Плавлення й кристалізація твердих тіл

2-й семестр

ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

4. Кількість теплоти. Теплові машини

Урок 13/55

Тема. Плавлення й кристалізація твердих тіл

Мета уроку: навчити учнів розуміти суть теплових процесів – плавлення й кристалізації, переконати їх у сталості температури при плавленні й кристалізації речовини.

Тип уроку: комбінований урок.

План уроку

Контроль знань	10 хв.	Самостійна робота № 21 “Енергія палива. Питома теплота згоряння”
Демонстрації	10 хв.	1. Моделі кристалічних решіток. 2. Набір кристалічних й аморфних тіл. 3. Спостереження за процесами плавлення й кристалізації твердих тіл
Вивчення нового матеріалу	25 хв.	1. Агрегатні стани речовини. 2. Процес плавлення й кристалізації твердих тіл. 3. Питома теплота плавлення
Закріплення вивченого матеріалу	15 хв.	1. Контрольні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі. 3. Поміркуй і відповідай

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Агрегатні стани речовини

Залежно від умов

одна й та сама речовина може перебувати в різних станах, наприклад у твердому, рідкому або газоподібному. Наочним прикладом цього служить лід, вода й водяна пара. Ці стани називають агрегатними станами.

Ми уже знаємо, що молекули однієї й тієї самої речовини у твердому, рідкому й газоподібному стані нічим не відрізняються одна від одної. Той або інший агрегатний стан речовини визначається розташуванням, характером руху й взаємодії молекул.

Тепловий рух молекул характеризується їх середньою кінетичною енергією. Вона, як відомо, визначає температуру тіл.

Взаємодія молекул характеризується потенціальною енергією. Вона залежить від відстані між молекулами.

У твердих кристалічних тілах молекули розташовані в певному порядку й можуть лише здійснювати коливальний рух біля положення рівноваги.

У рідинах молекули розташовані безладно, хоча й близько одна від одної. Рух молекул у рідині – коливально-поступальний.

Молекули рухаються й взаємодіють одночасно, отже, вони володіють і кінетичною й потенціальною енергією. Відтак, те, чи бути тілу твердим, рідким або газоподібним, залежить від співвідношення обох видів енергії. А зміна цього співвідношення й призводить до переходу речовини з одного стану в інший.

2. Процес плавлення й кристалізації твердих тіл

Передаючи тілу енергію, можна перевести його із твердого стану в рідкий (наприклад, розплавити лід).

Перехід речовини із кристалічного стану в рідкий називають плавленням.

Щоб розплавити тіло, потрібно спочатку нагріти його до певної температури.

Температуру, за якої речовина плавиться, називають температурою плавлення.

Після демонстрації дослідів з плавлення й тверднення кристалічних тіл учні повинні твердо засвоїти три такі положення:

– існує температура, вище від якої речовина у твердому стані не може перебувати;

– температура під час плавлення залишається постійною;

– процес плавлення вимагає припливу енергії до речовини, що плавиться.

Погляньте на рисунок: температура й снігу, і підталої води залишається 0 °С. Так буде доти, поки не залишиться останній кристалик льоду, навіть якщо температура повітря стане +10 °С.

Далі необхідно проаналізувати таблицю температур плавлення. З таблиці видно, у яких межах лежать температури плавлення різних речовин. Наприклад, тугоплавкі метали (вольфрам, титан) можуть застосовуватися для створення космічних кораблів, для виготовлення спіралей теплових електричних приладів, а цезій і натрій можна розплавити в гарячій воді.

Досліди показують, що речовини тверднуть за тієї ж температурі, за якої плавляться. Процес кристалізації супроводжується виділенням такої ж кількості теплоти, що поглинається при плавленні.

Перехід речовини з рідкого стану в кристалічний називають кристалізацією, або твердненням.

Кристалізація відбувається за тієї ж температури, що й плавлення.

