Меню Рубрики

Процесс отвердевания с молекулярной точки зрения

1. Плавление и отвердевание кристаллических тел, объяснение на основе

представлений о дискретном строении вещества.
Вещества существуют в трех агрегатных состояниях: твердом (кристаллическом), жидком, газообразном. Рассмотрим два из них: кристаллическое и жидкое состояния, а так же процессы перехода из кристаллического в жидкое и наоборот.

Плавление – переход вещества из твердого состояния в жидкое.

Обратный процесс: кристаллизация – переход вещества из жидкого состояния в твердое.

Пример: плавление льда, кристаллизация воды.

Плавление и кристаллизация происходят при одинаковой, но индивидуальной для каждого вещества температуре:

Процессы плавления и кристаллизации обратимы.

В процессе плавления/кристаллизации температура вещества не меняется.

Однако это не значит, что в процессе плавления к телу не надо подводить энергию. Следовательно, если подача энергии путем теплообмена прекращается, то прекращается и процесс плавления.

Рассмотрим график плавления/кристаллизации льда: лед, взятый при температуре -40 С нагревают до температуры плавления льда 0 С. Если и дальше продолжить нагревание (передачу тепла) льда, то его температура меняться не будет и начнется процесс плавления льда. Температура будет сохраняться неизменной до тех пор, пока весь лед не превратится в воду. Температура воды полученной из растаявшего льда будет так же равна 0 С, дальнейшая передача теплоты будет затрачиваться на нагревание воды. Если прекратить процесс передачи теплоты воде и начать охлаждать воду, то процессы повторятся с точность наоборот. Вода охладится до температуры кристаллизации 0 С и начнется процесс кристаллизации воды, при этом температуры смеси лед/вода не будет изменяться до тех пор, пока вся вода не кристаллизуется в лед.

Процесс кристаллизации сопровождается выделением такого же количества теплоты, которое было затрачено в процессе плавления твердого тела.

Qплавления=Qкристаллизации
Что же происходит на молекулярном уровне при нагревании/охлаждении вещества: энергия подводимая/отводимая к телу при нагревании приводит к увеличению/уменьшению температуры тела, а значит кинетическая энергия частиц из которых оно состоит – увеличивается/уменьшается, следовательно увеличивается/уменьшается и скорость (размах) колебания частиц в узлах кристаллический решетки. При этом потенциальная энергия частиц не изменяется, так как взаимное расположение молекул (агрегатное состояние вещества) не изменяется.
При достижении телом температуры плавления начинается процесс плавления: в ходе которого подводимая к телу теплота идет на разрушение связей между частицами вещества, и на участке ВС происходит разрушение кристаллической решетки твердого тела и увеличение потенциальной энергии молекул. На это расходуется вся подводимая теплота. Кинетическая энергия молекул при плавлении не меняется, так как скорость движения молекул не меняется, меняется лишь их взаимное расположение. Чем больше масса тела, тем больше теплоты требуется, чтобы его расплавить. В процессе плавления к телу подводится некоторое количество теплоты, которая называется теплотой плавления. Процесс отвердевания жидкости идет в обратном порядке. На участке кристаллизации формируется кристаллическая решетка и выделяется тепло. Это тепло называется теплотой кристаллизации.

Количество теплоты требующееся для плавления (выделяющееся при кристаллизации): пропорционально массе тела и зависит от рода вещества.

где — удельная теплота плавления/кристаллизации (показывает, какое количество теплоты требуется для плавления тела массой 1 кг., взятого при температуре плавления), индивидуально для каждого вещества (табличная величина). []=Дж/кг.

Чтобы расплавить тело, мы его нагреваем. По мере нагревания кристаллического тела средняя энергия его молекул увеличивается за счет возрастания средней кинетической энергии. Увеличивается также потенциальная энергия молекул, так как увеличивается амплитуда колебаний молекул около положений равновесия, и увеличивается расстояние между молекулами, т. е. тела при нагревании расширяются.

После того как достигнута температура плавления, вся подводимая энергия идет на совершение работы по разрушению пространственной (кристаллической) решетки, т. е. на увеличение потенциальной энергии молекул. В процессе плавления кинетическая энергия молекул не изменяется, о чем свидетельствует постоянство температуры во время плавления. Во время затвердевания вещества его молекулы располагаются упорядоченно, образуя кристаллическую решетку. Их потенциальная энергия в процессе кристаллизации уменьшается, а кинетическая энергия остается неизменной. Поэтому при кристаллизации температура не изменяется и происходит отдача количества теплоты окружающим телам.

