Удельная теплоемкость расплавленного свинца

На фото изображены кристаллические вещества (сталь и лед) одинаковой массы, находящиеся при температуре, близкой к температуре плавления. Чтобы расплавить эти вещества, им следует передать некоторое количество теплоты. А одинаковое ли количество теплоты необходимо передать льду и стали, чтобы перевести их в жидкое состояние? Выясним.

Вводим понятие удельной теплоты плавления вещества

Вы знаете, что при переходе из твердого состояния в жидкое вещество поглощает некоторое количество теплоты и внутренняя энергия вещества увеличивается. Переход же вещества из жидкого состояния в твердое сопровождается выделением теплоты и уменьшением его внутренней энергии.

Изучение процессов плавления и кристаллизации показало, что количество теплоты, необходимое для плавления определенной массы вещества, равно количеству теплоты, которое выделяется при кристаллизации этого вещества (рис. 12.1).

Возникает вопрос: одинаковое ли количество теплоты необходимо для плавления разных веществ равной массы? Логично предположить, что не одинаковое, ведь силы взаимодействия между частицами у разных веществ — разные, поэтому понятно, что для разрушения их кристаллических решеток требуется разное количество энергии. И это действительно так. Например, чтобы расплавить 1 кг льда, ему следует передать в 13 раз больше теплоты, чем нужно для плавления 1 кг свинца.

Физическую величину, показывающую, сколько теплоты поглощает 1 кг твердого кристаллического вещества при переходе в жидкость, называют удельной теплотой плавления.

Удельная теплота плавления — физическая величина, характеризующая данное вещество и равная количеству теплоты, которую необходимо передать 1 кг этого вещества, взятому в твердом кристаллическом состоянии, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкость.

Рис. 12.1. Во время плавления вещество поглощает такое же количество теплоты, какое выделяет при кристаллизации: Q₁ = Q₂

Удельную теплоту плавления обозначают символом Л («лямбда и вычисляют по формуле:

где Q— количество теплоты, необходимое для плавления вещества массой m.

Из формулы для определения удельной теплоты плавления получаем ее единицу в СИ— джоуль на килограмм:

Удельная теплота плавления показывает, на сколько при температуре плавления внутренняя энергия1 кг вещества в жидком состоянии больше, чем внутренняя энергия1 кг этого вещества в твердом состоянии.В этом состоит физический смысл удельной теплоты плавления.

Например, удельная теплота плавления льда равна 332 килоджоуля на килограмм. Это означает: чтобы расплавить 1 кг льда,

находящегося при температуре плавления (0 °С), следует передать ему 332 килоджоуля теплоты. Такое же количество теплоты (332 кДж) выделится и при кристаллизации 1 кг воды. То есть при температуре 0 °С внутренняя энергия 1 кг воды больше внутренней энергии 1 кг льда на 332 кДж.

Что означает утверждение: «Удельная теплота плавления стали равна 84 кДж/кг»?

Удельную теплоту плавления определяют опытным путем и заносят в таблицы (см. табл. 3 Приложения).

Определить удельную теплоту плавления тугоплавких веществ (веществ, имеющих высокую температуру плавления) достаточно сложно. А вот удельную теплоту плавления легкоплавких веществ, например льда, вы можете определить даже самостоятельно (рис. 12.2).

Вычисляем количество теплоты, необходимое для плавления вещества или выделяющееся при его кристаллизации

Чтобы вычислить количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического вещества, взятого при температуре плавления, нужно удельную теплоту плавления этого вещества умножить на его массу:

де Q — количество теплоты, которое поглощает твердое кристаллическое вещество; λ — удельная теплота плавления; m — масса вещества. (Действительно, по определению удельной теплоты плавления:

Понятно, что количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, рассчитывают по этой же формуле.

Учимся решать задачи

Задача. Какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить 5 кг свинца, взятого при температуре 27 °С?

Анализ физической проблемы. Чтобы расплавить свинец, его сначала нужно нагреть до температуры плавления. Найдем в табл. 2 Приложения температуру t₂ плавления свинца и построим схематический график процесса.