3. Питома теплота плавлення

Вся енергія, яку одержує кристалічне тіло після того, як воно вже нагріте до температури плавлення, витрачається на руйнування кристалічних решіток. У зв’язку із цим температура тіла перестає підвищуватися. Досліди показують, що для перетворення різних кристалічних речовин однієї й тієї ж маси в рідину при температурі плавлення потрібна різна кількість теплоти.

Питома теплота плавлення дорівнює кількості теплоти, яка необхідна для перетворення 1 кг речовини із твердого в рідкий стан при температурі плавлення.

Питому теплоту плавлення позначають? і вимірюють у джоулях на кілограм (Дж/кг).

Необхідно ознайомити учнів з таблицею питомої теплоти плавлення деяких речовин. Наприклад, питома теплота плавлення міді дорівнює 210 кДж/кг. Це означає, що для того щоб розплавити 1 кг міді, узятої при температурі плавлення (1085 °С), необхідно затратити 210 кДж теплоти.

Щоб визначити кількість теплоти, необхідну для плавлення твердого тіла, треба питому теплоту плавлення X помножити на масу тіла:

Q = ?m.

Кількість теплоти, що виділяється при кристалізації тіла, визначається за тією ж формулою:

В аморфних тіл, на відміну від кристалічних, немає певної температури плавлення: при нагріванні такі тіла розм’якшуються поступово.

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

У яких агрегатних станах може перебувати та сама речовина?

Які особливості молекулярної будови газів, рідин і твердих тіл?

Який з металів, наведених у таблиці, найбільш легкоплавкий? найменш тугоплавкий?

Які умови плавлення твердих тіл? Назвіть всі теплові процеси, які відбуваються при плавленні металу в плавильній печі.

Який фізичний зміст питомої теплоти плавлення?

Скільки енергії потрібно затратити, щоб розплавити лід масою 2 кг при температурі 0 °С?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Навчаємося розв’язувати задачі

1. Яку енергію необхідно затратити, щоб розплавити шматок свинцю масою m = 2 кг, взятий при температурі t1 = 27 °С? Розв’язок. Процес складається із двох етапів: на першому етапі свинець нагрівається до температури плавлення, на другому етапі плавиться.

Або інакше:

Звідси остаточно одержуємо:

Перевіряємо одиниці величин:

Обчислюємо необхідну для плавлення енергію:

Відповідь: 126 кДж.

2. Скільки міді, що має температуру 85 °С, можна розплавити, передавши їй кількість теплоти 295 кДж?

3. У калориметрі знаходиться вода масою 2 кг, температура якої 30 °С. У калориметр поміщають лід при температурі 0 °С. Якою могла бути маса льоду, якщо він весь розтанув?

Відповідь: m? 0,76 кг.

2). Поміркуй і відповідай

1. Чи буде плавитися чавунна деталь, кинута в розплавлену мідь?

2. Чи можна в алюмінієвій посудині розплавити цинк? Відповідь обгрунтуйте.

3. Чи може внутрішня енергія тіла змінитися без зміни температури? Наведіть приклади, що підтверджують вашу відповідь.

4. Яке тіло має більшу внутрішню енергію: шматок льоду при температурі 0 °С або вода, яку отримали із цього шматка, що має температуру 0 °С?

5. Узимку на балконі лежить мідна пластинка й крижинка такої ж маси. Питома теплота плавлення в міді значно менше, ніж у льоду. Чи означає це, що для плавлення мідної пластинки в цьому випадку буде потрібно менше енергії, ніж для плавлення крижинки?

Домашнє завдання-1

1. У-1: § 26.

2. Сб-1:

Рів1 – № 29.2, 29.3, 29.4, 29.11, 28.13.

Рів2 – № 29.17, 29.18, 29.19, 29.27, 29.29.

Рів3 – № 29.33, 29.34, 29.35, 29.43, 29.44.

Домашнє завдання-2

1. У-2: § 44 (п.1, 2), 45 (п.1, 2).

2. Сб-2:

Рів1 – № 32.1, 32.2, 32.3, 32.4, 32.5.

Рів2 – № 32.15, 32.16, 32.17, 32.20, 32.23.

Рів3 – № 32.32, 32.33, 32.37, 32.38, 32.39.