Переход из твердого состояния в жидкое. Как происходит переход вещества из жидкого состояния в твердое

Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой. В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное.

Например, вода может находиться в твердом (лед), жидком (вода) и газообразном (пар) состояниях.

Газ расширяется, пока не заполнит весь отведенный ему объем. Если рассмотреть газ на молекулярном уровне, мы увидим беспорядочно мечущиеся и сталкивающиеся между собой и со стенками сосуда молекулы, которые, однако, практически не вступают во взаимодействие друг с другом. Если увеличить или уменьшить объем сосуда, молекулы равномерно перераспределятся в новом объеме.

В отличие от газа при заданной температуре занимает фиксированный объем, однако и она принимает форму заполняемого сосуда - но только ниже уровня ее поверхности. На молекулярном уровне жидкость проще всего представить в виде молекул-шариков, которые хотя и находятся в тесном контакте друг с другом, однако имеют свободу перекатываться друг относительно друга, подобно круглым бусинам в банке. Налейте жидкость в сосуд - и молекулы быстро растекутся и заполнят нижнюю часть объема сосуда, в результате жидкость примет его форму, но не распространится в полном объеме сосуда.

Твердое тело имеет собственную форму, не растекается по объему контейнера и не принимает его форму. На микроскопическом уровне атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жесткие упорядоченные структуры - кристаллические решетки, - так и беспорядочное нагромождение - аморфные тела (именно такова структура полимеров, которые похожи на перепутанные и слипшиеся макароны в миске).

Выше были описаны три классических агрегатных состояния вещества. Имеется, однако, и четвертое состояние, которые физики склонны относить к числу агрегатных. Это плазменное состояние. Плазма характеризуется частичным или полным срывом электронов с их атомных орбит, при этом сами свободные электроны остаются внутри вещества.

Изменение агрегатных состояний вещества мы можем наблюдать воочию в природе. Вода с поверхности водоемов испаряется, и образуются облака. Так жидкость переходит в газ. Зимой вода в водоемах замерзает, переходя в твердое состояние, а весной вновь тает, переходя в обратно в жидкость. Что происходит с молекулами вещества при переходе его из одного состояния в другое? Меняются ли они? Отличаются ли, например, молекулы льда от молекул пара? Ответ однозначный: нет. Молекулы остаются абсолютно теми же. Меняется их кинетическая энергия, а соответственно и свойства вещества.

Энергия молекул пара достаточно велика, чтобы разлетаться в разные стороны, а при охлаждении пар конденсируется в жидкость, и энергии у молекул все еще достаточно для почти свободного перемещения, но уже недостаточно, чтобы оторваться от притяжения других молекул и улететь. При дальнейшем охлаждении вода замерзает, становясь твердым телом, и энергии молекул уже недостаточно даже для свободного перемещения внутри тела. Они колеблются около одного места, удерживаемые силами притяжения других молекул.

При достаточно низкой температуре испарение жидкости происходит с ее свободной поверхности и носит спокойный характер. По достижении определенной температуры, называемой температурой кипения , парообразование начинает происходить не только со свободной поверхности, но и в объеме жидкости. Внутри нее возникают, увеличиваются в размерах и поднимаются на поверхность пузыри пара. Парообразование приобретает бурный характер и называется кипением. Механизм кипения заключается в следующем.

В жидкости всегда есть мельчайшие пузырьки воздуха, которые, подобно броуновским частицам, совершают медленные беспорядочные перемещения в объеме жидкости. Внутри пузырьков, наряду с воздухом, имеется также насыщенный пар окружающей жидкости. Условием стабильности размера пузырька является равенство внутреннего и внешнего давлений на его поверхность. Внешнее давление равно сумме атмосферного давления и гидростатического давления на глубине, где находится пузырек. Внутреннее давление равно сумме парциальных давлений воздуха и пара внутри пузырька. Таким образом,

.

Для малых глубин, на которых гидростатическое давление мало по сравнению с атмосферным, можно положить , и последнее равенство примет вид:

Если несколько увеличить температуру, то давление насыщенного пара в пузырьке возрастет и размер пузырька увеличится, давление воздуха внутри него уменьшится, так что сумма останется неизменной и условие равновесия (13.19) будет выполняться при возросшей температуре для пузырька с увеличившимся размером. Однако, если температуру увеличить настолько, что давление насыщенного пара в пузырьке станет равно атмосферному давлению,

то равенство (13.19) перестанет выполняться. Размер пузырька и масса пара в нем будут возрастать, пузырек под действием выталкивающей (архимедовой) силы устремится к поверхности жидкости.Жидкость начнет кипеть. Итак, равенство (13.20) является условием кипения жидкости в сосуде на малой глубине: кипение жидкости на малой глубине происходит при такой температуре, при которой давление насыщенных паров этой жидкости становится равным атмосферному давлению. Таким образом, температура кипения зависит от атмосферного давления.

