Die Energie, die ein Körper bei der Wärmeübertragung gewinnt oder verliert, nennt man Wärmemenge. Die Wärmemenge hängt von der Masse des Körpers, von der Differenz der Körpertemperatur und von der Art des Stoffes ab.
[Q]=J oder Kalorien
1 Kal ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 g Wasser um 1 °C zu erhitzen.
Spezifische Wärme – physikalische Größe, gleich der Wärmemenge, die auf einen Körper mit einem Gewicht von 1 kg übertragen werden muss, damit sich seine Temperatur um 1 °C ändert.
[C] = J/kg o C
Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt 4200 J/kg °C. Das bedeutet, dass zum Erhitzen von 1 kg schwerem Wasser um 1 °C 4200 J Wärme aufgewendet werden müssen.
Spezifische Wärmekapazität eines Stoffes in unterschiedlichen Lagen Aggregatzustände, ist anders. Somit beträgt die Wärmekapazität von Eis 2100 J/kg o C. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist am größten. Dabei nimmt das Wasser in den Meeren und Ozeanen bei Erwärmung im Sommer große Mengen Wärme auf. Im Winter kühlt das Wasser ab und gibt viel Wärme ab. Daher ist es in Gebieten in der Nähe von Gewässern im Sommer nicht sehr heiß und im Winter sehr kalt. Aufgrund seiner hohen Wärmekapazität findet Wasser in der Technik und im Alltag breite Anwendung. Zum Beispiel in Heizsystemen von Häusern, beim Kühlen von Teilen während ihrer Bearbeitung an Maschinen, Medikamenten (Heizkissen) usw.
Mit steigender Temperatur von Feststoffen und Flüssigkeiten nimmt die kinetische Energie ihre Teilchen: Sie beginnen mit höherer Geschwindigkeit zu schwingen. Ab einer bestimmten Temperatur, die für einen bestimmten Stoff ganz spezifisch ist, sind die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen nicht mehr in der Lage, sie in Knoten zu halten Kristallgitter(Fernordnung wird zu Nahordnung) und der Kristall beginnt zu schmelzen, d.h. Die Substanz beginnt in einen flüssigen Zustand überzugehen.
Schmelzen – Prozess des Übergangs der Materie von fester Zustand in Flüssigkeit.
Erstarrung (Kristallisation)– der Vorgang des Übergangs eines Stoffes vom flüssigen in den festen Zustand.
Während des Schmelzvorgangs bleibt die Temperatur des Kristalls konstant. Diese Temperatur heißt Schmelzpunkt. Jeder Stoff hat seinen eigenen Schmelzpunkt. Finden Sie es aus der Tabelle.
Die Temperaturkonstanz beim Schmelzen hat einen großen Einfluss praktische Bedeutung, da Sie damit Thermometer kalibrieren, Sicherungen und Indikatoren herstellen können, die bei einer genau festgelegten Temperatur schmelzen. Den Schmelzpunkt kennen verschiedene Substanzen Auch aus rein alltäglicher Sicht ist es wichtig: Wer kann sonst garantieren, dass dieser Topf oder diese Bratpfanne nicht auf dem Feuer eines Gasbrenners schmilzt?
Schmelztemperatur und gleiche Erstarrungstemperatur - charakteristisches Merkmal Substanzen. Quecksilber schmilzt und erstarrt bei einer Temperatur von -39 °C, also bereichsweise Hoher Norden Quecksilberthermometer werden nicht verwendet. Anstelle von Quecksilberthermometern werden in diesen Breitengraden Alkoholthermometer verwendet (-114 o C). Das feuerfesteste Metall ist Wolfram (3420 °C).
Die zum Schmelzen eines Stoffes erforderliche Wärmemenge wird durch die Formel bestimmt:
Dabei ist m die Masse der Substanz und die spezifische Schmelzwärme.
J/kg
Spezifische Schmelzwärme – die Wärmemenge, die erforderlich ist, um 1 kg einer Substanz bei ihrem Schmelzpunkt zu schmelzen. Jeder Stoff hat seinen eigenen. Es wird mithilfe der Tabelle gefunden.
Der Schmelzpunkt einer Substanz hängt vom Druck ab. Bei Stoffen, deren Volumen beim Schmelzen zunimmt, erhöht eine Druckerhöhung den Schmelzpunkt und umgekehrt. Wenn Wasser schmilzt, verringert sich sein Volumen, und wenn der Druck steigt, schmilzt Eis bei einer niedrigeren Temperatur.
Ticketnummer 14
Die Prozesse Kristallisation und Schmelzen beschreiben dieselben physikalischen Größen. Der Unterschied besteht darin, dass der Körper beim Schmelzen Energie benötigt, um das Gitter zu zerstören, und beim Kristallisieren hingegen gibt der Körper Energie an die Umgebung ab.
