Перейти к содержанию

Удельная теплота плавления (кристаллизации)

Что показывает удельная теплота плавления, как вывести связь Q = λm из модельных данных и применять её в прямых и обратных задачах с проверкой единиц и направления передачи энергии.

Открыт · Презентация · Методичка

Конспект урока

На прошлом уроке мы установили: во время плавления чистого кристаллического вещества температура остаётся постоянной, хотя энергия продолжает передаваться веществу. Теперь зададим количественный вопрос: сколько энергии требуется для плавления?

Блок льда на лабораторных весах

Масса образца меняется. Нужно найти величину, которая характеризует само вещество.

Начинаем с прогноза

Два образца одного вещества уже находятся при температуре плавления. Масса второго образца вдвое больше массы первого. Оба образца плавят полностью в одинаковых условиях.

Выбери прогноз:

  1. для второго образца потребуется столько же энергии;
  2. для второго образца потребуется вдвое больше энергии;
  3. по массе ничего сказать нельзя.

Запиши объяснение до чтения следующего раздела. Важно отделить массу конкретного образца от свойства вещества.

Исследование по модельным данным

Рассмотрим два образца льда при 0 C0\ ^\circ\mathrm{C}. Каждый получает энергию от нагревателя постоянной мощности P=100 ВтP=100\ \mathrm{Вт}. Плавление заканчивается, когда твёрдая фаза исчезает. В учебной модели теплопотери не учитываем.

Два образца льда разной массы при одинаковой мощности нагревателей

ОбразецМасса mm, кгМощность PP, ВтВремя плавления τ\tau, с
A0,10100340
B0,20100680

При постоянной мощности переданная энергия равна:

Q=Pτ.Q=P\tau.

Сначала вычисли QQ для каждого образца, а затем найди отношение Q/mQ/m. Не открывай результат заранее.


Промежуточный ключ исследования

Для образца A:

QA=100340=34000 Дж,Q_A=100\cdot340=34\,000\ \mathrm{Дж}, QAmA=340000,10=340000 Дж/кг.\frac{Q_A}{m_A}=\frac{34\,000}{0{,}10}=340\,000\ \mathrm{Дж/кг}.

Для образца B:

QB=100680=68000 Дж,Q_B=100\cdot680=68\,000\ \mathrm{Дж}, QBmB=680000,20=340000 Дж/кг.\frac{Q_B}{m_B}=\frac{68\,000}{0{,}20}=340\,000\ \mathrm{Дж/кг}.

Масса и энергия увеличились в два раза, а отношение Q/mQ/m осталось одинаковым. Именно это отношение характеризует вещество в данной модели фазового перехода.

Новая физическая величина

Удельная теплота плавления — физическая величина, численно равная количеству теплоты, необходимому для плавления 1 кг1\ \mathrm{кг} вещества при температуре плавления.

Её обозначают греческой буквой λ\lambda (лямбда):

λ=Qm.\lambda=\frac{Q}{m}.

Единица удельной теплоты плавления:

[λ]=Джкг.[\lambda]=\frac{\mathrm{Дж}}{\mathrm{кг}}.

Равные порции льда и условные равные порции энергии

Изображение передаёт идею «энергия на один килограмм». Это учебная метафора, а не схема реальной установки.

Важно: λ\lambda — свойство вещества, а не отдельного куска. Масса конкретного образца учитывается отдельно.

Паспорт формулы

Из определения получаем основную связь:

Q=λm.Q=\lambda m.
ВеличинаОбозначениеЕдиница СИКак найти
Количество теплоты фазового переходаQQДжQ=λmQ=\lambda m
Удельная теплота плавленияλ\lambdaДж/кгλ=Q/m\lambda=Q/m
Массаmmкгm=Q/λm=Q/\lambda

Проверим размерность:

Джкгкг=Дж.\frac{\mathrm{Дж}}{\mathrm{кг}}\cdot\mathrm{кг}=\mathrm{Дж}.

Формула описывает чистый этап фазового перехода при температуре плавления. Если лёд сначала имеет температуру 10 C-10\ ^\circ\mathrm{C}, одной формулы Q=λmQ=\lambda m недостаточно: сначала нужен отдельный этап нагревания до 0 C0\ ^\circ\mathrm{C}.

