Удельную теплоту кристаллизации олова

Удельная теплота плавления

Содержание

Рассматривая график плавления и отвердевания льда в прошлом уроке, мы выяснили, что во время процесса плавления температура льда не меняется. Температура продолжит расти только тогда, когда лед полностью перейдет в жидкость. То же самое мы наблюдали и при кристаллизации воды.

Но, когда лёд плавится, он все равно получает энергию. Ведь во время плавления мы не выключаем горелку – лёд получает какое-то количество теплоты от сгорающего в спиртовке (или другом нагревателе) топлива. Куда уходит эта энергия? Вы уже знаете закон сохранения энергии – энергия не может исчезнуть.

В данном уроке мы подробно рассмотрим, что происходит во время процесса плавления, как изменяется энергия и температура. Это позволит нам перейти к новому определению – удельной теплоте плавления.

Изменение внутренней энергии и температуры при плавлении

Так на что же уходит энергия, которую мы сообщаем телу, при плавлении?

Вы знаете, что в кристаллических твердых телах атомы (или молекулы) расположены в строгом порядке (рисунок 1). Они не двигаются так активно, как в газах или жидкостях. Тем не менее, они также находятся в тепловом движении – колеблются.

Взгляните еще раз на график плавления и отвердевания льда (рисунок 2).

Нагревание льда идет на участке AB. В это время увеличивается средняя скорость движения его молекул. Значит, возрастает и их средняя кинетическая энергия и температура. Размах колебаний атомов (или молекул) увеличивается.

Так происходит то того момента, пока нагреваемое тело не достигнет температуры плавления.

При температуре плавления нарушается порядок в расположении частиц в кристаллах.

Так вещество начинает переход из твердого состояния в жидкое.

Значит, энергия, которую получает тело после достижения температуры плавления, расходуется на разрушение кристаллической решетки. Поэтому температура тела не повышается – участок графика BC.

Изменение внутренней энергии и температуры при отвердевании

При отвердевании происходит обратное.

Средняя скорость движения молекул и их средняя кинетическая энергия в жидкости (расплавленном веществе) уменьшается при охлаждении. Этому соответствует участок графика DE на рисунке 2.

Теперь силы притяжения между молекулами могут удерживать их друг около друга. Расположение частиц становится упорядоченным – образуется кристалл (участок графика EF).

Куда расходуется энергия, которая выделяется при кристаллизации? Температура тела остается постоянной во время этого процесса. Значит, энергия расходуется на поддержание этой температуры, пока тело полностью не отвердеет.

Теперь мы можем сказать, что

При температуре плавления внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в твёрдом состоянии.

Эта избыточная энергия выделяется при кристаллизации и поддерживает температуру тела на одном уровне во время всего процесса отвердевания.

Удельная теплота плавления

Опытным путем доказано, что для превращения твердых кристаллических тел одинаковой массы в жидкость необходимо разное количество теплоты. Тела при этом рассматриваются при их температурах плавления.

Удельная теплота плавления – это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой $1 \space кг$, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние.

  • обозначается буквой $\lambda$
  • единица измерения – $1 \frac<Дж><кг>$

Удельная теплота плавления некоторых веществ

В таблице 1 представлены экспериментально полученные величины удельной теплоты плавления для некоторых веществ.

Вещество $\lambda, \frac<Дж><кг>$ Вещество $\lambda, \frac<Дж><кг>$
Алюминий $8.9 \cdot 10^5$ Сталь $0.84 \cdot 10^5$
Лёд $3.4 \cdot 10^5$ Золото $0.67 \cdot 10^5$
Железо $2.7 \cdot 10^5$ Водород $0.59 \cdot 10^5$
Медь $2.1 \cdot 10^5$ Олово $0.59 \cdot 10^5$
Парафин $1.5 \cdot 10^5$ Свинец $0.25 \cdot 10^5$
Спирт $1.1 \cdot 10^5$ Кислород $0.14 \cdot 10^5$
Серебро $0.87 \cdot 10^5$ Ртуть $0.12 \cdot 10^5$

Таблица 1. Удельная теплота плавления некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении)

Удельная теплота плавления золота составляет $0.67 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$. Что это означает?

Для того, чтобы расплавить кусок золота массой $1 \space кг$, взятого при температуре $1064 \degree C$ (температура плавления золота), до жидкого состояния, нам потребуется затратить $0.67 \cdot 10^5 \space Дж$ энергии.

Опытным путём доказано, что

при отвердевании кристаллического вещества выделяется точно такое же количество теплоты, которое поглощается при его плавлении.

То есть, при кристаллизации расплавленного золота массой $1 \space кг$ выделится $0.67 \cdot 10^5 \space Дж$ энергии.

Расчет количества теплоты, необходимого для плавления или отвердевания вещества

Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для плавления кристаллического тела массой $m$, взятого при его температуре плавления и нормальном атмосферном давлении, нужно удельную теплоту плавления $\lambda$ умножить на массу тела $m$:
$Q = \lambda m$.

Мы можем выразить из этой формулы массу $m$ и удельную теплоту плавления $\lambda$:

Количество теплоты, которое выделится при отвердевании, рассчитывается по этой же формуле. Но при этом необходимо помнить, что внутренняя энергия тела будет уменьшаться.

Примеры задач

  1. В кастрюлю положили лёд массой $2 \space кг$. Его температура была равна $0 \degree C$. Рассчитайте количество энергии, которое понадобилось, чтобы полностью растопить лёд и превратить его в кипяток с температурой $100 \degree C$. Количество теплоты, затраченное на нагревание кастрюли не учитывать.
    Рассчитайте количество энергии, которое понадобится для превращения в кипяток ледяной воде той же массы и температуры, что и лёд.

Для расчёта нам понадобится значение удельный теплоемкости воды $c$, которое можно посмотреть в таблице.

Дано:
$m = 2 \space кг$
$t_1 = 0 \degree C$
$t_2 = 100 \degree C$
$\lambda = 3.4 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$
$с = 4.2 \cdot 10^3 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Чтобы рассчитать количество теплоты, которое понадобиться, чтобы превратить лёд в кипящую воду, нам понадобиться сначала его расплавить. Количество теплоты $Q_1$, затраченное на плавление льда, рассчитаем по формуле $Q_1 = \lambda m$.
$Q_1 = 3.4 \cdot 10^5 \frac<Дж> <кг>\cdot 2 \space кг = 6.8 \cdot 10^5 \space Дж$

Теперь у нас есть вода с температурой $0 \degree C$. Для расчёта количества теплоты $Q_2$, необходимого для нагревания воды используем формулу $Q_2 = cm(t_2 – t_1)$.
$Q_2 = 4.2 \cdot 10^3 \frac<Дж> <кг \cdot \degree C>\cdot 2 \space кг \cdot (100 \degree C – 0 \degree C) = 8.4 \cdot 10^3 \frac<Дж> <кг>\cdot 100 \degree C = 8.4 \cdot 10^5 \space Дж$.

Тогда, для превращения куска льда в кипяток нам потребуется количество теплоты:
$Q = Q_1 + Q_2 = 6.8 \cdot 10^5 \space Дж + 8.4 \cdot 10^5 \space Дж = 15.2 \cdot 10^5 \space Дж$.

Если теперь мы возьмем вместо льда воду при $0 \degree C$, то для ее превращения в кипяток, нужно просто ее нагреть. Это количество теплоты мы уже рассчитали:
$Q_2 = 8.4 \cdot 10^5 \space Дж$.

Ответ: $Q = 15.2 \cdot 10^5 \space Дж$, $Q_2 = 8.4 \cdot 10^5 \space Дж$.

  1. Сколько энергии потребуется для того, чтобы расплавить железо массой $10 \space кг$ с начальной температурой $29 \degree C$?
    Удельная теплоемкость железа – $460 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$, температура плавления – $1539 \degree C$.

Дано:
$m = 10 \space кг$
$t_1 = 29 \degree C$
$t_2 = 1539 \degree C$
$c = 460 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$
$\lambda = 2.7 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Чтобы рассчитать общее затраченное количество теплоты $Q = Q_1 + Q_2$, нужно рассчитать отдельно количество теплоты $Q_1$, затраченное на нагревание железа до температуры плавления, и количество теплоты $Q_2$, затраченное на его плавление.

$Q_1 = cm(t_2 – t_1)$.
$Q_1 = 460 \frac<Дж> <кг \cdot \degree C>\cdot 10 \space кг \cdot (1539 \degree C – 19 \degree C) = 4600 \frac<Дж> <\degree C>\cdot 1510 \degree C = 6 \space 946 \space 000 \space Дж \approx 69 \cdot 10^5 \space Дж$.

$Q_2 = \lambda m$.
$Q_2 = 2.7 \cdot 10^5 \frac<Дж> <кг>\cdot 10 \space кг = 27 \cdot 10^5 \space Дж$.

$Q = Q_1 + Q_2 = 69 \cdot 10^5 \space Дж + 27 \cdot 10^5 \space Дж = 96 \cdot 10^5 \space Дж$.

Ответ: $Q = 96 \cdot 10^5 \space Дж$.

  1. На заводе охлаждают стальную деталь от $800 \degree C$ до $0 \degree C$. При этом она растопила лёд массой $3 \space кг$, взятый при $0 \degree C$. Определите массу детали, если вся выделенная ей энергия пошла на растопку льда.
    Удельная теплоемкость стали – $500 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$.

Дано:
$m_1 = 3 \space кг$
$\lambda_1 = 3.4 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$
$c_2 = 500 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$
$t_1 = 800 \degree C$
$t_2 = 0 \degree C$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

При плавлении лёд поглотит количество теплоты $Q_1 = \lambda_1 m_1$.

При охлаждении стальная деталь выделит количество теплоты $Q_2 = c_2m_2(t_2 – t_1)$.

По закону сохранения энергии эти энергии будут равны:
$Q_1 = Q_2$.
Т.е., $\lambda_1 m_1 = c_2m_2(t_2 – t_1)$.

Ответ: $m_2 = 2.55 \space кг$.

Источник

Удельная теплота плавления

Содержание:

Под плавлением в физике подразумевают процесс превращения тела из твердого состояния в жидкое, под действием температуры. Классическим повсеместным примером плавления из жизни является таяние льдов, их превращение в воду, или превращение твердого куска олова в жидкий припой под действием паяльника. Передача тому или иному телу определенного количества тепла может изменить его агрегатное состояние, это удивительное свойство твердых тел превращаться в жидкие под действием температуры имеет большое значение для науки и техники. Ученым (а также техникам, инженерам) важно знать при каких температурах плавятся те или иные металлы (а порой и не только металлы), и для этого в физику вошло такое понятие как «удельная теплота плавления». О том, что означает удельная теплота плавления, какая ее формула расчета, читайте далее.

Почему твердое тело становится жидким?

Но давайте для начала разберем, как происходит сам процесс плавления на атомно-молекулярном уровне. Как мы знаем, в любом твердом теле все атомы и молекулы находятся четко и упорядочено в узлах кристаллической решетки, благодаря этому твердое тело и является твердым.

Но что происходит, если мы начинает это самое гипотетическое твердо тело сильно нагревать – под действием температуры атомы и молекулы резко увеличивают свою кинетическую энергию и по достижении определенных критических значений, они начинают покидать кристаллическую решетку, вырываться из нее. А само твердое тело начинает буквально распадаться, превращаясь в некое жидкое вещество – так происходит плавление.

При этом процесс плавления происходит не резким скачком, а постепенно. Также стоит заметить, что плавление относится к эндотермическим процессам, то есть процессам, при которых происходит поглощение теплоты.

Процесс обратный к плавлению называют кристаллизацией – это когда тело из жидкого состояния наоборот превращается в твердое. Если вы оставите воду в морозилке, она через какое-то время превратится в лед – это самый типичный пример кристаллизации из реальной жизни.

Определение

Удельной теплотой плавления называют физическую величину равную количеству тепла (в джоулях), которое необходимо передать твердому телу массой 1 кг, чтобы полностью перевести его в жидкое состояние. Удельную теплоту плавления обозначают греческой буквой «лямбда» – λ.

Формула удельной теплоты плавление выглядит так:

Где m – масса плавящегося вещества, а Q – количество тепла, переданное веществу при плавлении.

Зная значение удельной теплоты плавления, мы можем определить, какое количество тепла необходимо передать для тела с той или иной массой, для его полного расплавления:

Для разных веществ удельная теплота плавления была определена экспериментально.

Единица измерения

Многих интересует вопрос, в каких единицах измеряется удельная теплота плавления. Так вот, удельная теплота плавления измеряется в Джоулях на килограмм – Дж/кг.

Таблица удельной теплоты плавления

Значение удельной теплоты для разных веществ: золота, серебра, цинка, олова и многих других металлов можно найти в специальных таблицах и справочниках. Обычно эти значения приводятся в виде таблицы.

Вашему вниманию таблица удельной теплоты плавления разных веществ

Вещество 10 5 * Дж/кг ккал/кг Вещество 10 5 * Дж/кг ккал/кг
Алюминий 3,8 92 Ртуть 0,1 3,0
Железо 2,7 65 Свинец 0,3 6,0
Лед 3,3 80 Серебро 0,87 21
Медь 1,8 42 Сталь 0,8 20
Нафталин 1,5 36 Цинк 1,2 28
Олово 0,58 14 Платина 1,01 24,1
Парафин 1,5 35 Золото 0,66 15,8

Интересный факт: самым тугоплавким металлом на сегодняшний день является карбид тантала – ТаС. Для его плавления необходима температура 3990 С. Покрытия из ТаС применяют для защиты металлических форм, в которых отливают детали из алюминия

Рекомендованная литература и полезные ссылки

  • Енохович А. С. Краткий справочник по физике. — М.: «Высшая школа», 1976. — С. 114. — 288 с.
  • Atkins, Peter & Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4th ed.), W. H. Freeman and Company, с. 236, ISBN 0-7167-7355-4
  • Hoffer J. K., Gardner W. R., Waterfield C. G., Phillips N. E. Thermodynamic properties of 4He. II. The bcc phase and the P-T and VT phase diagrams below 2 K (англ.) // Journal of Low Temperature Physics (англ.)русск. : journal. — 1976. — April (vol. 23, no. 1). — P. 63—102. — DOI:10.1007/BF00117245. — Bibcode: 1976JLTP…23…63H.

Видео

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском языке – Enthalpy of Fusion.

Источник

Лабораторные работы по электротехнике

Определение удельной теплоты плавления и изменения энтропии при кристаллизации олова

Цель работы: экспериментальное определение удельной теплоты плавления и вычисление изменения энтропии в процессе кристаллизации олова.

Описание установки и вывод расчётных формул

В электрическую печь 1 помещена ампула с оловом 2 (рис. 1). Внутри ампулы находится металлическая трубка-чехол с дифференциальной хромель-копелевой термопарой, горячий спай которой 3 расположен в ампуле, а холодный спай 4 — на воздухе. Концы термопары через гнезда и медные провода соединены с милливольтметром 5, измеряющим возникающую термоэдс. Электрическая печь находится в модуле экспериментального стенда.

Простейшей моделью квазистатического охлаждения тела является охлаждение в среде с постоянной температурой Тср. Если процесс охлаждения происходит достаточно медленно, температуру всех точек тела в каждый момент времени можно считать одинаковой. Такой процесс охлаждения состоит из непрерывно следующих друг за другом равновесных состояний и, следовательно, является квазистатическим обратимым процессом.

Применим закон сохранения энергии к квазистатическому процессу охлаждения твердого олова в ампуле после кристаллизации:

(Como + CAmA)dT + a F(T — Tcp)d t = 0, (1)

где: (Como + CAmA)dT — тепло, отданное ампулой с оловом при их охлаждении за время d t ;

a F(T — Tcp)d t — тепло, полученное окружающей средой через поверхность ампулы F за время d t ;

Со, СА — удельная теплоёмкость олова и материала ампулы ;

mo, mA — масса олова и ампулы, [кг];

Т — температура твёрдого олова, [ ° C];

Тcp — температура окружающей среды, [ ° C];

a — коэффициент теплоотдачи с поверхности ампулы в окружающую среду, (эта величина считается постоянной).

Применяя закон сохранения энергии к процессу кристаллизации олова, можно получить уравнение

l кmo + a F(Tк — Тср) D t к = 0, (2)

где: l кmo — тепло, отданное оловом при его кристаллизации за время этого процесса D t к;

a F(Tк — Тср) D t к — тепло, полученное окружающей средой через поверхность ампулы за время кристаллизации;

Тср — температура кристаллизации олова.

Из формул (1) и (2) следует:

Вычислим изменение энтропии олова в процессе его кристаллизации при неизменной температуре Т = Тк = Const.:

Следовательно, для определения удельной теплоты кристаллизации l к олова и изменения его энтропии D S в этом процессе необходимо измерить Тк, D t к и вычислить производную функции T = f( t ) в произвольной точке, соответствующей температуре T твердого олова в процессе его охлаждения. Производная находится из графика (рис. 2), построенного по результатам эксперимента (кривая охлаждения).

Порядок выполнения работы

Отвернуть винт 7 ползуна 8 и аккуратно опустить ампулу 2 в печь 1 (рис.1).

Включить электропитание стенда.

Включить милливольтметр 5 и нагреватель печи (тумблером 10).

Проследить в течение 10 – 15 минут за тем, чтобы олово, находящееся в ампуле, расплавилось. Процесс плавления олова происходит при постоянной температуре — температуре плавления. При этом показания милливольтметра практически не изменяются. Окончание процесса плавления можно определить как момент времени, после которого показания милливольтметра начинают возрастать.

Через 2 – 3 минуты после завершения процесса плавления олова, отключить электрический нагреватель печи (тумблером 10). Отвернуть винт 7 ползуна 8 и поднять ампулу с оловом 2 из печи 1. Зафиксировать положение ампулы тем же винтом.

Включить секундомер и через каждые 15 – 20 секунд снимать показания милливольтметра, фиксирующего термоэдс, пропорциональную разности температур олова и окружающей среды Q = T — Tcp. Измерения продолжать до тех пор, пока не будут пройдены три области процесса охлаждения (рис. 2):

область I — область полного расплава олова;

область II — область кристаллизации;

область III — область охлаждения твердого олова.

Получив 30 – 40 экспериментальных точек, выключить питание стенда и милливольтметр.

Данные установки и таблица результатов измерений

Масса олова mo = (50 ± 1) грамм

Масса стальной ампулы mA = (52 ± 1) грамм

Удельная теплоемкость олова Co = 0.23 × 103

Удельная теплоемкость стали CA = 0.46 × 103

Источник

Читайте также:  Что можно применить вместо олова