Глава 1. Тепловые явления. § 16. График плавления и отвердевания кристаллических тел — с. 59
§ 16. Вопрос 1. Изучите график (см. рис. 31) и опишите процессы, происходящие с водой. [на рисунке: график температуры льда и воды от времени; AB — нагревание льда от −40 °C до 0 °C, BC — плавление льда при 0 °C, CD — нагревание воды до 40 °C, DE — охлаждение воды до 0 °C, EF — отвердевание воды при 0 °C, FK — охлаждение льда]
На участке AB лёд нагревается: его температура растёт от −40 °C до 0 °C. В точке B лёд достигает температуры плавления и на участке BC плавится: температура остаётся равной 0 °C, пока весь лёд не превратится в воду (на рисунке — смесь льда и воды). Участок CD: образовавшаяся вода нагревается до 40 °C. В точке D нагревание прекращают, и на участке DE вода остывает до 0 °C. На участке EF при 0 °C вода отвердевает (кристаллизуется): температура постоянна, пока вся вода не превратится в лёд. На участке FK образовавшийся лёд продолжает охлаждаться, и температура опять понижается.
§ 16. Вопрос 2. Какие участки графика соответствуют процессам, в которых вода получает энергию, а какие — процессам, в которых вода отдаёт энергию?
Почему вы так думаете?
Энергию вода (лёд) получает на участках AB (нагревание льда), BC (плавление льда) и CD (нагревание воды): здесь температура повышается или идёт плавление, то есть внутренняя энергия вещества растёт, а это возможно только за счёт теплоты, полученной от окружающих тел (в опыте — от нагревателя). Энергию вещество отдаёт на участках DE (остывание воды), EF (отвердевание воды) и FK (остывание льда): здесь температура падает или идёт кристаллизация, внутренняя энергия вещества уменьшается, значит, теплота передаётся окружающим телам.
§ 16. Вопрос 3. Почему при плавлении льда и отвердевании воды их температура не меняется?
Температура определяется средней кинетической энергией молекул. При плавлении подводимая к льду энергия идёт не на увеличение скорости молекул, а на разрушение кристаллической решётки, то есть на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул; кинетическая энергия молекул не меняется, поэтому температура остаётся постоянной (0 °C), пока весь лёд не расплавится. При отвердевании воды происходит обратное: молекулы занимают места в решётке, потенциальная энергия уменьшается, и избыток энергии выделяется в виде теплоты, передаваемой окружающим телам. Кинетическая энергия молекул не меняется, поэтому температура остаётся равной 0 °C, пока вся вода не превратится в лёд.
§ 16. Дополнительный вопрос 1. Объясните, какие энергетические преобразования наблюдаются при отвердевании воды.
При отвердевании вода, охлаждённая до 0 °C, отдаёт окружающим телам количество теплоты. Кинетическая энергия молекул при этом не меняется (температура постоянна), а потенциальная энергия их взаимодействия уменьшается, так как молекулы замедляются настолько, что силы взаимодействия удерживают их в определённых местах, и восстанавливается кристаллическая решётка льда. Внутренняя энергия воды уменьшается на величину, равную выделившейся теплоте, и эта энергия передаётся окружающим телам (воздуху, стенкам сосуда), которые нагреваются. Именно поэтому, например, в мороз замерзающая вода немного согревает воздух вокруг себя.
§ 16. Дополнительный вопрос 2. Как показать, что стекло — тело аморфное, а поваренная соль — тело кристаллическое?
Можно нагревать оба вещества и следить за температурой. Поваренная соль (кристаллическое тело) при достижении определённой температуры (около 801 °C) начинает плавиться, и пока вся она не расплавится, температура на графике нагревания остаётся постоянной. Стекло (аморфное тело) не имеет определённой температуры плавления: при нагревании оно постепенно размягчается, становится вязким и переходит в жидкое состояние, а температура при этом всё время растёт. Кроме того, кристаллы соли даже в лупу видны как маленькие кубики с ровными гранями, а у стекла правильного геометрического строения нет, и осколок стекла имеет неправильный, раковистый излом.
Упражнение 13. Задача 1. Меняется ли в процессе плавления кинетическая энергия частиц цинка; потенциальная энергия?
Ответ обоснуйте.
Решение. Цинк — кристаллическое тело, плавится при постоянной температуре 420 °C. Температура определяет среднюю кинетическую энергию частиц, а она в процессе плавления не меняется, так как температура остаётся постоянной. Подводимая к цинку энергия идёт на разрушение кристаллической решётки, то есть на увеличение потенциальной энергии взаимодействия частиц: частицы покидают свои места, расстояния и характер взаимного расположения изменяются.
