Плавление и отвердевание - Тепловые процессы

Физический словарик

Аморфный (от греч. amorphous) - бесформенный.

Изотропия (от греч. isos - равный, одинаковый и греч. tropos - свойство) - одинаковость свойств по всем направлениям.

Кристалл (от греч. krystallos - лед, горный хрусталь) - твердое тело, атомы, ионы или молекулы которого расположены в периодически повторяющемся порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку.

Историческая справка

Около 3 тыс. лет до н. э. в Шумере металлические изделия начали отливать в формы. Литые медные изделия пользовались немалым спросом. Когда запасы самородного металла были исчерпаны, медь стали добывать из недр Земли. Некоторые места ее добычи - с остатками шахт, их оборудования и орудий труда древних шахтеров - найдены археологами на территории Испании, Португалии, Англии и других стран. Руду добывали главным образом в горах, пробивая туннели и строя рудники. В средние века отрасль промышленности, возникшую на этой основе, так и назвали - горнодобывающая, а рабочих и мастеров - горняками.

Древние металлурги разбивали добытую породу на небольшие куски, которые растирали на доске ручными орудиями. Образовавшуюся мелкозернистую массу промывали водой в деревянных корытах. При покачивании корыт легкие примеси всплывали, а тяжелые частицы медной руды оседали на дне.

Вначале медную руду плавили в специальных ямах, а позднее - в небольших каменных печах, обмазанных изнутри шиной. В них разводили огонь, а сверху слоями клали древесный уголь и медный концентрат, полученный после промывки. Выплавленная медь стекала на дно печи. Жидкий шлак сливали через отверстие в стенке. После окончания плавки похожий на лепешку слиток остывшей меди вынимали из печи.

Схема для запоминания формулы расчета количества теплоты при плавлении и отвердевании

Задачи на перевод единиц в СИ

312 г = 0,312 кг

340 кДж/кг - 340 000 Дж/кг

4,5 т = 4 500 кг

0,45 МДж = 450 000 Дж

250 мг = 0,000025 кг

0,68 МДж/кг = 680 000 Дж/кг

5 л = 0,005 м³

467 см³ = 0,000467 м³

235 кДж = 235 000 Дж

Качественные задачи и вопросы

1. Температура газовой горелки 500 °С. Посудой из каких материалов можно пользоваться? (Из материалов, температура плавления которых выше 500 °С)

2. Какой металл расплавится в ладони? (Цезий)

3. Вы - главный конструктор аппарата для полета к Солнцу. Температура фотосферы Солнца 6 000 °С. Из каких материалов можно сделать аппарат? (Таких материалов нет)

4. Можно ли в Якутии пользоваться зимой ртутным термометром? (Да, но только в тех районах, где температура воздуха зимой не опускается ниже -39 °С. При этой температуре начинается процесс кристаллизации ртути.)

5. Почему лед не сразу тает в комнате, если его занесли с мороза? (Лед должен нагреться до температуры плавления, а для этого необходимо время.)

6. Почему не рекомендуется зимой использовать для охлаждения двигателей автомобиля воду? (Вода замерзает и при этом расширяется.)

7. Какие материалы можно расплавить в алюминиевой посуде? (Материалы, температура плавления которых меньше 658 °С - температуры плавления алюминия.)

8. Какие металлы плавятся при 30 °С? (При 30 °С и нормальном атмосферном давлении плавится цезий (температура плавления 28,4 °С).)

9. Температура газов, выходящих из сопла реактивного двигателя, около 700 °С. Из каких материалов можно изготавливать сопла? (Из материалов, температура плавления которых больше 700 °С.)

10. При запуске космических аппаратов их поверхность нагревается до 2 000 °С. Из каких материалов можно изготавливать обшивку ракет? (Из материалов, температура плавления которых больше 2 000 °С)

Проверка знаний и умений (тестовая работа).

