Energia, ktorú telo pri prenose tepla získa alebo stratí, sa nazýva množstvo tepla. Množstvo tepla závisí od hmotnosti telesa, od rozdielu telesnej teploty a od druhu látky.
[Q]=J alebo kalórie
1 kal je množstvo tepla potrebné na zohriatie 1 g vody o 1 °C.
Špecifické teplo – fyzikálne množstvo rovnajúce sa množstvu tepla, ktoré je potrebné odovzdať telesu s hmotnosťou 1 kg, aby sa jeho teplota zmenila o 1 o C.
[C] = J/kg o C
Merná tepelná kapacita vody je 4200 J/kg o C. To znamená, že na ohrev vody s hmotnosťou 1 kg o 1 o C je potrebné vynaložiť 4200 J tepla.
Špecifická tepelná kapacita látky nachádzajúcej sa v rôznych stavov agregácie, je iný. Tepelná kapacita ľadu je teda 2100 J/kg o C. Merná tepelná kapacita vody je najväčšia. V tomto smere voda v moriach a oceánoch, keď sa v lete zahrieva, absorbuje veľké množstvo tepla. V zime sa voda ochladzuje a vydáva veľké množstvo tepla. Preto v oblastiach nachádzajúcich sa v blízkosti vodných plôch nie je v lete veľmi horúco a v zime veľmi chladno. Voda je vďaka svojej vysokej tepelnej kapacite široko používaná v technike a každodennom živote. Napríklad vo vykurovacích systémoch domov, pri chladení dielov pri ich spracovaní na strojoch, liekoch (vyhrievacie podložky) atď.
So zvyšujúcou sa teplotou pevných látok a kvapalín, kinetická energia ich častice: začnú vibrovať pri vyšších rýchlostiach. Pri určitej teplote, celkom špecifickej pre danú látku, už nie sú príťažlivé sily medzi časticami schopné udržať ich v uzloch kryštálovú mriežku(dlhodosahový poriadok sa zmení na krátky), a kryštál sa začne topiť, t.j. látka sa začne meniť do tekutého stavu.
Topenie – proces prechodu hmoty z pevný stav do kvapaliny.
Tuhnutie (kryštalizácia)– proces prechodu látky z kvapalného do tuhého skupenstva.
Počas procesu tavenia zostáva teplota kryštálu konštantná. Táto teplota sa nazýva bod topenia. Každá látka má svoj vlastný bod topenia. Nájdite to zo stola.
Stálosť teploty počas topenia má veľkú praktický význam, pretože vám umožňuje kalibrovať teplomery, vyrábať poistky a indikátory, ktoré sa topia pri presne stanovenej teplote. Poznanie teploty topenia rôzne látky Je to dôležité aj z čisto každodenného hľadiska: kto inak zaručí, že sa tento hrniec alebo panvica neroztopí na ohni plynového horáka?
Teplota topenia a rovnaká teplota tuhnutia - charakteristický znak látok. Ortuť sa topí a tuhne pri teplote -39 o C, takže v oblastiach Ďaleký sever ortuťové teplomery sa nepoužívajú. Namiesto ortuťových teplomerov sa v týchto zemepisných šírkach používajú liehové teplomery (-114 o C). Najviac žiaruvzdorným kovom je volfrám (3420 o C).
Množstvo tepla potrebného na roztavenie látky je určené vzorcom:
kde m je hmotnosť látky a je špecifické teplo topenia.
J/kg
Špecifické teplo topenia – množstvo tepla potrebného na roztavenie 1 kg látky pri jej teplote topenia. Každá látka má svoje. Nájde sa pomocou tabuľky.
Teplota topenia látky závisí od tlaku. Pre látky, ktorých objem sa pri tavení zväčšuje, zvýšenie tlaku zvyšuje teplotu topenia a naopak. Keď sa voda topí, jej objem sa zmenšuje a so zvyšujúcim sa tlakom sa ľad topí pri nižšej teplote.
Číslo lístka 14
Procesy kryštalizácie a topenia opisujú rovnaké fyzikálne veličiny. Rozdiel je v tom, že pri tavení telo vyžaduje energiu na zničenie mriežky a pri kryštalizácii telo naopak energiu uvoľňuje do okolia.
