Питома теплота плавлення - малюнок

Питома теплота плавлення — визначення і формула



У число основних фізичних характеристик, параметрів хімічних елементів і їх сполук входить питома теплота плавлення.

Цим поняттям позначається кількість тепла, що необхідне для однієї одиниці маси речовини (тобто кілограму) під час протікання рівноважного ізобарно-ізотермічного процесу при температурі плавлення, щоб вона перейшла з твердого (кристалічного) стану в рідкий або навпаки.

Агрегатні стани речовини

Загальна інформація

Правильне розуміння питомого значення теплоти плавлення неможливе без вивчення ключових особливостей самого процесу плавлення. І при плавленні, і при кристалізації будь-якої речовини її внутрішня енергія змінюється.

При першому процесі вона зростає, оскільки це незмінно супроводжується нагріванням — головною умовою для збільшення енергії. Температура ж при плавленні залишається незмінною. У певному сенсі це парадоксально, адже внутрішня енергія може характеризуватися температурою.

Однак для збільшення енергії при незмінній температурі існує досить просте і логічне пояснення. Під час процесу плавлення руйнується просторова ґратка кристалічного тіла, на це йде вся енергія. Руйнування кристалічної ґратки вимагає витрачання певної кількості енергії з боку будь-якого зовнішнього джерела. Як наслідок, в ході процесу плавлення відбувається збільшення внутрішньої енергії тіла.

В процесі затвердіння тіла або, інакше кажучи, кристалізації, навпаки, відбувається зменшення його внутрішньої енергії, оскільки воно віддає тепло тілам, які його оточують.

Затвердіння (кристалізація) — це зворотний процес щодо плавлення. Молекули речовини утворюють загальну (єдину) систему і в ході цього об’єднання віддається надлишкова енергія, що поглинається зовнішнім середовищем.

Що таке плавлення - визначення

Основні відомості про теплоту плавлення

За законом збереження енергії тіло поглинає в ході плавлення і віддає під час затвердіння (при необхідній для кожного з цих процесів температурі) рівну кількість тепла.

Теплотою плавлення називають кількість теплоти, яка необхідна для того, щоб фізичне тіло при температурі плавлення перейшло в рідкий стан з твердого. Це теплове явище – окремий випадок фазового переходу в термодинаміці.

На теплоту плавлення впливають маса речовини, що плавиться, а також властивості, якими вона володіє і які для неї характерні. Цей зв’язок між теплотою плавлення фізичного тіла і родом речовини, що виражається через залежність першого від другого, вимірюється питомою величиною.

Для плавлення речовини потрібна така ж кількість тепла, яке виділяється при кристалізації, тому визначення питомого значення теплоти існує у двох рівнозначних поняттях:

  • для плавлення;
  • для кристалізації.

У цієї величини є і альтернативне найменування – ентальпія плавлення.

Формула плавлення

Особливості вимірювання

Експериментальним шляхом вчені-фізики встановили, що для переходу однієї і тієї ж речовини в рідкий з твердого стану потрібна різна кількість теплоти. Потім дослідниками-експериментаторами було прийнято рішення порівняти ці показники при однаковій масі речовини. Так з’явилося поняття питомої величини.

Згідно з її спрощеним визначенням, питома величина показує співвідношення теплоти плавлення тіла певної речовини і її маси. Цей показник вважається головною характеристикою як для плавлення, так і для кристалізації.

Одиницею вимірювання цієї величини, згідно з міжнародною системою одиниць, вважається Дж/кг (джоуль на кілограм). Позначається питомий показник буквою лямбда “λ” (рідше зустрічається прочитання як ламбда) з грецького алфавіту (аналог кириличної літери «л»).

Знаходять питому теплоту плавлення за формулою:

λ = Q/m

де

  • Q — це позначення кількості теплоти, яку речовина отримала при плавленні або виділила в процесі кристалізації,
  • m — маса речовини (плавиться або кристалізується).

Відсутність температурного показника в розмірності обумовлено тим, що температура не змінюється ні при плавленні, ні при кристалізації.

Питома величина при плавленні завжди позитивна, а при кристалізації — негативна. Виняток з цього правила існує (або, вірніше, відомий науці) тільки єдиний — це хімічний елемент системи Менделєєва під назвою гелій, що знаходиться під високим тиском. Він при плавленні негативний.

Щоб перевести речовину в розмірі одного кілограма з твердого стану в рідкий, потрібно нагріти її до температури плавлення і підвести до неї теплоту в кількості, що дорівнює питомому показнику. В процесі кристалізації одного кілограма речовини тепло виділяється рівно в тій же кількості.

Для знаходження кількості теплоти, необхідного для плавлення або кристалізації речовини при відповідних температурах, потрібно питому величину помножити на масу речовини.

Для тіл, що кристалізуються, цей показник буде зі знаком мінус, тобто негативним. Це пов’язано з тим, що в процесі затвердіння все тепло втрачається — виділяється не зберігаючись.

Кристалізація речовини - визначення

Порівняльна таблиця

Таблиця з питомою теплотою плавлення деяких речовин і хімічних елементів (речовини в таблиці розташовані не в алфавітному порядку, а по зменшенню їх питомого показника):

Назва речовини або елемента Питомий показник теплоти плавлення в кДж/кг
Алюміній 390
Лід 330
Залізо 277
Мідь 213
Нафталін 151
Парафін 150
Ефір 113
Цинк 112
Срібло 105
Платина 101
Сірий чавун 100
Сталь 83
Золото 66
Олово 61
Свинець 25
Білий чавун 14
Ртуть 12

Питомі величини для цих речовин вважаються табличними (постійними і відомими) значеннями, тому проводити розрахунки для їх пошуку немає ніякої необхідності.

Питома теплота плавлення - визначення і формула

Споріднені величини

Так звані питомі показники існують для характеристики не тільки плавлення і кристалізації. У фізичній науці крім цих процесів питомими величинами теплоти характеризуються:

  • пароутворення;
  • конденсація;
  • теплоємність.

Питомий показник теплоти пароутворення і конденсації показує об’єм теплоти, необхідний для звернення одиниці маси рідини в пар і навпаки.

Формула цієї величини:

Q/m

Таким чином, по суті, це те ж саме, що і ентальпія плавлення і кристалізації.

Що стосується питомої теплоємності, то це показник співвідношення теплоємності і маси речовини. Він дорівнює об’єму теплоти, передача якого одиничній масі речовини необхідна для зміни його температури на один градус.

Питома теплота плавлення - формула

Тематичні завдання

Вивчення теплових явищ і їх особливостей, до числа яких відноситься і питома теплота, входить в шкільну програму з фізики для старших класів. Для перевірки засвоєння пройденого матеріалу використовуються тематичні завдання.

Завдання на знаходження питомої теплоти пароутворення крім звичайних текстових умов в більшості випадків супроводжуються графіками, що показують температурні зміни, які відбувалися з речовиною в міру поглинання нею теплоти.

Але графічні завдання – не найцікавіші. У число цікавих завдань входять такі:

Шматок льоду, що знаходився в температурі -90 градусів Цельсія, почали нагрівати за допомогою підведення до нього теплової потужності постійного типу. Після 63 секунд від початку нагрівання лід досяг температури, необхідної для плавлення. Потрібно знайти час в секундах, що займе процес плавлення льоду від моменту його досягнення потрібного нагріву за умови, що втрати теплоти немає. Відповідь: 110 секунд.

Шматок свинцю, який перебував у температурі +27,5 градуса Цельсія, шляхом підведення до нього постійної теплової потужності почали нагрівати. Через 39 секунд після початку нагрівання температура свинцю досягла рівня плавлення (+327,5 градуса Цельсія). Потрібно визначити тривалість процесу плавлення свинцю в секундах від цього моменту, з урахуванням відсутності теплових втрат. Відповідь: 25 секунд.

Плавлення - визначення

Порівняння відповідей цих завдань дозволяє оцінити різницю між питомими величинами плавлення льоду і свинцю. У першого вона дуже велика, а у другого, навпаки, маленька. Це не дивно — кількість теплоти, що потрібне для плавлення, безпосередньо залежить від властивостей і характеристик речовини, зокрема — від енергії зв’язків, що з’єднують частинки цієї речовини між собою.

Роль великої питомої величини, якою володіє лід, неоціненна як для природи, так і для людства. Якби цей показник був менше, то по весні всі льоди і сніги розтанули, що обернулося б жахливими наслідками. Потоки води, що утворилися в результаті такого танення, змили б все на своєму шляху.

На щастя, крижані і снігові маси не здатні розтанути вмить. Фізичні властивості цих речовин зайвий раз доводять, що природа — геніальний і неповторний творець.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *