Aniks-lift.ru

Подъемное оборудование
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Агрегатные состояния вещества. Плавление и отвердевание кристаллических тел

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Агрегатные состояния вещества. Плавление и отвердевание кристаллических тел»

Вы хорошо знаете, что одно и то же вещество может находиться в трёх агрегатных состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном. Эти состояния вещества различаются расположением, характером движения и взаимодействия молекул. При некоторых условиях, например при определённых значениях температуры и давления, вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое. Самым известным таким примером служат вода, лёд и пар.

Переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое называют агрегатными превращениями.

Многие природные явления обусловлены естественным изменением агрегатных состояний различных веществ. Например, хорошо знакомый вам большой круговорот воды в природе, объясняется изменением агрегатного состояния воды.

Конечно же у вас могут возникнуть вопросы: при каких условиях происходит переход вещества из одного агрегатного состояния в другое? Или как объяснить изменение агрегатного состояния вещества?

Давайте попытаемся найти ответы на эти и другие вопросы. Вы уже знаете, что молекулы одного и того же вещества не меняются с изменением его агрегатного состояния. А меняется их расположение, характер движения и взаимодействия.

Твёрдое тело Жидкость Газ

Вспомним, что в твёрдых телах молекулы плотно прилегают друг к другу и могут только колебаться около своих положений равновесия.

Из-за сильного взаимодействия в твёрдом веществе частиц друг с другом, и отсутствие у них подвижности, приводит к тому, что твёрдые тела сохраняют свою форму и объём.

В жидкостях, молекулы расположены немного дальше друг от друга. Поэтому они совершают беспорядочные колебания и вращения в одном положении, а также могут перемещаться друг относительно друга.

Наличие сил притяжения между молекулами обеспечивает жидкости сохранение объёма, а перемещения — текучесть.

В газах молекулы расположены на значительном расстоянии друг от друга. Поэтому молекула в газе двигается свободно до момента столкновения с другой молекулой или стенкой сосуда, в котором он находится.

А если газу не мешают стенки сосуда, то его молекулы разлетаются в различных направлениях.

Давайте рассмотрим несколько примеров о том, как люди используют изменение агрегатных состояний веществ в своих целях. Существует такое устройство, как паровая турбина.

Это тепловой двигатель, в котором за счёт разности давлений энергия пара преобразуется в механическую энергию.

Также, чтобы придать ту или иную форму металлическим изделиям, люди сначала приводят металлы к жидкому состоянию, а потом остужают их.

А, например, сжиженный газ используется в холодильных установках.

На прошлых уроках мы с вами говорили о том, что при теплопередаче изменяется внутренняя энергия тела. И чаще всего это связано с изменением его температуры. Но при этом агрегатное состояние вещества остаётся прежним. Однако существуют процессы, при которых внутренняя энергия вещества при получении теплоты увеличивается, а температура остаётся постоянной.

К таким процессам относятся плавление и кристаллизация (отвердевание). Изучим эти процессы с помощью опыта.

Возьмём калориметр, во внутренний сосуд которого положим немного измельчённого льда при температуре минус десять градусов по Цельсию.

Опустим в него термометр и оставим на столе. Будем следить за изменением температуры льда и процессами, которые с ним происходят. Наблюдения показывают, что какое-то время лёд остаётся в твёрдом состоянии, а его температура постепенно повышается.

При температуре в 0 о С лёд начинает плавиться, в сосуде появляется вода, но температура льда остаётся неизменной. И она не будет изменяться до тех пор, пока весь лёд не перейдёт в жидкое состояние. Только после этого температура образовавшейся изо льда воды начинает повышаться. И это будет происходить до тех пор, пока она не станет равной комнатной температуре.

Такой переход вещества из твёрдого состояния в жидкое называют плавлением.

Читайте так же:
Кабель канал фото в интерьере

Из наблюдений можно сделать несколько важных выводов. Во-первых, лёд начинает плавиться при определённой температуре. Важно отметить, что лёд находится в кристаллическом состоянии. Следовательно, процесс плавления кристаллических тел происходит при определённой температуре, которую называют температурой плавления.

