Енергія, яку отримує або втрачає тіло при теплопередачі, називається кількістю теплоти.Кількість теплоти залежить від маси тіла, від різниці температур тіла та від роду речовини.
[Q] = Дж або калоріях
1 кал– це кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання 1 г води на 1 про С.
Питома теплоємність – фізична величина, Рівна кількості теплоти, яке необхідно передати тілу масою 1 кг для того, щоб його температура змінилася на 1 про С.
[C] = Дж/кг про С
Питома теплоємність води 4200 Дж/кг про З. Це означає, що з нагрівання води масою 1 кг на 1 про З необхідно витратити 4200 Дж теплоти.
Питома теплоємність речовини, що знаходиться в різних агрегатних станах, Різна. Так, теплоємність льоду 2100 Дж/кг про С. Питома теплоємність води найбільша. У зв'язку з цим вода в морях та океанах, нагріваючись улітку, поглинає велику кількість теплоти. Взимку вода остигає та віддає велику кількість теплоти. Тому в районах, розташованих поблизу водойм, влітку не буває дуже спекотно, а взимку дуже холодно. Через високу теплоємність воду широко застосовують у техніці та побуті. Наприклад, в опалювальних системах будинків при охолодженні деталей під час їх обробки на верстатах, медицині (грілках) і т.д.
Зі зростанням температури твердих тіл та рідин зростає кінетична енергіяїх частинок: вони починають вагатися з більшою швидкістю. За певної температури, цілком визначеної для даної речовини, сили тяжіння між частинками вже не в змозі утримати їх у вузлах. кристалічних ґрат(Далекий порядок перетворюється на ближній), і кристал починає плавитися, тобто. речовина починає переходити у рідкий стан.
Плавлення – процес переходу речовини з твердого стануу рідке.
Затвердіння (кристалізація)– процес переходу речовини з рідкого стану у твердий.
У процесі плавлення температура кристала залишається незмінною. Ця температура називається температурою плавлення. Кожна речовина має свою температуру плавлення. Знаходять за таблицею.
Постійність температури при плавленні має велику практичне значення, оскільки дозволяє градуювати термометри, виготовляти плавкі запобіжники та індикатори, які розплавляються за заданої температури. Знання температури плавлення різних речовинважливо і з суто побутової точки зору: інакше хто доручиться за те, що ця каструля чи сковорідка не розплавиться на вогні газового пальника?
Температура плавлення та рівна їй температура затвердіння - характерна ознакаречовини. Ртуть плавиться і твердне при температурі -39°С, тому в районах Крайньої Півночіртутні термометри не використовують. Замість ртутних термометрів у цих широтах використовують спиртові (-114°С). Найбільш тугоплавким металом є вольфрам (3420 о С).
Кількість теплоти, необхідне для плавлення речовини, визначають за такою формулою:
Де m - маса речовини, - Питома теплота плавлення.
Дж/кг
Питома теплота плавлення –така кількість теплоти, яка потрібна для розплавлення 1 кг речовини, взятої при температурі плавлення. У кожної речовини своя. Її знаходять за таблицею.
Температура плавлення залежить від тиску. Для речовин, у яких обсяг під час плавлення зростає, підвищення тиску підвищує температуру плавлення і навпаки. У води обсяг при плавленні зменшується, і при підвищенні тиску лід плавиться за більш низької температури.
Білет № 14
Процеси кристалізації і плавлення описують одні й самі фізичні величини. Різниця в тому, що при плавленні тілу потрібна енергія для руйнування ґрат, а при кристалізації, навпаки, тіло віддає енергію навколишньому середовищу.
Поняття питомої теплоти кристалізації
Під питомою теплотою кристалізації (плавлення) розуміють кількість енергії, що вивільняється (споживається) 1 кг. речовини при переході від рідкого стану у твердий (і навпаки). Важливо відзначити, що в процесі кристалізації (плавлення) температура речовини не змінюється і вона вже доведена до величини, за якої можливий сам процес.
Вимірюється питома теплота кристалізації (плавлення) Дж/кг., позначається буквою грецького алфавітуλ. За визначенням:
де Q - це кількість енергії, що вивільняється (споживається) m кілограмами речовини.
Розрахунок енергії при послідовних теплових процесах
Розглянемо процес охолодження m кілограм води від температури, наприклад +20°С до -10°С. Тут ми маємо справу з трьома тепловими процесами:
- охолодження води від температури +20 ° С до 0 ° С, ∆T1 = - 20 °;
- кристалізація води в кригу при температурі 0°С;
- охолодження льоду від температури 0 ° С до -10 ° С, ∆T2 = - 10 °;
Кількість енергії Q, що вивільняється, дорівнює сумі енергій у кожному з цих процесів:
Q = Q1 + Q2 + Q3;
Q1 = C1 * m * ∆T1;
Q3 = C2 * m * ∆T2;
де С1 та С2 – питома теплоємність води та льоду, відповідно. Знак «-» при Q2 означає, що відбувається процес вивільнення енергії при кристалізації.
