Ciepło właściwe topnienia lodu J mol. Ciepło właściwe topnienia różnych substancji. Temat: Zbiorcze stany materii

Gęstość, przewodność cieplna i pojemność cieplna lodu w zależności od temperatury

W tabeli przedstawiono wartości gęstości, przewodności cieplnej i ciepła właściwego lodu w zależności od temperatury w zakresie od 0 do -100°C.

Zgodnie z tabelą można zauważyć, że wraz ze spadkiem temperatury pojemność cieplna właściwa lodu maleje, podczas gdy przewodność cieplna i gęstość lodu wręcz przeciwnie, rosną. Na przykład, w temperaturze 0°C gęstość lodu wynosi 916,2 kg/m 3, a w temperaturze minus 100°C jego gęstość wynosi 925,7 kg/m 3 .

Ciepło właściwe lodu w temperaturze 0°C wynosi 2050 J/(kg stopnia). Kiedy temperatura lodu spada od -5 do -100°C, jego ciepło właściwe zmniejsza się 1,45 razy. Pojemność cieplna lodu jest dwa razy mniejsza.

Przewodność cieplna lodu, gdy jego temperatura spada od 0 do minus 100°C, wzrasta z 2,22 do 3,48 W/(m stopnia). Lód lepiej przewodzi ciepło niż woda – w tych samych warunkach brzegowych może przewodzić 4 razy więcej ciepła.

Należy zauważyć, że gęstość lodu jest mniejsza, jednak wraz ze spadkiem temperatury gęstość lodu wzrasta i gdy temperatura zbliża się do zera absolutnego, gęstość lodu zbliża się do gęstości wody.

Właściwości termofizyczne lodu i śniegu

W tabeli przedstawiono następujące właściwości lodu i śniegu:

• gęstość lodu, kg/m3;
• przewodność cieplna lodu i śniegu, kcal/(m·godzina·deg) i W/(m·deg);
• masowa pojemność cieplna właściwa lodu, kcal/(kg deg) i J/kg deg);
• współczynnik dyfuzyjności cieplnej, m 2 /godzinę i m 2 /sek.

Przedstawiono właściwości lodu i śniegu w zależności od temperatury w zakresie: dla lodu od 0 do -120°C; dla śniegu od 0 do -50°C w zależności od zagęszczenia (gęstości). Dyfuzyjność cieplną lodu i śniegu w tabeli podano za pomocą mnożnika 10 6. Przykładowo, dyfuzyjność cieplna lodu w temperaturze 0°C wynosi 1,08·10 -6 m 2 /s.

Prężność pary nasyconej lodu

W tabeli przedstawiono wartości prężności pary nasyconej lodu podczas sublimacji (przejścia lodu w parę z pominięciem fazy ciekłej) w zależności od temperatury w zakresie od 0,01 do -80°C. Z tabeli jasno to wynika Wraz ze spadkiem temperatury lodu zmniejsza się prężność pary nasyconej.

Źródła:

1. Wołkow. AI, Zharsky. ICH. Duży podręcznik chemiczny. - M: Szkoła Radziecka, 2005. - 608 s.

Ciepło właściwe topnienia to ilość ciepła potrzebna do stopienia jednego grama substancji. Właściwe ciepło topnienia mierzy się w dżulach na kilogram i oblicza się jako iloraz ilości ciepła podzielonej przez masę topiącej się substancji.

Ciepło topnienia właściwe różnych substancji

Różne substancje mają różne ciepło topnienia.

Aluminium jest metalem w kolorze srebrnym. Jest łatwy w obróbce i ma szerokie zastosowanie w technologii. Jego ciepło właściwe topnienia wynosi 290 kJ/kg.

Żelazo to także metal, jeden z najpowszechniejszych na Ziemi. Żelazo jest szeroko stosowane w przemyśle. Jego ciepło właściwe topnienia wynosi 277 kJ/kg.

Złoto jest metalem szlachetnym. Stosowany jest w jubilerstwie, stomatologii i farmakologii. Ciepło właściwe topnienia złota wynosi 66,2 kJ/kg.

Srebro i platyna to także metale szlachetne. Wykorzystuje się je w produkcji biżuterii, technologii i medycynie. Ciepło właściwe wynosi 101 kJ/kg, a srebra 105 kJ/kg.

Cyna jest niskotopliwym szarym metalem. Jest szeroko stosowany w lutach, do produkcji blachy białej i do produkcji brązu. Ciepło właściwe wynosi 60,7 kJ/kg.

Rtęć to mobilny metal, który zamarza w temperaturze -39 stopni. To jedyny taki metal normalne warunki występuje w stanie ciekłym. Rtęć wykorzystywana jest w metalurgii, medycynie, technologii i przemyśle chemicznym. Jego ciepło właściwe topnienia wynosi 12 kJ/kg.

Lód jest fazą stałą wody. Jego ciepło właściwe topnienia wynosi 335 kJ/kg.

Naftalen - materia organiczna, podobny w właściwości chemiczne Z . Topi się w temperaturze 80 stopni i zapala się samoistnie w temperaturze 525 stopni. Naftalen ma szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, materiałach wybuchowych i barwnikach. Ciepło właściwe topnienia naftalenu wynosi 151 kJ/kg.

Gazy metan i propan wykorzystywane są jako nośniki energii oraz służą jako surowce w przemyśle chemicznym. Ciepło właściwe topnienia metanu wynosi 59 kJ/kg, a - 79,9 kJ/kg.

Na tej lekcji omówimy pojęcie „ciepła właściwego topnienia”. Wartość ta charakteryzuje ilość ciepła, jaką należy przekazać 1 kg substancji w jej temperaturze topnienia, aby przeszła ona ze stanu stałego w ciekły (lub odwrotnie).

Przeanalizujemy wzór na znalezienie ilości ciepła potrzebnego do stopienia (lub uwolnienia podczas krystalizacji) substancji.

Temat: Zbiorcze stany materii

Lekcja: Ciepło właściwe topnienia

Ta lekcja poświęcona jest głównej charakterystyce topnienia (krystalizacji) substancji - ciepłu właściwemu topnienia.

Na ostatniej lekcji poruszyliśmy kwestię: jak zmienia się energia wewnętrzna ciała podczas topnienia?

Odkryliśmy, że po dodaniu ciepła energia wewnętrzna ciała wzrasta. Jednocześnie wiemy, że energię wewnętrzną ciała można scharakteryzować za pomocą takiego pojęcia jak temperatura. Jak już wiemy, temperatura nie zmienia się podczas topienia. Można zatem podejrzewać, że mamy do czynienia z paradoksem: energia wewnętrzna wzrasta, ale temperatura się nie zmienia.

Wyjaśnienie tego faktu jest dość proste: cała energia jest wydawana na zniszczenie sieci krystalicznej. Odwrotny proces przebiega podobnie: podczas krystalizacji cząsteczki substancji łączą się w jeden układ, a nadmiar energii jest oddawany i pochłaniany przez środowisko zewnętrzne.

W wyniku różnych eksperymentów udało się ustalić, że jest to wymagane dla tej samej substancji inna ilość ciepła, aby zmienić jego stan ze stałego w ciekły.

Następnie zdecydowano się porównać te ilości ciepła z tą samą masą substancji. Doprowadziło to do pojawienia się takiej cechy, jak ciepło właściwe topnienia.

Definicja

Ciepło właściwe topnienia- ilość ciepła, jaką należy przekazać 1 kg substancji ogrzanej do temperatury topnienia, aby przejść ze stanu stałego w ciekły.

Taka sama ilość uwalnia się podczas krystalizacji 1 kg substancji.

Oznacza się je ciepłem właściwym topnienia (grecka litera czytana jako „lambda” lub „lambda”).

Jednostki: . W tym przypadku w wymiarze nie ma temperatury, ponieważ podczas topienia (krystalizacji) temperatura się nie zmienia.

Aby obliczyć ilość ciepła potrzebną do stopienia substancji, stosuje się wzór:

Ilość ciepła (J);

Specyficzne ciepło topnienia (które szuka się w tabeli;

Masa substancji.

Kiedy ciało się krystalizuje, jest to zapisywane ze znakiem „-”, ponieważ wydziela się ciepło.

Przykładem jest ciepło właściwe topnienia lodu:

. Lub ciepło właściwe topnienia żelaza:

.

Nie powinien dziwić fakt, że ciepło właściwe topnienia lodu okazało się większe od ciepła właściwego topnienia żelaza. Ilość ciepła potrzebna do stopienia danej substancji zależy od właściwości substancji, w szczególności od energii wiązań między cząsteczkami tej substancji.

Na tej lekcji przyjrzeliśmy się pojęciu ciepła właściwego topnienia.

Na następnej lekcji nauczymy się rozwiązywać problemy polegające na ogrzewaniu i topieniu ciał krystalicznych.

Bibliografia

1. Gendenshtein L. E., Kaidalov A. B., Kozhevnikov V. B. Fizyka 8 / wyd. Orlova V. A., Roizena I. I. - M.: Mnemosyne.
2. Peryshkin A.V. Fizyka 8. - M .: Drop, 2010.
3. Fadeeva A. A., Zasov A. V., Kiselev D. F. Fizyka 8. - M .: Edukacja.

