Nazywa się energię, którą ciało zyskuje lub traci podczas wymiany ciepła ilość ciepła. Ilość ciepła zależy od masy ciała, różnicy temperatur ciała i rodzaju substancji.
[Q]=J lub kalorie
1 kal to ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 g wody o 1 o C.
Ciepło właściwe– wielkość fizyczna równa ilości ciepła, jaką należy przekazać ciału o masie 1 kg, aby jego temperatura zmieniła się o 1 o C.
[C] = J/kg o C
Ciepło właściwe wody wynosi 4200 J/kg o C. Oznacza to, że do ogrzania wody o masie 1 kg o 1 o C trzeba wydać 4200 J ciepła.
Ciepło właściwe substancji w różnych stanach skupienia jest różne. Zatem pojemność cieplna lodu wynosi 2100 J/kg o C. Ciepło właściwe wody jest największe. Pod tym względem woda w morzach i oceanach po podgrzaniu latem pochłania dużą ilość ciepła. Zimą woda ochładza się i oddaje dużą ilość ciepła. Dlatego na obszarach położonych w pobliżu zbiorników wodnych latem nie jest zbyt gorąco, a zimą jest bardzo zimno. Ze względu na dużą pojemność cieplną woda jest szeroko stosowana w technologii i życiu codziennym. Na przykład w systemach grzewczych domów, podczas chłodzenia części podczas ich obróbki na maszynach, lekarstwach (poduszki grzewcze) itp.
Wraz ze wzrostem temperatury ciał stałych i cieczy wzrasta energia kinetyczna ich cząstek: zaczynają one oscylować z większą prędkością. W pewnej temperaturze, dość specyficznej dla danej substancji, siły przyciągania pomiędzy cząsteczkami nie są już w stanie utrzymać ich w węzłach sieci krystalicznej (porządek dalekiego zasięgu przechodzi w porządek krótkiego zasięgu) i kryształ zaczyna się topić , tj. substancja zaczyna przechodzić w stan ciekły.
Topienie – proces zmiany substancji ze stanu stałego w ciekły.
Zestalanie (krystalizacja)– proces przejścia substancji ze stanu ciekłego w stały.
Podczas procesu topienia temperatura kryształu pozostaje stała. Ta temperatura nazywa się temperatura topnienia. Każda substancja ma swoją własną temperaturę topnienia. Znajdź go w tabeli.
Stałość temperatury podczas topienia ma ogromne znaczenie praktyczne, ponieważ umożliwia kalibrację termometrów oraz wykonanie bezpieczników i wskaźników topiących się w ściśle określonej temperaturze. Znajomość temperatury topnienia różnych substancji jest ważna również z czysto codziennego punktu widzenia: w przeciwnym razie kto może zagwarantować, że ten garnek lub patelnia nie stopi się w ogniu palnika gazowego?
Charakterystyczną cechą substancji jest temperatura topnienia i równa jej temperatura krzepnięcia. Rtęć topi się i krzepnie w temperaturze -39 o C, dlatego na Dalekiej Północy nie używa się termometrów rtęciowych. Zamiast termometrów rtęciowych na tych szerokościach geograficznych stosuje się termometry alkoholowe (-114 o C). Najbardziej ogniotrwałym metalem jest wolfram (3420 o C).
Ilość ciepła potrzebną do stopienia substancji określa się ze wzoru:
Gdzie m jest masą substancji i jest ciepłem właściwym topnienia.
J/kg
Specyficzne ciepło topnienia – ilość ciepła potrzebna do stopienia 1 kg substancji w jej temperaturze topnienia. Każda substancja ma swoją własną. Można go znaleźć za pomocą tabeli.
Temperatura topnienia substancji zależy od ciśnienia. W przypadku substancji, których objętość wzrasta podczas topienia, wzrost ciśnienia zwiększa temperaturę topnienia i odwrotnie. Kiedy woda się topi, jej objętość maleje, a wraz ze wzrostem ciśnienia lód topi się w niższej temperaturze.
Bilet numer 14
Procesy krystalizacji i topnienia opisują te same wielkości fizyczne. Różnica polega na tym, że podczas topienia ciało potrzebuje energii, aby zniszczyć siatkę, a podczas krystalizacji, przeciwnie, ciało uwalnia energię do otoczenia.