Плавлення - перехід тіла з твердого кристалічного стану в рідке. Плавання відбувається з поглинанням питомої теплоти плавлення та є фазовим переходом першого роду.
Здатність плавитися відноситься до фізичних властивостей речовини
При нормальному тиску найбільшою температурою плавлення серед металів володіє вольфрам (3422 °C), простих речовинвзагалі - вуглець (за різними даними 3500 - 4500 ° C) а серед довільних речовин - карбід гафнію HfC (3890 ° C). Можна вважати, що найнижчою температурою плавлення має гелій: при нормальному тиску він залишається рідким при будь-яких низьких температурах.
Багато речовин при нормальному тиску немає рідкої фази. При нагріванні вони шляхом сублімації одразу переходять у газоподібний стан.
Малюнок 9 - Плавлення льоду
Кристалізація - процес фазового переходу речовини з рідкого стану в твердий кристалічний з утворенням кристалів.
Фазою називається однорідна частина термодинамічної системи, відокремлена від інших частин системи (інших фаз) поверхнею розділу, при переході через яку хімічний склад, структура та властивості речовини змінюються стрибками.
Малюнок 10 - Кристалізація води з утворенням льоду
Кристалізація - це процес виділення твердої фази у вигляді кристалів з розчинів або розплавів, в хімічній промисловості процес кристалізації використовується для отримання речовин у чистому вигляді.
Кристалізація починається при досягненні деякої граничної умови, наприклад, переохолодження рідини або перенасичення пари, коли практично миттєво виникає безліч дрібних кристаликів - центрів кристалізації. Кристаліки ростуть, приєднуючи атоми чи молекули з рідини чи пари. Зростання граней кристала відбувається пошарово, краї незавершених атомних шарів (сходи) при зростанні рухаються вздовж грані. Залежність швидкості зростання від умов кристалізації призводить до різноманітності форм росту та структури кристалів (багатогранні, пластинчасті, голчасті, скелетні, дендритні та інші форми, структури олівця і т. д.). У процесі кристалізації неминуче виникають різноманітні дефекти.
На число центрів кристалізації та швидкість зростання значно впливає ступінь переохолодження.
Ступінь переохолодження - рівень охолодження рідкого металу нижче за температуру переходу його в кристалічну (тверду) модифікацію. Вона необхідна компенсації енергії прихованої теплоти кристалізації. Первинною кристалізацією називається утворення кристалів у металах (і сплавах) при переході з рідкого стану у тверде.
Питома теплота плавлення (також: ентальпія плавлення; також існує рівнозначне поняття питома теплота кристалізації) - кількість теплоти, яку необхідно повідомити одній одиниці маси кристалічної речовини в рівноважному ізобарно-ізотермічному процесі, щоб перевести його з твердого (кристалічного) стану в рідкий (то кількість теплоти виділяється при кристалізації речовини).
Кількість теплоти при плавленні або кристалізації: Q = мл
Випаровування та кипіння. Питома теплота пароутворення
Випаровування - процес переходу речовини з рідкого стану в газоподібний (пар). Процес випаровування є зворотним процесом конденсації (перехід з пароподібного стану в рідкий. Випаровування (пароутворення), перехід речовини з конденсованої (твердої або рідкої) фази в газоподібну (пар); фазовий перехід першого роду.
Існує більш розгорнуте поняття випаровування у вищій фізиці
Випаровування - це процес, при якому з поверхні рідини або твердого тілавилітають (відриваються) частинки (молекули, атоми), у своїй Ek > Eп.
Малюнок 11 - Випаровування над кухлем чаю
Питома теплота випаровування (пароутворення) (L) – фізична величина, що показує кількість теплоти, яку необхідно повідомити 1 кг речовини, взятої за температури кипіння, щоб перевести його з рідкого стану в газоподібний. Питома теплота випаровування вимірюється Дж/кг.
Кипіння - процес пароутворення в рідині (перехід речовини з рідкого в газоподібний стан), з виникненням меж поділу фаз. Температура кипіння при атмосферному тискунаводиться зазвичай як одна з основних фізико-хімічних характеристик хімічно чистої речовини.
Кипіння є фазовим переходом першого роду. Кипіння відбувається набагато інтенсивніше, ніж випаровування з поверхні, через утворення вогнищ пароутворення, зумовлених як досягнутою температурою кипіння, і наявністю домішок.
На процес утворення бульбашок можна впливати за допомогою тиску, звукових хвильіонізації. Зокрема, саме на принципі закипання мікрооб'ємів рідини від іонізації при проходженні заряджених частинок працює бульбашкова камера.
Малюнок 12 - Кипляча вода
Кількість теплоти при кипінні, випаровуванні рідини та конденсації пари: Q=mL
Для того, щоб розплавити будь-яку речовину у твердому стані, необхідно її нагріти. І при нагріванні будь-якого тіла відзначається одна цікава особливість
Особливість така: температура тіла зростає аж до температури плавлення, а потім зупиняється до того моменту, поки все тіло не перейде в рідкий стан. Після розплавлення температура знову починає зростати, якщо, звісно, продовжувати нагрівання. Тобто існує проміжок часу, під час якого ми нагріваємо тіло, а воно не нагрівається. Куди ж подіється енергія тепла, яку ми витрачаємо? Щоб відповісти на це питання, треба заглянути усередину тіла.
У твердому тілі молекули розташовані у порядку як кристалів. Вони практично не рухаються, лише трохи вагаючись на місці. Для того щоб речовина перейшла в рідкий стан, молекулам необхідно надати додаткову енергію, щоб вони змогли вирватися від тяжіння сусідніх молекул у кристалах. Нагріваючи тіло, ми надаємо молекулам цю необхідну енергію. І от поки всі молекули не отримають достатньо енергії і не руйнуються всі кристали, температура тіла не підвищується. Досліди показують, що для різних речовин однієї маси потрібна різна кількість теплоти для його розплавлення.
Тобто існує певна величина, від якої залежить, скільки тепла необхідно поглинути речовину для розплавлення. І ця величина різна для різних речовин. Ця величина у фізиці називається питома теплота плавлення речовини. Знову ж таки, внаслідок дослідів встановлено значення питомої теплоти плавлення для різних речовин і зібрано у спеціальні таблиці, з яких можна почерпнути ці відомості. Позначають питому теплоту плавлення грецькою літерою (лямбда), а одиницею вимірювання є 1 Дж/кг.
Формула питомої теплоти плавлення
Питома теплота плавлення знаходиться за формулою:
де Q - кількість теплоти, необхідне для того, щоб розплавити тіло масою m.
Знов-таки з дослідів відомо, що при затвердінні речовини виділяють таку ж кількість тепла, яку потрібно витратити на їхнє розплавлення. Молекули, втрачаючи енергію, утворюють кристали, будучи неспроможна чинити опір притягання інших молекул. І знову-таки, температура тіла не знижуватиметься аж до того моменту, поки не затвердіє все тіло, і поки не виділиться вся енергія, яка була витрачена на його плавлення. Тобто питома теплота плавлення показує, скільки треба витратити енергії, щоб розплавити тіло масою m, так і скільки енергії виділиться при затвердінні даного тіла.
Наприклад, питома теплота плавлення води у твердому стані, тобто питома теплота плавлення льоду дорівнює 3,4*105 Дж/кг. Ці дані дозволяють розрахувати, скільки потрібно енергії, щоб розплавити лід будь-якої маси. Знаючи також питому теплоємність льоду і води, можна розрахувати, скільки точно потрібно енергії для конкретного процесу, наприклад, розплавити лід масою 2 кг і температурою - 30?С і довести воду, що вийшла, до кипіння. Такі відомості для різних речовин дуже потрібні в промисловості для розрахунку реальних витрат енергії під час виробництва будь-яких товарів.
Для того, щоб розплавити будь-яку речовину у твердому стані, необхідно її нагріти.
Досліди показують, що для різних речовин однієї маси потрібна різна кількість теплоти для його розплавлення.
Тобто існує певна величина, від якої залежить скільки тепла необхідно поглинути речовині для розплавлення. І ця величина різна для різних речовин. Ця величина у фізиці називається питома теплота плавлення речовини. Питома теплота плавлення показує, яку кількість теплоти необхідно для повного перетворення 1 кг речовини з твердого стану в рідке, взятого при температурі плавлення. Позначають питому теплоту плавлення грецькою буквою λ (лямбда), а одиницею вимірювання є 1 Дж/кг.
Формула питомої теплоти плавлення
Питома теплота плавлення знаходиться за формулою:
λ = Q/m,
де Q – це кількість теплоти, необхідне у тому, щоб розплавити тіло масою m.
Кількість теплоти, необхідної для плавлення речовини, дорівнює добутку питомої теплоти плавлення на масу даної речовини.
Q = λ*m,
Знов-таки з дослідів відомо, що при затвердінні речовини виділяють таку ж кількість тепла, яку потрібно витратити на їхнє розплавлення. Молекули, втрачаючи енергію, утворюють кристали, будучи неспроможна чинити опір притягання інших молекул. І знову-таки, температура тіла не знижуватиметься аж до того моменту, поки не затвердіє все тіло, і поки не виділиться вся енергія, яка була витрачена на його плавлення. Тобто питома теплота плавлення показує, скільки треба витратити енергії, щоб розплавити тіло масою m, так і скільки енергії виділиться при затвердінні даного тіла.