Индивидуальные карточки-задания

1	2
Но графику 1. Определите, из какого вещества сделана деталь: олова (А); свинца (Б); цинка (В). (А) 2. Какому из процессов: плавлению (А), кристаллизации (Б), охлаждению (В), нагреванию (Г) - соответствует участок I? (В) 3. Какому из процессов: плавлению (А), кристаллизации (Б), охлаждению (В), нагреванию (Г) - соответствует участок II? (Б) 4. Какое количество теплоты: 31,2 кДж (А), 6,7 кДж (Б), 8,2 кДж (В) - выделяется при этих процессах, если масса детали 100 г? (В)	По графику 1. Определите, из какого вещества сделана деталь: олова (А), свинца (Б), серебра (В). (В) 2. Какому из процессов: плавлению (А), кристаллизации (Б), охлаждению (В), нагреванию (Г) - соответствует участок I? (Г) 3. Какому из процессов: плавлению (А), кристаллизации (Б), охлаждению (В), нагреванию (Г) - соответствует участок II? (А) 4. Какое количество теплоты: 31,2 кДж (А), 6,7 кДж (Б), 8,2 кДж (В) - выделяется при этих процессах, если масса детали 100 г? (А)
3	4
По графику 1. Определите, из какого вещества сделана деталь: олова (А), свинца (Б), серебра (В). (Б) 2. Какому из процессов: плавлению (А), кристаллизации (Б), охлаждению (В), нагреванию (Г) - соответствует участок I? (А) 3. Какому из процессов: плавлению (А), кристаллизации (Б), охлаждению (В), нагреванию (Г) - соответствует участок II? (Г) 4. Какое количество теплоты: 31,2 кДж (А), 6,7 кДж (Б), 8,2 кДж (В) - выделяется при этих процессах, если масса детали 100 г? (В)	По графику 1. Определите, из какого вещества сделана деталь: олова (А), свинца (Б), серебра (В). (Б) 2. Какому из процессов: плавлению (А), кристаллизации (Б), охлаждению (В), нагреванию (Г) - соответствует участок I (Б) 3. Какому из процессов: плавлению (А), кристаллизации (Б), охлаждению (В), нагреванию (Г) - соответствует участок II? (В) 4. Какое количество теплоты: 31,2 кДж (А), 6,7 кДж (Б), 8,2 кДж (В) - выделяется при этих процессах, если масса детали 100 г? (Б)

Задачи для любителей литературы

1. «Опять! - горестно воскликнул Филипп Филиппович, - ну, теперь, стало быть, пошло! Пропал калабуховский дом! Придется уезжать, но куда, спрашивается? Все будет как по маслу. Вначале каждый вечер пение, затем в сортирах замерзнут трубы, потом лопнет котел в паровом отоплении и так далее...» (М. А. Булгаков. Собачье сердце).

А при какой температуре замерзнут трубы? Почему котел отопления лопнет? (Вода замерзает при 0 °С. Но при отвердевании вода расширяется, плотность ее уменьшается. Это и приведет к тому, что вода разорвет котел.)

2. ...На месте славного побега

Весной растопленного снега

Потоки мутные текли

И рыли влажну грудь земли...

А. С. Пушкин.

Руслан и Людмила

О каком тепловом процессе идет речь? При какой температуре тает снег? Как она называется? (Процесс превращения льда в мутные потоки называется плавлением, при нормальных условиях лед плавится при 0 °С — температуре плавления льда.)

3. «По лужам потянулись ледяные иглы, и стало в лесу неуютно, глухо и нелюдимо. Запахло зимой» (А. П. Чехов. Студент).

При каком условии на лужах появляется лед? Как называется этот процесс? (Для процесса кристаллизации необходимо, чтобы выполнялись два условия: 1) температура воды была равна температуре плавления льда; 2) чтобы вода в луже постоянно отдавала воздуху энергию, т. е. температура воздуха должна быть ниже 0 °С.)

4. «В Москве уже лет тридцать и больше я наблюдаю чудесное время, названное мною весной света, когда первый воробей запоет по-своему в стенной печурке, желоб высунет из себя ледяной язык, и с него закапает и поперек тротуара побежит первый маленький ручей» (М. М. Пришвин. Весна света).

