Плавление и кристаллизация твёрдых тел, температура плавления

Ключевые слова: плавление, кристаллизация, температура плавления.

На этом уроке вы:

• изучите процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое и обратный процесс: переход из жидкого состояния в твердое.

Это вы знаете. Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом расположены молекулы и как они взаимодействуют между собой. В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное.

Плавление. Сегодня будем изучать процессы перехода из твердого состояния в жидкое и наоборот. Как можно перевести вещество из одного агрегатного состояния в другое? Если достать из холодильника лед и оставить в теплой комнате на некоторое время, он растает. Лед перешел из твердого состояния в жидкое — в воду. Если положить в ложку кусочек свинца или олова и подержать в пламени горелки (рис. 10.1), мы увидим, как свинец (олово) переходит в жидкое состояние. В таких случаях говорят, что твердое вещество расплавилось.

Рис. 10.1

Зимой реки замерзают, вода переходит в твердое состояние. Жидкий металл при остывании отвердевает. В таких случаях говорят, что вещество кристаллизуется.

Заморозим воду в морозильной камере. Образовавшийся лед разобьем на небольшие кусочки и положим их в стакан с термометром. Измерим начальную температуру содержимого и начнем его нагревать (рис. 10.2, а). Сначала твердый лед нагревается и температура повышается. Но достигнув 0 °C, температура перестает подниматься, несмотря на то, что мы все еще продолжаем процесс нагревания. Мы увидим, что лед начинает таять. И пока лед не растает полностью, его температура остается постоянной и равной 0 °C (рис. 10.2, б, в).

После того, как весь лед растает, при дальнейшем нагревании температура воды быстро повышается. На рисунке 10.3 приведен график зависимости температуры льда от времени его нагревания и отвердевания при охлаждении. На участке AB повышается температура льда. Лед нагревается до температуры плавления (0 °C), при этом ему сообщается количество теплоты $Q_1$.

Участок BC соответствует процессу плавления льда, его температура остается постоянной и равной нулю, но процесс идет с поглощением количества теплоты $Q_2$. Точка C соответствует состоянию, когда лед полностью растаял и образовалась вода с температурой, равной 0 °C.

Рис. 10.2

При дальнейшем нагревании растет температура воды (участок CD), при этом передается количество теплоты $Q_3$.

Процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением.

Рис. 10.3

Почему при таянии льда его температура остается постоянной, хотя теплота к нему по-прежнему подводится? Ответить на этот вопрос вы сможете, вспомнив, чем отличается молекулярное строение вещества в жидком и твердом состояниях (7 кл., § 20). В кристаллических телах молекулы расположены очень близко и упорядоченно в узлах кристаллической решетки.

При плавлении твердого тела кристаллическая структура разрушается, изменяется потенциальная энергия взаимодействия молекул. При этом полученная извне тепловая энергия идет на повышение внутренней энергии тела. Но кинетическая энергия молекул не изменяется, температура постоянна. Процесс плавления всегда идет с поглощением энергии.

Температура, при которой твердое вещество переходит в жидкое состояние, называется температурой плавления. У каждого кристаллического тела своя постоянная температура плавления. Приведем значения температуры плавления некоторых веществ (табл. 10.1).

Таблица 10.1

Вещество	Температура плавления, °C	Удельная теплота плавления, кДж/кг
Алюминий	660	321
Латунь	900	330
Медь	1083	175
Олово	232	59
Свинец	327	25

Вопросы

1. Какой процесс называется плавлением?
2. Чем отличается кристаллическое вещество от аморфного?
3. Что такое температура плавления?
4. Почему в процессе плавления кристаллического вещества его температура не изменяется, несмотря на то, что теплота все время подводится?
5. Какой процесс называется кристаллизацией?
6. Объясните по рисунку 10.3, как происходит процесс таяния льда и кристаллизации воды?

Упражнение 5

1. Исследуйте график, представленный на рисунке 10.5, и ответьте на вопросы:
   1. Какие процессы происходят на участках AB, CD?
   2. В каком агрегатном состоянии находится вещество на участке AB, на участке CD?
   3. Какой процесс происходит на участке BC? Сколько времени длился этот процесс?
   4. Какова начальная температура вещества?
   5. Какое это вещество? Как это можно определить по графику?
2. По графику, приведенному на рисунке 10.6, опишите процессы, происходящие на участках AB, BC и CD. Какое это вещество? Как изменялась средняя кинетическая энергия молекул на этих участках?
3. Небольшой кусок свинца, взятого при температуре 27 °C, за 15 минут нагрели до температуры 500 °C. Постройте график этого процесса и охарактеризуйте те каждый его участок.

Рис. 10.5 и рис. 10.6

Творческая мастерская

1. Когда на улице температура равна 0 °C, снег не тает. А если занести его в теплую комнату, он начинает таять. Почему? Ответ обоснуйте.
2. В сосуде находятся лед и вода в одинаковом количестве при температуре 0 °C. Одинакова ли их внутренняя энергия? Ответ обоснуйте.