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.
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.
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 — 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 (или теплотворная способность, калорийность) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.
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.
Предложена новая теория, объясняющая, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается
Японский физик Масакадзу Мацумото выдвинул теорию, которая объясняет, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается, вместо того чтобы расширяться. Согласно его модели, вода содержит микрообразования — «витриты», представляющие собой выпуклые пустотелые многогранники, в вершинах которых находятся молекулы воды, а ребрами служат водородные связи. При повышении температуры конкурируют между собой два явления: удлинение водородных связей между молекулами воды и деформация витритов, приводящая к уменьшению их полостей. В диапазоне температур от 0 до 3,98°C последнее явление доминирует над эффектом удлинения водородных связей, что в итоге и дает наблюдаемое сжатие воды. Экспериментального подтверждения модели Мацумото пока что нет — впрочем, как и других теорий, объясняющих сжатие воды.
В отличие от подавляющего большинства веществ, вода при нагревании способна уменьшать свой объем (рис. 1), то есть обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Впрочем, речь идет не обо всём температурном интервале, где вода существует в жидком состоянии, а лишь об узком участке — от 0°C примерно до 4°C. При больших температурах вода, как и другие вещества, расширяется.
Между прочим, вода — не единственное вещество, имеющее свойство сжиматься при увеличении температуры (или расширяться при охлаждении). Подобным поведением могут «похвастать» еще висмут, галлий, кремний и сурьма. Тем не менее, в силу своей более сложной внутренней структуры, а также распространенности и важности в разнообразных процессах, именно вода приковывает внимание ученых (см. Продолжается изучение структуры воды, «Элементы», 09.10.2006).
Некоторое время назад общепринятой теорией, отвечающей на вопрос, почему вода увеличивает свой объем при понижении температуры (рис. 1), была модель смеси двух компонент — «нормальной» и «льдоподобной». Впервые эта теория была предложена в XIX веке Гарольдом Витингом и позднее была развита и усовершенствована многими учеными. Сравнительно недавно в рамках обнаруженного полиморфизма воды теория Витинга была переосмыслена. Отныне считается, что в переохлажденной воде существует два типа льдообразных нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Нагревание переохлажденной воды приводит к плавлению этих наноструктур и к появлению двух видов воды: с большей и меньшей плотностью. Хитрая температурная конкуренция между двумя «сортами» образовавшейся воды и порождает немонотонную зависимость плотности от температуры. Однако пока эта теория не подтверждена экспериментально.
С приведенным объяснением нужно быть осторожным. Не случайно здесь говорится лишь о структурах, которые напоминают аморфный лед. Дело в том, что наноскопические области аморфного льда и его макроскопические аналоги обладают разными физическими параметрами.
Японский физик Масакадзу Мацумото решил найти объяснение обсуждаемого здесь эффекта «с нуля», отбросив теорию двухкомпонентной смеси. Используя компьютерное моделирование, он рассмотрел физические свойства воды в широком диапазоне температур — от 200 до 360 К при нулевом давлении, чтобы в молекулярном масштабе выяснить истинные причины расширения воды при ее охлаждении. Его статья в журнале Physical Review Letters так и называется: Why Does Water Expand When It Cools? («Почему вода при охлаждении расширяется?»).
Изначально автор статьи задался вопросом: что влияет на коэффициент теплового расширения воды? Мацумото считает, что для этого достаточно выяснить влияние всего трех факторов: 1) изменения длины водородных связей между молекулами воды, 2) топологического индекса — числа связей на одну молекулу воды и 3) отклонения величины угла между связями от равновесного значения (углового искажения).
Перед тем как рассказать о результатах, полученных японским физиком, сделаем важные замечания и разъяснения по поводу вышеупомянутых трех факторов. Прежде всего, привычная химическая формула воды H2O соответствует лишь парообразному ее состоянию. В жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H2O)x, где x — количество молекул. Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют равновесный, так называемый тетраэдральный угол, равный 109,47 градуса (см. рис. 2).
Проанализировав зависимость длины водородной связи между молекулами воды от температуры, Мацумото пришел к ожидаемому выводу: рост температуры рождает линейное удлинение водородных связей. А это, в свою очередь, приводит к увеличению объема воды, то есть к ее расширению. Сей факт противоречит наблюдаемым результатам, поэтому далее он рассмотрел влияние второго фактора. Как коэффициент теплового расширения зависит от топологического индекса?