Когда при охлаждении отвердевает аморфное вещество, его частицы не располагаются в правильном порядке и не образуют кристаллические решетки. В твердом состоянии частицы аморфного тела расположены примерно в таком же беспорядке, как и в жидком. При отвердевании аморфных веществ происходит постепенное уменьшение кинетической энергии их частиц. Но нет скачкообразного уменьшения их потенциальной энергии. Точно так же при нагревании твердого аморфного тела постепенно растет кинетическая энергия его частиц, но нет скачкообразного возрастания их потенциальной энергии, как это наблюдается при плавлении кристаллических тел.

Кратко различие в поведении кристаллических и аморфных тел при плавлении можно объяснить следующим образом. В кристаллах связи между молекулами в разных местах разрушаются одновременно, так как они всюду одинаковы. Поэтому переход в жидкое состояние происходит при строго определенной температуре. В аморфных телах при некоторой температуре часть молекул приобретает способность к более или менее свободному перемещению, другая же еще нет. Ведь связи между молекулами неодинаковы из-за отсутствия строгого порядка в расположении молекул относительно друг друга. В результате переход из твердого состояния в жидкое оказывается растянутым на некоторый интервал температур.

В дальнейшем мы будем говорить только о плавлении и отвердевании (кристаллизации) кристаллических тел.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2019 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.001 с) .

Билет № 5. Плавление и отвердевание кристаллических тел

Плавление и отвердевание кристаллических тел. Объяснение процесса плавления на основе представлений о молекулярном строении вещества.Удельная теплота плавления. Ее единицы.

Переход вещества из тверд состояния в жидкое называют плавлением.

Температура, при которой вещество плавится, называют температурой плавления вещества. У разных веществ она различна.

Лед, например, можно расплавить, при комнатной температуре.

Железо можно расплавить только в специальных печах, где достигается высокая температура.

Переход вещ-ва из жидкого состояния в тверд. называют отвердеванием или кристаллизацией

Опыт показывает, что вещества отвердевают при той же температуре, при которой плавятся. Например вода кристаллизуется при 0° С, а чистое железо плавится и кристаллизуется при температуре 1539° С.

процесса плавления на основе представлений о молекулярном строении вещества:

В кристаллах молекулы или атомы расположены в строгом порядке.

Однако и в кристаллах они находятся в тепловом движении (колеблются)

При нагревании тела средняя скорость движения молекул возрастает, размах колебания атомов или молекул увеличивается. Когда тело нагревается до температуры плавления, то нарушается порядок в расположении частиц в кристаллах. Кристаллы теряют свою форму. Вещество плавится, переходя из твердого состояния в жидкое.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, что при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления обозначают l (Дж/кг)

Удельная теплота плавления льда: l = 3,4 ×10 5 Дж/кг, стали: 0,84×10 5 Дж/кг

Количество теплоты, необходимое для плавления и кристаллизации: Q = lm

При отвердевании выделяется такое же кол-ва вещ-ва, которое поглощается при его плавлении.

*При плавлении потенциальная энергия увеличивается, кинетическая не изменяется.

*При отвердевании потенциальная энергия уменьшается, кинетическая не изменяется.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 8558 — | 6842 — или читать все.

193.124.117.139 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Объяснение плавления и отвердевания на основании молекулярно-кинетической теории

Чтобы расплавить тело, мы его нагреваем. По мере нагревания кристаллического тела средняя энергия его молекул увеличивается за счет возрастания средней кинетической энергии. Увеличивается также потенциальная энергия молекул, так как увеличивается амплитуда колебаний молекул около положений равновесия, и увеличивается расстояние между молекулами, т. е. тела при нагревании расширяются.

После того как достигнута температура плавления, вся подводимая энергия идет на совершение работы по разрушению пространственной (кристаллической) решетки, т. е. на увеличение потенциальной энергии молекул. В процессе плавления кинетическая энергия молекул не изменяется, о чем свидетельствует постоянство температуры во время плавления. Во время затвердевания вещества его молекулы располагаются упорядоченно, образуя кристаллическую решетку. Их потенциальная энергия в процессе кристаллизации уменьшается, а кинетическая энергия остается неизменной. Поэтому при кристаллизации температура не изменяется и происходит отдача количества теплоты окружающим телам.

Когда при охлаждении отвердевает аморфное вещество, его частицы не располагаются в правильном порядке и не образуют кристаллические решетки. В твердом состоянии частицы аморфного тела расположены примерно в таком же беспорядке, как и в жидком. При отвердевании аморфных веществ происходит постепенное уменьшение кинетической энергии их частиц. Но нет скачкообразного уменьшения их потенциальной энергии. Точно так же при нагревании твердого аморфного тела постепенно растет кинетическая энергия его частиц, но нет скачкообразного возрастания их потенциальной энергии, как это наблюдается при плавлении кристаллических тел.