Искомое количество теплоты Q будет равно сумме количества теплоты Q₁, необходимого для нагревания свинца до температуры плавления, и количества теплоты Q₂, необходимого для плавления. Удельную теплоемкость c и удельную теплоту плавления λ свинца найдем соответственно в табл. 1 и 3 Приложения.

Физическая величина, характеризующая данное вещество и равная 1 количеству теплоты, которое необходимо передать 1 кг этого веще ства в твердом кристаллическом состоянии, чтобы при температуре плав ления полностью перевести его в жидкость, называется удельной теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления обозначают симолом λ и вычисляют по

формуле λ = —; ее единица в СИ — джоуль на килограмм .

Количество теплоты, необходимое для плавления вещества, взятого при температуре плавления, равно количеству теплоты, выделяющемуся при кристаллизации этого вещества. Данное количество теплоты вычис ляют по формуле Q = Xm.

‘1. От чего зависит количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации вещества? 2. Что называют удельной теплотой плавления вещества? 3. Каков физический смысл удельной теплоты плавления? 4. Как вычислить количество теплоты, необходимое для плавления вещества или выделяющееся при его кристаллизации?

1. Какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить 500 г меди, взятой при температуре плавления?

2. Какое тело имеет большую внутреннюю энергию и на сколько: алюминиевый брусок массой 1 кг, взятый при температуре плавления, или 1 кг расплавленного алюминия при той же температуре?

3. Какое количество теплоты выделится при кристаллизации и последующем охлаждении 100 кг стали, если начальная температура стали 1400 °С, конечная — 0 °С.

4. Определите количество теплоты, которое нужно передать льду массой 25 г, взятому при температуре -15 °С, чтобы перевести его в воду при температуре 10 °С.

5. В горячую воду положили лед, масса которого равна массе воды. После того как весь лед растаял, температура воды снизилась до 0 °С. Определите начальную температуру воды, если начальная температура льда 0 °С?

6. На рисунке изображены графики зависимости температуры от количества теплоты, выделяемой в процессе кристаллизации, для двух веществ одинаковой массы. У какого вещества выше температура плавления? больше удельная теплота плавления? больше удельная теплоемкость в жидком состоянии?

7. Свинцовый шар, двигавшийся со скоростью 300 м/с, ударился о металлическую пластину и остановился. Какая часть свинца расплавилась, если считать, что свинец полностью поглотил энергию, которая выделилась при ударе? Начальная температура шара 27 °С.

8. В сосуд, на дне которого намерз лед, налили воды. Изменится ли уровень воды в сосуде после того, как весь лед растает? Если изменится, то как?

Воспользуйтесь рис. 12.2 и запишите план проведения эксперимента по определению удельной теплоты плавления льда. Какое оборудование нужно для эксперимента? По возможности проведите этот эксперимент.

Подсказка: если лед, который уже начал таять, тщательно промокнуть салфеткой, он почти не будет содержать жидкости, а его температура будет равна 0 °С.

Автор: admin от 26-09-2016, 20:48, посмотрело: 1720

Относительно невысокая температура плавления меди позволила древним людям использовать этот металл для своих нужд одним из самых первых. Железная руда попадалась им чаще, но выплавить из нее железо было труднее. Причина в том, что плавится медь при температуре 1083 °С, а железо — при 1539 °C.

Медь — не самый распространенный элемент среди полезных ископаемых, занимает она 23 место среди наиболее востребованных в промышленности элементов. Обычно добывается в виде сульфидных руд и их разновидностей: колчедана, малахитовой руды и медного блеска.

В виде самородков медь встречается крайне редко, их самые большие месторождения находятся в Чили.

В России и Казахстане встречаются медные месторождения в виде осадочных пород — медистых песчаников и сланцев.

