Всеки знае, че водата може да се намери в природата в три агрегатни състояния- твърди, течни и газообразни. При топенето настъпва трансформацията твърд ледв течност и при по-нататъшно нагряване течността се изпарява, образувайки водна пара. Какви са условията за топене, кристализация, изпарение и кондензация на водата? При каква температура се топи ледът или се образува пара? Ще говорим за това в тази статия.
Това не означава, че водните пари и ледът са рядкост Ежедневието. Най-разпространено обаче е течното състояние – обикновена вода. Експертите са установили, че на нашата планета има повече от 1 милиард кубически километра вода. Въпреки това, не повече от 3 милиона km 3 вода принадлежи на сладки водни тела. Доста голямо количество прясна вода „почива“ в ледниците (около 30 милиона кубични километра). Разтопяването на леда на такива огромни блокове обаче далеч не е лесно. Останалата част от водата е солена, принадлежаща към моретата на Световния океан.
Вода заобикаля модерен човекнавсякъде, по време на повечето ежедневни дейности. Мнозина смятат, че запасите от вода са неизчерпаеми и човечеството винаги ще може да използва ресурсите на хидросферата на Земята. Това обаче не е така. Водните ресурси на нашата планета постепенно се изчерпват и в рамките на няколкостотин години на Земята може изобщо да не остане прясна вода. Следователно, абсолютно всеки човек трябва да се грижи за прясна водаи го запазете. В крайна сметка дори в наше време има държави, в които водните запаси са катастрофално малки.
Свойства на водата
Преди да говорим за температурата на топене на леда, си струва да разгледаме основните свойства на тази уникална течност.
И така, водата има следните свойства:
- Липса на цвят.
- Без миризма.
- Липса на вкус (колкото и високо качество пия водавкусно е).
- Прозрачност.
- Течливост.
- Способността да се разтварят различни вещества (например соли, алкали и др.).
- Водата няма собствена постоянна форма и е в състояние да приеме формата на съда, в който попада.
- Възможност за пречистване чрез филтриране.
- При нагряване водата се разширява, а при охлаждане се свива.
- Водата може да се изпари в пара и да замръзне, за да образува кристален лед.
Този списък показва основните свойства на водата. Сега нека да разберем какви са характеристиките на твърдото състояние на агрегация на това вещество и при каква температура се топи ледът.
Ледът е твърдо кристално вещество, което има доста нестабилна структура. Той, подобно на водата, е прозрачен, без цвят и мирис. Ледът също има свойства като крехкост и хлъзгавост; студен е на допир.
Снегът също е замръзнала вода, но има рохкава структура и бял цвят. Това е сняг, който вали всяка година в повечето страни по света.
И снегът, и ледът са изключително нестабилни вещества. Не са необходими много усилия, за да се разтопи ледът. Кога започва да се топи?
В природата твърдият лед съществува само при температури от 0 °C и по-ниски. Ако температурата на околната среда се повиши и стане над 0 °C, ледът започва да се топи.
При температурата на топене на леда, при 0 °C, протича друг процес - замръзване, или кристализация, на течна вода.
Този процес може да се наблюдава от всички жители на умерено континентален климат. През зимата, когато външната температура падне под 0 °C, често вали сняг, който не се топи. И течната вода, която беше по улиците, замръзва, превръщайки се в твърд сняг или лед. През пролетта можете да видите обратен процес. Температурата на околната среда се повишава, така че ледът и снегът се топят, образувайки множество локви и кал, което може да се счита за единствения недостатък на пролетното затопляне.
По този начин можем да заключим, че при каква температура ледът започва да се топи, при същата температура започва процесът на замръзване на водата.
Количество топлина
В наука като физиката често се използва понятието количество топлина. Тази стойност показва количеството енергия, необходимо за нагряване, топене, кристализация, кипене, изпарение или кондензация различни вещества. Освен това всеки от изброените процеси има свои собствени характеристики. Нека поговорим колко топлина е необходима за нагряване на лед при нормални условия.
За да загреете лед, първо трябва да го разтопите. Това изисква количеството топлина, необходимо за топене твърдо. Топлината е равна на произведението от масата на леда и специфичната топлина на топенето му (330-345 хил. Джаула/кг) и се изразява в Джаули. Да кажем, че са ни дадени 2 кг твърд лед. По този начин, за да го стопим, имаме нужда от: 2 kg * 340 kJ/kg = 680 kJ.
След това трябва да загреем получената вода. Количеството топлина за този процес ще бъде малко по-трудно да се изчисли. За да направите това, трябва да знаете началната и крайната температура на нагрятата вода.
И така, да кажем, че трябва да загреем водата, получена от топенето на леда, с 50 °C. Тоест разликата между началната и крайната температура = 50 °C (начална температура на водата - 0 °C). След това трябва да умножите температурната разлика по масата на водата и нейния специфичен топлинен капацитет, който е равен на 4200 J*kg/°C. Тоест количеството топлина, необходимо за загряване на вода = 2 kg * 50 °C * 4200 J*kg/°C = 420 kJ.
След това откриваме, че за разтопяването на леда и последващото загряване на получената вода ще са ни необходими: 680 000 J + 420 000 J = 1 100 000 джаула или 1,1 мегаджаула.
Знаейки при каква температура се топи ледът, можете да решите много трудни задачи по физика или химия.
Накрая
И така, в тази статия научихме някои факти за водата и нейните две агрегатни състояния – твърдо и течно. Водната пара обаче е също толкова интересен обект за изследване. Например нашата атмосфера съдържа приблизително 25 * 10 16 кубически метра водна пара. Освен това, за разлика от замръзването, изпарението на водата става при всяка температура и се ускорява при затопляне или при наличие на вятър.
Научихме при каква температура се топи ледът и замръзва течната вода. Такива факти винаги ще ни бъдат полезни в ежедневието, тъй като водата ни заобикаля навсякъде. Важно е винаги да помните, че водата, особено прясната вода, е ограничен ресурс на Земята и трябва да се третира внимателно.
За да се разтопи твърдо вещество, то трябва да се нагрее. И при нагряване на всяко тяло се отбелязва една любопитна особеност
Особеността е следната: температурата на тялото се повишава до точката на топене и след това спира, докато цялото тяло премине в течно състояние. След топенето температурата започва да се повишава отново, ако, разбира се, нагряването продължи. Тоест има период от време, през който загряваме тялото, но то не загрява. Къде отива топлинната енергия, която изразходваме? За да отговорим на този въпрос, трябва да погледнем вътрешността на тялото.
В твърдото вещество молекулите са подредени в определен ред под формата на кристали. Те практически не се движат, само леко се колебаят на място. За да може едно вещество да премине в течно състояние, на молекулите трябва да се даде допълнителна енергия, за да могат да избягат от привличането на съседни молекули в кристалите. Загрявайки тялото, ние даваме на молекулите тази необходима енергия. И докато всички молекули не получат достатъчно енергия и всички кристали не бъдат унищожени, телесната температура не се повишава. Експериментите показват, че за различни веществаЕдна маса изисква различни количества топлина, за да се разтопи напълно.
Тоест има определена стойност, от която зависи колко топлина трябва да поеме дадено вещество, за да се стопи?. И тази стойност е различна за различните вещества. Тази величина във физиката се нарича специфична топлина на топене на вещество. Отново, в резултат на експерименти, стойностите на специфичната топлина на топене за различни вещества са установени и събрани в специални таблици, от които може да се извлече тази информация. Специфичната топлина на топене се обозначава с гръцката буква λ (ламбда), а мерната единица е 1 J/kg.
Формула за специфична топлина на топене
Специфична топлинатопенето се намира по формулата:
където Q е количеството топлина, необходимо за стопяване на тяло с маса m.
Отново е известно от експерименти, че когато веществата се втвърдят, те отделят същото количество топлина, което е необходимо за тяхното стопяване. Молекулите, губейки енергия, образуват кристали, неспособни да устоят на привличането на други молекули. И отново, телесната температура няма да намалее, докато цялото тяло не се втвърди и докато не се освободи цялата енергия, която е изразходвана за неговото топене. Тоест, специфичната топлина на топене показва както колко енергия трябва да се изразходва, за да се стопи тяло с маса m, така и колко енергия ще бъде освободена, когато дадено тяло се втвърди.
Например специфичната топлина на топене на вода в твърдо състояние, тоест специфичната топлина на топене на лед е 3,4 * 105 J/kg. Тези данни ви позволяват да изчислите колко енергия е необходима за топенето на лед с всякаква маса. Познавайки също специфичния топлинен капацитет на леда и водата, можете да изчислите точно колко енергия е необходима за конкретен процес, например, топене на лед с тегло 2 kg и температура - 30˚C и довеждане на получената вода до кипене. Такава информация за различни вещества е много необходима в промишлеността, за да се изчислят реалните енергийни разходи при производството на всякакви стоки.
Топене
Топенее процес на превръщане на вещество от твърдо в течно.
Наблюденията показват, че ако натрошен лед, който има температура например 10 °C, се остави в топла стая, температурата му ще се повиши. При 0 °C ледът ще започне да се топи и температурата няма да се промени, докато целият лед не се превърне в течност. След това температурата на водата, образувана от леда, ще се повиши.
Това означава, че кристалните тела, които включват лед, се топят при определена температура, която се нарича точка на топене. Важно е по време на процеса на топене температурата на кристалното вещество и течността, образувана по време на топенето му, да остане непроменена.
В експеримента, описан по-горе, ледът получи известно количество топлина, вътрешната му енергия се увеличи поради увеличаване на средната кинетична енергия на молекулярното движение. След това ледът се разтопи, температурата му не се промени, въпреки че ледът получи известно количество топлина. Следователно вътрешната му енергия се увеличи, но не поради кинетична, а поради потенциална енергиямолекулярни взаимодействия. Получената отвън енергия се изразходва за разрушаване на кристалната решетка. Всяко кристално тяло се топи по подобен начин.
Аморфните тела нямат определена точка на топене. С повишаване на температурата те постепенно омекват, докато се превърнат в течност.
Кристализация
Кристализацияе процес на преминаване на вещество от течно състояние в твърдо състояние. Докато течността се охлажда, тя ще отдели малко топлина към околния въздух. В този случай неговата вътрешна енергия ще намалее поради намаляване на средната кинетична енергия на неговите молекули. При определена температура ще започне процесът на кристализация, по време на този процес температурата на веществото няма да се промени, докато цялото вещество не се превърне в твърдо състояние. Този преход е придружен от отделяне на определено количество топлина и съответно намаляване на вътрешната енергия на веществото поради намаляване на потенциалната енергия на взаимодействие на неговите молекули.
По този начин преходът на веществото от течно състояние към твърдо състояние става при определена температура, наречена температура на кристализация. Тази температура остава постоянна през целия процес на топене. Тя е равна на точката на топене на това вещество.
Фигурата показва графика на температурата на твърдо кристално вещество спрямо времето по време на нагряването му от стайна температура до точката на топене, топене, нагряване на веществото в течно състояние, охлаждане на течното вещество, кристализация и последващо охлаждане на веществото в твърдо състояние.
Специфична топлина на топене
Различните кристални вещества имат различна структура. Съответно, за да се разруши кристалната решетка на твърдо вещество при неговата температура на топене, е необходимо да му се придаде различно количество топлина.
Специфична топлина на топене- това е количеството топлина, което трябва да се предаде на 1 kg кристално вещество, за да се превърне в течност при точката на топене. Опитът показва, че специфичната топлина на топене е равна на специфична топлина на кристализация .
Специфичната топлина на топене се обозначава с буквата λ . Единица за специфична топлина на топене - [λ] = 1 J/kg.
Стойности на специфичната топлина на топене кристални веществаса дадени в таблицата. Специфичната топлина на топене на алуминия е 3,9*10 5 J/kg. Това означава, че за да се стопи 1 kg алуминий при температурата на топене, е необходимо да се изразходва количество топлина от 3,9 * 10 5 J. Същата стойност е равна на увеличението на вътрешната енергия на 1 kg алуминий.
За изчисляване на количеството топлина Qнеобходими за стопяване на вещество с маса м, взета при температурата на топене, следва специфичната топлина на топене λ умножено по масата на веществото: Q = λm.
Същата формула се използва за изчисляване на количеството топлина, отделена по време на кристализация на течност.
Обобщение на урока „Топене и кристализация. Специфична топлина на топене".
Енергията, която тялото получава или губи по време на пренос на топлина, се нарича количество топлина.Количеството топлина зависи от масата на тялото, от разликата в телесната температура и от вида на веществото.
[Q]=J или калории
1 кале количеството топлина, необходимо за загряване на 1 g вода с 1 o C.
Специфична топлина – физическо количество, равно на количеството топлина, което трябва да се предаде на тяло с тегло 1 kg, за да се промени температурата му с 1 o C.
[C] = J/kg o C
Специфичният топлинен капацитет на водата е 4200 J/kg o C. Това означава, че за загряване на вода с тегло 1 kg с 1 o C е необходимо да се изразходват 4200 J топлина.
Специфичният топлинен капацитет на веществото в различни агрегатни състояния е различен. Така топлинният капацитет на леда е 2100 J/kg o C. Специфичният топлинен капацитет на водата е най-голям. В тази връзка водата в моретата и океаните при нагряване през лятото поема голямо количество топлина. През зимата водата се охлажда и отделя голямо количество топлина. Следователно в райони, разположени в близост до водни тела, не е много горещо през лятото и много студено през зимата. Поради високия си топлинен капацитет водата намира широко приложение в техниката и бита. Например в отоплителни системи на къщи, при охлаждане на части по време на обработката им на машини, лекарства (нагревателни подложки) и др.
С повишаването на температурата на твърдите и течни вещества кинетичната енергия на техните частици се увеличава: те започват да се колебаят с по-висока скорост. При определена температура, доста специфична за дадено вещество, силите на привличане между частиците вече не са в състояние да ги задържат във възлите на кристалната решетка (далечният ред се превръща в близък) и кристалът започва да се топи , т.е. веществото започва да преминава в течно състояние.
Топене – процесът на преминаване на вещество от твърдо в течно състояние.
Втвърдяване (кристализация)– процесът на преминаване на веществото от течно в твърдо състояние.
По време на процеса на топене температурата на кристала остава постоянна. Тази температура се нарича точка на топене. Всяко вещество има своя точка на топене. Намерете го от таблицата.
Постоянството на температурата по време на топене има голямо практическо значение, тъй като ви позволява да калибрирате термометри, да произвеждате предпазители и индикатори, които се топят при строго определена температура. Познаването на точката на топене на различни вещества е важно и от чисто битова гледна точка: иначе кой може да гарантира, че тази тенджера или тиган няма да се разтопи на огъня на газовата горелка?
Температура на топене и равна температура на втвърдяване - характерна особеноствещества. Живакът се топи и втвърдява при температура от -39 o C, така че живачните термометри не се използват в Далечния север. Вместо живачни термометри в тези географски ширини се използват спиртни термометри (-114 o C). Най-огнеупорният метал е волфрамът (3420 o C).
Количеството топлина, необходимо за стопяване на дадено вещество, се определя по формулата:
Където m е масата на веществото и е специфичната топлина на топене.
J/kg
Специфична топлина на топене –количеството топлина, необходимо за стопяване на 1 kg вещество, взето при неговата точка на топене. Всяко вещество има свой собствен. Намира се с помощта на таблицата.
Точката на топене на дадено вещество зависи от налягането. За вещества, чийто обем се увеличава по време на топенето, повишаването на налягането повишава точката на топене и обратно. Когато водата се топи, нейният обем намалява, а с увеличаване на налягането ледът се топи при по-ниска температура.
Билет номер 14
Преминаването на веществото от твърдо кристално състояние в течно се нарича топене. За да се разтопи твърдо кристално тяло, то трябва да се нагрее до определена температура, тоест трябва да се подаде топлина.Температурата, при която веществото се топи, се наричаточка на топене на веществото.
Обратният процес - преходът от течно към твърдо състояние - се случва, когато температурата се понижи, т.е. топлината се отвежда. Преминаването на веществото от течно в твърдо състояние се наричазакаляване , или кристаллизация . Температурата, при която веществото кристализира, се наричакристална температурации .
Опитът показва, че всяко вещество кристализира и се топи при една и съща температура.
Фигурата показва графика на температурата на кристално тяло (лед) спрямо времето за нагряване (от точката Акъм основния въпрос Д)и време за охлаждане (от точка дкъм основния въпрос К). Той показва времето по хоризонталната ос и температурата по вертикалната ос.
Графиката показва, че наблюдението на процеса започва от момента, в който температурата на леда е -40 ° C, или, както се казва, температурата в началния момент от време Tначало= -40 °C (точка Ана графиката). При по-нататъшно нагряване температурата на леда се повишава (на графиката това е секцията AB). Температурата се повишава до 0 °C - температурата на топене на леда. При 0°C ледът започва да се топи и температурата му спира да се повишава. През цялото време на топене (т.е. докато целият лед се разтопи), температурата на леда не се променя, въпреки че горелката продължава да гори и следователно се подава топлина. Процесът на топене съответства на хоризонталния участък на графиката слънце . Едва след като целият лед се стопи и се превърне във вода, температурата започва да се повишава отново (раздел CD). След като температурата на водата достигне +40 °C, горелката се изгасва и водата започва да се охлажда, т.е. топлината се отстранява (за целта можете да поставите съд с вода в друг, по-голям съд с лед). Температурата на водата започва да намалява (раздел DE). Когато температурата достигне 0 °C, температурата на водата спира да се понижава, въпреки факта, че топлината все още се отстранява. Това е процесът на кристализация на водата - образуване на лед (хоризонтален разрез Е.Ф.). Докато цялата вода не се превърне в лед, температурата няма да се промени. Едва след това температурата на леда започва да намалява (раздел FK).
Появата на разглежданата графика се обяснява по следния начин. Местоположение на ABБлагодарение на подадената топлина средната кинетична енергия на ледените молекули се увеличава и температурата му се повишава. Местоположение на слънцецялата енергия, получена от съдържанието на колбата, се изразходва за разрушаването на кристалната решетка на леда: подреденото пространствено разположение на неговите молекули се заменя с неподредено, разстоянието между молекулите се променя, т.е. Молекулите се пренареждат по такъв начин, че веществото става течно. Средната кинетична енергия на молекулите не се променя, така че температурата остава непроменена. По-нататъшно повишаване на температурата на разтопената ледена вода (в района CD) означава увеличаване на кинетичната енергия на водните молекули поради топлината, доставяна от горелката.
При охлаждане на вода (раздел DE) част от енергията му се отнема, водните молекули се движат с по-ниски скорости, средната им кинетична енергия пада - температурата намалява, водата се охлажда. При 0°C (хоризонтален участък Е.Ф.) молекулите започват да се подреждат в определен ред, образувайки кристална решетка. Докато този процес не приключи, температурата на веществото няма да се промени, въпреки отнетата топлина, което означава, че при втвърдяване течността (водата) отделя енергия. Това е точно енергията, която ледът пое, превръщайки се в течност (раздел слънце). Вътрешната енергия на течността е по-голяма от тази на твърдо. По време на топенето (и кристализацията) вътрешната енергия на тялото се променя рязко.
Наричат се метали, които се топят при температура над 1650 ºС огнеупорен(титан, хром, молибден и др.). Волфрамът има най-висока точка на топене сред тях - около 3400 ° C. Огнеупорните метали и техните съединения се използват като топлоустойчиви материали в самолетостроенето, ракетостроенето и космически технологии, ядрена енергия.
Нека подчертаем още веднъж, че при топене веществото поглъща енергия. По време на кристализация, напротив, той го отдава на заобикаляща среда. Получавайки определено количество топлина, отделена по време на кристализацията, средата се нагрява. Това е добре известно на много птици. Нищо чудно, че могат да се видят през зимата в мразовито време, седнали върху леда, който покрива реки и езера. Поради освобождаването на енергия при образуването на лед, въздухът над него е с няколко градуса по-топъл, отколкото в дърветата в гората, и птиците се възползват от това.
Топене на аморфни вещества.
Наличие на определен точки на топене- Това е важна характеристика на кристалните вещества. Именно по този признак те могат лесно да бъдат разграничени от аморфните тела, които също се класифицират като твърди тела. Те включват по-специално стъкло, много вискозни смоли и пластмаси.
Аморфни вещества(за разлика от кристалните) нямат определена точка на топене - не се топят, а се размекват. При нагряване парче стъкло, например, първо става меко от твърдо, лесно може да се огъне или разтегне; с повече висока температурапарчето започва да променя формата си под въздействието на собствената си гравитация. При нагряване гъстата вискозна маса приема формата на съда, в който се намира. Тази маса първо е гъста, като мед, след това като заквасена сметана и накрая става почти същата течност с нисък вискозитет като водата. Тук обаче е невъзможно да се посочи определена температура на преход на твърдо вещество в течност, тъй като тя не съществува.
Причините за това се крият в фундаменталната разлика в структурата на аморфните тела от структурата на кристалните. Атомите в аморфните тела са подредени произволно. Аморфните тела по своята структура наподобяват течности. Вече в твърдото стъкло атомите са подредени произволно. Това означава, че повишаването на температурата на стъклото само увеличава обхвата на вибрациите на неговите молекули, давайки им постепенно все по-голяма свобода на движение. Следователно стъклото омеква постепенно и не проявява рязък преход "твърдо-течно", характерен за прехода от подреждането на молекулите в строг ред към безпорядък.
Топлина на топене.
Топлина на топене- това е количеството топлина, което трябва да се предаде на вещество при постоянно налягане и постоянна температура, равна на точката на топене, за да се трансформира напълно от твърдо кристално състояние в течно. Топлината на топене е равна на количеството топлина, което се отделя по време на кристализацията на вещество от течно състояние. По време на топенето цялата топлина, предоставена на веществото, отива за увеличаване на потенциалната енергия на неговите молекули. Кинетичната енергия не се променя, тъй като топенето се извършва при постоянна температура.
Чрез експериментално изследване на топенето на различни вещества с еднаква маса може да се забележи, че са необходими различни количества топлина, за да се превърнат в течност. Например, за да разтопите един килограм лед, трябва да изразходвате 332 J енергия, а за да разтопите 1 kg олово - 25 kJ.
Количеството топлина, отделено от тялото, се счита за отрицателно. Следователно, когато се изчислява количеството топлина, отделена по време на кристализацията на вещество с маса м, трябва да използвате същата формула, но със знак минус:
Топлина на изгаряне.
Топлина на изгаряне(или калорична стойност, съдържание на калории) е количеството топлина, отделена при пълното изгаряне на горивото.
За нагряване на тела често се използва енергията, отделена при изгарянето на горивото. Конвенционалното гориво (въглища, петрол, бензин) съдържа въглерод. По време на горенето въглеродните атоми се комбинират с кислородните атоми във въздуха, за да образуват молекули въглероден диоксид. Кинетичната енергия на тези молекули се оказва по-голяма от тази на оригиналните частици. Увеличаването на кинетичната енергия на молекулите по време на горенето се нарича освобождаване на енергия. Енергията, отделена при пълното изгаряне на горивото, е топлината на изгаряне на това гориво.
Топлината на изгаряне на горивото зависи от вида на горивото и неговата маса. Колкото по-голяма е масата на горивото, толкова повече количествотоплина, отделена при пълното му изгаряне.
Физическото количество, което показва колко топлина се отделя при пълно изгаряне на гориво с тегло 1 kg, се нарича специфична топлина на изгаряне на горивото.Специфичната топлина на изгаряне се обозначава с букватари се измерва в джаули на килограм (J/kg).
Количество топлина Qотделени при горенето м kg гориво се определя по формулата:
За да се намери количеството топлина, отделена при пълното изгаряне на гориво с произволна маса, специфичната топлина на изгаряне на това гориво трябва да се умножи по неговата маса.
