Определение удельной теплоты плавления олова

Оборудование: тигель с исследуемым металлом (олово), термопара, электрическая плитка, градуировочная кривая термопары, секундомер.

Краткая теория

Термодинамическая фаза — термодинамически равновесное состояние вещества, качественно отличающееся по своим физическим свойствам от других равновесных состояний того же вещества.

Переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий называется фазовым переходом. Поскольку разделение на термодинамические фазы — более мелкая классификация состояний, чем разделение по агрегатным состояниям вещества, то далеко не каждый фазовый переход сопровождается сменой агрегатного состояния. Однако любая смена агрегатного состояния есть фазовый переход.

Различают фазовые переходы первого и второго рода. При осуществлении фазового перехода первого рода поглощается или выделяется теплота. Наиболее распространённые примеры фазовых переходов первого рода:

• · плавление и кристаллизация;
• · кипение и конденсация.

Фазовые переходы второго рода не сопровождаются выделением или поглощением теплоты перехода. Происходит лишь скачок теплоёмкости и других физических свойств. Наиболее распространённые примеры фазовых переходов второго рода:

• · переход металлов и сплавов в состояние сверхпроводимости;
• · переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние;
• · переход аморфных материалов в стеклообразное состояние.

Рассмотрим плавление и кристаллизацию. Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением. Обратный процесс называется кристаллизацией. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества. Температура плавления для данного вещества при одинаковых условиях одинакова.

При плавлении температура вещества не меняется, т. е. процесс протекает изотермически. Однако это не значит, что в процессе плавления к телу не надо подводить энергию. Опыт показывает, что если подача энергии путем теплообмена прекращается, то прекращается и процесс плавления. При плавлении подводимая к телу теплота идет на уменьшение связей между частицами вещества, т. е. на разрушение кристаллической решетки. При этом уменьшается энергия взаимодействия между частицами. Небольшая же часть теплоты при плавлении расходуется на совершение работы по изменению объема тела, так как у большинства веществ при плавлении объем возрастает. В процессе плавления к телу подводится некоторое количество теплоты, которая называется теплотой плавления. Теплота плавления пропорциональна массе расплавившегося вещества:

.

где величина л называется удельной теплотой плавления вещества. Удельная теплота плавления показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить 1 кг данного вещества при температуре плавления. Она измеряется в Дж/кг.

Построим диаграмму плавкости. Для этого на оси абсцисс откладываем время, а на оси ординат — температуру (рисунок 1). Температура повышается сначала быстро, затем медленнее. Чем выше температура, тем больше потеря теплоты в окружающее пространство; поэтому происходит замедление нагрева.

При некоторой температуре Т_пл начинается процесс плавления и, пока он идёт, температура не меняется. На кривой плавкости получается горизонтальная линия.

Рисунок 1 — Диаграмма плавкости

Наличие этой линии показывает, что в это время происходит изотермическое плавление и вся притекающая теплота идёт на разрушение кристаллической решётки. Когда плавление закончится, образуется жидкая фаза, и её температура начинает повышаться. Если в некоторый момент прекратить нагрев жидкости и начать её охлаждать, то кривая пойдёт вниз. Когда температура понизится до Т_пл, начнётся процесс кристаллизации.

Процесс кристаллизации протекает с выделением теплоты кристаллизации, которая равна теплоте плавления. Пока происходит кристаллизация, пока атомы и молекулы жидкой фазы образуют кристаллическую решётку, соединяясь друг с другом, температура останется неизменной. Когда процесс кристаллизации закончится, прекратится выделение теплоты кристаллизации и тело начнёт охлаждаться.