ili molekula iz tekućine ili pare. Rast kristalnih površina odvija se sloj po sloj ivice nepotpunih atomskih slojeva (stepenica) pomiču se duž lica kako rastu. Ovisnost brzine rasta od uslova kristalizacije dovodi do različitih oblika rasta i kristalnih struktura (poliedarskih, lamelarnih, igličastih, skeletnih, dendritičnih i drugih oblika, strukture olovke itd.). Tokom procesa kristalizacije neminovno nastaju različiti defekti.
Na broj centara kristalizacije i brzinu rasta značajno utiče stepen prehlađenja.
Stepen prehlađenja je nivo hlađenja tekućeg metala ispod temperature njegovog prijelaza u kristalnu (čvrstu) modifikaciju. Neophodno je nadoknaditi energiju latentne toplote kristalizacije. Primarna kristalizacija je formiranje kristala u metalima (i legurama) tokom prelaska iz tečnog u čvrsto stanje.
Specifična toplota fuzije (također: entalpija fuzije; postoji i ekvivalentan koncept specifične toplote kristalizacije) - količina toplote koja se mora preneti jednoj jedinici mase kristalne supstance u ravnotežnom izobarično-izotermnom procesu kako bi se da ga prevede iz čvrstog (kristalnog) stanja u tečno (tada se ista količina toplote oslobađa tokom kristalizacije supstance).
Količina toplote tokom topljenja ili kristalizacije: Q=ml
Isparavanje i ključanje. Specifična toplota isparavanja
Isparavanje je proces prijelaza tvari iz tekućeg u plinovito stanje (para). Proces isparavanja je obrnut od procesa kondenzacije (prijelaz iz parnog u tečno stanje. Isparavanje (vaporizacija), prijelaz tvari iz kondenzirane (čvrste ili tekuće) faze u plinovitu (para); prvog reda fazni prelaz.
U višoj fizici postoji razvijeniji koncept isparavanja
Isparavanje je proces u kojem sa površine tekućine ili solidančestice (molekule, atomi) izlete (odlome se), pri čemu Ek > Ep.
Slika 11 - Isparavanje preko šolje čaja
Specifična toplota isparavanja (isparavanja) (L) je fizička veličina koja pokazuje količinu toplote koja se mora preneti 1 kg supstance koja se uzima na tački ključanja da bi se prešla iz tečnog u gasovito stanje. Specifična toplina isparavanja mjeri se u J/kg.
Vrenje je proces isparavanja u tečnosti (prelazak supstance iz tečnog u gasovito stanje), sa pojavom granica razdvajanja faza. Tačka ključanja na atmosferski pritisak se obično navodi kao jedna od glavnih fizičko-hemijskih karakteristika hemijski čiste supstance.
Vrenje je fazni prijelaz prvog reda. Ključanje se dešava mnogo intenzivnije od isparavanja s površine, zbog formiranja centara isparavanja, što je određeno kako postignutom temperaturom ključanja, tako i prisustvom nečistoća.
Na proces stvaranja mjehurića može uticati pritisak, zvučni talasi, jonizacija. Konkretno, mjehurić komora radi na principu ključanja mikrovolumena tekućine od jonizacije tokom prolaska nabijenih čestica.
Slika 12 - Kipuća voda
Količina toplote tokom ključanja, isparavanja tečnosti i kondenzacije pare: Q=mL
Da bi se čvrsta tvar rastopila, mora se zagrijati. A prilikom zagrijavanja bilo kojeg tijela primjećuje se jedna zanimljiva karakteristika
Posebnost je ova: temperatura tijela raste do tačke topljenja, a zatim se zaustavlja dok cijelo tijelo ne pređe u tečno stanje. Nakon topljenja, temperatura ponovo počinje rasti, ako se, naravno, nastavi zagrijavanje. Odnosno, postoji vremenski period tokom kojeg zagrevamo telo, ali se ono ne zagreva. Gde ide toplotna energija koju trošimo? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, treba da pogledamo u unutrašnjost tela.
U čvrstim supstancama molekuli su raspoređeni određenim redoslijedom u obliku kristala. Praktično se ne pomiču, samo lagano osciliraju na mjestu. Da bi se supstanca pretvorila u tekuće stanje, molekulima je potrebno dati dodatnu energiju kako bi izbjegle privlačnost susjednih molekula u kristalima. Zagrijavanjem tijela dajemo molekulima tu potrebnu energiju. I dok svi molekuli ne dobiju dovoljno energije i svi kristali ne budu uništeni, temperatura tijela se ne povećava. Eksperimenti pokazuju da različite tvari iste mase zahtijevaju različite količine topline da bi se potpuno otopile.
Odnosno, postoji određena vrijednost od koje zavisi koliko toplote treba da apsorbuje supstanca da bi se rastopila?. I ova vrijednost je različita za različite tvari. Ova veličina se u fizici naziva specifičnom toplinom fuzije neke supstance. Opet, kao rezultat eksperimenata, utvrđene su vrijednosti specifične topline fuzije za različite tvari i prikupljene u posebnim tablicama iz kojih se te informacije mogu prikupiti. Specifična toplota fuzije označena je grčkim slovom λ (lambda), a mjerna jedinica je 1 J/kg.
Formula za specifičnu toplinu fuzije
Specifična toplota fuzije se nalazi po formuli:
gdje je Q količina topline potrebna da se otopi tijelo mase m.
Opet, iz eksperimenata je poznato da kada se tvari stvrdnu, one oslobađaju istu količinu topline koja je bila potrebna za njihovo topljenje. Molekuli, gubeći energiju, formiraju kristale, nesposobni da se odupru privlačenju drugih molekula. I opet, tjelesna temperatura se neće smanjivati dok se cijelo tijelo ne očvrsne i dok se ne oslobodi sva energija koja je utrošena na njegovo topljenje. Odnosno, specifična toplota fuzije pokazuje koliko energije treba utrošiti da bi se rastopilo tijelo mase m i koliko će energije biti oslobođeno kada se dato tijelo očvrsne.
Na primjer, specifična toplina fuzije vode u čvrstom stanju, odnosno specifična toplina fuzije leda je 3,4 * 105 J/kg. Ovi podaci vam omogućavaju da izračunate koliko je energije potrebno za otapanje leda bilo koje mase. Poznavajući i specifični toplinski kapacitet leda i vode, možete izračunati tačno koliko je energije potrebno za određeni proces, na primjer, topljenje leda težine 2 kg i temperature - 30˚C i dovođenje rezultirajuće vode do ključanja. Takve informacije za različite supstance su veoma potrebne u industriji za izračunavanje stvarnih troškova energije u proizvodnji bilo koje robe.
Da bi se čvrsta tvar rastopila, mora se zagrijati.
Eksperimenti pokazuju da različite tvari iste mase zahtijevaju različite količine topline da bi se potpuno otopile.
Odnosno, postoji određena vrijednost od koje ovisi koliko topline neka supstanca treba apsorbirati da bi se otopila. I ova vrijednost je različita za različite tvari. Ova veličina se u fizici naziva specifičnom toplinom fuzije neke supstance. Specifična toplota fuzije pokazuje koliko je toplote potrebno da se 1 kg supstance potpuno pretvori iz čvrste u tečnost, uzeta na tački topljenja. Specifična toplota fuzije označava se grčkim slovom λ (lambda) i jedinicom mjerenje je 1 J/kg.
Formula za specifičnu toplinu fuzije
Specifična toplota fuzije se nalazi po formuli:
λ = Q/m,
gdje je Q količina topline potrebna da se otopi tijelo mase m.
Količina topline potrebna za taljenje tvari jednaka je proizvodu specifične topline fuzije i mase tvari.
Q = λ*m,
Opet, iz eksperimenata je poznato da kada se tvari stvrdnu, one oslobađaju istu količinu topline koja je bila potrebna za njihovo topljenje. Molekuli, gubeći energiju, formiraju kristale, nesposobni da se odupru privlačenju drugih molekula. I opet, tjelesna temperatura se neće smanjivati dok se cijelo tijelo ne očvrsne i dok se ne oslobodi sva energija koja je utrošena na njegovo topljenje. Odnosno, specifična toplota fuzije pokazuje koliko energije treba utrošiti da bi se rastopilo tijelo mase m i koliko će energije biti oslobođeno kada se dato tijelo očvrsne.