Плавление и кристаллизация

Кусочки льда в воде постепенно исчезают, хотя термометр некоторое время показывает почти одно и то же значение. Значит ли это, что энергия перестала передаваться веществу? Сегодня отделим наблюдение от объяснения и научимся узнавать фазовый переход по графику.

Это учебная постановка наблюдения. Точное значение зависит от чистоты вещества, давления, прибора и условий измерения.

Сначала прогноз

В прозрачном стакане одновременно находятся лёд и вода. Стакан стоит в тёплой комнате, поэтому энергия передаётся смеси из окружающей среды.

Выбери прогноз и обоснуй его одним предложением:

1. температура смеси непрерывно растёт;
2. температура некоторое время остаётся близкой к температуре плавления;
3. температура уменьшается, потому что лёд «передаёт холод» воде.

Не открывай ответ заранее. Сначала укажи, куда передаётся энергия, и только затем предположи, что происходит с температурой.

Два взаимно обратных процесса

Плавление — переход вещества из твёрдого состояния в жидкое. Для плавления вещество получает энергию.

Кристаллизация — переход вещества из жидкого состояния в твёрдое. При кристаллизации вещество передаёт энергию окружающим телам.

Для одного чистого кристаллического вещества при одинаковом давлении температуры этих переходов совпадают:

$$t_\text{пл}=t_\text{кр}.$$

Это не означает, что процессы одинаковы по направлению. При плавлении энергия направлена к веществу, при кристаллизации — от вещества.

До, во время и после плавления

Обозначим температуру плавления через $t_\text{пл}$.

Таблица описывает обычную учебную модель равновесного процесса при заданном давлении. Она не является универсальным правилом для любой смеси и любого материала.

Безопасное наблюдение

Оборудование: прозрачный стакан или химический стакан, дроблёный лёд, немного воды, лабораторный термометр, салфетка.

1. Учитель помещает чувствительную часть термометра в смесь льда и воды, не касаясь дна.
2. Ученики отмечают наличие сразу двух фаз: твёрдой и жидкой.
3. Через равные промежутки времени записывают показания и наблюдаемое состояние.
4. Конденсат снаружи стакана не принимают за воду, вытекшую изнутри.
5. Результат формулируют осторожно: температура остаётся близкой к температуре плавления в пределах точности и условий опыта.

Не используют открытое пламя, не нагревают стекло и не пробуют лёд или воду из лабораторной посуды.

Читаем данные до объяснения

Чистое модельное вещество равномерно получает энергию. Получены данные:

Выполни до чтения следующего раздела:

1. Построй график $t(\tau)$.
2. Отметь участок, на котором температура не меняется.
3. Укажи состояние вещества до этого участка, во время него и после.
4. Объясни, почему горизонтальный участок не означает прекращения передачи энергии.

Что означает плато

На участках до и после перехода переданная энергия связана с изменением температуры вещества. На горизонтальном участке — плато — плавление продолжается, но температура чистого кристаллического вещества остаётся постоянной.

Энергия не исчезает. Она увеличивает внутреннюю энергию вещества за счёт изменения взаимного расположения и взаимодействия частиц. Средняя кинетическая энергия частиц, с которой связана температура, в идеализированном описании перехода не возрастает.

По данным таблицы:

• от 0 до 2 минут нагревается твёрдое вещество;
• от 2 до 4 минут сосуществуют твёрдая и жидкая фазы, идёт плавление;
• после 4 минут нагревается жидкость.

Модель частиц и её границы

В кристалле частицы расположены упорядоченно и колеблются около устойчивых положений. Во время плавления часть упорядоченной структуры разрушается, а частицы остаются близко друг к другу, но получают больше свободы перемещения.

Это модель, а не фотография частиц. Размеры, цвета, световые следы и расстояния выбраны для наглядности. Особенно важно не рисовать жидкость как газ: в жидкости частицы по-прежнему расположены близко.

Кристаллизация — обратный маршрут

Если жидкость охлаждать, сначала её температура уменьшается. При достижении $t_\text{кр}$ начинается образование кристаллической структуры. Пока две фазы сосуществуют, температура чистого кристаллического вещества в идеализированном опыте остаётся постоянной, а энергия передаётся окружающей среде.

Удобная опорная схема:

Фраза «в тело входит холод» неверна: холод не является веществом. При кристаллизации уменьшается внутренняя энергия тела, а энергия передаётся другим телам.

Где это работает

При литье металл сначала плавят, чтобы он заполнил форму, а затем отводят энергию. Во время кристаллизации формируется твёрдая деталь. Реальный технологический процесс сложнее школьной модели: важны состав сплава, скорость охлаждения и неодинаковая температура в разных частях изделия.

На границе льда и воды можно наблюдать две фазы одного вещества. Но фотография не позволяет определить прочность льда: тонкий лёд опасен, и учебное наблюдение проводят только с безопасного берега.

Важная оговорка о веществах

Одна точная температура плавления характерна прежде всего для чистых кристаллических веществ при заданном давлении. Сплавы, смеси и загрязнённые вещества могут переходить в другое состояние в интервале температур.

Аморфные тела, например многие стёкла и пластмассы, при нагревании постепенно размягчаются. Поэтому нельзя без проверки переносить картину одного чёткого плато на любой материал.

Частые ошибки

Самостоятельная практика

A. Направление энергии. В формочке вода превращается в лёд. Укажи процесс и направление передачи энергии.

B. График. На графике охлаждения есть горизонтальный участок. Что можно утверждать о температуре и состоянии чистого кристаллического вещества на этом участке?

C. Состояние. Для вещества $t_\text{пл}=80\ ^\circ\mathrm{C}$. Назови возможное состояние при $60\ ^\circ\mathrm{C}$, $80\ ^\circ\mathrm{C}$ и $95\ ^\circ\mathrm{C}$ в рамках учебной модели.

D. Ошибка в речи. Вода при $20\ ^\circ\mathrm{C}$ соприкасается со льдом при $0\ ^\circ\mathrm{C}$. Исправь фразу: «Лёд передаёт воде холод».

E. Граница модели. Почему по одному виду размягчённой пластмассы нельзя сразу указать точную температуру её плавления?

Проверь себя

1. Чем плавление отличается от кристаллизации?
2. Почему температура на плато не меняется, хотя энергия передаётся?
3. Какие фазы могут сосуществовать при $t=t_\text{пл}$?
4. Для каких веществ применима модель одной температуры перехода?
5. Что на модели частиц показано условно?
6. Почему формула с удельной теплотой плавления пока не нужна для объяснения графика?

Сначала ответь самостоятельно, затем сверяйся с ключами.

Ответы

1. Плавление переводит вещество из твёрдого состояния в жидкое и требует передачи энергии к веществу; кристаллизация переводит жидкость в твёрдое состояние и сопровождается передачей энергии от вещества.
2. Переданная энергия изменяет взаимное расположение и взаимодействие частиц, а не увеличивает среднюю кинетическую энергию, связанную с температурой.
3. Твёрдая и жидкая фазы.
4. Прежде всего для чистых кристаллических веществ при одинаковом давлении.
5. Размеры, цвета, расстояния и следы движения; модель не является микрофотографией.
6. На этом уроке достаточно качественно установить направление энергии и постоянство температуры. Количественная связь с массой вводится отдельно.

A. Кристаллизация; энергия передаётся от воды и льда к более холодной среде морозильной камеры.

B. Температура остаётся постоянной; при переходе могут сосуществовать жидкая и твёрдая фазы.

C. При $60\ ^\circ\mathrm{C}$ — твёрдое; при $80\ ^\circ\mathrm{C}$ — возможна смесь твёрдой и жидкой фаз; при $95\ ^\circ\mathrm{C}$ — жидкость, если плавление завершилось.

D. Энергия передаётся от воды при $20\ ^\circ\mathrm{C}$ ко льду при $0\ ^\circ\mathrm{C}$; «холод» не передаётся как вещество.

E. Многие пластмассы аморфны или являются смесями и размягчаются в интервале температур.

Короткий итог

• Плавление и кристаллизация — взаимно обратные переходы между твёрдым и жидким состояниями.
• При плавлении энергия передаётся к веществу, при кристаллизации — от него.
• Во время перехода чистого кристаллического вещества температура остаётся постоянной, хотя внутренняя энергия меняется.
• При температуре перехода твёрдая и жидкая фазы могут сосуществовать.
• Графическое плато нужно связывать одновременно с состоянием вещества и направлением передачи энергии.
• Формула количественного расчёта энергии плавления будет введена на следующем уроке.