Пример 13.4. Вода при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре . Следовательно, давление насыщенных паров воды при этой температуре равно нормальному атмосферному давлению.

Пример 13.5. При температуре объем пузырька, находящегося в воде на малой глубине, равен . Температура воды стала равна . Каким станет объем пузырька при температуре ?Атмосферное давление нормальное. Давление насыщенных паров воды при температуре равно , а при температуре оно равно .

Обозначим через массу воздуха в пузырьке. Имеем:

,

где - молярная масса воздуха, - давление воздуха в пузырьке объема при температуре . В соответствии с условием равновесия размера пузырька (13.19) следует положить . Получим:

Применяя последнее равенство при двух различных температурах и , получим:

Из последних равенств находим:

.

Пример 13.6. Рассмотрим раствор нелетучего вещества в некотором растворителе . Применяя закон Рауля (13.3), получим для давления насыщенного пара над раствором:

.

Ввиду нелетучести вещества имеем , и последнее равенство примет вид:

.

Итак, давление насыщенного пара над раствором меньше, чем над чистым растворителем (при одной и той же температуре). Отсюда следует, что раствор нужно нагреть до более высокой температуры, чем чистый растворитель, для того, чтобы давление насыщенного пара сравнялось с атмосферным и началось кипение. Таким образом, температура кипения рассматриваемого раствора выше, чем температура кипения чистого растворителя.

Задача 13.5. Найти температуру кипения воды в горах на высоте над уровнем моря. Атмосферное давление на уровне моря считать нормальным. Температуру атмосферы принять равной .

Ответ: , где - температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, - молярная масса воздуха, - скрытая молярная теплота испарения воды при температурах, близких к .

Указание. Для нахождения давления атмосферы на уровне воспользоваться барометрической формулой. Для нахождения давления насыщенного пара при температуре воспользоваться формулой (13.17). Использовать условие кипения (13.20).

13.7. Превращения «жидкость - твердое тело»

При достаточно низких температурах все жидкости, за исключением жидкого гелия, переходят в твердое состояние.

Рассмотрим превращение однокомпонентной, то есть состоящей из атомов одного сорта жидкости в твердое тело. Этот процесс называется кристаллизацией . Кристаллизация является переходом системы атомов в состояние с более высокой степенью порядка и происходит при определенной температуре, называемой температурой плавления (отвердевания ). При этой температуре кинетическая энергия теплового движения атомов становится достаточно малой и силы взаимодействия между атомами могут удерживать атомы в определенных положениях - узлах кристаллической решетки.

Процесс превращения твердого тела в жидкость называется плавлением и является процессом, обратным кристаллизации. Происходит этот процесс при той же температуре, что и плавление.

Если непрерывно подводить к твердому телу тепло, то его температура будет меняться со временем так, как показано на рис. 13.4 а. Участок соответствует нагреванию твердого тела, участок - двухфазному состоянию вещества, при котором находятся в равновесии твердая и жидкая фазы этого вещества. Таким образом, участок соответствует плавлению твердого тела. В точке все вещество становится жидким и дальнейший подвод тепла сопровождается повышением температуры жидкости.

Тепло, которое подводится к системе «твердое тело - жидкость» на этапе плавления, не приводит к изменению температуры системы и идет на разрушение связей между атомами. Это тепло называется скрытой теплотой плавления .

Если жидкость отдает тепло, то ее температура зависит от времени так, как показано на рис. 13.4 б. Стадия соответствует охлаждению жидкости, стадия - ее кристаллизации (двухфазным состояниям системы), и стадия -охлаждению твердого тела. Тепло, которое отдает система на стадии кристаллизации, называется скрытой теплотой кристаллизации . Она равна скрытой теплоте плавления.

Зависимости температуры системы от времени, изображенные на рис. 13.4, характерны именно для кристаллических тел. Для аморфных веществ при их нагревании (охлаждении) график зависимости температуры от времени является монотонной кривой, что соответствует постепенному размягчению (отвердеванию) аморфного вещества при возрастании (уменьшении) его температуры.

Начинается кристаллизация в жидкости вблизи центра или центров кристаллизации. Ими служат случайные объединения атомов, к которым затем присоединяются, выстраиваясь, другие атомы, пока вся жидкость не превратится в твердое тело. Роль центров кристаллизации могут играть также инородные макроскопические частицы, если они присутствуют в жидкости.

Обычно в жидкости при ее охлаждении возникает много центров кристаллизации. Вокруг этих центров формируются структуры атомов, которые в конечном итоге образуют поликристалл , состоящий из множества малых кристаллов. Условная схема поликристалла изображена на рис. 13.5.

При особых условиях оказывается возможным получить («вырастить») одиночный кристалл - монокристалл , образующийся вокруг единого центра кристаллизации. Если при этом для всех направлений обеспечены одинаковые условия для присоединения частиц из жидкости к образующемуся кристаллу, то он получится правильно ограненным соответственно его свойствам симметрии.

Температура плавления вообще-то зависит от давления, которому подвергается твердое тело, возможный ход этой зависимости изображен графически на рис. 13.6. Снять опытную зависимость можно, например, поместив тигель с расплавляемым веществом в атмосферу газа, давление которого можно менять. Кривая зависимости является кривой равновесия жидкой и твердой фаз. Точки под кривой соответствуют твердому состоянию вещества, а над кривой - жидкому состоянию. Если при неизменной температуре увеличивать давление над жидкостью от точки , то при давлении (точка ) в жидкости возникнет твердая фаза, а при дальнейшем увеличении давления вся жидкость отвердеет (точка ).

Теоретическую связь между давлением и температурой плавления можно установить, рассмотрев цикл Карно, совершаемый двухфазной системой «твердое тело - жидкость» совершенно аналогично тому, как была установлена связь (13.12) между давлением насыщенного пара над жидкостью и температурой. Произведя в (13.12) формальные замены , , , где - скрытая молярная теплота плавления, - молярный объем твердой фазы, - молярный объем жидкой фазы, получим:

. (13.21)

Если вещество не является чистым, а представляет собой сплав , то есть содержит разнородные атомы, то в общем случае отвердевание может происходить в некотором интервале температур, а не при определенной температуре, как у чистых веществ.

Задача 13.6 . Уксусная кислота при атмосферном давлении плавится при температуре . Разность удельных объемов (то есть объемов единицы массы кислоты) жидкой и твердой фаз . Точка плавления уксусной кислоты смещается на при изменении давления на . Найти удельную (то есть отнесенную к единице массы) теплоту плавления уксусной кислоты.

Ответ: .

Указание. Воспользоваться формулой (13.21). Учесть, что молярный объем связан с удельным объемом соотношением , где - молярная масса. Молярная теплота плавления связана с удельной теплотой плавления соотношением .

Важно знать и понимать, каким образом осуществляются переходы между агрегатными состояниями веществ . Схему таких переходов изобразим на рисунке 4.

5 - сублимация (возгонка) - переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое;

6 - десублимация - переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое.

Б. 2 Плавление льда и замерзание воды (кристаллизация)
Если поместить лед в колбу и начать его нагревать с помощью горелки, то можно будет заметить, что его температура начнет повышаться, пока не достигнет температуры плавления (0 o C). Затем начнется процесс плавления, но при этом температура льда повышаться не будет, и только после окончания процесса плавления всего льда температура образовавшейся воды начнет повышаться.

Определение. Плавление - процесс перехода из твердого состояния в жидкое. Этот процесс происходит при постоянной температуре.

Температура, при которой происходит плавление вещества, называется температурой плавления и является измеренной величиной для многих твердых веществ, а потому табличной величиной. Например, температура плавления льда равна 0 o C, а температура плавления золота 1100 o C.

Обратный плавлению процесс - процесс кристаллизации - также удобно рассматривать на примере замерзания воды и превращения ее в лед. Если взять пробирку с водой и начать ее охлаждать, то сначала будет наблюдаться уменьшение температуры воды, пока она не достигнет 0 o C, а затем ее замерзание при постоянной температуре), и уже после полного замерзания дальнейшее охлаждение образовавшегося льда.
Если описанные процессы рассматривать с точки зрения внутренней энергии тела, то при плавлении вся полученная телом энергия расходуется на разрушение кристаллической решетки и ослабление межмолекулярных связей, таким образом, энергия расходуется не на изменение температуры, а на изменение структуры вещества и взаимодействия его частиц. В процессе же кристаллизации обмен энергиями происходит в обратном направлении: тело отдает тепло окружающей среде, а его внутренняя энергия уменьшается, что приводит к уменьшению подвижности частиц, увеличению взаимодействия между ними и отвердеванию тела.

