Плавление и кристаллизация
Как твёрдое вещество превращается в жидкость и обратно, почему во время фазового перехода температура чистого кристаллического вещества остаётся постоянной и как читать этот участок на графике.
Конспект урока
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:
- температура смеси непрерывно растёт;
- температура некоторое время остаётся близкой к температуре плавления;
- 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:
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 .
| Условие | Возможное состояние чистого кристаллического вещества |
|---|---|
| твёрдое состояние | |
| твёрдая и жидкая фазы могут сосуществовать | |
| жидкое состояние, если плавление завершилось |
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.
- Учитель помещает чувствительную часть термометра в смесь льда и воды, не касаясь дна.
- Ученики отмечают наличие сразу двух фаз: твёрдой и жидкой.
- Через равные промежутки времени записывают показания и наблюдаемое состояние.
- Конденсат снаружи стакана не принимают за воду, вытекшую изнутри.
- 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:
| Время, мин | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Температура, °C | −8 | −4 | 0 | 0 | 0 | 3 | 6 |
Выполни до чтения следующего раздела:
- Построй график .
- Отметь участок, на котором температура не меняется.
- Укажи состояние вещества до этого участка, во время него и после.
- 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 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:
| Процесс | Переход | Направление энергии | Температура во время перехода |
|---|---|---|---|
| Плавление | твёрдое → жидкость | к веществу | постоянна |
| Кристаллизация | жидкость → твёрдое | от вещества | постоянна |
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
| Ошибка | Как исправить объяснение |
|---|---|
| «Нагрев продолжается — температура обязана расти» | Во время плавления энергия изменяет структуру и взаимодействие частиц. |
| «При замерзании в тело входит холод» | Энергия передаётся от вещества окружающим телам. |
| «При всё уже стало жидкостью» | При температуре перехода твёрдая и жидкая фазы могут сосуществовать. |
| «У любого тела есть одна точная температура плавления» | Нужно учитывать чистоту, кристаллическое строение, состав и давление. |
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 . Назови возможное состояние при , и в рамках учебной модели.
D. Ошибка в речи. Вода при соприкасается со льдом при . Исправь фразу: «Лёд передаёт воде холод».
E. Граница модели. Почему по одному виду размягчённой пластмассы нельзя сразу указать точную температуру её плавления?
Проверь себя
- Чем плавление отличается от кристаллизации?
- Почему температура на плато не меняется, хотя энергия передаётся?
- Какие фазы могут сосуществовать при ?
- Для каких веществ применима модель одной температуры перехода?
- Что на модели частиц показано условно?
- Почему формула с удельной теплотой плавления пока не нужна для объяснения графика?
Сначала ответь самостоятельно, затем сверяйся с ключами.
Ответы
- 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.
- Переданная энергия изменяет взаимное расположение и взаимодействие частиц, а не увеличивает среднюю кинетическую энергию, связанную с температурой.
- Твёрдая и жидкая фазы.
- Прежде всего для чистых кристаллических веществ при одинаковом давлении.
- Размеры, цвета, расстояния и следы движения; модель не является микрофотографией.
- 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 — твёрдое; при — возможна смесь твёрдой и жидкой фаз; при — жидкость, если плавление завершилось.
D. Энергия передаётся от воды при ко льду при ; «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.
10 вопросов по теме «Тест: Плавление и кристаллизация». Выбери ответ, прочитай объяснение и попробуй ещё раз, если ошибся.
Открыть отдельноВопрос 1 из 10
ТренировкаБез отметки и ограничения времени. Первый ответ учитывается отдельно от исправлений. При обновлении страницы ответы сбросятся.
Скачать и открыть
Материалы урока
3 материалаПодготовка к уроку
2 материала· для учителей
Фазовые переходы твёрдое тело — жидкость: наблюдение, температурное плато, модель частиц, направление передачи энергии, чтение графика и диагностика типичных заблуждений.
Презентация · MediaSchool
Плавление и кристаллизация: безопасное наблюдение смеси льда и воды, чтение графика с плато, модель частиц, рабочий лист, ключи и формирующее оценивание.
Методичка · MediaSchool
Проверка знаний
1 материал· для учеников
10 вопросов с объяснениями и повторной попыткой.
Проверочная
От сообщества
Материалы сообщества0
Дополнения от учителей к этому уроку. Проверены модерацией, но не являются редакционным контентом MediaSchool.
Поделитесь первым материалом
Рабочий лист, презентация или методичка помогут другим учителям подготовиться к уроку.
Комментарии
Войдите, чтобы оставлять комментарии.
Пока нет комментариев. Будьте первым!