Ответ: кинетическая энергия частиц цинка при плавлении не меняется; потенциальная энергия увеличивается.
Ответ: кинетическая энергия частиц цинка при плавлении не меняется; потенциальная энергия увеличивается.
Упражнение 13. Задача 2. Продолжите график изменения температуры олова с течением времени (рис. 32) при условии, что далее происходит кристаллизация олова и его остывание до первоначальной температуры. [на рисунке: оси t, °C и τ, мин; график — прямая от 20 °C, возрастающая до 232 °C, затем горизонтальный участок на уровне 232 °C (пунктирная линия показывает 232)]
Что показано на рис. 32: олово нагревается от 20 °C до температуры плавления 232 °C (наклонный участок), затем температура перестаёт меняться — идёт плавление (горизонтальный участок при 232 °C).
Продолжение графика. 1. Когда всё олово расплавится, расплав начинает остывать; по условию далее происходит кристаллизация, поэтому остывание жидкого олова от 232 °C ограничено этой же температурой: температура 232 °C сохраняется. 2. При 232 °C олово кристаллизуется: температура постоянна, график — горизонтальный отрезок на уровне 232 °C (теплота кристаллизации равна теплоте плавления, поэтому при том же теплообмене длительность примерно такая же). 3. Когда всё олово затвердеет, твёрдое олово остывает от 232 °C до начальной температуры 20 °C: график — наклонная линия вниз до 20 °C.
На рисунке красная линия — заданная часть (нагревание от 20 до 232 °C за 4 мин и плавление до 6 мин); синяя пунктирная — продолжение (кристаллизация с 6 до 10 мин и остывание твёрдого олова до 20 °C к 14 мин). Значения времени условные: масштаб по времени на рис. 32 не задан.
Продолжение графика. 1. Когда всё олово расплавится, расплав начинает остывать; по условию далее происходит кристаллизация, поэтому остывание жидкого олова от 232 °C ограничено этой же температурой: температура 232 °C сохраняется. 2. При 232 °C олово кристаллизуется: температура постоянна, график — горизонтальный отрезок на уровне 232 °C (теплота кристаллизации равна теплоте плавления, поэтому при том же теплообмене длительность примерно такая же). 3. Когда всё олово затвердеет, твёрдое олово остывает от 232 °C до начальной температуры 20 °C: график — наклонная линия вниз до 20 °C.
На рисунке красная линия — заданная часть (нагревание от 20 до 232 °C за 4 мин и плавление до 6 мин); синяя пунктирная — продолжение (кристаллизация с 6 до 10 мин и остывание твёрдого олова до 20 °C к 14 мин). Значения времени условные: масштаб по времени на рис. 32 не задан.
Упражнение 13. Задача 3. Наблюдали ли вы, что весной во время ледохода около реки холоднее, чем вдали от неё?
Проанализируйте это явление, чтобы понять и объяснить превращения энергии, происходящие при плавлении.
Решение. Да, во время ледохода у реки заметно прохладнее. Объяснение: для плавления льда при 0 °C ему необходимо сообщать энергию (количество теплоты). Эту энергию лёд получает из окружающей среды — от воздуха и воды. Воздух возле реки отдаёт лёду часть своей внутренней энергии, поэтому его температура понижается, и около реки становится холоднее, чем вдали от неё. Энергия при этом не исчезает: она идёт на увеличение потенциальной энергии молекул воды (на разрушение кристаллической решётки льда). Внутренняя энергия воды, получившейся из льда, при 0 °C больше внутренней энергии льда той же массы при той же температуре. Для обратного процесса характерно обратное: когда вода замерзает, она отдаёт теплоту, и воздух немного согревается.
Упражнение 13. Задача 4*. Почему при изменении атмосферного давления изменяется температура плавления?
Решение. При плавлении расстояния между частицами и их взаимное расположение изменяются, и объём вещества, как правило, увеличивается. Давление влияет на то, насколько легко происходит такое изменение. Если вещество при плавлении расширяется (большинство веществ), то повышение давления затрудняет плавление: частицам труднее разойтись, и для разрушения решётки нужна более высокая температура, поэтому температура плавления повышается. Если же объём при плавлении уменьшается (лёд, висмут), то повышение давления помогает плавлению, и температура плавления понижается; поэтому, например, лёд под лезвием конька или под проволокой плавится при температуре чуть ниже 0 °C. Таким образом, температура плавления зависит от давления, потому что давление влияет на расстояния между частицами вещества и на их взаимодействие.