Плавление и отвердевание кристаллических тел. График плавления и отвердевания

1. Агрегатные состояния веществ

На этом уроке мы на­чи­на­ем новую боль­шую тему: «Аг­ре­гат­ные со­сто­я­ния ве­ще­ства». В те­че­ние несколь­ких уро­ков мы будем об­суж­дать, что такое аг­ре­гат­ные со­сто­я­ния, ка­ки­ми они бы­ва­ют, чем ха­рак­те­ри­зу­ют­ся и каким об­ра­зом осу­ществ­ля­ют­ся пе­ре­хо­ды между ними.

Слово аг­ре­гат­ный про­изо­шло от ла­тин­ско­го слова aggrego (свя­зы­ваю, со­еди­няю). Рас­смат­ри­вать ос­нов­ные аг­ре­гат­ные со­сто­я­ния ве­ществ удоб­но на при­ме­ре воды, ко­то­рая в наших есте­ствен­ных зем­ных диа­па­зо­нах тем­пе­ра­тур может на­хо­дить­ся в трех со­сто­я­ни­ях (рис. 1): жид­ком (вода), твер­дом (лед или снег), га­зо­об­раз­ном (пар).

Аг­ре­гат­ные со­сто­я­ния воды: ледАг­ре­гат­ные со­сто­я­ния воды: водаАг­ре­гат­ные со­сто­я­ния воды: пар

Рис. 1. Аг­ре­гат­ные со­сто­я­ния воды: лед, вода, пар

От­ли­чия между аг­ре­гат­ны­ми со­сто­я­ни­я­ми воды со­сто­ят в том, что ча­сти­цы (мо­ле­ку­лы) по-раз­но­му рас­по­ло­же­ны друг от­но­си­тель­но друга: на раз­лич­ных рас­сто­я­ни­ях и вза­и­мо­дей­ству­ют по-раз­но­му. Кроме того, они еще с раз­лич­ной ак­тив­но­стью дви­га­ют­ся: или сво­бод­но пе­ре­ме­ща­ют­ся, или ча­стич­но свя­за­ны, или на­хо­дят­ся в стро­го опре­де­лен­ных по­ло­же­ни­ях и ко­леб­лют­ся от­но­си­тель­но них. В ре­зуль­та­те ука­зан­но­го можно сде­лать вывод о таком по­ня­тии, как аг­ре­гат­ное со­сто­я­ние ве­ще­ства.

Аг­ре­гат­ное со­сто­я­ние – это со­сто­я­ние од­но­го и того же ве­ще­ства, от­ли­ча­ю­ще­е­ся вза­им­ным рас­по­ло­же­ни­ем и ха­рак­те­ром дви­же­ния ча­стиц (ато­мов, мо­ле­кул и т. д.) При этом, мо­ле­ку­лы од­но­го и того же ве­ще­ства оди­на­ко­вы в раз­лич­ных его аг­ре­гат­ных со­сто­я­ни­ях и не из­ме­ня­ют­ся по своей струк­ту­ре.

Уметь раз­ли­чать аг­ре­гат­ные со­сто­я­ния ве­ществ и опи­сы­вать их очень важно, т. к. от того, в каком из со­сто­я­ний на­хо­дит­ся одно и то же ве­ще­ство, за­ви­сят его фи­зи­че­ские свой­ства.

Рас­смот­рим более де­таль­но свой­ства аг­ре­гат­ных со­сто­я­ний ве­ществ.

2. Твердые тела

Твер­дые тела – тела, мо­ле­ку­лы ко­то­рых рас­по­ло­же­ны упо­ря­до­чен­но и их дви­же­ние ко­ле­ба­тель­ное. Важ­ней­шее свой­ство: со­хра­ня­ют объем и форму при от­сут­ствии внеш­них воз­дей­ствий.

Прин­ци­пи­аль­но твер­дые тела де­лят­ся на два типа: кри­стал­ли­че­ские и аморф­ные.

Тела с кри­стал­ли­че­ской струк­ту­рой – тела, в ко­то­рых атомы или мо­ле­ку­лы рас­по­ло­же­ны стро­го упо­ря­до­чен­но и об­ра­зу­ют кри­стал­ли­че­скую ре­шет­ку. Такой тип рас­по­ло­же­ния ча­стиц на­зы­ва­ют даль­ним по­ряд­ком. При этом свой­ства таких тел за­ви­сят от кон­крет­но­го устрой­ства их кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ки. При­ме­ры стро­е­ния кри­стал­ли­че­ских ре­ше­ток можно уви­деть на ри­сун­ке 2.

Кри­сталл гра­фи­та

Кри­сталл гра­фи­та

Кри­сталл ал­ма­за

Кри­сталл ал­ма­за

Кри­сталл по­ва­рен­ной соли

Кри­сталл по­ва­рен­ной соли 

Рис. 2.

