Удельная теплота плавления

Введение

При нагревании твёрдого тела его частицы начинают двигаться всё быстрее, внутренняя энергия увеличивается, и в какой-то момент связи между частицами ослабевают настолько, что тело теряет твёрдую форму и переходит в жидкое состояние. Этот процесс называется плавлением.
Обратный процесс — отвердевание (кристаллизация) — происходит при охлаждении жидкости, когда молекулы теряют часть своей энергии, снова образуя прочную кристаллическую решётку.

Эти процессы сопровождаются изменением внутренней энергии вещества, но температура во время плавления и кристаллизации остаётся постоянной, если давление не меняется. Это связано с тем, что вся поступающая теплота расходуется не на нагрев, а на разрушение связей между частицами.

Изменение внутренней энергии и температуры при плавлении (кристаллизации)

Когда твёрдое тело нагревается, внутренняя энергия его увеличивается за счёт повышения скорости движения частиц. Однако в момент начала плавления температура перестаёт расти.
Вся подводимая теплота в этот момент идёт на разрушение кристаллической решётки, то есть на изменение потенциальной составляющей внутренней энергии вещества.

При обратном процессе — кристаллизации — эти связи вновь образуются, и энергия выделяется наружу. Поэтому при застывании жидкости температура остаётся постоянной, пока вещество полностью не превратится в твёрдое тело.

Пример: лёд начинает плавиться при температуре 0 °C, и пока весь лёд не растает, температура воды остаётся неизменной. Точно так же при замерзании вода сохраняет температуру 0 °C, пока не кристаллизуется полностью.

Удельная теплота плавления

Чтобы расплавить вещество, необходимо сообщить ему определённое количество теплоты. При этом количество теплоты зависит от массы вещества и от того, какое это вещество.

Удельная теплота плавления — это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить 1 кг данного вещества при постоянной температуре плавления.

Обозначается буквой λ (лямбда).
Единица измерения в системе СИ — джоуль на килограмм (Дж/кг).

Формула для расчёта

Количество теплоты, необходимое для плавления тела, вычисляют по формуле:

$$Q=\lambda m$$

где:

• Q — количество теплоты, Дж;

• λ — удельная теплота плавления, Дж/кг;

• m — масса вещества, кг.

Если процесс обратный (отвердевание), то то же самое количество теплоты выделяется.

Таким образом, при плавлении теплота поглощается, а при кристаллизации — выделяется.

Количество теплоты, необходимое для плавления вещества

Для разных веществ требуется разное количество теплоты, чтобы расплавить одинаковую массу. Это объясняется особенностями строения их кристаллических решёток и сил, действующих между частицами.
Например, чтобы расплавить лёд, нужно значительно меньше энергии, чем для плавления железа или меди.

Пример расчёта:
Какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить лёд массой 2 кг?

Q=λm=3,4×105×2=6,8×105Дж

Ответ: для плавления 2 кг льда потребуется 680 кДж теплоты.

Вещества и их удельная теплота плавления

Эти данные показывают, что для плавления различных веществ требуется разное количество теплоты. Чем прочнее связи между частицами в веществе, тем больше значение удельной теплоты плавления.

Примеры из жизни и техники

• При таянии льда весной в природе поглощается огромное количество теплоты, что замедляет нагрев атмосферы — это важный природный терморегулятор.

• В металлургии при плавлении металлов необходимо учитывать их удельную теплоту плавления, чтобы точно рассчитать количество энергии для расплава.

• В холодильных установках и морозильниках процессы кристаллизации сопровождаются выделением теплоты, которую нужно эффективно отводить.

Историческая справка

Первые количественные исследования процессов плавления были проведены в XVIII веке. Учёные, такие как Джозеф Блэк и Антуан Лавуазье, экспериментально определили, что при плавлении температура вещества не повышается, а поступающая теплота идёт на изменение внутренней структуры. Именно Блэк впервые ввёл понятие удельной теплоты плавления, объяснив, почему лёд при таянии долго сохраняет температуру 0 °C, даже если к нему продолжают подводить тепло.

Итоги

Плавление и отвердевание — это процессы изменения внутренней энергии вещества без изменения температуры.
Количество теплоты, необходимое для плавления, зависит от массы вещества и его удельной теплоты плавления.
Знание этой зависимости позволяет рассчитывать энергетические процессы, происходящие в природе и технике, — от таяния снега до работы металлургических печей.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется плавлением и кристаллизацией?

2. Как изменяется внутренняя энергия вещества при плавлении и при кристаллизации?

3. Почему температура остаётся постоянной во время плавления и отвердевания?

4. Что такое удельная теплота плавления? Какова её единица измерения?

5. Запишите формулу для вычисления количества теплоты при плавлении тела.

6. Какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить лёд массой 3 кг?

7. Почему удельная теплота плавления льда выше, чем у свинца?

8. Приведите примеры из природы и техники, где проявляются процессы плавления и кристаллизации.

9. Кто впервые ввёл понятие удельной теплоты плавления и что показали его опыты?