Кратко различие в поведении кристаллических и аморфных тел при плавлении можно объяснить следующим образом. В кристаллах связи между молекулами в разных местах разрушаются одновременно, так как они всюду одинаковы. Поэтому переход в жидкое состояние происходит при строго определенной температуре. В аморфных телах при некоторой температуре часть молекул приобретает способность к более или менее свободному перемещению, другая же еще нет. Ведь связи между молекулами неодинаковы из-за отсутствия строгого порядка в расположении молекул относительно друг друга. В результате переход из твердого состояния в жидкое оказывается растянутым на некоторый интервал температур.

Читайте также:  Кем является человек с точки зрения

В дальнейшем мы будем говорить только о плавлении и отвердевании (кристаллизации) кристаллических тел.

Переохлаждение жидкости

Жидкость может быть охлаждена ниже температуры кристаллизации. Это явление называется переохлаждением. Его можно наблюдать, например, при охлаждении расплавленного гипосульфита. Гипосульфит расплавляется в пробирке (его температура плавления 48 °С) и остается в ней в жидком состоянии при охлаждении даже до комнатной температуры. Однако если бросить в пробирку кристаллик гипосульфита или встряхнуть ее, то начнется быстрая кристаллизация.

В § 8.3 мы отмечали, что для начала кристаллизации необходимы так называемые центры кристаллизации. Если же центров кристаллизации нет, то может произойти переохлаждение жидкости на несколько градусов или даже десятков градусов. Переохлаждение чистой, без каких-либо пылинок и примесей воды нередко наблюдается в природе. Капельки тумана могут оставаться незамерзшими даже при сильных морозах. Такие капельки, осаждаясь на почве, образуют гололедицу. Также переохлажденными оказываются обычно капельки воды в облаках.

Переохлажденная жидкость находится в неустойчивом состоянии; с течением времени под влиянием тех или иных воздействий переохлажденная жидкость переходит в более устойчивое при данной температуре кристаллическое состояние.

Плавление и кристаллизация тел происходят при строго фиксированной температуре для заданного давления. Аморфные тела постепенно переходят из одного состояния в другое и не имеют определенной температуры плавления (отвердевания).

Молекулярная физика. Плавление и кристаллизация.

Переход вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое называется плавлением. Чтобы расплавить твердое кристаллическое тело, его нужно нагреть до определенной температуры, т. е. подвести тепло. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества.

Обратный процесс — переход из жидкого состояния в твердое — происходит при понижении температуры, т. е. тепло отводится. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристал лизацией. Температура, при которой вещество кристаллизуется, называется температурой кристалли зации.

Опыт показывает, что любое вещество кристаллизуется и плавится при одной и той же температуре.

На рисунке представлен график зависимости температуры кристаллического тела (льда) от времени нагревания (от точки А до точки D) и времени охлаждения (от точки D до точки K). На нем по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — температура.

Из графика видно, что наблюдение за процессом началось с момента, когда температура льда была -40 °С, или, как принято говорить, температура в начальный момент времени tнач = -40 °С (точка А на графике). При дальнейшем нагревании температура льда растет (на графике это участок АВ). Увеличение температуры происходит до 0 °С — температуры плавления льда. При 0°С лед начинает плавиться, а его температура перестает расти. В течение всего времени плавления (т.е. пока весь лед не расплавится) температура льда не меняется, хотя горелка продолжает го­реть и тепло, следовательно, подводится. Процессу плавления соответствует горизонтальный учас­ток графика ВС. Только после того как весь лед расплавится и превратится в воду, температура снова начинает подниматься (участок CD). После того, как температура воды достигнет +40 °С, горелку гасят и воду начинают охлаждать, т. е. тепло отводят (для этого можно сосуд с водой по­местить в другой, больший сосуд со льдом). Температура воды начинает снижаться (участок DE). При достижении температуры 0 °С температура воды перестает снижаться, несмотря на то, что тепло по-прежнему отводится. Это идет процесс кристаллизации воды — образования льда (гори­зонтальный участок EF). Пока вся вода не превратится в лед, температура не изменится. Лишь после этого начинает уменьшаться температура льда (участок FK).

Вид рассмотренного графика объясняется следующим образом. На участке АВ благодаря подводимому теплу средняя кинетическая энергия молекул льда увеличивается, и температура его повышается. На участке ВС вся энергия, получаемая содержимым колбы, тратится на разрушение кристаллической решетки льда: упорядоченное пространственное расположение его молекул сменяется неупорядоченным, меняется расстояние между молекулами, т.е. происходит перестройка молекул таким образом, что вещество становится жидким. Средняя кинетическая энергия моле­кул при этом не меняется, поэтому неизменной остается и температура. Дальнейшее увеличение температуры расплавленного льда-воды (на участке CD) означает увеличение кинетической энер­гии молекул воды вследствие подводимого горелкой тепла.