Плавление и кристаллизация

При плавлении энергия передаётся к веществу. При кристаллизации такое же по модулю количество энергии передаётся от вещества окружающим телам:

Q=λm.Q=\lambda m.

В школьных задачах этой формулой обычно вычисляют модуль количества переданной энергии. Знак λ\lambda не меняют: направление обязательно называют словами.

ПроцессНаправление энергииЧто происходит с веществом
Плавлениек веществутвёрдое состояние → жидкость
Кристаллизацияот веществажидкость → твёрдое состояние

Разбор прямой задачи

Какое количество энергии нужно для плавления 200 г200\ \mathrm{г} льда при 0 C0\ ^\circ\mathrm{C}? Примем λльда=3,4105 Дж/кг\lambda_\text{льда}=3{,}4\cdot10^5\ \mathrm{Дж/кг}.

Сначала переводим массу:

200 г=0,200 кг.200\ \mathrm{г}=0{,}200\ \mathrm{кг}.

Подставляем в формулу:

Q=λm=3,41050,200=6,8104 Дж.Q=\lambda m=3{,}4\cdot10^5\cdot0{,}200=6{,}8\cdot10^4\ \mathrm{Дж}. Q=68 кДж.Q=68\ \mathrm{кДж}.

Ответ: для плавления нужно передать льду 68 кДж68\ \mathrm{кДж} энергии. Температура во время чистого фазового перехода остаётся 0 C0\ ^\circ\mathrm{C}.

Разбор обратной задачи

На плавление вещества при температуре плавления передали 45 кДж45\ \mathrm{кДж}. Его удельная теплота плавления равна 9,0104 Дж/кг9{,}0\cdot10^4\ \mathrm{Дж/кг}. Найдём массу.

Выражаем массу до подстановки чисел:

m=Qλ.m=\frac{Q}{\lambda}.

Переводим энергию и вычисляем:

45 кДж=45000 Дж,45\ \mathrm{кДж}=45\,000\ \mathrm{Дж}, m=4500090000=0,50 кг.m=\frac{45\,000}{90\,000}=0{,}50\ \mathrm{кг}.

Единица результата — килограмм, значит преобразование формулы согласовано с физическим смыслом.

Сравниваем вещества

Используем округлённые школьные значения:

Веществоλ\lambda, кДж/кг
Лёд340
Алюминий390
Свинец25

Для одинаковых масс большее значение λ\lambda означает большее по модулю количество энергии фазового перехода. Но это не рейтинг «качества», цены или безопасности вещества — только энергетическая характеристика перехода.

Как плато связано с энергией

Если нагреватель имеет постоянную мощность, то энергия, переданная за время плато, равна Q=PτплатоQ=P\tau_\text{плато}. Одновременно для полного плавления Q=λmQ=\lambda m. Поэтому в идеальной модели:

Pτплато=λm.P\tau_\text{плато}=\lambda m.

При одинаковых PP и λ\lambda более массивный образец имеет более длинное плато. Реальный опыт отличается: часть энергии получает сосуд, часть уходит в окружающую среду.

Где используется фазовый переход

Хладоэлементы в теплоизолированном контейнере

Хладоэлементы при плавлении поглощают энергию и помогают дольше сохранять нужную температуру содержимого. Реальные наполнители могут быть смесями с заданным интервалом перехода, поэтому школьная модель чистого вещества применяется с оговоркой.

Литьё и кристаллизация металла

При литье расплавленный металл кристаллизуется и передаёт энергию форме и окружающей среде. Такой процесс наблюдают только на производстве с защитным оборудованием; повторять его в учебном кабинете нельзя.

Частые ошибки

ОшибкаКак исправить
«λ\lambda — энергия этого куска»λ\lambda показывает количество теплоты на 1 кг1\ \mathrm{кг} вещества.
«200 г200\ \mathrm{г} можно подставить как 200»При λ\lambda в Дж/кг массу переводят в килограммы.
«При кристаллизации λ\lambda отрицательна»λ\lambda остаётся свойством вещества; направление энергии называют словами.
«Q=λmQ=\lambda m нагревает лёд от любой температуры»Формула описывает фазовый переход при температуре плавления.
«Чем больше λ\lambda, тем вещество лучше»Сравнивается только энергия перехода для одинаковой массы.

Самостоятельная практика

A. Количество теплоты. Рассчитайте QQ для плавления 0,30 кг0{,}30\ \mathrm{кг} вещества при температуре плавления. λ=2,0105 Дж/кг\lambda=2{,}0\cdot10^5\ \mathrm{Дж/кг}. Назовите направление энергии.

B. Масса. При кристаллизации выделилось 24 кДж24\ \mathrm{кДж}. λ=8,0104 Дж/кг\lambda=8{,}0\cdot10^4\ \mathrm{Дж/кг}. Найдите массу и назовите направление энергии.

C. Свойство вещества. На плавление 0,25 кг0{,}25\ \mathrm{кг} вещества потребовалось 75 кДж75\ \mathrm{кДж}. Найдите λ\lambda.

D. Граница формулы. Объясните, почему для превращения льда при 10 C-10\ ^\circ\mathrm{C} в воду при 0 C0\ ^\circ\mathrm{C} недостаточно одной формулы Q=λmQ=\lambda m.

Сначала решите самостоятельно. Затем сравните не только ответы, но и переводы единиц.


Ответы

A.

Q=2,01050,30=6,0104 Дж=60 кДж.Q=2{,}0\cdot10^5\cdot0{,}30=6{,}0\cdot10^4\ \mathrm{Дж}=60\ \mathrm{кДж}.

Энергия передаётся к веществу.

B.

m=240008,0104=0,30 кг.m=\frac{24\,000}{8{,}0\cdot10^4}=0{,}30\ \mathrm{кг}.

При кристаллизации энергия передаётся от вещества.

C.

λ=750000,25=3,0105 Дж/кг.\lambda=\frac{75\,000}{0{,}25}=3{,}0\cdot10^5\ \mathrm{Дж/кг}.

D. Сначала лёд нужно нагреть от 10 C-10\ ^\circ\mathrm{C} до 0 C0\ ^\circ\mathrm{C}, и только затем плавить. Это два разных энергетических этапа.

Проверь себя

  1. Что физически означает запись λ=3,4105 Дж/кг\lambda=3{,}4\cdot10^5\ \mathrm{Дж/кг}?
  2. Почему λ\lambda нельзя называть энергией конкретного образца?
  3. Какого порядка результат в джоулях получится для плавления 0,10 кг0{,}10\ \mathrm{кг} льда?
  4. Какие три формы одной связи нужно уметь получать?
  5. Почему при кристаллизации не делают λ\lambda отрицательной?
  6. При каком условии формула Q=λmQ=\lambda m описывает чистый этап перехода?

Короткий итог

  • Удельная теплота плавления показывает энергию фазового перехода, приходящуюся на 1 кг1\ \mathrm{кг} вещества.
  • Основная связь: Q=λmQ=\lambda m; обратные формы: m=Q/λm=Q/\lambda и λ=Q/m\lambda=Q/m.
  • Массу переводят в килограммы, энергию — в джоули, если λ\lambda дана в Дж/кг.
  • При плавлении энергия передаётся к веществу, при кристаллизации — от вещества.
  • Формула Q=λmQ=\lambda m не включает предварительное нагревание или последующее охлаждение.

Материалы урока

Скачать и открыть

Учителю

2 материала

Презентация · для учителей

Презентация «Удельная теплота плавления (кристаллизации)»

Исследовательское введение λ через отношение Q/m, формула Q = λm, единицы, прямые и обратные задачи, направление энергии и границы применимости модели.

Скачать PPTX

Методичка · для учителей

Поурочное планирование и опорная схема (РБ)

Удельная теплота плавления: исследование по модельным данным, смысл λ, формула Q = λm, прямые и обратные задачи, рабочий лист, ключи и формирующее оценивание.

Скачать DOCX

Поурочное планирование и опорная схема (РБ)

DOCX

Ученикам

1 материал

Комментарии

Войдите, чтобы оставлять комментарии.

Пока нет комментариев. Будьте первым!