Удивительное явление природы – смена физического состояния вещества при неизменности химического состава. Осенью застывают водоемы, покрываясь коркой льда. Каждую весну под воздействием жаркого солнца мы наблюдаем таяние льда. Важно, чтобы вода в твердом своем состоянии получила необходимое количество теплоты, изменилась, выражаясь языком физиков, внутренняя энергия тела. Она заставляет молекулы двигаться интенсивнее. Благодаря этому состояние вещества изменяется, твердое становится текучим. Такая трансформация свойственна многим веществам: металлам, органическим пластикам, парафину, маслу. Каждому веществу нужна своя порция тепла.
Плавление льда
Опыты, как тающий лед превращается в воду, делали все: кубики в бокале уменьшаются в размере, делая жидкость прохладнее. Морфологическое превращение льда неизменно сопровождается поглощением тепла. Формула воды H2O при этом остается неизменной. Что же тогда меняется? Движение молекул. Они начинают хаотично перемещаться. Таяние льда – процесс, при котором упорядоченная структура разрушается, кристаллы трансформируются сначала в кашицу, затем – в жидкое состояние. Такое изменение требует энергии, она передается из внешней среды молекулам. Изменяется их внутренняя энергия, она не дает им устоять в углах кристаллической решетки. Давайте разбираться с температурой. Повышается ли она во время таяния? Лед до полного превращения в воду своей температуры не изменяет. Это легко проверить с помощью градусника. При температуре ноль градусов лед становится водой, это температура плавления. Разрабатывая температурную шкалу, за ноль приняли температуру трансформации льда и кристаллизации Н2О, как самого встречающегося вещества в окружающей среде.
Параметр, при котором текучее вещество трансформируется в твердое состояние, называется температурой кристаллизации. Она совпадает с параметром, когда лед становится водой, это температура плавления. Для Н2О она равна нулю. Казалось бы, возникает парадокс: внутренняя энергия молекул под воздействием внешнего тепла возрастает, а температура в процессе изменения агрегатного состояния неизменна. Но не будем забывать, что кристаллическая решетка разрушается, связи между молекулами рвутся, изменяется полярная ориентация атомов. Кислород смещается к одному полюсу, водород – к другому. Благодаря этому физико-химическому свойству, вода приобретает текучесть, становится вязкой.
Удельная теплота плавления
Сколько нужно нагревать килограмм льда, чтобы он стал водой? Сколько тепла вбирает тающий лед? Эта величина устанавливается экспериментальным путем, в физике она называется удельной теплотой плавления льда. Аналогичным путем устанавливаются удельные теплоты других веществ. Их единица измерения внесена в международную систему СИ (интернациональную систему измерения). Это отношение единицы тепла (Джоуль) к единице веса (килограмму). Обозначают параметр буквенным символом – греческой буквой λ (лямбда). Значение удельной теплоты плавления λ = 3337Дж/кг или 3,4 кДж/кг.
Несложно понять, как она высчитывается:
- взвешивается кусок льда;
- определяется общий объем теплоты, потраченной на его трансформацию (для этого используют калориметр).
Физическим равенством это записывается следующим образом: λ = Q/m, где
m– масса куска твердого вещества, измеряется в кг.
Зная это равенство, можно решать задачи: λ всегда неизменна, это константа. Зная один из двух оставшихся параметров, легко найти третий:
m = Q/ λ;
Q = λm.
Есть еще одно понятие, связанно с процессом плавления – теплоемкость. Она у всех веществ различная, характеризует объем тепла, необходимого для перевода единицы массы вещества в другое агрегатное состояние путем нагрева или охлаждения.
Роль теплоты плавления льда и кристаллизации воды в природе
Экспериментальным путем процесс растворения льда и кристаллизации изучил естествоиспытатель, физик, химик из Шотландии Джозеф Блек, живший в далеком XVIII веке. Он впервые ввел физическое понятие теплоты плавления. В своей работе он установил важность неизменности температуры таяния льдов. Заметил, что был бы неизбежен коллапс, если бы атомы не поглощали в большом объеме тепло воздуха, прогретого солнцем. Тающий лед стал бы весной причиной опасных наводнений. Он растворялся бы с катастрофической скоростью. Поглощение тепла при разрушении ледяного покрова и снега замедляет процесс. Доказательством выделения тепла при кристаллизации воды служат обязательное потепление воздуха после обильного или продолжительного снегопада. В окружающем нас мире все взаимосвязано, продумано до мельчайших деталей.
(Пока оценок нет)
Загрузка...