Компьютерное моделирование дало следующий результат. При низких температурах наибольший объем воды в процентном отношении занимают кластеры воды, у которых на одну молекулу приходится 4 водородных связи (топологический индекс равен 4). Повышение температуры вызывает уменьшение количества ассоциатов с индексом 4, но при этом начинает возрастать число кластеров с индексами 3 и 5. Проведя численные расчеты, Мацумото обнаружил, что локальный объем кластеров с топологическим индексом 4 с повышением температуры практически не меняется, а изменение суммарного объема ассоциатов с индексами 3 и 5 при любой температуре взаимно компенсирует друг друга. Следовательно, изменение температуры не меняет общий объем воды, а значит, и топологический индекс никакого воздействия на сжатие воды при ее нагревании не оказывает.
Остается выяснить влияние углового искажения водородных связей. И вот здесь начинается самое интересное и важное. Как было сказано выше, молекулы воды стремятся объединиться так, чтобы угол между водородными связями был тетраэдральным. Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, не дают им этого сделать, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса. Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, основываясь на своей предыдущей работе Topological building blocks of hydrogen bond network in water, опубликованной в 2007 году в Journal of Chemical Physics, выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами (рис. 3). В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями — это угол между ребрами в витрите.
Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.
Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией. Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами некоторые микроструктуры не обладают геометрией с тетраэдральными углами (или углами, близкими к этому значению). Они принимают такие структурно неравновесные конфигурации (не являющиеся для них самыми выгодными с энергетической точки зрения), которые позволяют всему «семейству» витритов в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных. Такие витриты, то есть витриты, которые как бы приносят себя в жертву «общим энергетическим интересам», называются фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом.
Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.
Итак, сжатие воды при увеличении температуры вызвано двумя конкурирующими эффектами — удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты, преобладает, что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.
Осталось дождаться экспериментального подтверждения существования витритов и такого их поведения. Но это, увы, очень непростая задача.
Источник: Masakazu Matsumoto. Why Does Water Expand When It Cools? // Phys. Rev. Lett. 103, 017801 (2009).
46. Камни малосжимаемы, но металлы (даже очень плотные) с помощью мощного пресса удается сжать до 0,75 от начального объема. Почему возможно такое сильное сжатие?
Данное свойство обусловлено особенностями строения кристаллической решетки металлов.
47. В стеклянную бутылку налили воды и поместили ее в морозильную камеру. Что произойдет с бутылкой и почему?
Вода в бутылке замерзнет, увеличится в объеме, и бутылка лопнет.
48. Меняется ли вместимость сосудов при изменении их температуры?
Меняется
49. Отличаются ли молекулы воды в горячем чае от молекул воды в холодном лимонаде?
Не отличаются
50. Стоит ли наливать полный чайник воды, если в нем нужно вскипятить воду?
Не стоит, так как при увеличении температуры вода может пролиться.
51. Как называется физическое явление, благодаря которому можно засаливать овощи на зиму? Как происходит переход соли из воды в овощи при засолке?
Диффузия. Молекулы соли проникают в пространство между молекулами овощей.
52. Сильно завинченную крышку банки легче отвинтить, если ее подогреть. Почему?
Нагретая крышка увеличится в объеме.
53. Если перенести надутый воздушный шарик из тепла в холод, что произойдет с его объемом? Почему?
Шарик уменьшится. Частицы воздуха внутри будут двигаться медленнее.
54. Горячие стеклянные стаканы не рекомендуется вставлять друг в друга. Почему?
Остывшие стаканы уменьшатся, и их сложно будет вынимать друг из друга.
55. Почему сложенные вместе стекла трудно разъединить?
Действуют силы молекулярного притяжения.
56. Прижмите поплотнее две деревянные линейки. Легко ли их разъединить? Объясните наблюдаемое явление.
Легко. Из-за неровностей на поверхностях линеек их не удается сблизить на такое расстояние, на котором частицы могут притягиваться друг к другу.
57. Положите в стакан крупинку марганцовки, а затем осторожно налейте в него воду. Что вы наблюдаете? Как называется это явлений?
Марганцовка растворяется в воде. Диффузия.
58. Возьмите две чашки. Наполните их водой и осторожно положите несколько крупинок лимонной кислоты. Одну чашку оставьте на столе, а вторую поместите в холодильник. Через некоторое время попробуйте воду. Объясните наблюдаемое явление.
Теплая вода более кислая, так как диффузия в теплой воде протекает быстрее.
59. Слишком соленую рыбу можно положить на некоторое время в воду при комнатной температуре, и рыба станет менее соленой. Почему?
Часть соли из рыбы растворится в воде.
60. На улице вблизи хлебозавода чувствуется запах хлеба. Почему?
Происходит диффузия газов.
61. Возле кондитерской фабрики обычно пахнет ванилью и шоколадом. Объясните это явление, используя понятие о молекулах.
Молекулы ванили и шоколада переносятся из области высокой концентрации в область низкой концентрации.