1. Fizyka, mechanika itp. ().
2. Fajna fizyka ().
3. Portal internetowy Kaf-fiz-1586.narod.ru ().

Praca domowa

Widzieliśmy, że naczynie z lodem i wodą wniesione do ciepłego pomieszczenia nie nagrzewa się, dopóki cały lód się nie stopi. W tym przypadku wodę uzyskuje się z lodu o tej samej temperaturze. W tym czasie do mieszaniny lód-woda napływa ciepło i w konsekwencji wzrasta energia wewnętrzna tej mieszaniny. Z tego musimy wywnioskować, że energia wewnętrzna wody w temperaturze jest większa niż energia wewnętrzna lodu w tej samej temperaturze. Ponieważ energia kinetyczna cząsteczek wody i lodu jest taka sama, wzrost energii wewnętrznej podczas topienia jest wzrostem energii potencjalnej cząsteczek.

Doświadczenie pokazuje, że powyższe odnosi się do wszystkich kryształów. Podczas topienia kryształu konieczne jest ciągłe zwiększanie energii wewnętrznej układu, przy czym temperatura kryształu i stopu pozostaje niezmieniona. Zazwyczaj wzrost energii wewnętrznej następuje, gdy pewna ilość ciepła jest przekazywana do kryształu. Ten sam cel można osiągnąć wykonując pracę, np. poprzez tarcie. Zatem energia wewnętrzna stopu jest zawsze większa niż energia wewnętrzna tej samej masy kryształów w tej samej temperaturze. Oznacza to, że uporządkowany układ cząstek (w stanie krystalicznym) odpowiada niższej energii niż układ nieuporządkowany (w stopie).

Ilość ciepła potrzebna do przekształcenia jednostkowej masy kryształu w stop o tej samej temperaturze nazywa się ciepłem właściwym topnienia kryształu. Wyraża się ją w dżulach na kilogram.

Kiedy substancja krzepnie, ciepło topnienia jest uwalniane i przekazywane do otaczających ciał.

Wyznaczenie ciepła właściwego topnienia ciał ogniotrwałych (ciał o wysokiej temperaturze topnienia) nie jest zadaniem łatwym. Ciepło właściwe topnienia niskotopliwego kryształu, takiego jak lód, można określić za pomocą kalorymetru. Po wlaniu do kalorymetru pewnej ilości wody o określonej temperaturze i wrzuceniu do niej znanej masy lodu, który już zaczął się topić, tj. mając temperaturę, czekamy, aż cały lód się roztopi i temperatura wody w kalorymetr przyjmuje stałą wartość. Korzystając z zasady zachowania energii, ułożymy równanie bilansu cieplnego (§ 209), które pozwala nam wyznaczyć ciepło właściwe topnienia lodu.

Niech masa wody (w tym wodny odpowiednik kalorymetru) będzie równa masie lodu - , cieplu właściwemu wody - , temperaturze początkowej wody - , temperaturze końcowej - , ciepłu właściwemu topnienia lodu - . Równanie bilansu cieplnego ma postać

.

W tabeli Tabela 16 pokazuje ciepło właściwe topnienia niektórych substancji. Na uwagę zasługuje wysokie ciepło topnienia lodu. Ta okoliczność jest bardzo ważna, ponieważ spowalnia topnienie lodu w przyrodzie. Gdyby ciepło właściwe topnienia było znacznie niższe, wiosenne powodzie byłyby wielokrotnie silniejsze. Znając ciepło właściwe topnienia, możemy obliczyć, ile ciepła potrzeba do stopienia dowolnego ciała. Jeśli ciało jest już ogrzane do temperatury topnienia, wówczas ciepło należy wydać tylko na jego stopienie. Jeśli ma temperaturę poniżej temperatury topnienia, nadal musisz wydawać ciepło na ogrzewanie.

Tabela 16.

Nazywa się przejście substancji ze stanu stałego krystalicznego do ciekłego topienie. Aby stopić stałe ciało krystaliczne, należy je podgrzać do określonej temperatury, to znaczy należy dostarczyć ciepło.Nazywa się temperatura, w której topi się substancjatemperatura topnienia substancji.

Proces odwrotny – przejście ze stanu ciekłego do stanu stałego – zachodzi, gdy temperatura spada, tj. ciepło jest usuwane. Przejście substancji ze stanu ciekłego do stałego nazywa sięhartowanie , Lub kryształlizacja . Nazywa się temperaturą, w której substancja krystalizujetemperatura kryształucje .

Doświadczenie pokazuje, że każda substancja krystalizuje i topi się w tej samej temperaturze.

Rysunek przedstawia wykres temperatury ciała krystalicznego (lodu) w funkcji czasu ogrzewania (od punktu A do momentu D) i czas chłodzenia (od pkt D do momentu K). Pokazuje czas na osi poziomej i temperaturę na osi pionowej.

Z wykresu wynika, że ​​obserwację procesu rozpoczęto od momentu, gdy temperatura lodu wynosiła -40°C, czyli, jak mówią, temperatura w początkowym momencie Tpoczątek= -40°C (pkt A na wykresie). Wraz z dalszym ogrzewaniem temperatura lodu wzrasta (na wykresie jest to przekrój AB). Temperatura wzrasta do 0°C – temperatury topnienia lodu. W temperaturze 0°C lód zaczyna się topić, a jego temperatura przestaje rosnąć. Przez cały czas topienia (tj. do momentu stopienia całego lodu) temperatura lodu nie zmienia się, chociaż palnik nadal się pali i w związku z tym dostarczane jest ciepło. Proces topienia odpowiada poziomej części wykresu Słońce . Dopiero gdy cały lód stopi się i zamieni w wodę, temperatura zaczyna ponownie rosnąć (rozdz płyta CD). Gdy temperatura wody osiągnie +40°C, palnik gaśnie i woda zaczyna się ochładzać, czyli usuwa się ciepło (w tym celu można umieścić naczynie z wodą w innym, większym naczyniu z lodem). Temperatura wody zaczyna spadać (rozdz DE). Gdy temperatura osiągnie 0°C, temperatura wody przestaje spadać, mimo że ciepło jest nadal usuwane. Jest to proces krystalizacji wody - tworzenia się lodu (przekrój poziomy E.F.). Dopóki cała woda nie zamieni się w lód, temperatura się nie zmieni. Dopiero potem temperatura lodu zaczyna spadać (rozdz FK).

Wygląd rozważanego wykresu wyjaśniono w następujący sposób. Lokalizacja na AB W wyniku dostarczonego ciepła wzrasta średnia energia kinetyczna cząsteczek lodu i wzrasta jego temperatura. Lokalizacja na Słońce cała energia otrzymana przez zawartość kolby jest zużywana na zniszczenie sieci kryształków lodu: uporządkowany układ przestrzenny jej cząsteczek zostaje zastąpiony nieuporządkowanym, zmienia się odległość między cząsteczkami, tj. Cząsteczki są ułożone w taki sposób, że substancja staje się płynna. Średnia energia kinetyczna cząsteczek nie zmienia się, więc temperatura pozostaje niezmieniona. Dalszy wzrost temperatury stopionej wody lodowej (w rejonie płyta CD) oznacza wzrost energii kinetycznej cząsteczek wody w wyniku ciepła dostarczonego przez palnik.

Podczas chłodzenia wody (rozdz DE) część energii jest mu odbierana, cząsteczki wody poruszają się z mniejszą prędkością, spada ich średnia energia kinetyczna – spada temperatura, woda się ochładza. W temperaturze 0°C (przekrój poziomy E.F.) cząsteczki zaczynają układać się w określonej kolejności, tworząc sieć krystaliczną. Do czasu zakończenia tego procesu temperatura substancji nie ulegnie zmianie pomimo odprowadzenia ciepła, co oznacza, że ​​podczas krzepnięcia ciecz (woda) wydziela energię. Jest to dokładnie energia, którą pochłonął lód, zamieniając się w ciecz (sekcja Słońce). Energia wewnętrzna cieczy jest większa niż energia wewnętrzna cieczy solidny. Podczas topnienia (i krystalizacji) energia wewnętrzna ciała zmienia się gwałtownie.

Nazywa się metale topiące się w temperaturach powyżej 1650 ºС oporny(tytan, chrom, molibden itp.). Wolfram ma najwyższą wśród nich temperaturę topnienia - około 3400 ° C. Metale ogniotrwałe i ich związki stosowane są jako materiały żaroodporne w budowie samolotów, technologii rakietowej i kosmicznej oraz energetyce jądrowej.

Podkreślmy jeszcze raz, że substancja topiąc się, pochłania energię. Przeciwnie, podczas krystalizacji oddaje go środowisko. Odbierając pewną ilość ciepła uwolnionego podczas krystalizacji, medium nagrzewa się. Jest to dobrze znane wielu ptakom. Nic dziwnego, że można je zobaczyć zimą przy mroźnej pogodzie, siedząc na lodzie pokrywającym rzeki i jeziora. Ze względu na uwalnianie energii podczas tworzenia się lodu, powietrze nad nim jest o kilka stopni cieplejsze niż nad drzewami w lesie, co wykorzystują ptaki.

Topienie substancji amorficznych.

Dostępność pewna temperatury topnienia- Jest to ważna cecha substancji krystalicznych. Dzięki tej cesze można je łatwo odróżnić od ciał amorficznych, które są również klasyfikowane jako ciała stałe. Należą do nich w szczególności szkło, bardzo lepkie żywice i tworzywa sztuczne.

Substancje amorficzne(w przeciwieństwie do krystalicznych) nie mają określonej temperatury topnienia - nie topią się, a miękną. Na przykład kawałek szkła po podgrzaniu najpierw staje się miękki, a twardy, można go łatwo zgiąć lub rozciągnąć; w wyższej temperaturze element zaczyna zmieniać swój kształt pod wpływem własnego ciężaru. W miarę nagrzewania gęsta, lepka masa przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje. Ta masa jest najpierw gęsta jak miód, potem jak śmietana, a na koniec staje się prawie taką samą cieczą o niskiej lepkości jak woda. Nie da się tu jednak wskazać pewnej temperatury przejścia ciała stałego w ciecz, gdyż ona nie istnieje.

Przyczyną tego jest zasadnicza różnica w budowie ciał amorficznych od struktury ciał krystalicznych. Atomy w ciałach amorficznych są ułożone losowo. Ciała amorficzne swoją budową przypominają ciecze. Już w litym szkle atomy są ułożone losowo. Oznacza to, że podwyższenie temperatury szkła jedynie zwiększa zakres drgań jego cząsteczek, dając im stopniowo coraz większą swobodę ruchu. Dlatego szkło mięknie stopniowo i nie wykazuje ostrego przejścia „ciało stałe-ciecz”, charakterystycznego dla przejścia od ułożenia cząsteczek w ścisłym porządku do nieuporządkowanego.

Ciepło topnienia.

Ciepło topnienia- jest to ilość ciepła, jaką należy przekazać substancji pod stałym ciśnieniem i w stałej temperaturze równej temperaturze topnienia, aby całkowicie przekształciła się ona ze stanu stałego krystalicznego w ciecz. Ciepło topnienia jest równe ilości ciepła wydzielanego podczas krystalizacji substancji ze stanu ciekłego. Podczas topienia całe ciepło dostarczone do substancji zwiększa energię potencjalną jej cząsteczek. Energia kinetyczna nie zmienia się, ponieważ topnienie zachodzi w stałej temperaturze.

Badając eksperymentalnie topienie różnych substancji o tej samej masie, można zauważyć, że do przekształcenia ich w ciecz potrzeba różnej ilości ciepła. Przykładowo, aby stopić kilogram lodu, trzeba wydać 332 J energii, a aby stopić 1 kg ołowiu – 25 kJ.

Ilość ciepła wydzielanego przez ciało uważa się za ujemną. Dlatego przy obliczaniu ilości ciepła uwolnionego podczas krystalizacji substancji o masie M, powinieneś użyć tej samej formuły, ale ze znakiem minus:

Ciepło spalania.

Ciepło spalania(Lub Wartość opałowa, zawartość kalorii) to ilość ciepła wydzielana podczas całkowitego spalania paliwa.

Do ogrzewania ciał często wykorzystuje się energię uwalnianą podczas spalania paliwa. Paliwo konwencjonalne (węgiel, ropa naftowa, benzyna) zawiera węgiel. Podczas spalania atomy węgla łączą się z atomami tlenu w powietrzu, tworząc cząsteczki dwutlenku węgla. Energia kinetyczna tych cząsteczek okazuje się większa niż energii cząstek pierwotnych. Wzrost energii kinetycznej cząsteczek podczas spalania nazywa się uwalnianiem energii. Energia wydzielana podczas całkowitego spalania paliwa jest ciepłem spalania tego paliwa.

Ciepło spalania paliwa zależy od rodzaju paliwa i jego masy. Im większa masa paliwa, tym większa ilość ciepła wydzielonego podczas jego całkowitego spalania.

Nazywa się wielkość fizyczną pokazującą, ile ciepła wydziela się podczas całkowitego spalania paliwa o masie 1 kg ciepło właściwe spalania paliwa.Ciepło właściwe spalania jest oznaczone literąQi jest mierzony w dżulach na kilogram (J/kg).

Ilość ciepła Q uwalniany podczas spalania M kg paliwa określa się ze wzoru:

Aby obliczyć ilość ciepła wydzielonego podczas całkowitego spalania paliwa o dowolnej masie, należy pomnożyć ciepło właściwe spalania tego paliwa przez jego masę.