График плавления и кристаллизации

Полезно уметь графически изобразить процессы плавления и кристаллизации вещества на графике. По осям графика расположены: ось абсцисс - время, ось ординат - температура вещества. В качестве исследуемого вещества примем лед при отрицательной температуре, т. е. такой, который при получении тепла не начнет сразу плавиться, а будет нагревать до температуры плавления. Опишем участки на графике, которые представляют собой отдельные тепловые процессы:
Начальное состояние - a: нагревание льда до температуры плавления 0 o C;
a - b: процесс плавления при постоянной температуре 0 o C;
b - точка с некоторой температурой: нагревание образовавшейся из льда воды до некоторой температуры;
Точка с некоторой температурой - c: охлаждение воды до температуры замерзания 0 o C;
c - d: процесс замерзания воды при постоянной температуре 0 o C;
d - конечное состояние: остывание льда до некоторой отрицательной температуры.

Процесс превращения воды из жидкого состояния в газообразное называется испарением.

Разные состояния воды в природе

Вода является единственным веществом в природе, у которого в естественных условиях существуют три агрегатных состояния. Наибольший объем на планете занимает жидкая вода, поскольку все океаны, реки и озера наполнены именно ей. На холодных участках планеты (например, на территориях вокруг полюсов) постоянно встречается лед, который является твердым состоянием воды. Переход пресной воды из жидкого в твердое состояние происходит при 0°C или -1°C. Морская же вода из-за содержания в ней солей замерзает, когда температура опускается до -2-3°C.

Еще одним вариантом твердого состояния воды является снег, который выпадает в приполярных и умеренной зонах Земли в зимний период. Град тоже считается одной из форм затвердевшей воды, с которой мы можем встретиться в природе.

Газообразная форма воды образуется почти при любых температурах, за исключением критически низких. Если нагреть воду до 100°C, то она полностью испарится.

Значение разных состояний воды для природы

С помощью воды на планете происходит круговорот веществ. Он проходит по следующей схеме:

1. Вода испаряется из жидкого состояния, становится газом и поднимается на большую высоту.
2. Из-за этого образуются облака, которые распространяются с помощью ветра.
3. При остывании вода возвращается на поверхность Земли уже в жидком или твердом состоянии.
4. С помощью рек она вновь направляется в сторону океана.

Во время данного движения вода растворяет в себе многие микроэлементы и способствует перемещению веществ, а также обогащает почву и очищает атмосферу во время дождя от многих вредных отходов.

Осадки, образующиеся после испарения воды, очень разнообразны и зависят от температуры окружающей среды и высоты облаков. При плюсовой температуре осадки почти всегда жидкие и выпадают в виде дождей. Однако если в верхних слоях, где находятся облака, температура минусовая, то выпадает град в виде кусков льда, даже если у поверхности Земли жарко.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели: формирование понятия о плавлении и кристаллизации тел, температуре плавления и кристаллизации; развитие умений применять полученные знания к решению простейших задач, развитие кругозора учащихся, воспитание интереса к предмету, воспитание всесторонне развитой личности.

Необходимое оборудование: АРМ учителя, уроки физики Кирилла и Мефодия для 8 класса, кусочки льда, свеча, спички.

Пояснения: ответы учащихся в тексте выделены курсивом.

План урока:

1. Организационный момент.
2. Изучение нового материала.
3. Закрепление.
4. Домашнее задание.
5. Итоги урока.

ХОД УРОКА

1. Организационный момент

– Сегодня на уроке мы поговорим о различных состояниях вещества, узнаем, при каких условиях вещество может находиться в том или ином состоянии и что необходимо сделать для превращения вещества из одного состояния в другое.

2. Изучение нового материала

– Рассмотрим рисунки (слайд 2). Как вы думаете, что их объединяет?

– На рисунках показана вода в трех различных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

– Верно. Не только у воды, но и у любого другого вещества есть три состояния. Как называют эти состояния?

–

– Может ли вещество переходить из одного состояния в другое? Например, можно ли превратить лед в воду?

– Да.

– Каким образом это сделать?

– Нужно нагреть его.