Во-вторых, температура льда и образовавшейся воды во время всего процесса плавления остаётся неизменной. Таким образом, во время процесса плавления кристаллического вещества его температура остаётся постоянной.

Процесс плавления любых кристаллических тел протекает аналогично рассмотренному процессу плавления льда. То есть чтобы расплавить твёрдое кристаллическое тело, необходимо нагреть его до температуры плавления и в дальнейшем сообщать ему энергию до тех пор, пока всё оно не превратится в жидкость. Исключение составляют те вещества, которые меняют свой химический состав или сразу превращаются в газ.

Различные кристаллические вещества имеют разную температуру плавления.

Из таблицы видно, что температуры плавления различных веществ лежат достаточно в широком диапазоне.

Температуру плавления приходится учитывать при создании бытовой и промышленной техники. Так, например, спирали лампочек и нагревательных элементов делают из тугоплавких материалов. А в самолётостроении, в ракетной и космической промышленности используют материалы с очень высокой температурой плавления.

Но вернёмся к нашему опыту с калориметром. Поместим его, вместе с находящейся в нём водой, в морозильную камеру и проследим за изменением температуры воды.

Заметим, что сначала вода будет охлаждаться до 0 о С, отдавая при этом некоторое количество теплоты окружающему воздуху. При этом будет уменьшаться и её внутренняя энергия за счёт уменьшения средней кинетической энергии движения молекул. Когда температура воды станет равной 0 о С, она начнёт превращаться в лёд. При этом температура воды не будет изменяться до тех пор, пока вся она не перейдёт в твёрдое состояние.

Процесс перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое называют отвердеванием или кристаллизацией.

Данный процесс сопровождается выделением определённого количества теплоты и соответственно уменьшением внутренней энергии вещества за счёт уменьшения потенциальной энергии взаимодействия его молекул.

Температура, при которой тело отвердевает или кристаллизуется, называется температурой отвердевания или кристаллизации. Эта температура остаётся неизменной во время всего процесса кристаллизации.

Из опыта следует, что для кристаллических тел температура кристаллизации равна температуре плавления.

В заключении отметим, что понятия «температура плавления» и «температура кристаллизации» применимы не ко всем веществам. Например, согрев рукой кусок холодного твёрдого пластилина, мы ощутим постепенное уменьшение его твёрдости. Продолжая нагрев на каком-либо нагревателе, можно перевести пластилин в состояние вязкой жидкости. Но мы не обнаружим определённой температуры плавления. То же самое происходит при нагревании стекла. Наблюдается непрерывное уменьшение твёрдости стекла и увеличение его текучести. Причина такого поведения указанных веществ в отсутствии в их строении правильного повторяющегося расположения частиц. Этот особый вид тел принято называть аморфными телами. Помимо стекла и пластилина, к ним ещё относятся, например, твёрдая смола, сургуч, различного вида пластмассы и так далее.

Поэтому помните, что понятия «температура плавления» и «температура кристаллизации» применимы лишь к телам, имеющим кристаллическое строение.

Твердое и жидкое состояние металла

Какая температура плавления

Многие знакомы с металлами и сплавами по их твердому состоянию. Они встречаются практически во всех сферах деятельности. Только в металлургии и в производственных цехах металл встречается в жидком состоянии. Это связано с тем, что для преобразования кристаллической решетки приходится проводить нагрев сырья до рекордных температур.

Твердое состояние характеризуется следующими качествами:

  1. Структура держит свою форму. Сталь известна тем, что может выдерживать серьезную нагрузку в течение длительного периода.
  2. Каждому материалу свойственны свои показатели прочности и твердости, вязкости.
  3. Постоянный химический состав. Поверхность стали или других сплавов может реагировать на воздействие химических веществ, окисляться или покрываться коррозий, но вот химический состав остается неизменным.
  4. Возможность обработки резанием. При повышении пластичности не образуется стружка на момент механической обработки, что существенно усложняет процесс.
Читайте так же:
Лезвия для педикюрного станка

В жидком или вязком состоянии металл приобретает совсем другие свойства:

  1. Высокая пластичность позволяет выполнять литье по форме, ковку или проводить другую обработку, связанную с пластической деформацией заготовок.
  2. Есть возможность изменить химический состав путем добавления легирующих элементов. За счет подвижной кристаллической решетки можно проводить насыщение структуры стали хромом, никелем, титаном и многими другими веществами.
  3. Термическая обработка проводится также при температуре, которая приводит к перестроению кристаллической решетки. Однако при закалке металл сохраняет свою форму, то есть структура остается твердой.

Существуют сплавы, которые можно разогреть до жидкого состояния и в домашних условиях. Примером можно назвать олово, применяемое при изготовлении припоя. Температура плавления олова находится в пределах 250 градусов Цельсия. Этот показатель нагрева можно достигнуть при применении обычного паяльника.

Классификация металлов по температуре плавления

В физике переход твердого тела в жидкое состояние характерен только для веществ кристаллической структуры. Температуру плавления металлов чаще обозначают диапазоном значений, для сплавов точно определить нагрев до пограничного фазового состояния сложно. Для чистых элементов каждый градус имеет значение, особенно, если это легкоплавкие элементы,

значения не имеет. Сводная таблица показателей t обычно делится на 3 группы. Помимо легкоплавких элементов, которые максимально нагревают до +600°С, указывают тугоплавкие, выдерживающие нагрев свыше +1600°С, и среднеплавкие. В этой группе сплавы, образующие ванну расплава при температуре от +600 до 1600°С.

Сплавы на основе олова

Описание сплава олово

Сплавы на основе олова также известны, как белые металлы, обычно содержат в своем составе медь, сурьму и свинец. Сплавы обладают различными механическими свойствами в зависимости от их состава.

Сплавы олова со свинцом нашли свое коммерческое использование для широкого набора составов. Так, 61,9% олова и 38,1% свинца соответствуют эвтектическому составу, градус затвердевания которого составляет 183 °C. Сплавы с другим соотношением этих металлов плавятся и кристаллизуются в широком интервале температур, когда существует равновесие между твердой и жидкой фазами. При такой кристаллизации в расплаве начинают выделяться твердые сегрегации, которые приводят к образованию различных структур. Сплав эвтектического состава, так как имеет наименьшую температуру плавления, используется в качестве предохранителя от перегрева компонентов электроники.

Также существуют сплавы, в которых помимо указанных металлов присутствует небольшое количество сурьмы (до 2,5%). Основной проблемой сплавов на основе олова и свинца является их отрицательное влияние на экологию, поэтому в последнее время разрабатываются их заменители, в которых не используется свинец, например, сплавы с серебром и медью.

Сплавы олова со свинцом и сурьмой используют для декоративных украшений, а некоторые сплавы олова, меди и сурьмы используют в качестве смазки для уменьшения трения в подшипниках, благодаря их антифрикционным свойствам. Помимо вышесказанных сплавов, олово используют в бронзовых сплавах и в сплавах с титаном и цирконием.

Изменение температуры

Явление термодинамического равновесия тел, составляющих систему, говорит о наличии одинаковой температуры этих тел. Произвести замер температуры можно лишь косвенно, взяв за основу зависимость от температуры таких физических свойств тел, которые можно измерить непосредственно.

Вещества или тела, применяемые для получения значения температуры, называют термометрическими.

Допустим, два теплоизолированных тела приведены в тепловой контакт. Одно тело передаст другому поток энергии: запустится процесс теплопередачи. При этом тело, отдающее тепло, обладает соответственно большей температурой, чем тело, «принимающее» поток тепла. Очевидно, что через некоторое время процесс теплопередачи остановится и наступит тепловое равновесие: предполагается, что температуры тел выравниваются относительно друга, их значения будут находиться где-то в интервале между исходными значениями температур. Таким образом, температура служит некоторой меткой теплового равновесия. Получается, что любая величина t , удовлетворяющая требованиям:

  1. t 1 > t 2 , когда происходит теплопередача от первого тела ко второму;
  2. t 1 ‘ = t 2 ‘ = t , t 1 > t > t 2 , при установлении теплового равновесия может приниматься за температуру.

Также отметим, что тепловое равновесие тел подчинено закону транзитивности.

Закон транзитивности: когда два тела находятся в равновесии с третьим, то и между собой они пребывают в тепловом равновесии.

Читайте так же:
Десульфатация необслуживаемого аккумулятора зарядным устройством

Важной чертой указанного определения температуры является его неоднозначность. Выбрав по-разному величины, отвечающие установленным требованиям (что отразится на способах измерения температуры), возможно получить несовпадающие шкалы температур.

Температурная шкала – это способ деления на части интервала температуры.

Общеизвестным устройством для измерения температуры является термометр. Для рассмотрения возьмем термометры различного устройства. Первый представлен ртутным столбиком в капилляре термометра, и значение температуры здесь определяется длиной этого столбика, отвечающей условиям 1 и 2 , указанным выше.

И еще один способ измерить температуру: используя термопару – электрическую цепь с гальванометром и двумя спаями разнородных металлов (рисунок 1 ).

Изменение температуры

Один спай находится в среде с фиксированной температурой (в нашем примере это тающий лед), другой – в среде, температуру которой необходимо определить. Здесь признаком температуры является ЭДС термопары.

Указанные способы измерения температуры не дадут одинаковых результатов. И для перехода одной температуры к другой следует построить градуировочную кривую, которая установит зависимость ЭДС термопары от длины ртутного столбика. В этом случае равномерная шкала ртутного термометра преобразуется в неравномерную шкалу термопары (или наоборот). Равномерные шкалы измерения температур ртутного термометра и термопары создают две абсолютно различные температурные шкалы, на которых тело в одном и том же состоянии будет иметь различные температуры. Также возможно рассмотреть одинаковые по устройству термометры, но имеющие разные «термические тела» (к примеру, ртуть и спирт): мы не будем наблюдать совпадения температурных шкал и в этом случае. График зависимости длины ртутного столбика от длины спиртового столбика не будет линейным.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что понятие температуры, базирующееся на законах теплового равновесия, неоднозначно. Подобная температура является эмпирической, зависит от способа измерения. За «нуль» шкалы эмпирической температуры принимается произвольная точка. Согласно определению эмпирической температуры, физический смысл несет лишь разность температур или ее изменение. Любая эмпирическая температурная шкала приводится в вид термодинамической температурной шкалы при использовании поправок, которые учтут характер связи термометрического свойства с термодинамической температурой.

Энергия теплового движения при абсолютном нуле

Существует множество различных шкал температур. Когда-то температура определялась очень произвольно. Мерой температуры служили метки, нанесённые на равных расстояниях на стенах трубочки, в которой при нагревании расширялась вода. Потом решили измерить температуру , которая не зависит от свойств вещества. Из термодинамики следует, что если какая-то тепловая машина, поглощая количество теплоты

<displaystyle Q_<1 data-lazy-src=

<displaystyle Q_<1 data-lazy-src=

визКельвинЦельсийФаренгейтСравнение температурных шкал

¹ Нормальная средняя температура человеческого тела — 36.6 ° C ±0.7 ° C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F — это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 ° C. Однако это значение не входит в диапазон нормальной средней температуры тела человека, поскольку температура разных частей тела разная [1] .

Температура плавления металлов

Металлы и неметаллы

Любой кусок металла, например, алюминия, содержит миллионы отдельных кристаллов, которые называются зернами. Каждое зерно имеет свою уникальную ориентацию атомной решетки, но все вместе зерна ориентированы внутри этого куска случайным образом. Такая структура называется поликристаллической.

Аморфные материалы, например, стекло, отличаются от кристаллических материалов, например, алюминия, по двум важным отличиям, которые связаны друг с другом:

  • отсутствие дальнего порядка молекулярной структуры
  • различия в характере плавления и термического расширения.

Различие молекулярной структуры можно видеть на рисунке 1. Слева показана плотно упакованная и упорядоченная кристаллическая структура. Аморфный материал показан справа: менее плотная структура со случайным расположением атомов.

Различие структуры кристаллических и аморфных материалов

Рисунок 1 – Структура кристаллических (а) и аморфных (б) материалов.
Кристаллическая структура: упорядоченная, повторяющаяся и плотная,
аморфная структура – более свободно упакованная
с беспорядочным расположением атомов.