Das Konzept der spezifischen Kristallisationswärme
Unter der spezifischen Kristallisationswärme (Schmelzwärme) versteht man die von 1 kg freigesetzte (verbrauchte) Energiemenge. Stoffe beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand (und umgekehrt). Es ist wichtig zu beachten, dass sich die Temperatur des Stoffes während des Kristallisationsprozesses (Schmelzen) nicht ändert und bereits auf einen Wert gebracht wurde, bei dem der Prozess selbst möglich ist.
Die spezifische Kristallisationswärme (Schmelzwärme) wird in J/kg gemessen und mit dem Buchstaben bezeichnet Griechisches Alphabetλ. Per Definition:
Dabei ist Q die Energiemenge, die von m Kilogramm des Stoffes freigesetzt (verbraucht) wird.
Energieberechnungen für sequentielle thermische Prozesse
Betrachten Sie den Prozess der Abkühlung von m Kilogramm Wasser von einer Temperatur von beispielsweise +20 °C auf -10 °C. Hier haben wir es mit drei thermischen Prozessen zu tun:
- Wasserkühlung von der Temperatur +20 °C auf 0 °C, ∆T1 = - 20 °C;
- Kristallisation von Wasser zu Eis bei einer Temperatur von 0°C;
- Abkühlung von Eis von der Temperatur 0 °C auf -10 °C, ∆T2 = - 10 °C;
Die freigesetzte Energiemenge Q ist gleich der Summe der Energien in jedem dieser Prozesse:
Q = Q1 + Q2 + Q3;
Q1 = C1 * m * ∆T1;
Q3 = C2 * m * ∆T2;
Dabei sind C1 und C2 die spezifische Wärmekapazität von Wasser bzw. Eis. Das „-“-Zeichen bei Q2 bedeutet, dass der Prozess der Energiefreisetzung während der Kristallisation im Gange ist.
Beim Schmelzen handelt es sich um den Übergang eines Körpers vom kristallinen festen Zustand in den flüssigen Zustand. Das Schmelzen erfolgt unter Aufnahme spezifischer Schmelzwärme und ist ein Phasenübergang erster Ordnung.
Die Fähigkeit zum Schmelzen bezieht sich auf die physikalischen Eigenschaften eines Stoffes
Bei Normaldruck hat Wolfram den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle (3422 °C). einfache Substanzen im Allgemeinen - Kohlenstoff (nach verschiedenen Quellen 3500 - 4500 °C) und unter beliebigen Stoffen - Hafniumcarbid HfC (3890 °C). Wir können davon ausgehen, dass Helium den niedrigsten Schmelzpunkt hat: Bei Normaldruck bleibt es bei beliebig niedrigen Temperaturen flüssig.
Viele Stoffe haben bei Normaldruck keine flüssige Phase. Beim Erhitzen gehen sie durch Sublimation sofort in einen gasförmigen Zustand über.
Abbildung 9 – Eisschmelze
Kristallisation ist der Prozess des Phasenübergangs einer Substanz von einem flüssigen in einen festen kristallinen Zustand unter Bildung von Kristallen.
Eine Phase ist ein homogener Teil eines thermodynamischen Systems, der beim Durchqueren durch eine Grenzfläche von anderen Teilen des Systems (anderen Phasen) getrennt ist chemische Zusammensetzung, die Struktur und Eigenschaften der Materie ändern sich schlagartig.
Abbildung 10 – Kristallisation von Wasser unter Eisbildung
Kristallisation ist der Prozess der Isolierung einer festen Phase in Form von Kristallen aus Lösungen oder Schmelzen. In der chemischen Industrie wird der Kristallisationsprozess verwendet, um Stoffe in ihrer reinen Form zu erhalten.
Die Kristallisation beginnt, wenn ein bestimmter Grenzzustand erreicht wird, beispielsweise die Unterkühlung einer Flüssigkeit oder die Übersättigung von Dampf, wenn fast augenblicklich viele kleine Kristalle – Kristallisationszentren – erscheinen. Kristalle wachsen durch die Anlagerung von Atomen oder Molekülen aus einer Flüssigkeit oder einem Dampf. Das Wachstum von Kristallflächen erfolgt Schicht für Schicht; die Kanten unvollständiger Atomschichten (Stufen) bewegen sich beim Wachstum entlang der Fläche. Die Abhängigkeit der Wachstumsgeschwindigkeit von den Kristallisationsbedingungen führt zu einer Vielzahl von Wachstumsformen und Kristallstrukturen (polyedrische, lamellare, nadelförmige, skelettartige, dendritische und andere Formen, Bleistiftstrukturen usw.). Während des Kristallisationsprozesses entstehen zwangsläufig verschiedene Defekte.
Die Anzahl der Kristallisationszentren und die Wachstumsrate werden maßgeblich vom Grad der Unterkühlung beeinflusst.
Der Grad der Unterkühlung ist der Grad der Abkühlung des flüssigen Metalls unter die Temperatur seines Übergangs in die kristalline (feste) Modifikation. Es ist notwendig, die Energie der latenten Kristallisationswärme zu kompensieren. Unter Primärkristallisation versteht man die Bildung von Kristallen in Metallen (und Legierungen) beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand.
Spezifische Schmelzwärme (auch: Schmelzenthalpie; es gibt auch einen äquivalenten Begriff der spezifischen Kristallisationswärme) – die Wärmemenge, die in einem isobar-isothermen Gleichgewichtsprozess auf eine Masseneinheit einer kristallinen Substanz übertragen werden muss um es von einem festen (kristallinen) Zustand in einen flüssigen Zustand zu überführen (dann wird bei der Kristallisation eines Stoffes die gleiche Wärmemenge freigesetzt).
Wärmemenge beim Schmelzen oder Kristallisieren: Q=ml
Verdampfen und Sieden. Spezifische Verdampfungswärme
Verdampfung ist der Vorgang des Übergangs eines Stoffes vom flüssigen in den gasförmigen Zustand (Dampf). Der Verdampfungsprozess ist die Umkehrung des Kondensationsprozesses (Übergang vom dampfförmigen in den flüssigen Zustand). Verdampfung (Verdampfung), der Übergang eines Stoffes von einer kondensierten (festen oder flüssigen) Phase in eine gasförmige (Dampf); erste Ordnung Phasenübergang.
In der höheren Physik gibt es ein weiter entwickeltes Konzept der Verdunstung
Verdunstung ist ein Prozess, bei dem von der Oberfläche einer Flüssigkeit bzw solide Teilchen (Moleküle, Atome) fliegen heraus (brechen ab), mit Ek > Ep.
Abbildung 11 – Verdunstung über einer Tasse Tee
Die spezifische Verdampfungswärme (L) ist eine physikalische Größe, die die Wärmemenge angibt, die 1 kg eines Stoffes am Siedepunkt zugeführt werden muss, um ihn vom flüssigen in den gasförmigen Zustand zu überführen. Die spezifische Verdampfungswärme wird in J/kg gemessen.
Sieden ist der Prozess der Verdampfung einer Flüssigkeit (der Übergang einer Substanz vom flüssigen in den gasförmigen Zustand) mit dem Auftreten von Phasentrennungsgrenzen. Siedepunkt bei atmosphärischer Druck wird üblicherweise als eine der wichtigsten physikalisch-chemischen Eigenschaften einer chemisch reinen Substanz angegeben.
Beim Sieden handelt es sich um einen Phasenübergang erster Ordnung. Das Sieden erfolgt aufgrund der Bildung von Verdampfungszentren, die sowohl durch die erreichte Siedetemperatur als auch durch das Vorhandensein von Verunreinigungen bestimmt werden, viel intensiver als die Verdunstung von der Oberfläche.
Der Prozess der Blasenbildung kann durch Druck beeinflusst werden, Schallwellen, Ionisation. Die Blasenkammer arbeitet insbesondere nach dem Prinzip des Siedens von Mikrovolumina einer Flüssigkeit durch Ionisierung beim Durchgang geladener Teilchen.
Abbildung 12 – Kochendes Wasser
Wärmemenge beim Sieden, Verdampfen von Flüssigkeit und Kondensation von Dampf: Q=mL
Um einen festen Stoff zu schmelzen, muss er erhitzt werden. Und beim Erhitzen eines Körpers wird ein merkwürdiges Merkmal festgestellt
Die Besonderheit besteht darin, dass die Körpertemperatur bis zum Schmelzpunkt ansteigt und dann stoppt, bis der gesamte Körper in einen flüssigen Zustand übergeht. Nach dem Schmelzen beginnt die Temperatur wieder anzusteigen, wenn natürlich weiter erhitzt wird. Das heißt, es gibt eine Zeitspanne, in der wir den Körper erwärmen, aber er erwärmt sich nicht. Wohin geht die Wärmeenergie, die wir verbrauchen? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir in das Innere des Körpers schauen.
In einem Feststoff sind die Moleküle in einer bestimmten Reihenfolge in Form von Kristallen angeordnet. Sie bewegen sich praktisch nicht, sondern oszillieren nur leicht an Ort und Stelle. Damit ein Stoff in einen flüssigen Zustand übergeht, muss den Molekülen zusätzliche Energie zugeführt werden, damit sie der Anziehung benachbarter Moleküle in den Kristallen entkommen können. Durch die Erwärmung des Körpers geben wir den Molekülen die nötige Energie. Und bis alle Moleküle genügend Energie erhalten und alle Kristalle zerstört sind, steigt die Körpertemperatur nicht an. Experimente zeigen, dass verschiedene Stoffe gleicher Masse unterschiedlich viel Wärme benötigen, um sie vollständig zu schmelzen.
Das heißt, es gibt einen bestimmten Wert, von dem es abhängt Wie viel Wärme muss ein Stoff aufnehmen, um zu schmelzen?. Und dieser Wert ist für verschiedene Stoffe unterschiedlich. Diese Größe wird in der Physik als spezifische Schmelzwärme eines Stoffes bezeichnet. Auch hier wurden als Ergebnis von Experimenten die Werte der spezifischen Schmelzwärme für verschiedene Stoffe ermittelt und in speziellen Tabellen gesammelt, aus denen diese Informationen entnommen werden können. Die spezifische Schmelzwärme wird mit dem griechischen Buchstaben λ (Lambda) angegeben und die Maßeinheit ist 1 J/kg.
Formel für die spezifische Schmelzwärme
Die spezifische Schmelzwärme ergibt sich aus der Formel:
Dabei ist Q die Wärmemenge, die erforderlich ist, um einen Körper der Masse m zu schmelzen.
Auch hier ist aus Experimenten bekannt, dass Stoffe beim Erstarren die gleiche Wärmemenge abgeben, die zum Schmelzen erforderlich war. Moleküle verlieren Energie, bilden Kristalle und können der Anziehung anderer Moleküle nicht widerstehen. Und auch hier sinkt die Körpertemperatur nicht, bis der gesamte Körper ausgehärtet ist und die gesamte Energie, die für sein Schmelzen aufgewendet wurde, freigesetzt wird. Das heißt, die spezifische Fusionswärme zeigt sowohl, wie viel Energie aufgewendet werden muss, um einen Körper der Masse m zu schmelzen, als auch, wie viel Energie freigesetzt wird, wenn ein bestimmter Körper erstarrt.
Beispielsweise beträgt die spezifische Schmelzwärme von Wasser im festen Zustand, also die spezifische Schmelzwärme von Eis, 3,4 * 105 J/kg. Mit diesen Daten können Sie berechnen, wie viel Energie erforderlich ist, um Eis beliebiger Masse zu schmelzen. Wenn Sie auch die spezifische Wärmekapazität von Eis und Wasser kennen, können Sie genau berechnen, wie viel Energie für einen bestimmten Prozess erforderlich ist, z. B. das Schmelzen von 2 kg schwerem Eis bei einer Temperatur von 30 °C und das Bringen des resultierenden Wassers zum Kochen. Solche Informationen für verschiedene Stoffe sind in der Industrie sehr wichtig, um die tatsächlichen Energiekosten bei der Herstellung jeglicher Güter zu berechnen.
Um einen festen Stoff zu schmelzen, muss er erhitzt werden.
Experimente zeigen, dass verschiedene Stoffe gleicher Masse unterschiedlich viel Wärme benötigen, um sie vollständig zu schmelzen.
Das heißt, es gibt einen bestimmten Wert, der davon abhängt, wie viel Wärme ein Stoff aufnehmen muss, um zu schmelzen. Und dieser Wert ist für verschiedene Stoffe unterschiedlich. Diese Größe wird in der Physik als spezifische Schmelzwärme eines Stoffes bezeichnet. Die spezifische Schmelzwärme gibt an, wie viel Wärme benötigt wird, um 1 kg einer Substanz vollständig vom Feststoff in eine Flüssigkeit umzuwandeln, gemessen am Schmelzpunkt. Die spezifische Schmelzwärme wird mit dem griechischen Buchstaben λ (Lambda) und der Einheit angegeben Die Messung beträgt 1 J/kg.
Formel für die spezifische Schmelzwärme
Die spezifische Schmelzwärme ergibt sich aus der Formel:
λ = Q/m,
Dabei ist Q die Wärmemenge, die erforderlich ist, um einen Körper der Masse m zu schmelzen.
Die zum Schmelzen eines Stoffes erforderliche Wärmemenge ist gleich dem Produkt aus spezifischer Schmelzwärme und der Masse des Stoffes.
Q = λ*m,
Auch hier ist aus Experimenten bekannt, dass Stoffe beim Erstarren die gleiche Wärmemenge abgeben, die zum Schmelzen erforderlich war. Moleküle verlieren Energie, bilden Kristalle und können der Anziehung anderer Moleküle nicht widerstehen. Und auch hier sinkt die Körpertemperatur nicht, bis der gesamte Körper ausgehärtet ist und die gesamte Energie, die für sein Schmelzen aufgewendet wurde, freigesetzt wird. Das heißt, die spezifische Fusionswärme zeigt sowohl, wie viel Energie aufgewendet werden muss, um einen Körper der Masse m zu schmelzen, als auch, wie viel Energie freigesetzt wird, wenn ein bestimmter Körper erstarrt.