О каком тепловом процессе идет речь в этом отрывке? (О плавлении.)

5. Растаял лед, шумят потоки,

Луга зеленеют под лаской тепла.

Зима, размякнув на припеке,

В суровые горы подальше ушла.

И. В. Гете.

Фауст

О каком тепловом процессе идет речь в этом отрывке? Почему для таяния льда необходимо тепло? (Этот процесс называется плавлением. Для разрыва связей между молекулами требуется энергия.)

По пословицам и поговоркам

6. Без мороза на земле не покроется льдом озеро.

А при каких условиях образуется на поверхности озера лед? (Необходимо, чтобы вода на поверхности озера имела температуру 0 °С, а температура воздуха была ниже 0 °С.)

По загадкам

7. Вырос лес, белый весь.

Пешком в него не войти,

На коне не въехать. (Морозный узор на окне.)

Как образуются морозные узоры на окне? С какой стороны они образуются - с внутренней или внешней? (В результате конденсации паров воды из воздуха помещения и кристаллизации на стекле. С внутренней.)

8. У избы побывал -

Все окно разрисовал,

У реки погостил -

Во всю реку мост мостил. (Мороз)

Как изменяется энергия льда на реке в мороз и при понижении температуры на 10 °С? (Уменьшается, энергия I кг льда-на 21 кДж.)

9. На дворе - камень,

В доме - вода. (Лед.)

При каких условиях лед в доме будет таять? (Если температура в доме выше 0 °С; в этом случае лед будет получать энергию, необходимую для плавления.)

10. Зимнее стекло

Весною потекло. (Лед.)

Какая энергия необходима, чтобы растопить лед массой 200 г при температуре на улице -10 °С? (72,2 кДж.)

11. На дворе - горой,

А в избе - водой. (Снег.)

Снег массой 1 кг занесли со двора (температура во дворе -10 °С) в дом (температура в доме +20 °С). На сколько изменилась внутренняя энергия снега, если он полностью превратился в воду комнатной температуры? (На 445 кДж.)

12. На дворе переполох:

С неба сыплется горох.

Съела шесть горошин Нина,

У нее теперь ангина. (Град.)

Какую энергию истратил организм Нины на плавление и нагревание шести градин до нормальной температуры тела, если масса градины 1 г, а температура 0 °С? (2 962,3 Дж.)

13. Мостится мост без досок, без топора, без клина. (Лед на реке.)

При замерзании реки на поверхности образуется лед. Как это согласуется с тем, что в жидкостях холодные струи опускаются вниз, а теплые поднимаются вверх? (Плотность льда меньше плотности воды, лед - на поверхности. Вода при замерзании расширяется.)

Интересные факты

В некоторых реках при быстром течении за счет интенсивности перемешивания воды происходит переохлаждение отдельных участков дна. При этом переохлажденный участок покрывается льдом внутриводного и отчасти поверхностного происхождения. Иногда донный лед занимает значительную часть сечения реки. Тогда река может выйти из берегов и становится возможным наводнение.

Арктика и Антарктика - это не только своеобразные фабрики льда, но и кухни погоды, которые влияют на погоду всего земного шара. Когда приходят длительные антициклоны с незначительной облачностью или, что еще хуже, с полным ее отсутствием, в зимние полярные ночи здесь создаются наиболее благоприятные условия для выхолаживания почвы и приземного воздуха. Самая низкая температура воздуха у земной поверхности (-88,3 °С) наблюдалась в августе 1960 г. на советской антарктической станции «Восток», которая находится на высоте 3 488 м.

Высота места наблюдения над уровнем моря не является решающим условием сильного выхолаживания приземного воздуха. Поэтому на ряде высокогорных станций в низких широтах минимальные температуры могут быть значительно выше минимальных температур для станций равнинных, но высокоширотных. Так, на леднике Северцова в Кашкадарьинской области (высота 2 780 м) температура воздуха не опускается ниже -26 °С, а на станции Казбеги на Кавказе (высота 3 659 м) абсолютный минимум температуры составляет лишь -35 °С.

Задачи для любителей географии

1. Для постройки небольших хижин - иглу эскимосы Северной Америки заготавливают около 60 снежных кирпичей размером 60x60x20 см³. При кладке кирпичи скрепляют водой. Вход в хижину ориентируют под углом 90° к направлению господствующих ветров. При горении жировых светильников в хижине поддерживается температура около 2 °С. Если же в хижине развести очаг и стены покрыть шкурами животных или тентом, температуру в ней на высоте 1,5 м над полом можно поднять до 25 °С.

Что происходит с водой и кирпичами из снега при кладке? Почему при покрытии стен шкурами температура в хижине повышается? (.Вода замерзает и «цементирует» кирпичи. Так как воздух плохой проводник тепла, а между шерстинками находится именно он, то тепло будет сохраняться в иглу.)

2. В Канаде при самых низких температурах от движения человека в воздухе образуется и сохраняется в течение 3-4 мин кристаллический след протяженностью от 100 до 400 м. (Подобное явление, но с большей протяженностью и длительностью существования кристаллического следа можно наблюдать в любой местности за летящим самолетом на больших высотах. Летчики такой след называют инверсионным.) В течение нескольких дней в Канаде при наиболее холодной погоде на уровне верхушек деревьев в воздухе могут сохраняться следы тумана над местами стоянок собачьих упряжек. Испарение снега в этих условиях происходит со скоростью около 12-14 мм в день.

Как можно объяснить данные явления с точки зрения физики? (Это процесс кристаллизации паров воды.)

Физический эксперимент

Наблюдение за плавлением льда.

Приборы и материалы: сосуд со льдом (температура льда от-10 до -5 °С); термометр; спиртовка или электроплитка; секундомер.

Задание: измерьте через каждые 30 с температуру льда и образовавшейся воды. Постройте график. Почему при плавлении льда температура смеси не изменялась? Сделайте вывод.

Номер опыта	Время, с
	30	60	90	120	150	180	210	240	270
1	-5 °С	-3 °С	-1 °С	1 °С	0 °С	0 °С	0 °С	1 °С	4 °С
2	-4 °С	-3 °С	-1 °С	0 °С	0 °С	0 °С	2 °С	4 °С	5 °С

Вывод: при фазовом переходе лед-вода все подводимое тепло идет па разрушение кристаллической решетки льда.

Проверка знаний и умений.

Индивидуальные карточки-задания

1	2
1. Изменяется ли температура при плавлении кристаллического вещества? (Не изменяется до полного расплавления тела.) 2. При какой температуре цинк может быть одновременно в твердом и в жидком состояниях при нормальных условиях? (420 °С.) 3. Какая энергия требуется для плавления 20 г олова при температуре плавления? (1,18 кДж.) 4. Какое количество теплоты требуется для плавления 2 т меди, взятой при 25 °С? (1,268 ГДж.)	1. Олово плавится при 232 °С. Что можно сказать о температуре кристаллизации олова? (Температура кристаллизации 232 °С.) 2. При какой температуре ртуть может находиться в твердом состоянии при нормальных условиях? (При -39 °С и ниже этой температуры.) 3. Какая энергия требуется для плавления 10 т железа при температуре плавления? (2,7 ГДж.) 4. Какое количество теплоты требуется для плавления 100 г свинца, взятого при 27 °С? (6,7 кДж.)
3	4
1. Изменяется ли температура расплавленного вещества при кристаллизации? (Не изменяется, до полного отвердевания тела.) 2. Можно ли пользоваться ртутным термометром для измерения температуры воздуха в вашем городе (поселке)? (Да, если температура воздуха не опускается ниже -39 °С.)	1. Можно ли в цинковой посуде расплавить алюминий? (Нет, так как температура плавления цинка 420 °С, а алюминия 658 °С.) 2. Как изменяется температура вещества при плавлении? (Не изменяется, если тело кристаллическое, и увеличивается, если тело аморфное.)