– Вы почти правы. Правильнее будет сказать, что мы сообщаем льду некоторое количество теплоты. Тогда что такое количество теплоты?

– Количество теплоты – это энергия, которую тело получает или отдает в процессе теплопередачи.

– А что такое внутренняя энергия?

– Внутренняя энергия – энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

– Проведем эксперимент. Один кусочек льда оставим на тарелке и проследим, что будет с ним происходить, а второму передадим некоторое количество теплоты от свечи. Какой кусок льда быстрее превращается в воду и почему?

– Во втором случае процесс перехода льда в воду происходит быстрее, так как второй кусок льда получает большее количество теплоты от свечи, чем первый кусок из окружающей среды.

– Верно. Значит, быстрее превращается в воду тот кусок льда, которому сообщили больше энергии.

– Найдите в учебнике (стр.31), как называется процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое?

Процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением (слайд 3)

– Это и есть тема нашего урока. Запишем в тетради – Плавление тел.

– Рассмотрим процесс плавления с помощью фрагмента (уроки физики Кирилла и Мефодия для 8 класса). Ваша задача – обратить внимание, меняется ли температура в течение этого процесса.

– Температура в процессе плавления не меняется.

– Верно. Теперь найдите в учебнике (стр.32), как называется процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое?

Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристаллизацией (слайд 4)

– Рассмотрим и этот процесс с помощью фрагмента (электронные уроки физики Кирилла и Мефодия для 8 класса). Менялась ли температура в течение всего процесса отвердевания?

– Температура в процессе отвердевания не менялась.

– Запомним, что в процессе плавления и отвердевания температура вещества не меняется. Почему это происходит, мы рассмотрим на следующем уроке.

– Для того чтобы начался процесс плавления, тело должно иметь определенную температуру. Как её называют?

Температуру, при которой вещество плавится, называют его температурой плавления.

– Правильно! Значит, температура плавления – это температура, выше которой вещество в твердом состоянии находиться не может. Найдите в таблице температур плавления температуру плавления льда.

– Она равна 0 о С.

– А при какой температуре отвердевает вода?

– Вода отвердевает тоже при 0 о С.

– Правильно. Значит, вещества отвердевают при той же температуре, при которой они плавятся.
С помощью графика (слайд 5) рассмотрим процесс перехода льда из твердого состояния в жидкое (Перышкин А.В., стр.33).
Наблюдение за процессом началось с того момента, когда температура льда была –20 о С. При дальнейшем нагревании температура льда росла до тех пор, пока не достигла 0 о С. В этот момент лед начал плавиться, а его температура перестала расти. В течение всего времени плавления температура льда не менялась, хотя ему продолжали сообщать энергию.
При достижении 20 о С веществу перестали сообщать энергию: вода стала охлаждаться, и при 0 о С начался процесс кристаллизации воды. В течение всего времени отвердевания температура вещества снова не менялась. Также из графика видно, что температура плавления равна температуре кристаллизации.

3. Закрепление

1. На графике (слайд 6) показано, как со временем изменяется температура при нагревании и охлаждении свинца. Какому состоянию соответствует каждый из участков графика?

АВ, ВС – твердое состояние, CD – плавление,
DE, EF – жидкое состояние, FG – кристаллизация, GH – твердое состояние.

2. В эксперименте отдельно нагревали до 1000 о С алюминий, железо, медь, цинк, сталь, серебро и золото (слайд 7, 8). В каком состоянии – жидком или твердом – находились эти металлы при указанной температуре?

3. На рисунках (слайд 2) показана вода в трех различных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

– Как называют эти состояния?

– Их называют агрегатными состояниями.

– Может ли вещество переходить из одного состояния в другое?
Да. Передавая молекулам твердого тела энергию, можно перевести вещество из твердого состояния в жидкое, а из жидкого – в газ. Отнимая энергию у молекул газа, можно получить жидкость, а из неё – твердое тело.

4. – Начинаем нагревать лед, взятый при температуре – 10 о С. Что происходит с температурой?

– Температура льда будет увеличиваться.

– Температура льда достигла 0 о С. Лед начинает плавиться. Что происходит с его температурой?

– Температура перестает меняться до конца всего процесса плавления.

– Лед полностью превратился в воду. Процесс нагревания продолжается. Меняется ли температура? Каким образом?

– Температура уже воды снова увеличивается?

5. Меняется ли температура вещества в процессе кристаллизации?