Плавление льда. Плавление и кристаллизация

Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

Кафедра экспериментальной физики

Лабораторная работа № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ

ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЩЕСТВА

Симферополь 2002

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ

ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЩЕСТВА

ОБОРУДОВАНИЕ : ампула с эфиром, прибор Авенариуса, автотрансформатор, термопара, гальванометр, градуировочный график.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАБОТ

И
деальным газом называется совокупность невзаимодействующих материальных точек. Состояние такой идеализированной системы описывается уравнением Менделеева-Клапейрона. В реальных газах, однако, действуют межмолекулярные силы электрического характера. При малом расстоянии между двумя молекулами между ними действуют силы отталкивания. Эти силы определяют "размер" молекул газа, то есть расстояние, ближе которого молекулы сильно отталкиваются друг от друга. По мере увеличения расстояния между двумя молекулами отталкивание уменьшается и затем меняет свой знак, превращаясь в силу притяжения. При дальнейшем удалении молекул друг от друга силы притяжения стремятся к нулю.Взаимодействие между молекулами приводит к тому, что реальные газы при соответствующих температурах и давлениях переходят в жидкое состояние.

На рис. 1 приведены опытные изотермы, полученные сжатием реального газа при постоянной температуре Т=const (T 1 ев на изотерме Т 1 , то давление газа не возрастает. В точке в газ становится насыщенным паром , его дальнейшее сжатие (участок ва ) приводит не к повышению давления, а к превращению насыщенного пара в жидкость. Таким образом, точки изотермы, лежащие на участке между точками a и в , соответствуют двухфазной системе, состоящей из жидкости и ее насыщенного пара, находящихся в равновесии. В точке а весь пар сжижается, система становится однофазной. Дальнейшее сжатие сжиженного газа, участок аf изотермы, сопровождается резким ростом давления.

При определенных условиях (газ без примесей, медленное сжатие) удается получить состояние в-d , называемые перенасыщенным паром . При аналогичных условиях расширения разжиженного газа удается получить состояние а-с , называемые перегретой жидкостью . Состояния перенасыщенного пара и перегретой жидкости недолговечны (метастабильны). Из них система быстро возвращается на участок а-в .

По мере увеличения температуры горизонтальный участок изотерм, соответствующий конденсации насыщенного пара, уменьшается и при некоторой температуре Т кр (Т 3 на рис.1) область перехода сжимается в одну точку К . Состояние газа в точке К называется критическим состоянием вещества , а соответствующие значения температуры, давления и объема называются критическими. При приближении к критической точке исчезает различие между жидкостью и ее насыщенным паром.

Если T>T кр, то никакое сжатие газа не переводит его в жидкое состояние.

Описание прибора для наблюдения критического состояния вещества и измерение критической температуры.

В настоящей работе критическая температура вещества (этилового эфира) определяется по исчезновению и появлению видимой границы жидкость-пар. Запаянная ампула с эфиром 2 помещена внутри нагревателя 1 , ток для нагревателя подается от сети через автотрансформатор. Температура внутри нагревателя измеряется термопарой 3 . В передней и задней стенках нагревателя имеются застекленные окна: переднее для наблюдения заднее - для освещения. Нагреватель находится внутри толстостенного кожуха с асбестовой изоляцией. Термо ЭДС фиксируется милливольтметром 4 . Градуировочная таблица 5 служит для перевода термо ЭДС в температуру.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Проверить наличие всех частей установки. Ампулу из нагревателя не вынимать ! Включить подсвет. Подключить термопару к гальванометру, подать ток в нагреватель.

ПОСЛЕ НАЧАЛА ОПЫТА НЕ РАЗРЕШАЕТСЯ РАСКРЫВАТЬ КОЖУХ И ПРОИЗВОДИТЬ ВНУТРИ ЕГО КАКИЕ-ЛИБО ИСПРАВЛЕНИЯ.

По мере нагревания наблюдать за показаниями гальванометра, включенного в цепь термопары, и по градуировочному графику судить о температуре внутри нагревателя. Начиная с 160˚С следить за видом мениска в ампуле.

Определить температуру исчезновения мениска Т 1 . Выключить автотрансформатор. Наблюдать за явлениями, происходящими в ампуле. Определить температуру Т 2 появления мениска. Вычислить среднее значение:

(1)

Опыт произвести три раза. Вычислить погрешность определения критической температуры.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Описать характер межмолекулярных сил в реальном газе.

Изобразить на PV – диаграмме изотермы реального газа и интерпретировать их характер.

Изобразить на PV –диаграмме и интерпретировать ход изотерм газа Ван-дер-Ваальса.

Как устроен прибор для наблюдения критического состояния вещества и измерения критической температуры?

Задача. Одной из моделей реального газа, предложенной Бертло, соответствует следующее уравнение состояния:

где a, b- постоянные. Найти Т кр, Р кр и V кр для газа Бертло, выразив эти величины через константы a и b.

ЛИТЕРАТУРА:

Д.В. Сивухин. Термодинамика и молекулярная физика.

(Общий курс физики).

На графике (рис. 198) очень наглядно показано, что, пока нафталин плавится, температура его не меняется. И лишь после того, как он весь расплавится, температура образовавшейся жидкости начинает повышаться. Но ведь и во время процесса плавления нафталин получает энергию от сгорающего в нагревателе топлива. А из закона сохранения энергии следует, что она не может исчезнуть. На что же расходуется энергия топлива во время процесса плавления?

На этот вопрос можно ответить, если вспомнить, что при плавлении происходит разрушение кристалла. На это и расходуется энергия.

Следовательно, энергия, которую получает кристаллическое тело, после того как оно уже нагрето до температуры плавления, расходуется на изменение его внутренней энергии при переходе в жидкое состояние.

Количество теплоты, необходимое для превращения при температуре плавления твердого кристаллического вещества массой 1 кг в жидкость, называют удельной теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления измеряют в Дж/кг и обозначают буквой λ.

Определяют удельную теплоту плавления на опыте. Так, опытным путем было установлено, что удельная теплота плавления льда равна 3,4 10 5 Дж/кг. Это означает, что для превращения куска льда массой 1 кг, взятого при 0°С, в воду такой же температуры требуется затратить 3,4 10 5 Дж.

Следовательно, при температуре плавления внутренняя энергия вещества массой 1 кг в жидком состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в твердом состоянии на удельную теплоту плавления.

Например, внутренняя энергия воды массой 1 кг при температуре 0°С на 3,4 10 5 Дж больше внутренней энергии льда массой 1 кг при той же температуре.

Пример. Для приготовления лая турист положил в котелок 2 кг льда, имеющего температуру 0°С. Какое количество теплоты необходимо для превращения этого льда в кипяток при температуре 100 °С?

Сколько теплоты понадобилось бы, если вместо льда турист взял из проруби 2 кг воды при температуре 0 °С?

Если бы вместо льда было взято 2 кг воды при 0°С, то понадобилось бы количество теплоты, необходимое только для ее нагревания от 0 до 100 °С, т. е. Q2= 8,4 10 5 Дж.

Вопросы. 1. Чем объяснить, что в течение всего времени процесса плавления кристаллического тела температура его не меняется? 2. На что расходуется энергия сгорающего в нагревателе топлива при плавлении кристаллического тела? 3. Что такое удельная теплота плавления? 4. В каких единицах выражают удельную теплоту плавления?

Упражнения. На рисунке 199 изображены графики зависимости изменения температуры от времени двух тел одинаковой массы. У какого из тел выше точка плавления? У какого больше теплота плавления ? Одинаковы ли удельные теплоемкости тел?

На данном уроке мы изучим понятие «удельная теплота плавления». Эта величина характеризует количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества при температуре плавления, чтобы оно из твердого состояния перешло в жидкое (или наоборот).

Мы изучим формулу для нахождения количества теплоты, которое необходимо для плавления (или выделяется при кристаллизации) вещества.

Тема: Агрегатные состояния вещества

Урок: Удельная теплота плавления

Данный урок посвящён основной характеристике плавления (кристаллизации) вещества - удельной теплоте плавления.

На прошлом уроке мы затрагивали вопрос: как изменяется внутренняя энергия тела при плавлении?

Мы выяснили, что при подведении теплоты внутренняя энергия тела возрастает. Вместе с тем, мы знаем, что внутренняя энергия тела может характеризоваться таким понятием, как температура. Как нам уже известно, при плавлении температура не меняется. Поэтому может возникнуть подозрение, что мы имеем дело с парадоксом: внутренняя энергия увеличивается, а температура не меняется.

Объяснение этого факта довольно простое: вся энергия тратится на разрушение кристаллической решётки. Аналогично и в обратном процессе: при кристаллизации молекулы вещества объединяются в единую систему, при этом избыток энергии отдаётся и поглощается внешней средой.

В результате различных экспериментов удалось установить, что для одного и того же вещества требуется различное количество теплоты, чтобы перевести его из твёрдого состояния в жидкое.

Тогда было решено сравнить эти количества теплоты при одинаковой массе вещества. Это привело к появлению такой характеристики, как удельная теплота плавления.

Определение

Удельная теплота плавления - количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества, нагретому до температуры плавления, чтобы перевести его из твёрдого состояния в жидкое.

Такая же величина выделяется и при кристаллизации 1 кг вещества.

Обозначается удельная теплота плавления (греческая буква, читается как «лямбда» или «ламбда»).

Единицы измерения: . В данном случае в размерности отсутствует температура, так как при плавлении (кристаллизации) температура не меняется.

Для вычисления количества теплоты, необходимого для плавления вещества, используется формула:

Количество теплоты (Дж);

Удельная теплота плавления (, которая ищется по таблице;

Масса вещества.

Когда тело кристаллизуется, пишется со знаком «-», так как тепло выделяется.

В качестве примера можно привести удельную теплоту плавления льда:

. Или удельную теплоту плавления железа:

.

То, что удельная теплота плавления льда получилась больше удельной теплоты плавления железа, не должно удивлять. Количество теплоты, которое необходимо тому или иному веществу для плавления, зависит от характеристик вещества, в частности, от энергии связей между частицами данного вещества.

На этом уроке мы рассмотрели понятие удельной теплоты плавления.

На следующем уроке мы научимся решать задачи на нагревание и плавление кристаллических тел.

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Физика, механика и т. п. ().
2. Классная физика ().
3. Интернет-портал Kaf-fiz-1586.narod.ru ().

Домашнее задание

Удельной теплотой плавления называют количество теплоты, которое требуется для расплавления одного грамма вещества. Удельная теплота плавления измеряется в джоулях на килограмм и рассчитывается, как частное от деления количества теплоты на массу плавящегося вещества.

Удельная теплота плавления для разных веществ

Различные вещества имеют разную удельную теплоту плавления.

Алюминий - металл серебристого цвета. Он легко поддается обработке и широко используется в технике. Его удельная теплота плавления составляет 290 кДж/кг.

Железо - тоже металл, один из самых распространенных на Земле. Железо находит широкое применение в промышленности. Его удельная теплота плавления равняется 277 кДж/кг.

Золото - благородный металл. Оно используется в ювелирном деле, в стоматологии и фармакологии. Удельная теплота плавления золота составляет 66.2 кДж/кг.

Серебро и платина - также благородные металлы. Их используют в изготовлении ювелирных украшений, в технике и медицине. Удельная теплота составляет 101 кДж/кг, а серебра - 105 кДж/кг.

Олово представляет собой легкоплавкий металл серого цвета. Оно широко применяется в составе припоев, для изготовления белой жести и в производстве бронзы. Удельная теплота составляет 60.7 кДж/кг.

Ртуть представляет собой подвижный металл, замерзающий при температуре -39 градусов. Это - единственный из металлов, который в нормальных условиях существует в жидком состоянии. Ртуть применяется в металлургии, медицине, технике, химической промышленности. Ее удельная теплота плавления составляет 12 кДж/кг.

Лёд представляет собой твердую фазу воды. Его удельная теплота плавления равняется 335 кДж/кг.

Нафталин - органическое вещество, сходное по химическим свойствам с . Он плавится при 80 градусах и самовоспламеняется при 525 градусах. Нафталин широко используется в химической промышленности, фармацевтике, производстве взрывчатых веществ и красителей. Удельная теплота плавления нафталина составляет 151 кДж/кг.

Газы метан и пропан используются в качестве энергоносителей и служат сырьем в химической промышленности. Удельная теплота плавления метана составляет 59 кДж/кг, а - 79.9 кДж/кг.

http://sernam. ru/book_phis_t1.php? id=272

§ 269. Удельная теплота плавления

Мы видели, что сосуд со льдом и водой, внесенный в теплую комнату, не нагревается до тех пор, пока весь лед не растает. При этом из льда при получается вода при той же температуре. В это время к смеси лед — вода притекает теплота и, следовательно, внутренняя энергия этой смеси увеличивается. Отсюда мы должны сделать вывод, что внутренняя энергия воды при больше, чем внутренняя энергия льда при той же температуре. Так как кинетическая энергия молекул, воды и льда при одна и та же, то приращение внутренней энергии при плавлении является приращением потенциальной энергии молекул

Опыт обнаруживает, что сказанное справедливо для всех кристаллов. При плавлении кристалла необходимо непрерывно увеличивать внутреннюю энергию системы, причем температура кристалла и расплава остается неизменной. Обычно увеличение внутренней энергии происходит при передаче кристаллу некоторого количества теплоты. Той же цели можно достигнуть и путем совершения работы, например трением. Итак, внутренняя энергия расплава всегда больше, чем внутренняя энергия такой же массы кристаллов при той же температуре. Это означает, что упорядоченное расположение частиц (в кристаллическом состоянии) соответствует меньшей энергии, чем неупорядоченное (в расплаве).

Количество теплоты, необходимое для перехода единицы массы кристалла в расплав той же температуры, называют удельной теплотой плавления кристалла. Она выражается в джоулях на килограмм .

При затвердевании вещества теплота плавления выделяется и передается окружающим телам.

Определение удельной теплоты плавления тугоплавких тел (тел с высокой температурой плавления) представляет нелегкую задачу. Удельная теплота плавления такого легкоплавкого кристалла, как лед, может быть определена при помощи калориметра. Налив в калориметр, некоторое количество воды определенной температуры и бросив в нее известную массу льда, уже начавшего таять, т. е. имеющего температуру , выждем, пока весь лед не растает и температура воды в калориметре примет неизменяющееся значение. Пользуясь законом сохранения энергии, составим уравнение теплового баланса (§ 209), позволяющее определить удельную теплоту плавления льда.

Пусть масса воды (включая водяной эквивалент калориметра) равна масса льда — , удельная теплоемкость воды — , начальная температура воды — , конечная — , удельная теплота плавления льда — . Уравнение теплового баланса имеет вид

.

В табл. 16 приведены значения удельной теплоты плавления некоторых веществ. Обращает на себя внимание большая теплота плавления льда. Это обстоятельство очень важно, так как оно замедляет таяние льда в природе. Будь удельная теплота плавления значительно меньше, весенние паводки были бы во много раз сильнее. Зная удельную теплоту плавления, мы можем рассчитать, какое количество теплоты необходимо для расплавления какого-либо тела. Если тело уже нагрето до точки плавления, то надо затратить теплоту только на плавление его. Если же оно имеет температуру ниже точки плавления, то надо еще потратить теплоту на нагревание. Таблица 16.

269.1. В сосуд с водой, хорошо защищенный от притока теплоты извне, бросают кусочки льда при . Сколько можно бросить льда для того, чтобы он полностью растаял, если в сосуде имеется 500 г воды при ? Теплоемкость сосуда можно считать ничтожно малой по сравнению с теплоемкостью воды в нем. Удельная теплоемкость льда равна

http://earthz.ru/solves/Zadacha-po-fizike-641

2014-06-01 В ведре находится смесь воды со льдом массой m=10кг. Ведро внесли в комнату и сразу же начали измерять температуру смеси. Получившаяся зависимость температуры от времени T(ф) изображена на рис.. Удельная теплоемкость воды равна cв=4,2Дж/(кг⋅К), удельная теплота плавления льда л=340кДж/кг.

Определите массу mл льда в ведре, когда его внесли в комнату. Теплоемкостью ведра пренебречь. Решение: Как видно из графика, первые 50 минут температура смеси не менялась и оставалась равной 0∘C. Все это время теплота, получаемая смесью из комнаты, шла на таяние льда. Через 50 минут весь лед растаял и температура воды начала повышаться. За 10 минут (от ф1=50 до ф2=60мин) температура повысилась на ДT=2∘C. Теплота, поступившая к воде из комнаты за это время, равна q=cвmвДT=84кДж. Значит, за первые 50 минут к смеси из комнаты поступило количество теплоты Q=5q=420кДж. Эта теплота и пошла на таяние массы mл льда: Q=лmл. Таким образом, масса льда в ведре, внесенном в комнату, равна mл=Q/л≈1,2кг.

http://www.msuee.ru/html2/med_gidr/l3_4.html