Аморф­ные тела – тела, в ко­то­рых атомы и мо­ле­ку­лы упо­ря­до­че­ны опре­де­лен­ным об­ра­зом толь­ко вб­ли­зи рас­смат­ри­ва­е­мо­го участ­ка. Такой тип рас­по­ло­же­ния ча­стиц на­зы­ва­ют ближ­ним по­ряд­ком.

3. Жидкости и газы

Жид­ко­сти – ве­ще­ства без упо­ря­до­чен­ной струк­ту­ры рас­по­ло­же­ния ча­стиц, мо­ле­ку­лы в жид­ко­стях дви­жут­ся сво­бод­нее, а меж­мо­ле­ку­ляр­ные силы сла­бее, чем у твер­дых тел. Важ­ней­шее свой­ство: со­хра­ня­ют объем, легко ме­ня­ют форму и при­ни­ма­ют из-за свой­ства те­ку­че­сти форму со­су­да, в ко­то­ром на­хо­дят­ся (рис. 3).

Жид­кость при­ни­ма­ет форму колб

Рис. 3. Жид­кость при­ни­ма­ет форму колб

Газы – ве­ще­ства, мо­ле­ку­лы ко­то­рых слабо вза­и­мо­дей­ству­ют между собой и дви­жут­ся ха­о­ти­че­ски, часто стал­ки­ва­ясь друг с дру­гом. Важ­ней­шее свой­ство: не со­хра­ня­ют объем и форму и за­ни­ма­ют весь объем со­су­да, в ко­то­ром на­хо­дят­ся.

4. Переходы между агрегатными состояниями

Важно знать и по­ни­мать, каким об­ра­зом осу­ществ­ля­ют­ся пе­ре­хо­ды между аг­ре­гат­ны­ми со­сто­я­ни­я­ми ве­ществ. Схему таких пе­ре­хо­дов изоб­ра­зим на ри­сун­ке 4.

Переходы между агрегатными состояниями

Рис. 4.

1 – плав­ле­ние;

2 – отвер­де­ва­ние (кри­стал­ли­за­ция);

3 – па­ро­об­ра­зо­ва­ние: ис­па­ре­ние или ки­пе­ние;

4 – кон­ден­са­ция;

5 – суб­ли­ма­ция (воз­гон­ка) – пе­ре­ход из твер­до­го со­сто­я­ния в га­зо­об­раз­ное, минуя жид­кое;

6 – де­суб­ли­ма­ция – пе­ре­ход из га­зо­об­раз­но­го со­сто­я­ния в твер­дое, минуя жид­кое.

На се­го­дняш­нем уроке мы уде­лим вни­ма­ние таким про­цес­сам, как плав­ле­ние и отвер­де­ва­ние кри­стал­ли­че­ских тел. На­чать рас­смот­ре­ние таких про­цес­сов удоб­но на при­ме­ре наи­бо­лее часто встре­ча­ю­щих­ся в при­ро­де плав­ле­ния и кри­стал­ли­за­ции льда.

5. Плавление льда и замерзание воды

Если по­ме­стить лед в колбу и на­чать его на­гре­вать с по­мо­щью го­рел­ки (рис. 5), то можно будет за­ме­тить, что его тем­пе­ра­ту­ра нач­нет по­вы­шать­ся, пока не до­стиг­нет тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния (0oC), затем нач­нет­ся про­цесс плав­ле­ния, но при этом тем­пе­ра­ту­ра льда по­вы­шать­ся не будет, и толь­ко после окон­ча­ния про­цес­са плав­ле­ния всего льда тем­пе­ра­ту­ра об­ра­зо­вав­шей­ся воды нач­нет по­вы­шать­ся.

Плав­ле­ние льда.

Рис. 5. Плав­ле­ние льда.

Опре­де­ле­ние. Плав­ле­ние – про­цесс пе­ре­хо­да из твер­до­го со­сто­я­ния в жид­кое. Этот про­цесс про­ис­хо­дит при по­сто­ян­ной тем­пе­ра­ту­ре.

Тем­пе­ра­ту­ра, при ко­то­рой про­ис­хо­дит плав­ле­ние ве­ще­ства, на­зы­ва­ет­ся тем­пе­ра­ту­рой плав­ле­ния и яв­ля­ет­ся из­ме­рен­ной ве­ли­чи­ной для мно­гих твер­дых ве­ществ, а по­то­му таб­лич­ной ве­ли­чи­ной. На­при­мер, тем­пе­ра­ту­ра плав­ле­ния льда равна 0oC, а тем­пе­ра­ту­ра плав­ле­ния зо­ло­та 1100oC.