Pojęcie ciepła właściwego krystalizacji
Przez ciepło właściwe krystalizacji (topnienia) rozumie się ilość energii uwolnionej (zużytej) przez 1 kg. substancji podczas przejścia ze stanu ciekłego do stałego (i odwrotnie). Należy pamiętać, że podczas procesu krystalizacji (topnienia) temperatura substancji nie ulega zmianie i została już doprowadzona do wartości, przy której sam proces jest możliwy.
Ciepło właściwe krystalizacji (topnienia) mierzy się w J/kg i oznacza się literą greckiego alfabetu λ. Priorytet A:
gdzie Q jest ilością energii uwolnionej (zużytej) przez m kilogramów substancji.
Obliczenia energetyczne dla sekwencyjnych procesów termicznych
Rozważmy proces schładzania m kilogramów wody od temperatury na przykład +20°C do -10°C. Mamy tu do czynienia z trzema procesami termicznymi:
- chłodzenie wodne od temperatury +20°С do 0°С, ∆T1 = - 20°;
- krystalizacja wody w lód w temperaturze 0°C;
- chłodzenie lodem od temperatury 0°С do -10°С, ∆T2 = - 10°;
Ilość wydzielonej energii Q jest równa sumie energii w każdym z tych procesów:
Q = Q1 + Q2 + Q3;
Q1 = C1 * m * ∆T1;
Q3 = C2 * m * ∆T2;
gdzie C1 i C2 to odpowiednio ciepło właściwe wody i lodu. Znak „-” w Q2 oznacza, że trwa proces uwalniania energii podczas krystalizacji.
Topnienie to przejście ciała ze stanu stałego krystalicznego do stanu ciekłego. Topienie zachodzi wraz z absorpcją ciepła właściwego topnienia i jest przejściem fazowym pierwszego rzędu.
Zdolność do topienia odnosi się do właściwości fizycznych substancji
Przy normalnym ciśnieniu wolfram ma najwyższą temperaturę topnienia spośród metali (3422°C), ogólnie prostych substancji – węgla (według różnych źródeł 3500–4500°C) i spośród substancji dowolnych – węglika hafnu HfC (3890°C). Możemy założyć, że hel ma najniższą temperaturę topnienia: przy normalnym ciśnieniu pozostaje ciekły w dowolnie niskich temperaturach.
Wiele substancji pod normalnym ciśnieniem nie ma fazy ciekłej. Po podgrzaniu natychmiastowo przechodzą w stan gazowy poprzez sublimację.
Rysunek 9 – Topnienie lodu
Krystalizacja to proces przejścia fazowego substancji ze stanu ciekłego do stałego stanu krystalicznego z utworzeniem kryształów.
Faza to jednorodna część układu termodynamicznego oddzielona od innych części układu (innych faz) granicą faz, podczas przejścia, przez które następuje gwałtowna zmiana składu chemicznego, struktury i właściwości substancji.
Rysunek 10 - Krystalizacja wody z tworzeniem się lodu
Krystalizacja to proces izolowania fazy stałej w postaci kryształów z roztworów lub stopów; w przemyśle chemicznym proces krystalizacji wykorzystuje się do otrzymania substancji w czystej postaci.
Krystalizacja rozpoczyna się po osiągnięciu pewnego warunku granicznego, na przykład przechłodzenia cieczy lub przesycenia pary, kiedy niemal natychmiast pojawia się wiele małych kryształów - ośrodków krystalizacji. Kryształy rosną poprzez przyłączanie atomów lub cząsteczek cieczy lub pary. Wzrost ścian kryształu następuje warstwa po warstwie; krawędzie niekompletnych warstw atomowych (stopnie) przesuwają się wzdłuż ściany w miarę ich wzrostu. Zależność szybkości wzrostu od warunków krystalizacji prowadzi do powstania różnorodnych form wzrostu i struktur krystalicznych (formy wielościenne, blaszkowate, igłowe, szkieletowe, dendrytyczne i inne, struktury ołówkowe itp.). Podczas krystalizacji nieuchronnie powstają różne defekty.
Na liczbę centrów krystalizacji i szybkość wzrostu istotny wpływ ma stopień przechłodzenia.