Pojem špecifického kryštalizačného tepla
Merným teplom kryštalizácie (topenia) sa rozumie množstvo energie uvoľnenej (spotrebovanej) 1 kg. látky pri prechode z kvapalného na tuhé (a naopak). Je dôležité poznamenať, že počas procesu kryštalizácie (topenia) sa teplota látky nemení a už bola privedená na hodnotu, pri ktorej je možný samotný proces.
Špecifické teplo kryštalizácie (topenia) sa meria v J/kg a označuje sa písmenom grécka abecedaλ. Podľa definície:
kde Q je množstvo energie uvoľnenej (spotrebovanej) m kilogramov látky.
Energetické výpočty pre sekvenčné tepelné procesy
Zvážte proces ochladzovania m kilogramov vody z teploty napríklad +20 °C na -10 °C. Tu sa zaoberáme tromi tepelnými procesmi:
- chladenie vodou z teploty +20°С na 0°С, ∆T1 = - 20°;
- kryštalizácia vody na ľad pri teplote 0 °C;
- ochladzovanie ľadu z teploty 0°С na -10°С, ∆T2 = - 10°;
Množstvo uvoľnenej energie Q sa rovná súčtu energií v každom z týchto procesov:
Q = Q1 + Q2 + Q3;
Q1 = C1 * m * ∆T1;
Q3 = C2 * m * ∆T2;
kde C1 a C2 sú merná tepelná kapacita vody a ľadu. Znamienko „-“ pri Q2 znamená, že prebieha proces uvoľňovania energie počas kryštalizácie.
Topenie je prechod telesa z kryštalického pevného stavu do kvapalného stavu. K topeniu dochádza pri absorpcii špecifického tepla topenia a ide o fázový prechod prvého rádu.
Schopnosť topiť sa týka fyzikálnych vlastností látky
Pri normálnom tlaku má volfrám najvyššiu teplotu topenia spomedzi kovov (3422 °C), jednoduché látky všeobecne - uhlík (podľa rôznych zdrojov 3500 - 4500 °C) a spomedzi ľubovoľných látok - karbid hafnia HfC (3890 °C). Môžeme predpokladať, že hélium má najnižší bod topenia: pri normálnom tlaku zostáva kvapalné pri ľubovoľne nízkych teplotách.
Mnohé látky pri normálnom tlaku nemajú kvapalnú fázu. Pri zahriatí sa sublimáciou okamžite premenia do plynného skupenstva.
Obrázok 9 - Topenie ľadu
Kryštalizácia je proces fázového prechodu látky z kvapalného do tuhého kryštalického stavu s tvorbou kryštálov.
Fáza je homogénna časť termodynamického systému oddelená od ostatných častí systému (iných fáz) rozhraním, pri prechode ktorým chemické zloženie, štruktúra a vlastnosti hmoty sa náhle menia.
Obrázok 10 - Kryštalizácia vody s tvorbou ľadu
Kryštalizácia je proces izolácie pevnej fázy vo forme kryštálov z roztokov alebo tavenín v chemickom priemysle, proces kryštalizácie sa používa na získanie látok v ich čistej forme;
Kryštalizácia začína, keď je dosiahnutá určitá hraničná podmienka, napríklad podchladenie kvapaliny alebo presýtenie pary, kedy sa takmer okamžite objaví veľa malých kryštálikov - kryštalizačných centier. Kryštály rastú pripojením atómov alebo molekúl z kvapaliny alebo pary. Rast kryštálových plôch prebieha vrstva po vrstve; okraje neúplných atómových vrstiev (kroky) sa pri svojom raste pohybujú pozdĺž plochy. Závislosť rýchlosti rastu od podmienok kryštalizácie vedie k rôznym rastovým formám a kryštálovým štruktúram (polyedrické, lamelárne, ihlovité, skeletové, dendritické a iné formy, ceruzkové štruktúry atď.). Počas procesu kryštalizácie nevyhnutne vznikajú rôzne defekty.
Počet kryštalizačných centier a rýchlosť rastu sú výrazne ovplyvnené stupňom podchladenia.
Stupeň podchladenia je úroveň ochladenia tekutého kovu pod teplotu jeho prechodu na kryštalickú (tuhú) modifikáciu. Je potrebné kompenzovať energiu latentného kryštalizačného tepla. Primárna kryštalizácia je tvorba kryštálov v kovoch (a zliatinách) pri prechode z kvapalného do tuhého stavu.
Špecifické teplo topenia (tiež: entalpia topenia; existuje aj ekvivalentný pojem špecifického tepla kryštalizácie) - množstvo tepla, ktoré sa musí odovzdať jednej jednotke hmotnosti kryštalickej látky pri rovnovážnom izobaricko-izotermickom procese, aby preniesť ho z pevného (kryštalického) stavu do kvapalného (vtedy sa pri kryštalizácii látky uvoľňuje rovnaké množstvo tepla).
Množstvo tepla počas topenia alebo kryštalizácie: Q=ml
Odparovanie a varenie. Špecifické teplo vyparovania
Vyparovanie je proces prechodu látky z kvapalného do plynného skupenstva (para). Vyparovací proces je opakom kondenzačného procesu (prechod z parného do kvapalného skupenstva. Vyparovanie (vyparovanie), prechod látky z kondenzovanej (tuhej alebo kvapalnej) fázy do plynnej (pary); I. rád. fázový prechod.
Vo vyššej fyzike existuje rozvinutejšia koncepcia vyparovania
Vyparovanie je proces, pri ktorom sa z povrchu kvapaliny resp pevnýčastice (molekuly, atómy) vyletujú (odlamujú sa), pričom Ek > Ep.
Obrázok 11 - Odparovanie nad hrnčekom čaju
Špecifické teplo vyparovania (L) je fyzikálna veličina udávajúca množstvo tepla, ktoré sa musí odovzdať 1 kg látky odobratej pri bode varu, aby sa previedla z kvapalného do plynného skupenstva. Merné teplo vyparovania sa meria v J/kg.
Var je proces vyparovania v kvapaline (prechod látky z kvapalného do plynného skupenstva), pričom sa objavujú hranice oddeľovania fáz. Bod varu pri atmosférický tlak sa zvyčajne uvádza ako jedna z hlavných fyzikálno-chemických charakteristík chemicky čistej látky.
Var je fázový prechod prvého rádu. K varu dochádza oveľa intenzívnejšie ako k odparovaniu z povrchu, a to v dôsledku vytvárania centier odparovania, ktoré je determinované dosiahnutou teplotou varu a prítomnosťou nečistôt.
Proces tvorby bublín môže byť ovplyvnený tlakom, zvukové vlny, ionizácia. Prebublávacia komora funguje najmä na princípe varu mikroobjemov kvapaliny z ionizácie pri prechode nabitých častíc.
Obrázok 12 - Vriaca voda
Množstvo tepla pri vare, vyparovaní kvapaliny a kondenzácii pary: Q=mL
Aby sa tuhá látka roztavila, musí sa zahriať. A pri zahrievaní akéhokoľvek tela je zaznamenaná jedna zvláštna vlastnosť
Zvláštnosťou je toto: telesná teplota stúpa až k bodu topenia a potom sa zastaví, kým celé telo neprejde do tekutého stavu. Po roztopení začne teplota opäť stúpať, ak sa samozrejme v zahrievaní pokračuje. To znamená, že existuje časové obdobie, počas ktorého telo zahrievame, ale nezohrieva sa. Kam ide tepelná energia, ktorú strávime? Aby sme odpovedali na túto otázku, musíme sa pozrieť do vnútra tela.
V pevnej látke sú molekuly usporiadané v určitom poradí vo forme kryštálov. Prakticky sa nepohybujú, iba mierne kmitajú na mieste. Aby sa látka premenila na kvapalné skupenstvo, molekulám je potrebné dodať dodatočnú energiu, aby mohli uniknúť príťažlivosti susedných molekúl v kryštáloch. Zahrievaním tela dávame molekulám túto potrebnú energiu. A kým všetky molekuly nedostanú dostatok energie a nezničia sa všetky kryštály, telesná teplota sa nezvýši. Experimenty ukazujú, že rôzne látky rovnakej hmotnosti vyžadujú na úplné roztavenie rôzne množstvo tepla.
To znamená, že existuje určitá hodnota, od ktorej to závisí koľko tepla potrebuje látka absorbovať, aby sa roztopila?. A táto hodnota je pre rôzne látky rôzna. Táto veličina sa vo fyzike nazýva špecifické teplo topenia látky. Opäť, ako výsledok experimentov, hodnoty špecifického tepla topenia pre rôzne látky boli stanovené a zhromaždené v špeciálnych tabuľkách, z ktorých je možné tieto informácie získať. Špecifické teplo topenia sa označuje gréckym písmenom λ (lambda) a jednotka merania je 1 J/kg.
Vzorec pre špecifické teplo topenia
Špecifické teplo topenia sa zistí podľa vzorca:
kde Q je množstvo tepla potrebné na roztavenie telesa s hmotnosťou m.
Z experimentov je opäť známe, že keď látky stuhnú, uvoľnia rovnaké množstvo tepla, aké bolo potrebné na ich roztavenie. Molekuly, ktoré strácajú energiu, tvoria kryštály a nie sú schopné odolávať príťažlivosti iných molekúl. A opäť, telesná teplota neklesne, kým celé telo nestvrdne a kým sa neuvoľní všetka energia, ktorá bola vynaložená na jeho topenie. To znamená, že špecifické teplo fúzie ukazuje, koľko energie sa musí vynaložiť na roztavenie telesa s hmotnosťou m, a koľko energie sa uvoľní, keď dané teleso stuhne.
Napríklad špecifické teplo topenia vody v pevnom stave, to znamená špecifické teplo topenia ľadu, je 3,4 x 105 J/kg. Tieto údaje vám umožňujú vypočítať, koľko energie je potrebné na roztopenie ľadu akejkoľvek hmotnosti. Ak poznáte aj špecifickú tepelnú kapacitu ľadu a vody, môžete presne vypočítať, koľko energie je potrebné na konkrétny proces, napríklad roztopenie ľadu s hmotnosťou 2 kg a teplotou - 30˚C a privedením výslednej vody do varu. Takéto informácie pre rôzne látky sú v priemysle veľmi potrebné na výpočet skutočných nákladov na energiu pri výrobe akéhokoľvek tovaru.
Aby sa tuhá látka roztavila, musí sa zahriať.
Experimenty ukazujú, že rôzne látky rovnakej hmotnosti vyžadujú na úplné roztavenie rôzne množstvo tepla.
To znamená, že existuje určitá hodnota, od ktorej závisí, koľko tepla potrebuje látka absorbovať, aby sa roztopila. A táto hodnota je pre rôzne látky rôzna. Táto veličina sa vo fyzike nazýva špecifické teplo topenia látky. Špecifické teplo topenia ukazuje, koľko tepla je potrebné na úplnú premenu 1 kg látky z pevnej látky na kvapalinu, merané pri teplote topenia. Špecifické teplo topenia sa označuje gréckym písmenom λ (lambda) a jednotkou meranie je 1 J/kg.
Vzorec pre špecifické teplo topenia
Špecifické teplo topenia sa zistí podľa vzorca:
λ = Q/m,
kde Q je množstvo tepla potrebné na roztavenie telesa s hmotnosťou m.
Množstvo tepla potrebného na roztavenie látky sa rovná súčinu špecifického tepla topenia a hmotnosti látky.
Q = λ*m,
Z experimentov je opäť známe, že keď látky stuhnú, uvoľnia rovnaké množstvo tepla, aké bolo potrebné na ich roztavenie. Molekuly, ktoré strácajú energiu, tvoria kryštály a nie sú schopné odolávať príťažlivosti iných molekúl. A opäť, telesná teplota neklesne, kým celé telo nestvrdne a kým sa neuvoľní všetka energia, ktorá bola vynaložená na jeho topenie. To znamená, že špecifické teplo fúzie ukazuje, koľko energie sa musí vynaložiť na roztavenie telesa s hmotnosťou m, a koľko energie sa uvoľní, keď dané teleso stuhne.