При охлаждении воды (участок DE) часть энергии у нее отбирается, молекулы воды движутся с меньшими скоростями, их средняя кинетическая энергия падает — температура уменьшается, вода охлаждается. При 0°С (горизонтальный участок EF) молекулы начинают выстраиваться в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Пока этот процесс не завершится, температура вещества не изменится, несмотря на отводимое тепло, а это означает, что при отвер­девании жидкость (вода) выделяет энергию. Это как раз та энергия, которую поглотил лед, пре­вращаясь в жидкость (участок ВС). Внутренняя энергия у жидкости больше, чем у твердого тела. При плавлении (и кристаллизации) внутренняя энергия тела меняется скачком.

Металлы, плавящиеся при температуре выше 1650 ºС, называют тугоплавкими (титан, хром, молибден и др.). Самая высокая температура плавления среди них у вольфрама — около 3400 °С. Тугоплавкие металлы и их соединения используют в качестве жаропрочных материалов в самолетостроении, ракетостроении и космической технике, атомной энергетике.

Подчеркнем еще раз, что при плавлении вещество поглощает энергию. При кристаллизации оно, наоборот, отдает ее в окружающую среду. Получая определенное количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, среда нагревается. Это хорошо известно многим птицам. Неда­ром их можно заметить зимой в морозную погоду сидящими на льду, который покрывает реки и озера. Из-за выделения энергии при образовании льда воздух над ним оказывается на несколько градусов теплее, чем в лесу на деревьях, и птицы этим пользуются.

Плавление аморфных веществ .

Наличие определенной точки плавления — это важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их можно легко отличить от аморфных тел, которые также относят к твердым телам. К ним, в частности, относятся стекла, очень вязкие смолы, пластмассы.

Аморфные вещества (в отличие от кристаллических) не имеют определенной температуры плавления — они не плавятся, а размягчаются. При нагревании кусок стекла, например, снача­ла становится из твердого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает менять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса принимает форму того сосуда, в котором лежит. Эта масса сначала густая, как мед, затем — как сметана и, наконец, становится почти такой же маловязкой жидкостью, как вода. Однако указать определенную температуру перехода твердого тела в жидкое здесь невозможно, поскольку ее нет.

Причины этого лежат в коренном отличии строения аморфных тел от строения кристаллических. Атомы в аморфных телах расположены беспорядочно. Аморфные тела по своему строению напоминают жидкости. Уже в твердом стекле атомы расположены беспорядочно. Значит, повы­шение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, дает им постепенно все большую и большую свободу перемещения. Поэтому стекло размягчается постепенно и не обнаруживает резкого перехода «твердое—жидкое», характерного для перехода от расположения молекул в строгом порядке к беспорядочному.

Теплота плавления .

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое. Теплота плавления равна тому количеству теплоты, которое выделяется при кристалли­зации вещества из жидкого состояния. При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энер­гии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить 332 Дж энергии, а для того чтобы расплавить 1 кг свинца — 25 кДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обозначают греческой буквой λ (лямбда).

Удельная теплота кристаллизации равна удельной теплоте плавления, поскольку при кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении. Так, например, при замерзании воды массой 1 кг выделяются те же 332 Дж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.

Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела произвольной массы, или теплоту плавления, надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой m, следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:

Теплота сгорания .

Теплота сгорания (или теплотворная способность, калорийность) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Читайте также:  Какие суждения правильны с точки зрения материализма

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обыч­ное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива. Удельную теплоту сгорания обозначают буквой q и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты Q, выделяющееся при сгорании m кг топлива, определяют по формуле:

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.

Плавление и отвердевание кристаллических тел. График плавления и отвердевания

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

Кристалл поваренной соли (Источник)

Аморфные тела – тела, в которых атомы и молекулы упорядочены определенным образом только вблизи рассматриваемого участка. Такой тип расположения частиц называют ближним порядком.

3. Жидкости и газы

Жидкости – вещества без упорядоченной структуры расположения частиц, молекулы в жидкостях движутся свободнее, а межмолекулярные силы слабее, чем у твердых тел. Важнейшее свойство: сохраняют объем, легко меняют форму и принимают из-за свойства текучести форму сосуда, в котором находятся (рис. 3).

Рис. 3. Жидкость принимает форму колбы (Источник)

Газы – вещества, молекулы которых слабо взаимодействуют между собой и движутся хаотически, часто сталкиваясь друг с другом. Важнейшее свойство: не сохраняют объем и форму и занимают весь объем сосуда, в котором находятся.

4. Переходы между агрегатными состояниями

Важно знать и понимать, каким образом осуществляются переходы между агрегатными состояниями веществ. Схему таких переходов изобразим на рисунке 4.

2 – отвердевание (кристаллизация);

3 – парообразование: испарение или кипение;

5 – сублимация (возгонка) – переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое;

6 – десублимация – переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое.

На сегодняшнем уроке мы уделим внимание таким процессам, как плавление и отвердевание кристаллических тел. Начать рассмотрение таких процессов удобно на примере наиболее часто встречающихся в природе плавления и кристаллизации льда.

5. Плавление льда и замерзание воды

Если поместить лед в колбу и начать его нагревать с помощью горелки (рис. 5), то можно будет заметить, что его температура начнет повышаться, пока не достигнет температуры плавления (0 o C), затем начнется процесс плавления, но при этом температура льда повышаться не будет, и только после окончания процесса плавления всего льда температура образовавшейся воды начнет повышаться.

Рис. 5. Плавление льда.

Определение.Плавление – процесс перехода из твердого состояния в жидкое. Этот процесс происходит при постоянной температуре.

Температура, при которой происходит плавление вещества, называется температурой плавления и является измеренной величиной для многих твердых веществ, а потому табличной величиной. Например, температура плавления льда равна 0 o C, а температура плавления золота 1100 o C.

Обратный плавлению процесс – процесс кристаллизации – также удобно рассматривать на примере замерзания воды и превращения ее в лед. Если взять пробирку с водой и начать ее охлаждать, то сначала будет наблюдаться уменьшение температуры воды, пока она не достигнет 0 o C, а затем ее замерзание при постоянной температуре (рис. 6), и уже после полного замерзания дальнейшее охлаждение образовавшегося льда.

Рис. 6. Замерзание воды.

Если описанные процессы рассматривать с точки зрения внутренней энергии тела, то при плавлении вся полученная телом энергия расходуется на разрушение кристаллической решетки и ослабление межмолекулярных связей, таким образом, энергия расходуется не на изменение температуры, а на изменение структуры вещества и взаимодействия его частиц. В процессе же кристаллизации обмен энергиями происходит в обратном направлении: тело отдает тепло окружающей среде, а его внутренняя энергия уменьшается, что приводит к уменьшению подвижности частиц, увеличению взаимодействия между ними и отвердеванию тела.

6. График плавления и кристаллизации

Полезно уметь графически изобразить процессы плавления и кристаллизации вещества на графике (рис. 7).

По осям графика расположены: ось абсцисс – время, ось ординат – температура вещества. В качестве исследуемого вещества примем лед при отрицательной температуре, т. е. такой, который при получении тепла не начнет сразу плавиться, а будет нагревать до температуры плавления. Опишем участки на графике, которые представляют собой отдельные тепловые процессы:

Начальное состояние – a: нагревание льда до температуры плавления 0 o C;

a – b: процесс плавления при постоянной температуре 0 o C;

b – точка с некоторой температурой: нагревание образовавшейся из льда воды до некоторой температуры;

Точка с некоторой температурой – c: охлаждение воды до температуры замерзания 0 o C;

c – d: процесс замерзания воды при постоянной температуре 0 o C;

d – конечное состояние: остывание льда до некоторой отрицательной температуры.

Сегодня мы рассмотрели различные агрегатные состояния вещества и уделили внимание таким процессам, как плавление и кристаллизация. На следующем уроке мы обсудим главную характеристику процесса плавления и отвердевания веществ – удельную теплоту плавления.

Список рекомендованной литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. /Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. Физика 8. – М.: Мнемозина.

2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Рекомендованные ссылки на интернет-ресурсы

1. Словари и энциклопедии на Академике (Источник).

2. Курс лекций «Молекулярная физика и термодинамика» (Источник).

3. Региональная коллекция Тверской области (Источник).

Рекомендованное домашнее задание

1. Стр. 31: вопросы №1–4; стр. 32: вопросы №1–3; стр. 33: упражнения №1–5; стр. 34: вопросы №1–3. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

2. В кастрюле с водой плавает кусок льда. При каком условии он не будет таять?

3. При плавлении температура кристаллического тела остается неизменной. А что происходит со внутренней энергией тела?

4.Опытные садовники в случае весенних ночных заморозков во время цветения плодовых деревьев вечером обильно поливают ветки водой. Почему это значительно уменьшает риск потери будущего урожая?

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.

Плавление и отвердевание на основе учения о молекулярном строении вещества

Плавление и отвердевание кристаллических тел можно объяснить, на основании атомно-молекулярной теории строения вещества.

Мы знаем, что в кристаллах молекулы (или атомы) расположены в строгом порядке. Этим объясняется, что все кристаллы одного и того же вещества имеют определенную форму. Однако и в кристаллах молекулы или атомы находятся в движении. Но в отличие, например, от газов, где частицы движутся независимо друг от друга, в твердом теле каждая из частиц влияет на движение других.

От скорости движения молекул, как мы знаем, зависит температура тела. При нагревании тела средняя скорость движения молекул возрастает, — следовательно, возрастает и средняя кинетическая энергия их. Вследствие этого размах колебаний молекул (или атомов) увеличивается, при этом силы, связывающие их, уменьшаются. Когда тело нагреется до температуры плавления, размах колебаний настолько увеличится, что нарушится порядок в расположении частиц в кристаллах. Кристаллы теряют свою форму: вещество плавится, переходя из твердого состояния в жидкое.

При отвердевании вещества все происходит в обратном порядке: средняя кинетическая энергия и скорость молекул в охлажденном расплавленном веществе уменьшаются. Силы притяжения могут снова удержать такие медленно движущиеся молекулы друг около друга. Вследствие этого расположение частиц делается снова упорядоченным.

Кристаллизация облегчается, если в жидкости с самого начала присутствуют какие-нибудь посторонние частицы, например пылинки. Они становятся центрами кристаллизации. В обычных условиях в жидкости имеется множество центров кристаллизации, около которых и происходит образование кристалликов.

Вопросы. 1. Как объяснить процесс плавления и отвердевания вещества на основе я учения о молекулярном строении вещества? 2. При каком условии начинается кристаллизация вещества?

Процесс отвердевания с молекулярной точки зрения

1. Плавление и отвердевание кристаллических тел, объяснение на основе

представлений о дискретном строении вещества.
Вещества существуют в трех агрегатных состояниях: твердом (кристаллическом), жидком, газообразном. Рассмотрим два из них: кристаллическое и жидкое состояния, а так же процессы перехода из кристаллического в жидкое и наоборот.

Плавление – переход вещества из твердого состояния в жидкое.

Обратный процесс: кристаллизация – переход вещества из жидкого состояния в твердое.

Пример: плавление льда, кристаллизация воды.

Плавление и кристаллизация происходят при одинаковой, но индивидуальной для каждого вещества температуре:

Процессы плавления и кристаллизации обратимы.

В процессе плавления/кристаллизации температура вещества не меняется.

Однако это не значит, что в процессе плавления к телу не надо подводить энергию. Следовательно, если подача энергии путем теплообмена прекращается, то прекращается и процесс плавления.

Рассмотрим график плавления/кристаллизации льда: лед, взятый при температуре -40 С нагревают до температуры плавления льда 0 С. Если и дальше продолжить нагревание (передачу тепла) льда, то его температура меняться не будет и начнется процесс плавления льда. Температура будет сохраняться неизменной до тех пор, пока весь лед не превратится в воду. Температура воды полученной из растаявшего льда будет так же равна 0 С, дальнейшая передача теплоты будет затрачиваться на нагревание воды. Если прекратить процесс передачи теплоты воде и начать охлаждать воду, то процессы повторятся с точность наоборот. Вода охладится до температуры кристаллизации 0 С и начнется процесс кристаллизации воды, при этом температуры смеси лед/вода не будет изменяться до тех пор, пока вся вода не кристаллизуется в лед.

Читайте также:  Представитель нордической расы с точки зрения расистов

Процесс кристаллизации сопровождается выделением такого же количества теплоты, которое было затрачено в процессе плавления твердого тела.

Qплавления=Qкристаллизации
Что же происходит на молекулярном уровне при нагревании/охлаждении вещества: энергия подводимая/отводимая к телу при нагревании приводит к увеличению/уменьшению температуры тела, а значит кинетическая энергия частиц из которых оно состоит – увеличивается/уменьшается, следовательно увеличивается/уменьшается и скорость (размах) колебания частиц в узлах кристаллический решетки. При этом потенциальная энергия частиц не изменяется, так как взаимное расположение молекул (агрегатное состояние вещества) не изменяется.
При достижении телом температуры плавления начинается процесс плавления: в ходе которого подводимая к телу теплота идет на разрушение связей между частицами вещества, и на участке ВС происходит разрушение кристаллической решетки твердого тела и увеличение потенциальной энергии молекул. На это расходуется вся подводимая теплота. Кинетическая энергия молекул при плавлении не меняется, так как скорость движения молекул не меняется, меняется лишь их взаимное расположение. Чем больше масса тела, тем больше теплоты требуется, чтобы его расплавить. В процессе плавления к телу подводится некоторое количество теплоты, которая называется теплотой плавления. Процесс отвердевания жидкости идет в обратном порядке. На участке кристаллизации формируется кристаллическая решетка и выделяется тепло. Это тепло называется теплотой кристаллизации.

Количество теплоты требующееся для плавления (выделяющееся при кристаллизации): пропорционально массе тела и зависит от рода вещества.

где — удельная теплота плавления/кристаллизации (показывает, какое количество теплоты требуется для плавления тела массой 1 кг., взятого при температуре плавления), индивидуально для каждого вещества (табличная величина). []=Дж/кг.

Объяснение изменений агрегатных состояний вещества на основе молекулярно-кинетических представлений

Разделы: Физика

“Физические явления могут быть понятны лишь после того, как изучены движения мельчайших частиц тела”
Т. Гоббс. (англ. философ)

Цель: научить применять основные положения МКТ к объяснению различий в строении и свойствах различных агрегатных состояний вещества и их превращений (обучающийся должен оценить свои умения применять знания об основных положениях МКТ).

Образовательные:

  • выявить уровень усвоения положений МКТ;
  • формировать умения применять знания о строении и свойствах вещества к обоснованию закономерностей перехода от одного состояния в другое;
  • продолжить работу по формированию умения составлять таблицы при систематизации и обобщении знаний о строении вещества в различных агрегатных состояниях и агрегатных превращениях.

Воспитательные:

  • подчеркнуть взаимосвязь строения вещества и внешних его свойств, как пример проявления одного из признаков диалектического познания явления;
  • показать значение этих связей для науки и техники.

Развивающие:

  • работать над формированием умений анализировать свойства и явления на основе знаний МКТ;
  • формирование умений обобщать известные данные на основе выделения главного;
  • развитие логического мышления;
  • активизировать внимание обучающихся при просмотре видео фрагментов и последующей работе с таблицей.

Методические рекомендации: обобщающий урок проводится в кабинете информатики при наличии мультимедийного проектора.

Оборудование: компьютеры, тест по теме “Агрегатные состояния вещества”, выполненный в программах PowerPoint и Visual Basic (Приложение 1), презентация урока (Приложение 2), карточки с заданиями (Приложение 3), бланки обобщающих таблиц (Приложение 4).

Демонстрации: видеофрагменты “Характер движения молекул твердом, жидком и газообразном состояниях”, “Три состояния вещества”, “Молекулярный механизм плавления” “Молекулярный механизм испарения”.

Ход урока

Организационный момент.

Вступительное слово учителя, в котором подчеркивается значение материала изучаемой темы, сообщается цель и план урока.

Выполнение обучающимися различного рода устных и письменных заданий обобщающего и систематизирующего характера, вырабатывающих обобщенные умения, формирующих общественно-понятийные знания, на основе обобщения фактов, явлений.

Класс разбивается на 2 группы. Выполнение заданий в группах осуществляется поочередно. В то время, когда первая группа выполняет тест на компьютере, вторая группа выполняет тестовые задания на карточках .

Первая группа

I. Выполнение обучающимися индивидуального задания на компьютере.

Контроль и оценка знаний по вопросам блоков. Программированные задания. (Приложение 1).

Вопросы 1 блока заданий.

  1. Превращение жидкости в пар называют…
  2. Превращение пара в жидкость называют…
  3. Превращение твердого тела в жидкость называют…
  4. Превращение жидкости в твердое тело называют…
  5. Переход твердого тела в газообразное состояние называют…

Варианты ответов:

  1. …отвердеванием.
  2. …плавлением.
  3. …сублимацией.
  4. …конденсацией.
  5. …испарением

Вопросы 2 блока заданий.

  1. При плавлении кристаллического тела…
  2. При кипении жидкости…
  3. При кристаллизации жидкости…
  4. При нагревании тела…
  5. При охлаждении тела…

Варианты ответов:

  1. …температура повышается.
  2. …температура не изменяется.
  3. …температура может и повышаться, и понижаться.
  4. …температура понижается.

Вопросы 3 блока заданий.

  1. Имеют постоянную температуру плавления…
  2. Лед и олово…
  3. При нагревании постепенно размягчаются…
  4. Смола и стекло…
  5. Эфир и ацетон…

Варианты ответов.

  1. …тугоплавкие вещества.
  2. …летучие вещества.
  3. …аморфные вещества.
  4. …кристаллические вещества.

Вопросы 4 блока заданий.

  1. Постоянство температуры кристаллических тел означает, что…
  2. Объяснение охлаждения жидких тел при испарении состоит в том, что…
  3. Молекулярный механизм парообразования состоит в том, что…
  4. Существование летучих и нелетучих веществ объясняется тем, что…

Варианты ответов.

  1. …возрастающий размах колебаний молекул разрушает кристаллическую решетку.
  2. …молекулы различных тел неодинаково сильно притягиваются друг к другу.
  3. … в теле уменьшается доля “быстрых” молекул.
  4. …кинетическая энергия некоторых молекул больше, чем потенциальная.
  5. …кинетическая энергия его молекул не меняется.

Вопросы 5 блока заданий.

  1. Увеличение площади поверхности, с которой происходит испарение…
  2. Наличие ветра над поверхностью испаряющегося тела…
  3. Охлаждение испаряющегося тела…
  4. Наличие над поверхностью жидкости ее пара

Варианты ответов.

  1. …приводит к ускорению парообразования.
  2. …не влияет на скорость парообразования.
  3. …приводит к замедлению парообразования.
  4. …может и ускорять, и замедлять парообразование.

Вторая группа. Выполнение заданий на местах. (Приложение 3).

II. Коллективное обсуждение в ходе беседы вопросов:

  1. Как объяснить существование различных агрегатных состояний вещества?
  2. Сформулировать основные положения МКТ. (Слайд №3)
  3. Чем отличается кристаллическое тело от жидкостей и газов (по внутреннему строению)? (Слайд 4)
  4. Что называется агрегатным превращением? (Слайд 6)
  5. Что называется плавлением? Температурой плавления? (Слайды 9,10)
  6. Начертить график плавления какого-нибудь кристаллического тела, например льда. Указать на графике температуру плавления. (Слайд 11)
  7. Что называется отвердеванием? Температурой кристаллизации? (Слайды 9,10)
  8. Какой процесс называется парообразованием? Что такое конденсация? (Слайд 15)
  9. В чем отличие испарения от кипения? (Слайд 15)
  10. Причины, ускоряющие процесс испарения? (Слайд 16)
  11. Что такое сублимация и десублимация? (Слайд №7).

III. Просмотр видеофрагментов “Характер движения молекул твёрдом, жидком и газообразном состояниях”, “Три состояния вещества”.

IV. Заполнение обобщающей таблицы. Таблица №1. (Приложение 4).

Агрегатное состояние вещества Свойства вещества Основные положения МКТ
Расстояние между частицами Взаимодействие частиц Характер движения Порядок расположения
Газ
Жидкость
Твердое

Проверка заполнения таблицы. Корректировка при необходимости.

Агрегатное состояние вещества Свойства вещества Основные положения МКТ
Расстояние между частицами Взаимодействие частиц Характер движения Порядок расположения
Газ Не сохраняет форму и объем Гораздо больше размеров самих молекул слабое Хаотическое (беспорядочное) непрерывное. Свободно летают, иногда сталкиваясь. Беспорядочное
Жидкость Не сохраняет Фому

Сохраняет объем

Сравнимо с размерами самих молекул сильное Колеблются около положения равновесия, постоянно перескакивая с одного места на другое. Беспорядочное Твердое Сохраняет форму и объем Мало по сравнению с размерами самих частиц Очень сильное Непрерывно колеблются около положения равновесия В определенном порядке

Вывод: От движения молекул и от их взаимного расположения зависит, в каком агрегатном состоянии находится вещество.

VI. Просмотр видеофрагментов: “Молекулярный механизм плавления и отвердевания”, “Молекулярный механизм испарения”.

VII.Объяснение агрегатных превращений (систематизация знаний).

Нагреванием (или охлаждением) можно осуществить переход из одного агрегатного состояния в другое. Попробуем объяснить агрегатные превращения с точки зрения МКТ.

Молекулярный механизм плавления: при нагревании тела возрастает кинетическая энергия колебательного движения молекул. Она начинает превышать их потенциальную энергию, значит, молекулы начинают свободно перемещаться в теле, что означает превращение в жидкость. (слайд 13. Приложение 2).

Молекулярный механизм отвердевания: при охлаждении расплава до температуры кристаллизации за счет уменьшения потенциальной энергии взаимодействия частиц среде отдается такое количество теплоты, какое необходимо в процессе плавления твердого тела. При этом кинетическая энергия атомов и молекул не меняется, температура кристаллизации вещества остается постоянной до завершения отвердевания. (слайд 14. Приложение 2)

Молекулярный механизм парообразования: наиболее быстрые молекулы, которые есть всегда в теле, имеют кинетическую энергию, превышающую их потенциальную энергию притяжения к другим молекулам. Оказавшись вблизи поверхности тела, такие молекулы способны преодолевать притяжение остальных молекул и вылетать за пределы тела. При конденсации происходит наоборот: при охлаждении молекулы пара замедляются, расстояния между молекулами уменьшаются, образуя жидкости. (слайд 19. Приложение 2)

VIII. Заполнение обобщающей таблицы (Совместная работа учащихся и учителя).

Источники:
  • http://studopedia.org/1-134166.html
  • http://studopedia.ru/8_97002_bilet--.html
  • http://studfiles.net/preview/2383541/page:106/
  • http://www.calc.ru/Molekulyarnaya-Fizika-Plavleniye-I-Kristallizatsiya.html
  • http://interneturok.ru/lesson/physics/8-klass/bagregatnye-sostoyaniya-vewestvab/plavlenie-i-otverdevanie-kristallicheskih-tel-grafik-plavleniya-i-otverdevaniya
  • http://tehnar.net.ua/plavlenie-i-otverdevanie-na-osnove-ucheniya-o-molekulyarnom-stroenii-veshhestva/
  • http://nenuda.ru/%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D0%B5%D1%82-9-%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%B8-%D0%BE%D1%82%D0%B2%D0%B5%D1%80%D0%B4%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BB-%D0%BE%D0%B1%D1%8A%D1%8F%D1%81.html
  • http://xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai/%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8/576103/