Об­рат­ный плав­ле­нию про­цесс – про­цесс кри­стал­ли­за­ции – также удоб­но рас­смат­ри­вать на при­ме­ре за­мер­за­ния воды и пре­вра­ще­ния ее в лед. Если взять про­бир­ку с водой и на­чать ее охла­ждать, то сна­ча­ла будет на­блю­дать­ся умень­ше­ние тем­пе­ра­ту­ры воды, пока она не до­стиг­нет 0oC, а затем ее за­мер­за­ние при по­сто­ян­ной тем­пе­ра­ту­ре (рис. 6), и уже после пол­но­го за­мер­за­ния даль­ней­шее охла­жде­ние об­ра­зо­вав­ше­го­ся льда.

За­мер­за­ние воды

Рис. 6. За­мер­за­ние воды.

Если опи­сан­ные про­цес­сы рас­смат­ри­вать с точки зре­ния внут­рен­ней энер­гии тела, то при плав­ле­нии вся по­лу­чен­ная телом энер­гия рас­хо­ду­ет­ся на раз­ру­ше­ние кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ки и ослаб­ле­ние меж­мо­ле­ку­ляр­ных свя­зей, таким об­ра­зом, энер­гия рас­хо­ду­ет­ся не на из­ме­не­ние тем­пе­ра­ту­ры, а на из­ме­не­ние струк­ту­ры ве­ще­ства и вза­и­мо­дей­ствия его ча­стиц. В про­цес­се же кри­стал­ли­за­ции обмен энер­ги­я­ми про­ис­хо­дит в об­рат­ном на­прав­ле­нии: тело от­да­ет тепло окру­жа­ю­щей среде, а его внут­рен­няя энер­гия умень­ша­ет­ся, что при­во­дит к умень­ше­нию по­движ­но­сти ча­стиц, уве­ли­че­нию вза­и­мо­дей­ствия между ними и отвер­де­ва­нию тела.

6. График плавления и кристаллизации

По­лез­но уметь гра­фи­че­ски изоб­ра­зить про­цес­сы плав­ле­ния и кри­стал­ли­за­ции ве­ще­ства на гра­фи­ке (рис. 7).

График плавления и кристаллизации

Рис. 7.

По осям гра­фи­ка рас­по­ло­же­ны: ось абс­цисс – время, ось ор­ди­нат – тем­пе­ра­ту­ра ве­ще­ства. В ка­че­стве ис­сле­ду­е­мо­го ве­ще­ства при­мем лед при от­ри­ца­тель­ной тем­пе­ра­ту­ре, т. е. такой, ко­то­рый при по­лу­че­нии тепла не нач­нет сразу пла­вить­ся, а будет на­гре­вать до тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния. Опи­шем участ­ки на гра­фи­ке, ко­то­рые пред­став­ля­ют собой от­дель­ные теп­ло­вые про­цес­сы:

На­чаль­ное со­сто­я­ние – a: на­гре­ва­ние льда до тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния 0oC;

a – b: про­цесс плав­ле­ния при по­сто­ян­ной тем­пе­ра­ту­ре 0oC;

b – точка с неко­то­рой тем­пе­ра­ту­рой: на­гре­ва­ние об­ра­зо­вав­шей­ся из льда воды до неко­то­рой тем­пе­ра­ту­ры;

Точка с неко­то­рой тем­пе­ра­ту­рой – c: охла­жде­ние воды до тем­пе­ра­ту­ры за­мер­за­ния 0oC;

c – d: про­цесс за­мер­за­ния воды при по­сто­ян­ной тем­пе­ра­ту­ре 0oC;

d – ко­неч­ное со­сто­я­ние: осты­ва­ние льда до неко­то­рой от­ри­ца­тель­ной тем­пе­ра­ту­ры.

Се­год­ня мы рас­смот­ре­ли раз­лич­ные аг­ре­гат­ные со­сто­я­ния ве­ще­ства и уде­ли­ли вни­ма­ние таким про­цес­сам, как плав­ле­ние и кри­стал­ли­за­ция. На сле­ду­ю­щем уроке мы об­су­дим глав­ную ха­рак­те­ри­сти­ку про­цес­са плав­ле­ния и отвер­де­ва­ния ве­ществ – удель­ную теп­ло­ту плав­ле­ния.

Вопросы к конспектам

1. В ка­стрю­ле с водой пла­ва­ет кусок льда. При каком усло­вии он не будет таять?

2. При плав­ле­нии тем­пе­ра­ту­ра кри­стал­ли­че­ско­го тела оста­ет­ся неиз­мен­ной. А что про­ис­хо­дит со внут­рен­ней энер­ги­ей тела?

3.Опыт­ные са­дов­ни­ки в слу­чае ве­сен­них ноч­ных за­мо­роз­ков во время цве­те­ния пло­до­вых де­ре­вьев ве­че­ром обиль­но по­ли­ва­ют ветки водой. По­че­му это зна­чи­тель­но умень­ша­ет риск по­те­ри бу­ду­ще­го уро­жая?

Последнее изменение: Вторник, 22 Май 2018, 17:17