Определение удельной теплоты плавления твердых тел

Цель работы: определение удельной теплоты плавления олова по скорости охлаждения.

 

Необходимые приборы и принадлежности: электроплитка, фарфоровый тигель с оловом, термометр, штатив, технические весы.

 

Теоретическое введение

 

Плавлением твердых тел называется их переход из твердого состояния в жидкое. За счет энергии, которая подводится к твердому телу при плавлении, амплитуды смещений частиц, колеблющихся в узлах кристаллической решетки, возрастают, становятся сравнимыми с периодом кристаллической решетки. Плавление происходит при определенной температуре, называемой температурой плавления - Т_пл. У большинства твердых тел плавление сопровождается увеличением их удельного объема. Температура плавления возрастает с увеличением внешнего давления, так как давление препятствует увеличению равновесных состояний между частицами в кристаллической решетке необходимому для начала плавления тела и затрудняет процесс ее разрушения. Исключение составляют лед и висмут, у этих тел возрастание внешнего давления приводит к уменьшению температуры плавления. В процессе плавления твердого тела, вещество существует одновременно в твердом и в жидком состояниях. Все количество теплоты, подводимое твердому телу при температуре плавления, расходуется на разрушение кристаллической решетки (это означает, что, для того чтобы высвободить молекулы из их относительно жестко фиксированных положений в твердом состоянии, нужно совершить работу против действующих между молекулами сил притяжения) и на работу против внешних сил. При этой температуре энергии молекул становится достаточным для отрыва от оседлого состояния на узлах кристаллической решетки и молекула начинает совершать поступательное движение за счет в дальнейшем подводимой теплоты. Для превращения вещества из жидкого состояния в твердое необходимо только охлаждение, т.е. отвод от вещества некоторого количества теплоты. Переход вещества из жидкого в твердое состояние означает не столько сближение молекул, сколько дальнейшее связывание их между собой, ограничение свободы их теплового движение в пределах объема вещества.

Известны два различных процесса перехода вещества из состояния в твердое: 1. Затвердевание вследствии кристаллизации вещества. В этом случае в жидкости сначала появляются мельчайшие кристаллики, содержащие небольшое число молекул, правильно расположенных друг относительно друга и прочно связанных между собой. Затем по мере отвода тепла, эти кристаллики начинают расти за счет прилипающих к ним молекул жидкой фазы до полного исчезновения этой фазы. 2. Затвердевание вследствии постепенного увеличения вязкости жидкости. При этом у некоторых веществ кристаллизация совсем не происходит. Такие вещества называются аморфными: к ним относятся воск, сургуч, смолы, стекло, дерево и т.д.

Особенностью аморфных тел является отсутствие у них определенной точки плавления, другими словами невозможно указать определенную температуру, выше которой можно было бы констатировать жидкое состояние, а ниже- твердое. У других веществ (способных к кристаллизации), от быстрого и сильного возрастания вязкости при охлаждении затвердевание наступает до кристаллизации; процесс кристаллизации весьма медленно может

 

 

 

 

происходить после затвердевания. Различие между указанными выше процессами затвердевания обнаруживается если вычертить кривую, изменения температуры со временем (рис. 1).

У кристаллических тел температура уменьшается по кривой в направлении . На участке 1-2 одновременно существуют обе фазы- жидкая и твердая. Как только процесс кристаллизации заканчивается (точка 2), дальнейший отвод теплоты сопровождается понижением температуры образовавшегося твердого тела. Постоянство температуры при кристаллизации объясняется образованием и ростом кристаллов, которые возможны если от молекул жидкости отнимается некоторое количество энергии. В кристалле жестко связанная молекула совершает только колебательное движение, тогда как при той же температуре в жидкости молекула совершает еще и поступательное движение. Поэтому при кристаллизации от вещества необходимо отвести теплоту соответствующую поступательному движению молекул.

При нагревании кристаллических тел процесс протекает в обратном направлении В точке 2 достигается такая температура - температура плавления, при которой становится возможным отрыв молекул от поверхности нагревших кристаллов. В дальнейшем вся подводимая теплота передается отрывающимся молекулам. Эти молекулы получив дополнительную энергию, могут при той же температуре совершать уже не только колебательное, но еще и поступательное движение в пределах объема вещества. Так постепенно образуется жидкая фаза за счет разрушения твердой фазы.

Согласно первому закону термодинамики

где – количество теплоты переданное системе; - изменение внутренней энергии системы; - работа, совершаемая системой. Плавление начинается тогда, когда внутренняя энергия тела в твердом состоянии сравнивается с внутренней энергией этого тела в жидком состоянии, т.е. когда , . Следовательно, т.к. вся теплота сообщаемая телу расходуется на разрушение твердой фазы.

Известно, что изменение внутренней энергии во всех процессах определяется по формуле:

где - масса вещества; - удельная теплоемкость при постоянном объеме. Если в данной формуле , то , т.е. . Это значит, что пока плавится тело его температура не изменяется. Эта постоянная температура при которой плавится твердое тело, называется температурой или точкой плавления.

Точка плавления есть лишь у кристаллических твердых тел, а у аморфных тел такой точки нет, есть точка перегиба (рис. 1 в). Это объясняется тем, что по структуре амофорное тело не отличается от жидкости (в аморфном теле в отличии от жидкости, частицы не движутся поступательно, хотя расположены так же, как и в жидкости).

Кроме точки плавления, у каждого кристалла есть еще одна характерная физическая величина, так называемая теплота плавления. Эту физическую величину определяют для единицы массы тела и называют удельной теплотой плавления λ.

Удельная теплота плавления равна скрытой теплоте, которую нужно сообщить телу при температуре плавления, чтобы его единицу массы превратить в жидкость:

(1)

- называют скрытой теплотой плавления, потому, что ее нельзя измерить явно, как , ибо . Для ее измерения существует калориметрический метод. В системе удельная теплота плавления измеряется в .