62. Пятно от йода на ткани можно прогладить горячим утюгом, и оно исчезнет. Почему?
Йод испаряется.
63. Почему пыль садится даже на обращенные вниз поверхности?
За счет межмолекулярного соединения.
64. Почему при сварке металлов необходима очень высокая температура?
Металл необходимо расплавить.
65. У флакончика для духов тщательно шлифуют горлышко и пробку в месте их соприкосновения. Почему?
Чтобы флакон закрывался плотнее, не давая запаху проникнуть наружу.
66. Белье после стирки, вывешенное на мороз, после замерзания трудно разгибается. Почему?
Остатки воды в белье превращаются в лед.
67. Почему при одинаковой температуре диффузия в жидкостях идет медленнее, чем в газах?
Частицы воздуха движутся быстрее, чем частицы воды.
68. Почему разбитые вазы не «срастаются» обратно, как бы сильно мы не прижимали друг к другу осколки?
Из-за неровностей не удается их сблизить на такое расстояние, на котором частицы могут притягиваться друг к другу.
69. Почему разорванный пластилин можно соединить обратно в один кусок?
Структура пластилина позволяет приблизить его молекулы настолько, что притяжение между ними восстанавливается.
70. Почему пыль с мебели устраняется мокрой тряпкой лучше, чем сухой?
Вода связывает молекулы пыли с тряпкой, заполняя промежутки между молекулами.
71. Почему после плавания на человеческом теле остаются капельки воды?
Молекулы жидкости притягиваются к телу сильнее, чем друг к другу.
72. Почему на стыках железнодорожных рельсов оставляют промежутки, а не соединяют их плотно?
Рельсы увеличиваются и уменьшаются в зависимости от температуры.
73. Почему телеграфная проволока провисает летом больше, чем зимой?
Летом проволока расширяется.
74. Чтобы вынуть плотно засевшую стеклянную пробку, надо на слабом огне нагреть снаружи горлышко склянки. Почему это нагревание может помочь делу?
Горлышко увеличится.
75. При литье расплавленный чугун выливают в формы, в которых он и застывает. Литье производят при температуре около 1300°. Зачем формы делают больше, чем будет сам предмет?
При остывании объем детали уменьшится и деталь будет проще вынуть из формы.
76. Можно ли сделать термометр, используя для его наполнения керосин?
Можно, но его показания будут не точными.
77. Чтобы вывернуть старый заржавевший винт, к его головке подносят нагретый паяльник, которым нагревают винт. Когда винт остынет, он легко вывинчивается. Как объяснить это явление?
Винт сначала увеличится, а затем уменьшится и его будет легко вывинтить.
78. Почему из полного чайника вода при нагревании выливается, хотя объем чайника при нагревании тоже увеличивается?
Вода расширяется сильнее, чем металл.
79. Следует ли зимой покупать полный бидон керосина, если его приходится хранить дома в теплом помещении?
Не стоит. В теплом помещении его объем увеличится.
80. Зачем железную шину, надеваемую на обод колеса телеги, кузнец перед надеванием сильно нагревает?
При остывании шина уменьшится и будет более плотно держаться на колесе.
81. Если склепать железную и медную полоски одинакового размера и затем нагреть их, то вся пластинка изогнется. Почему?
Коэффициенты расширения железа и меди разные.
82. На блюдце с водой поставили опрокинутый горячий стакан. Почему через некоторое время вода внутри стакана будет стоять выше, чем в блюдце (рис. 10)?
Стакан остынет. Уменьшится его объем. Объем воды в нем останется прежним.
83. Почему глубокие пруды не промерзают до дна?
Плотность льда меньше плотности воды, теплопроводность льда плохая, поэтому глубокие водоемы не промерзают до дна.
84. Можно ли делать термометры, взяв вместо подкрашенного спирта подкрашенную воду?
Нет.
Меняется ли вместимость сосудов при изменении их температуры? ГДЗ Тема 4 Задание №48 Физика 7 класс А.В.Перышкин
Прив) Выручите?)
Меняется ли вместимость сосудов при изменении их температуры?
Привет, есть варианты, как ответить на вопрос.
На рисунке изображен деревянный брусок, плавающий в двух разных жидкостях. В ( Подробнее. )
Привет. Выручайте с ответом по физике…
Поплавок со свинцовым грузилом внизу опускают
сначала в воду, потом в масло. В обоих ( Подробнее. )
Привет всем! Нужен ваш совет, как отвечать…
Изобразите силы, действующие на тело, когда оно плавает на поверхности жидкости. ( Подробнее. )
Хочется узнать, когда собираются сократить иностранные языки в школе? Какой в итоге оставят? ( Подробнее. )
