Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. И так мы продолжаем с вами изучение тепловых явлений, просто тема будет немного другой. До сих пор мы с вами изучали как найти количество теплоты, которое необходимо, чтобы изменить температуру тела. Мы нагревали воду от комнатной температуры до температуры кипения. Мы нагревали может быть какие-то другие вещества, может быть от комнатной до температуры плавления. Но ни разу еще не обсуждали, что происходит при кипении, что происходит при плавлении. Какие процессы являются противоположными по сравнению, например, с парообразованием или плавлением. И на этой лекции мы как раз и будем уделять внимание этим процессам. Мы знаем, что вещество бывает в трех агрегатных состояниях. Сейчас даже, говорят, что в четырех. Давайте вспомним какие это агрегатные состояния. Твердое, жидкое, газообразное и плазма. И сейчас мы переходим с вами к разделу, который называется: "изменение агрегатного состояния вещества". И так изменение агрегатного состояния. Давайте мы с вами проведем такой мысленный эксперимент, который легко было бы провести в действительности, если бы у нас с вами было бы много времени...опыт занимает достаточно большое время и нам для того, чтобы его провести нужен либо мороз на улице, либо холодильник. Давайте представим себе, что у нас есть сосуд, в который была налита вода. Давайте вставим в него термометр и поставим мысленно его в холодильник, в результате там образовался лед. Или же в морозилке мы набрали кубиков льда, сложили в сосуд и вставили ту даже термометр. Допустим у нас в морозилке - 10 градусов Цельсия. Мы вытащили этот лед из морозилки со вставленным термометром и он у нас стоит в комнате. Температура в комнате, например, + 25 - +30. Давайте проследим, что будет происходить с содержимым нашего сосуда.
Давайте еще раз повторим, что такое плавление, температура плавления и кристаллизация.
- Плавление - это переход кристаллического вещества из твердого состояния в жидкое.
- Температура плавления - это температура при которой вещество плавится.
- Кристаллизация - это процесс превращение вещества из жидкого состояния в твердое кристаллическое состояние. Т.е - это процесс противоположный плавлению.
Ну а теперь давайте посмотрим на наш опыт немного с другой стороны. Давайте будем обсуждать не температуру, а количество теплоты, которое получает содержимое этого сосуда. На стадии нагревания льда мы можем с вами найти количество теплоты, которое необходимо чтобы нагреть лед от - 10 градусов до нуля, т.е температуры плавления. Можем, если будем знать массу этого льда и будем знать еще его удельную теплоемкость. Т.е этап нагревания льда - это пройденный нами этап и мы знаем, что на этом этапе происходит. Кинетическая энергия молекул становится все больше, но они при этом остаются на своих местах, потому что лед - это твердое тело. А дальше на участке графика таяние льда температура перестала меняться. Скажите пожалуйста перестал ли получать при этом лед количество теплоты, если его температура при этом не меняется. Получает? Да, конечно получает! Ведь лед имеет на этом участке температуру ноль градусов, но он находится в окружающей среде у которой комнатная температура и между ними происходит теплопередача. Значит лед, получая какое-то количество теплоты, остается при этом при температуре ноль градусов. Но, ведь, количество теплоты - это энергия, которую получает тело в процессе теплопередачи. Значит внутренняя энергия содержимого стакана становится больше? Да, конечно, потому что стакан в тающим льдом получает определенное количество теплоты, мы сейчас не говорим о его количественном уровне, а только о качественном, внутренняя энергия при этом увеличивается. Температура остается неизменной. Давайте вспомним, что температура - это мера кинетической энергии хаотического движения молекул. Если кинетическая энергия остается неизменной, а внутренняя энергия увеличивается, то за счет чего увеличивается внутренняя энергия? Правильно, за счет получения количества теплоты, но на что идет это количество теплоты, если внутренняя энергия растет, а кинетическая нет. На плавление. Да, на плавление, но не только. А что происходит с энергетической точки зрения? Внутренняя энергия состоит кинетической энергии хаотического движения молекул и потенциальной энергии взаимодействия молекул друг с другом. И так количество теплоты мы получаем, энергия при этом растет, но кинетическая энергия при этом не изменяется, значит изменяется потенциальная энергия. Получается, что потенциальная энергия взаимодействия молекул воды становится больше, когда вода из льда становится жидкой. Т.е при плавлении потенциальная энергия взаимодействия молекул увеличивается и происходит примерно следующее...кристаллическая решетка твердого кристаллического вещества, в которой каждый узел является свеобразной "ямкой" для молекулы или атома. И когда мы начинаем повышать температуру, то колебания молекул становятся все больше и больше и при некоторой температуре они "выскакивают" из этой "ямки" и они становятся свободными и упорядоченный кристалл превращается в жидкость. Т.е разрушается кристаллическая решетка. Энергия, полученная за счет нагревания, в виде количества теплоты, идет не на увеличение кинетической энергии хаотического движения молекул, а на разрушение кристаллической решетки. Как вы думаете связана энергия необходимая для плавления с массой того, что нам нужно расплавить? Наверное, прямо пропорционально...
Давайте еще раз повторим физический смысл удельной теплоты плавления
Удельная теплота плавления вещества - это физическая величина равная количеству теплоты, которое необходимо для превращения в жидкость одного килограмма кристаллического вещества, взятого при температуре плавления.
И так на что идет это теплота плавления? На разрушение кристаллической решетки. После того как кристаллическая решетка разрушилась, дальше на участке графика нагревания воды увеличивается температура нагрева воды. А температура - это кинетическая энергия. Значит снова начинается рост кинетической энергии хаотического движения молекул жидкой воды. Далее на пике графика мы прекратили нагревание, снова поместили воду в холодильник, она начала остывать, температура уменьшаться, кинетическая энергия хаотического движения молекул так же стала уменьшаться и в результате эти молекулы стали двигаться не так быстро и когда они начинают сближаться достаточно близко друг с другом, они становятся способны остаться рядом друг с другом и образуется кристаллическая решетка, которые молекулы создают сами для себя и образуются так называемые совокупности потенциальных ям. Т.е точек, где молекулы находятся в равновесии. Потенциальная энергия молекулы в потенциальной яме становится чуть меньше, чем в окружающих точках и она остается в этой потенциальной яме, в результате чего формируется кристалл. И этот процесс называется кристаллизацией. Мы уже сказали, что кристаллизация - это процесс противоположный плавлению. И на участке графика кристаллизации воды мы с вами начинаем наблюдать следующее: кристаллизация происходит, тепло при этом отводится от нашего сосуда в окружающую среду. Температура при этом не меняется. О чем это говорит? Это говорит о том, что при кристаллизации выделяется теплота. Это количество теплоты называется теплотой кристаллизации. Как вы думаете количество теплоты, которое требуется для плавления и количество теплоты, которое выделяется при кристаллизации, как они связаны друг с другом? Они между собой равны по закону сохранения энергии. Давайте строго это сформулируем.
- Количество теплоты, отдаваемое телом при кристаллизации равняется количеству теплоты необходимому для плавления и это следует из закона сохранения энергии.
Давайте представим себе, что это было бы по-другому. Допустим, что на плавление нужно 10 Джоулей, а при кристаллизации выделяется 11 Джоулей на каком-то куске вещества. Значит, мы расплавили, потом закристаллизовали, получили при этом выигрыш в энергии в 1 Джоуль и так сделали много-много раз и у нас получается источник энергии из ничего...но это противоречит закону сохранения энергии и в природе не может встречать в принципе. Значит будем помнит о том, что теплота плавления и теплота выделяющаяся при кристаллизации - одинаковы. Поэтому удельную теплоту плавления, можно называть не только удельной теплотой плавления, но и ее еще можно называть удельной теплотой кристаллизации. Физики-профессиональны переход из жидкого состояния в твердого и из твердого обратно в жидкое называют фазовым переходом и если объединить два понятия удельной теплоты плавления и удельной теплоты кристаллизации, то получается, что эта величина является удельной теплотой фазового перехода жидкость - кристаллическое состояние и не важно происходит кристаллизация или плавление. Значения удельной теплоты плавления приведены в специальных справочных таблицах и давайте посмотрим на одну из них.
И теперь давайте сравним процесс плавления кристаллического и аморфного веществ. Давайте еще раз напомним, что аморфное вещество, это так же твердое вещество, но не имеющей в себе структуры кристаллической решетки. Давайте проведем опыт с плавлением, хотя мы уже такой опыт с плавлением твердого и аморфного веществ уже проделывали в лекции о трех состояниях веществ. Но давайте повторим эти опыты еще раз и начнем с плавления кристаллического вещества.
Ну а теперь посмотрим на плавление твердого аморфного вещества.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.