Плавление металлов

Это различие в структуре проявляется при плавлении металлов, в том числе, плавлении алюминия различной чистоты и его сплавов. Менее плотно упакованные атомы дают увеличение объема (снижение плотности) по сравнению с тем же металлом в твердом кристаллическом состоянии.

Металлы при плавлении испытывают увеличение объема. У чистых металлов это объемное изменение происходит весьма резко и при постоянной температуре – температуре плавления, как это показано на рисунке 2. Это изменение представляет собой разрыв между наклонными линиями по обе стороны от точки плавления. Обе эти наклонные линии характеризуют температурное расширение металла, которое обычно является различным в жидком и твердом состоянии.

Кривые нагрева чистого кристаллического материала (чистого алюминия) и аморфного материала

Рисунок 2 – Характерное изменение объема чистого металла
по сравнению с изменением объема аморфного материала [4]:
Tg – температура стеклования (перехода жидкого состояния в твердое);
Tm – температура плавления

Теплота плавления

С этим резким увеличением объема при переходе металла из твердого состояния в жидкое связано определенное количество тепла, которое называется скрытой теплотой плавления. Это тепло заставляет атомы терять плотную и упорядоченное кристаллическую структуру. Этот процесс является обратимым, он работает в обоих направлениях – и при нагреве, и при охлаждении.

Равновесная температура плавления

Как было показано выше, чистые кристаллические вещества, например, чистые металлы, имеют характерную температуру плавления, которую часто называют «точкой плавления». При этой температуре это чистое твердое кристаллическое вещество плавится и становится жидкостью. Переход между твердым и жидким состоянием для малых образцов чистых металлов настолько мал, что может измеряться с точностью 0,1 ºС.

Жидкости имеют характерную температуру, при которой они превращаются в твердое вещество. Эту температуру называют температурой затвердевания или точкой затвердевания. Теоретически – в равновесных условиях – равновесная температура плавления твердого вещества является той же самой, что и равновесная температура его затвердевания. На практике можно наблюдать небольшие различия между этими величинами (рисунок 3).

Температура плавления/затвердевания на кривых нагрева и охлаждения чистого металла, например, чистого алюминия

Рисунок 3 – Кривые охлаждения и нагрева чистого металла.
Видны явления переохлаждения при охлаждении и перегрева при нагреве.
В начале затвердевания наблюдается впадина на кривой охлаждения,
что объясняется замедленным началом кристаллизации [4]

Температуры ликвидус и солидус

  • Температура начала плавления называется температурой солидус (или точкой солидус)
  • Температура окончания плавления – температурой ликвидус (или точкой ликвидус).

«Солидус» означает, понятно, твердый, а «ликвидус» – жидкий: при температуре солидуса весь сплав еще твердый , а при температуре ликвидуса – весь уже жидкий .

При затвердевании этого сплава из жидкого состояния температура начала кристаллизации (затвердевания) будет та же температурой ликвидус, а окончания кристаллизации – та же температура солидус. При температуре сплава между его температурами солидуса и ликвидуса он находится в полужидком-полутвердом, кашеобразном состоянии.

Что такое удельная теплота плавления

Удельной теплотой плавления λ (греческая буква “лямбда”), называется физическая величина, равная количеству тепла, которое необходимо передать твердому телу массой 1 кг, чтобы полностью перевести его в жидкую фазу. Формула удельной теплоты плавления выглядит так:

m — масса плавящегося вещества, кг;

Q — количество тепла, переданное веществу при плавлении, Дж.

Значения λ для разных веществ определяют экспериментально. Размерность λ следует из формулы (1):

Зная λ, можно рассчитать количество тепла Q, которое необходимо сообщить телу массой m для его полного расплавления:

При отвердевании ровно такое же количество тепла будет возвращено в окружающую среду.

Некоторые вещества при нагревании минуют стадию плавления и сразу испаряются. Такой процесс называют сублимацией или возгонкой. Примером такого вещества может служить кристаллический йод. Обратный переход из газообразного состояния, проходящий без образования жидкой фазы, называется десублимацией. Примерами таких переходов служат образование кристаллов йода из паров йода и выпадение инея и снежинок из водяных паров воздуха.

Образование узоров инея на стекле

Рис. 3. Образование узоров инея на стекле.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector