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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.