Stopień przechłodzenia to stopień ochłodzenia ciekłego metalu poniżej temperatury jego przejścia w modyfikację krystaliczną (stałą). Konieczne jest skompensowanie energii utajonego ciepła krystalizacji. Krystalizacja pierwotna to tworzenie się kryształów metali (i stopów) podczas przejścia ze stanu ciekłego do stanu stałego.
Specyficzne ciepło topnienia (też: entalpia topnienia; istnieje również równoważne pojęcie ciepła właściwego krystalizacji) - ilość ciepła, jaką należy przekazać jednej jednostce masy substancji krystalicznej w równowagowym procesie izobaryczno-izotermicznym, aby przenieść go ze stanu stałego (krystalicznego) do cieczy (wtedy podczas krystalizacji substancji wydziela się taka sama ilość ciepła).
Ilość ciepła podczas topnienia lub krystalizacji: Q=ml
Parowanie i wrzenie. Ciepło właściwe parowania
Parowanie to proces przejścia substancji ze stanu ciekłego do stanu gazowego (pary). Proces parowania jest odwrotnością procesu kondensacji (przejście ze stanu pary do stanu ciekłego. Parowanie (parowanie), przejście substancji z fazy skondensowanej (stałej lub ciekłej) do fazy gazowej (pary); pierwszego rzędu przejście fazowe.
W wyższej fizyce istnieje bardziej rozwinięta koncepcja parowania
Parowanie to proces, w którym cząstki (cząsteczki, atomy) wylatują (odrywają się) od powierzchni cieczy lub ciała stałego, przy czym Ek > Ep.
Rysunek 11 – Parowanie nad kubkiem herbaty
Ciepło właściwe parowania (parowania) (L) jest wielkością fizyczną wskazującą, ile ciepła należy przekazać 1 kg substancji w temperaturze wrzenia, aby przejść ze stanu ciekłego w gazowy. Ciepło właściwe parowania mierzy się w J/kg.
Gotowanie to proces odparowania w cieczy (przejście substancji ze stanu ciekłego do stanu gazowego), z pojawieniem się granic rozdziału faz. Temperatura wrzenia pod ciśnieniem atmosferycznym jest zwykle podawana jako jedna z głównych właściwości fizykochemicznych substancji chemicznie czystej.
Wrzenie jest przemianą fazową pierwszego rzędu. Wrzenie zachodzi znacznie intensywniej niż parowanie z powierzchni, ze względu na powstawanie ośrodków parowania, determinowanych zarówno osiąganą temperaturą wrzenia, jak i obecnością zanieczyszczeń.
Na proces tworzenia się pęcherzyków można wpływać za pomocą ciśnienia, fal dźwiękowych i jonizacji. W szczególności komora pęcherzykowa działa na zasadzie wrzenia mikroobjętości cieczy powstałej w wyniku jonizacji podczas przepływu naładowanych cząstek.
Rysunek 12 - Wrząca woda
Ilość ciepła podczas wrzenia, odparowania cieczy i skraplania pary: Q=mL
Aby stopić substancję stałą, należy ją podgrzać. A podczas ogrzewania dowolnego ciała zauważa się jedną ciekawą cechę
Osobliwością jest to: temperatura ciała wzrasta do temperatury topnienia, a następnie zatrzymuje się, aż całe ciało przejdzie w stan ciekły. Po stopieniu temperatura zaczyna ponownie rosnąć, jeśli oczywiście ogrzewanie będzie kontynuowane. Oznacza to, że jest okres, w którym rozgrzewamy ciało, ale ono się nie nagrzewa. Gdzie trafia energia cieplna, którą zużywamy? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy zajrzeć do wnętrza organizmu.
W ciele stałym cząsteczki są ułożone w określonej kolejności w postaci kryształów. Praktycznie się nie poruszają, jedynie lekko oscylują w miejscu. Aby substancja przeszła w stan ciekły, cząsteczkom należy dostarczyć dodatkową energię, aby mogły uniknąć przyciągania sąsiednich cząsteczek w kryształach. Ogrzewając ciało, dajemy cząsteczkom niezbędną energię. I dopóki wszystkie cząsteczki nie otrzymają wystarczającej ilości energii i wszystkie kryształy nie zostaną zniszczone, temperatura ciała nie wzrośnie. Eksperymenty pokazują, że różne substancje o tej samej masie wymagają różnej ilości ciepła, aby je całkowicie stopić.
Oznacza to, że istnieje pewna wartość, od której to zależy ile ciepła musi pochłonąć substancja, aby się stopiła?. Wartość ta jest różna dla różnych substancji. Wielkość ta w fizyce nazywana jest ciepłem właściwym topnienia substancji. Ponownie w wyniku eksperymentów ustalono wartości ciepła topnienia różnych substancji i zebrano je w specjalnych tabelach, z których można uzyskać te informacje. Właściwe ciepło topnienia jest oznaczone grecką literą λ (lambda), a jednostką miary jest 1 J/kg.
Wzór na ciepło właściwe topnienia
Ciepło właściwe topnienia oblicza się ze wzoru:
gdzie Q jest ilością ciepła potrzebną do stopienia ciała o masie m.
Ponownie, z eksperymentów wiadomo, że gdy substancje zestalają się, uwalniają taką samą ilość ciepła, jaka była potrzebna do ich stopienia. Cząsteczki tracąc energię tworzą kryształy, nie mogąc oprzeć się przyciąganiu innych cząsteczek. I znowu temperatura ciała nie spadnie, dopóki całe ciało nie stwardnieje i dopóki nie zostanie uwolniona cała energia zużyta na jego stopienie. Oznacza to, że ciepło właściwe topnienia pokazuje zarówno, ile energii należy wydać, aby stopić ciało o masie m, jak i ile energii zostanie uwolnione podczas zestalania się danego ciała.
Na przykład ciepło właściwe topnienia wody w stanie stałym, czyli ciepło właściwe topnienia lodu, wynosi 3,4 * 105 J/kg. Dane te pozwalają obliczyć, ile energii potrzeba do stopienia lodu o dowolnej masie. Znając także ciepło właściwe lodu i wody, można dokładnie obliczyć, ile energii potrzeba na dany proces, np. stopienie lodu o masie 2 kg i temperaturze - 30˚C i doprowadzenie powstałej wody do wrzenia. Takie informacje dla różnych substancji są bardzo potrzebne w przemyśle do obliczenia rzeczywistych kosztów energii w produkcji jakichkolwiek towarów.
Aby stopić substancję stałą, należy ją podgrzać.
Eksperymenty pokazują, że różne substancje o tej samej masie wymagają różnej ilości ciepła, aby je całkowicie stopić.
Oznacza to, że istnieje pewna wartość, od której zależy, ile ciepła musi pochłonąć substancja, aby się stopiła. Wartość ta jest różna dla różnych substancji. Wielkość ta w fizyce nazywana jest ciepłem właściwym topnienia substancji. Ciepło właściwe topnienia pokazuje, ile ciepła potrzeba, aby całkowicie przekształcić 1 kg substancji ze stanu stałego w ciecz, w temperaturze topnienia. Ciepło właściwe topnienia jest oznaczone grecką literą λ (lambda) i jednostką pomiar wynosi 1 J/kg.
Wzór na ciepło właściwe topnienia
Ciepło właściwe topnienia oblicza się ze wzoru:
λ = Q/m,
gdzie Q jest ilością ciepła potrzebną do stopienia ciała o masie m.
Ilość ciepła potrzebna do stopienia substancji jest równa iloczynowi ciepła właściwego topnienia i masy substancji.
Q = λ*m,
Ponownie, z eksperymentów wiadomo, że gdy substancje zestalają się, uwalniają taką samą ilość ciepła, jaka była potrzebna do ich stopienia. Cząsteczki tracąc energię tworzą kryształy, nie mogąc oprzeć się przyciąganiu innych cząsteczek. I znowu temperatura ciała nie spadnie, dopóki całe ciało nie stwardnieje i dopóki nie zostanie uwolniona cała energia zużyta na jego stopienie. Oznacza to, że ciepło właściwe topnienia pokazuje zarówno, ile energii należy wydać, aby stopić ciało o masie m, jak i ile energii zostanie uwolnione podczas zestalania się danego ciała.