Немного истории

Исследования историков позволяют сделать вывод, что медные орудия труда применялись на Ближнем Востоке еще в начале 4 в. до н. э. В конце этого века в Передней Азии люди начали применять первые бронзовые орудия труда. В это же время в Иране появились медные предметы, в которых содержалась примесь олова, а в бронзовых орудиях труда, найденных при раскопках на Кавказе и в Анатолии и относящихся к 3 в. до н. э., была обнаружена примесь мышьяка.

По другим данным, впервые медь начали добывать в это же время на Кипре, отсюда и ее латинское название Cuprum. Медь стала основным металлом для производства орудий труда, охоты, предметов домашней утвари.

Еще древние люди заметили, что если к медной руде добавить олово или цинк, то плавиться смесь начнет при более низкой температуре. Поэтому медный расплав можно было получить прямо на костре.

Наши предки чаще использовали малахитовую руду. Ее не нужно было обжигать. Руду смешивали с углями, помещали в глиняный сосуд и опускали в вырытую в земле яму. Затем смесь в сосуде поджигали. Во время горения выделялся угарный газ, который, являясь катализатором, восстанавливал руду до металла.

Физические характеристики меди

Удельная теплоемкость меди составляет 390 Дж/кг. Это означает, что для нагревания 1 кг меди на 1 °С потребуется 390 Дж энергии.

Эта величина усредненная. Теплоемкость зависит от температуры: чем больше температура, тем больше теплоемкость. При температуре плавления она составляет 514 Дж/кг*К.

• удельная теплоемкость железа — 460 Дж/кг*К;
• удельная теплоемкость стали — 500 Дж/кг*К;
• удельная теплоемкость чугуна — 540 Дж/кг*К.

Поэтому медь при прочих равных условиях нагревается быстрее, энергии требуется меньше.

Удельная теплота плавления меди — 210 кДж/кг. Эта величина означает, что для плавления 1 кг меди требуется 210 кДж энергии.

• удельная теплота плавления железа — 270 Дж/кг*К;
• удельная теплота плавления стали — 84 Дж/кг*К;
• удельная теплота плавления чугуна — 96–140 Дж/кг*К.

Для плавки меди требуется меньше энергии, чем для такой же массы железа.

Относительно низкие температура плавления и удельная теплоемкость позволили древним людям использовать медь намного шире, чем железо или другие металлы.

Как расплавить медь в домашних условиях

Иногда и в наше время возникает необходимость получить в домашних условиях медный расплав. Для этого можно воспользоваться несколькими способами.

• Если имеется муфельная печь, медные детали нужно положить в тигель и поместить его в печь. В процессе плавления следует наблюдать за образованием оксидной пленки. Ее нужно убирать при помощи стального крючка. Оксидная пленка, если ее не убрать, сделает расплав некачественным.
• Медные детали можно расплавить автогеном, удаляя оксидную пленку.
• Если оксидная пленка образуется интенсивно, поверхность расплава можно присыпать измельченным древесным углем.
• Самые легкоплавкие медные сплавы — некоторые виды бронзы и латунь можно плавить обычной паяльной лампой.
• Лучшего результата можно добиться, соорудив небольшой горн. Стальную решетку нужно положить на кирпичи, чтобы снизу был доступ воздуха. На решетку насыпать слой древесных углей и поджечь. На угли кладется тигель с медными деталями. Чтобы повысить температуру горения, нужно увеличить приток воздуха. Делается это с помощью электрического вентилятора или пылесоса, работающего на выдув воздуха.

Теплоёмкость свинца — это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо подвести к предмету из свинца, чтобы его температура возросла на один градус Кельвина.

Удельная теплоемкость свинца = 130 Дж/(кг*К)

Это значение определено при нормальных условиях.

Удельная теплоемкость свинца это переменная величина. Она зависит от температуры и агрегатного состояния (твердое, жидкое, газообразное).

Чем отличается теплоемкость и удельная теплоемкость?

Теплоёмкость — это количество теплоты, которое нужно сообщить всему объему тела для того чтобы его температура поднялась на единицу температуры.

Удельная теплоёмкость — это количество теплоты, которое нужно сообщить единице массы вещества, чтобы его температура поднялась на единицу температуры.