Охлаждение - это процесс понижения температуры. И этот процесс происходит не равномерно. При определённых обстоятельствах охлаждение останавливается и продолжается только после того, как эти обстоятельства будут завершены.
В процессе охлаждения происходит теплообмен с окружающей средой. При этом происходит перенос энергии от более нагретого тела к менее нагретой окружающей среде.
Что же это за такие обстоятельства, которые могут остановить охлаждение? Это процессы перехода из одного агрегатного состояния в другое.
Во-первых: это процесс перехода из газообразного состояния в жидкое, оно называется конденсация.
Во-вторых: это процесс перехода из жидкого состояния в твердое, он называется кристаллизация или отвердевание.
Прежде, чем начать выполнение эксперимента, рассмотрим теоретическую часть.
Так как будем работать с горячими веществами, повторим технику безопасности.
Осторожно, горячая поверхность!
Теперь повторим правило считывания данных с термометра.
В начале взглянем на единицу измерения прибора. Градус Цельсия. Затем определим цену деления прибора. Посмотрим на две ближайшие подписи термометра. Например, 30 и 40. Разница в 10 градусов. Эти 10 градусов разделены на 10 частей. Значит, цена одного деления равна одному градусу.
Невооружённым взглядом человеческий глаз может определить одно деление на половину и определить - значение ближе к отметке или к середине - положению между двумя отметками.
Поэтому при записи значений нужно округлять до 1 знака после запятой и этот знак будет либо 0 либо 5.
На рисунке выше все отметки всех термометров ближе к делению, поэтому их значение считывается как 40,0, 25,0, 15,0 и 1,0.
Если же столбик термометра находитс0я между делениями, как в указанном случае, то последней цифрой будет 5. Заметьте, в приборах такого типа нельзя глазом делить на три и более частей. Только пополам. Поэтому не может быть значений с последней цифрой, отличной от 0 и 5. Однако, если использовать электронный термометр, то значения нужно использовать ровно те, которые записаны на экране электронного измерительного прибора. В этом случае после запятой может быть любое число.
Посмотрите, как правильно оформлять таблицу.
1. Единицы измерения обязательно записываются в шапке таблицы и НЕ дублируются в каждой ячейке.
2. Округляются все значения согласно точности прибора и везде одинаково. Например, в данной таблице все значения времени округлены до целых и все значения температур - до десятых.
3. Так как это был реальный эксперимент, то по законам статистики чисел, заканчивающихся на 5 и на 0 примерно оказалось одинаковое количество.
Теперь приступим к построению графика.
Вроде бы красивая и пропорциональная мышь, но при оценивании графика, нас ждал бы провал, так как график по обоим осям должен занимать не менее половины сетки. По оси игрек этот критерий выполнен, а вот по оси х нет. Поэтому, шкалу нужно построить таким образом, чтобы график занималь большую часть.
Картина должна выглядеть примерно так:
при построении графика обязательно учитываем, что на оси х откладываем независимую переменную, а на оси игрек - зависимую.
В нашем случае температура зависит от времени.
Оси мы обязательно подпишем и отметим единицы измерения. Смотрите на рисунок.
Обратите внимание, что штрихи на шкале изображены с одинаковым промежутком. Это - очень важное условие.
Настало время эксперимента. Но прежде давайте предположим, как будет выглядеть кривая охлаждения?
В любом случае - со временем температура падает. Но как? Равномерно ли?
В начале эксперимента разница температур между веществом и окружающей средой высока, поэтому теплообмен происходит быстро. Чем меньше разница температур, тем медленнее происходит теплообмен. Поэтому, линия будет слегка вогнута.
К стати, именно на этом свойстве теплообмена основано действие электронного термометра для измерения температуры человеческого тела. При этом в самом начале измерения можно наблюдать как показания очень быстро растут. Чем ближе температура пациента к температуре градусника, тем медленнее растет температура. В тот момент, когда мини-компьютер зафиксирует, что уже некоторое время нет роста температуры, градусник издаст звуковой сигнал. Однако, многие рекомендуют продолжать измерять температуру еще некоторое время после звукового сигнала, так как перенос энергии хоть и замедлился, но еще не остановился.
Так будет выглядеть график, если был только процесс охлаждения. Если же были и другие процессы: конденсация или отвердевание, то график на некоторое время остается на одном уровне температуры.
Умейте комментировать и объяснять форму графика.
Что можно сказать об этом эксперименте, глядя на график?
1. Эксперимент начали при температуре около 92 градусов Цельсия.
2. На 2 минуте уменьшение температуры прекратилось, а на 4 минуте продолжилось. Это значит, что в промежуток со 2 по 4 минуту происходил процесс перехода одной фазы в другую.
Изменение температуры прекратилось при температуре 70 градусов, значит это и есть температура отвердевания (если происходит переход из жидкого состояния в твердое) или температура конденсации (если это переход из газообразного состояния в жидкое).
У каждого чистого кристаллического вещества есть своя температура конденсации и своя температура отвердевания. Например, для воды 100 градусов и 0 градусов соответственно.
Чтобы измерить данные температуры опытным путем, можно охлаждать вещество и наблюдать, при какой температуре изменение температуры прекратится на некоторое время.
Стоит отметить, что температура не начнет дальше меняться, пока всё-всё вещество не поменяет своё агрегатное состояние.
Почему же так происходит?
По мере охлаждения температура падает, потому что происходит процесс тепловой энергии от вещества в окружающую среду. При этом уменьшается средняя кинетическая энергия молекул, молекулы замедляются. По достижении температуры отвердевания или температуры конденсации начинают образовываться связи, молекулы сближаются, при отвердевании образуется кристаллическая решётка. При образовании связей энергия выделяется и передается в окружающую среду, поэтому вещество в течении данных процессов не охлаждается.
Интересный факт! На производстве при переплавке металлов в момент быстрого отвердевания температура даже может немного увеличиться!
Пусть мы охлаждали жидкость, тогда мы можем отметить на графике присутствие агрегатных состояний. При первом понижении температуры первые две минуты - жидкость. В следующие две минуты, пока температура остается на одном месте, в сосуде присутствует одновременно и жидкость и твердое. В оставшееся время, после четвертой минуты, как только началось дальнейшее понижение температуры, присутствует только твёрдое.
Таким образом, на нашем графике изображено три процесса: охлаждение жидкости, отвердевание и охлаждение твердого тела.
Для сравнения охладим одновременно воду и стеариновую кислоту. Вода будет охлаждаться плавно, так как в исследуемом промежутке не содержит точку отвердевания (она отвердеет лишь при 0). График охлаждения стеариновой кислоты выйдет на плато при достижении ее температуры отвердевания.
Выполните эксперимент:
Выполните задание:
В промежутке A-B происходит охлаждение газа, в промежутке B-C происходит конденсация паров и в промежутке C-D происходит охлаждение жидкости.
В точке D вещество начало кристаллизоваться и в точке E оно завершило кристаллизацию, это произошло на 30 минуте. Это мы можем понять, опустив перпендикуляр от точки E на ось времени.
Отрезок DE представляет процесс плавления. Опустив перпендикуляр на ось температуры, получим значение 100 градусов.
При охлаждении энергия охлаждаемого вещества уменьшается? а энергия окружающей среды увеличивается, так как энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому.
Для закрепления знаний решите тесты:
Изучите далее процесс нагревания: