Питома теплота плавлення
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Зміст:
Під плавленням у фізиці мають на увазі процес перетворення тіла з твердого стану в рідкий, під дією температури. Класичним повсюдним прикладом плавлення з життя є танення льодів, їх перетворення у воду, або перетворення твердого шматка олова в рідкий під дією паяльника. Передача тому чи іншому тілу певної кількості тепла може змінити його агрегатний стан, ця дивна властивість твердих тіл перетворюватися в рідкі під дією температури має велике значення для науки і техніки. Вченим (а також технікам, інженерам) важливо знати при яких температурах плавляться ті чи інші метали (а часом і не тільки метали), і для цього у фізику увійшло таке поняття як «питома теплота плавлення». Про те, що означає питома теплота плавлення, яка її формула розрахунку, читайте далі.
Чому тверде тіло стає рідким?
Але давайте для початку розберемо, як відбувається сам процес плавлення на атомно-молекулярному рівні. Як ми знаємо, в будь-якому твердому тілі всі атоми та молекули перебувають чітко й упорядковано у вузлах кристалічної решітки, завдяки цьому тверде тіло і є твердим.
Але що відбувається, якщо ми починаємо це саме гіпотетичне твердо тіло сильно нагрівати – під дією температури атоми і молекули починають різко збільшувати свою кінетичну енергію і після досягнення певних критичних значень, вони залишають кристалічну решітку, вириватися з неї. А саме тверде тіло починає буквально розпадатися, перетворюючись на якусь рідку речовину – так відбувається плавлення.
При цьому процес плавлення відбувається не різким стрибком, а поступово. Також варто зауважити, що плавлення відноситься до ендотермічних процесів, тобто процесів, при яких відбувається поглинання теплоти.
Процес зворотний до плавлення називають кристалізацією – це коли тіло з рідкого стану навпаки перетворюється в тверде. Якщо ви залишите воду в морозилці, вона через якийсь час перетвориться на лід – це найтиповіший приклад кристалізації з реального життя.
Визначення
Питомою теплотою плавлення називають фізичну величину рівну кількості тепла (в джоулях), яку необхідно передати твердому тілу масою 1 кг, щоб повністю перевести його в рідкий стан. Питому теплоту плавлення позначають грецькою буквою «лямбда» – λ.
Формула питомої теплоти плавлення виглядає так:
λ = Q / m
Де m – маса речовини, що плавиться, а Q – кількість тепла, передана речовині при плавленні.
Знаючи значення питомої теплоти плавлення, ми можемо визначити, яку кількість тепла необхідно передати для тіла з тією чи іншою масою, для його повного розплавлення:
Q = λ * m
Для різних речовин питома теплота плавлення була визначена експериментально.
Одиниця вимірювання
Багатьох цікавить питання, в яких одиницях вимірюється питома теплота плавлення. Так ось, питома теплота плавлення вимірюється у Джоулях на кілограм – Дж/кг.
Таблиця
Значення питомої теплоти для різних речовин: золота, срібла, цинку, олова і багатьох інших металів можна знайти в спеціальних таблицях і довідниках. Зазвичай ці значення наводяться у вигляді таблиці.
До вашої уваги таблиця питомої теплоти плавлення різних речовин:
| Речовина | 105*Дж/кг | ккал/кг | Речовина | 105*Дж/кг | ккал/кг |
| Алюміній | 3,8 | 92 | Ртуть | 0,1 | 3,0 |
| Залізо | 2,7 | 65 | Свинець | 0,3 | 6,0 |
| Лід | 3,3 | 80 | Срібло | 0,87 | 21 |
| Мідь | 1,8 | 42 | Сталь | 0,8 | 20 |
| Нафталін | 1,5 | 36 | Цинк | 1,2 | 28 |
| Олово | 0,58 | 14 | Платина | 1,01 | 24,1 |
| Парафін | 1,5 | 35 | Золото | 0,66 | 15,8 |
Цікавий факт: самим тугоплавким металом на сьогоднішній день є карбід танталу – ТаС. Для його плавлення необхідна температура 3990 С. Покриття з ТаС застосовують для захисту металевих форм, в яких відливають деталі з алюмінію.
Рекомендована література та корисні посилання
- Енохович А. С. Краткий справочник по физике. — М.: «Высшая школа», 1976. — С. 114. — 288 с.
- Atkins, Peter & Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4th ed.), W. H. Freeman and Company, с. 236, ISBN 0-7167-7355-4
- Hoffer J. K., Gardner W. R., Waterfield C. G., Phillips N. E. Thermodynamic properties of 4He. II. The bcc phase and the P-T and VT phase diagrams below 2 K (англ.) // Journal of Low Temperature Physics (англ.)русск. : journal. — 1976. — April (vol. 23, no. 1). — P. 63—102. — DOI:10.1007/BF00117245. — Bibcode: 1976JLTP…23…63H.
Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка
При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.
Ця стаття доступна англійською мовою – Enthalpy of Fusion.