Усі уроки фізики
8 клас

Урок 13/55. Плавлення й кристалізація твердих тіл

Мета уроку: навчити учнів розуміти суть теплових процесів — плавлення й кристалізації, переконати їх у сталості температури при плавленні й кристалізації речовини.

Тип уроку: комбінований урок.

План уроку

Вивчення нового матеріалу

1. Агрегатні стани речовини

Залежно від умов одна й та сама речовина може перебувати в різних станах, наприклад у твердому, рідкому або газоподібному.

Наочним прикладом цього служить лід, вода й водяна пара. Ці стани називають агрегатними станами.

Ми уже знаємо, що молекули однієї й тієї самої речовини у твердому, рідкому й газоподібному стані нічим не відрізняються одна від одної. Той або інший агрегатний стан речовини визначається розташуванням, характером руху й взаємодії молекул.

Тепловий рух молекул характеризується їх середньою кінетичною енергією. Вона, як відомо, визначає температуру тіл.

Взаємодія молекул характеризується потенціальною енергією. Вона залежить від відстані між молекулами.

У твердих кристалічних тілах молекули розташовані в певному порядку й можуть лише здійснювати коливальний рух біля положення рівноваги.

У рідинах молекули розташовані безладно, хоча й близько одна від одної. Рух молекул у рідині — коливально-поступальний.

Молекули рухаються й взаємодіють одночасно, отже, вони володіють і кінетичною й потенціальною енергією. Відтак, те, чи бути тілу твердим, рідким або газоподібним, залежить від співвідношення обох видів енергії. А зміна цього співвідношення й призводить до переходу речовини з одного стану в інший.

2. Процес плавлення й кристалізації твердих тіл

Передаючи тілу енергію, можна перевести його із твердого стану в рідкий (наприклад, розплавити лід).

·   Перехід речовини із кристалічного стану в рідкий називають плавленням.

Щоб розплавити тіло, потрібно спочатку нагріти його до певної температури.

·   Температуру, за якої речовина плавиться, називають температурою плавлення.

Після демонстрації дослідів з плавлення й тверднення кристалічних тіл учні повинні твердо засвоїти три такі положення:

·   існує температура, вище від якої речовина у твердому стані не може перебувати;

·   температура під час плавлення залишається постійною;

·   процес плавлення вимагає припливу енергії до речовини, що плавиться.

Погляньте на рисунок: температура й снігу, і підталої води залишається 0 °С. Так буде доти, поки не залишиться останній кристалик льоду, навіть якщо температура повітря стане +10°С.

Далі необхідно проаналізувати таблицю температур плавлення. З таблиці видно, у яких межах лежать температури плавлення різних речовин. Наприклад, тугоплавкі метали (вольфрам, титан) можуть застосовуватися для створення космічних кораблів, для виготовлення спіралей теплових електричних приладів, а цезій і натрій можна розплавити в гарячій воді.

Досліди показують, що речовини тверднуть за тієї ж температурі, за якої плавляться. Процес кристалізації супроводжується виділенням такої ж кількості теплоти, що поглинається при плавленні.

·   Перехід речовини з рідкого стану в кристалічний називають кристалізацією, або твердненням.

·   Кристалізація відбувається за тієї ж температури, що й плавлення.

3. Питома теплота плавлення

Вся енергія, яку одержує кристалічне тіло після того, як воно вже нагріте до температури плавлення, витрачається на руйнування кристалічних решіток. У зв’язку із цим температура тіла перестає підвищуватися. Досліди показують, що для перетворення різних кристалічних речовин однієї й тієї ж маси в рідину при температурі плавлення потрібна різна кількість теплоти.

·   Питома теплота плавлення дорівнює кількості теплоти, яка необхідна для перетворення 1 кг речовини із твердого в рідкий стан при температурі плавлення.

Питому теплоту плавлення позначають λ і вимірюють у джоулях на кілограм (Дж/кг).

Необхідно ознайомити учнів з таблицею питомої теплоти плавлення деяких речовин.

Наприклад, питома теплота плавлення міді дорівнює 210 кДж/кг. Це означає, що для того щоб розплавити 1 кг міді, узятої при температурі плавлення (1085 °С), необхідно затратити 210 кДж теплоти.

Щоб визначити кількість теплоти, необхідну для плавлення твердого тіла, треба питому теплоту плавлення λ помножити на масу тіла: .

Кількість теплоти, що виділяється при кристалізації тіла, визначається за тією ж формулою: .

В аморфних тіл, на відміну від кристалічних, немає певної температури плавлення: при нагріванні такі тіла розм’якшуються поступово.

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

1.    У яких агрегатних станах може перебувати та сама речовина?

2.    Які особливості молекулярної будови газів, рідин і твердих тіл?

3.    Який з металів, наведених у таблиці, найбільш легкоплавкий? найменш тугоплавкий?

4.    Які умови плавлення твердих тіл? Назвіть всі теплові процеси, які відбуваються при плавленні металу в плавильній печі.

5.    Який фізичний зміст питомої теплоти плавлення?

6.    Скільки енергії потрібно затратити, щоб розплавити лід масою 2 кг при температурі 0°C?

Закріплення вивченого матеріалу

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1). Яку енергію необхідно затратити, щоб розплавити шматок свинцю масою m = 2кг, взятий при температурі t1 =27 °C?

Розв’язок. Процес складається із двох етапів: на першому етапі свинець нагрівається до температури плавлення, на другому етапі плавиться.

;

або інакше:

, .

Звідси остаточно одержуємо:

.

Перевіряємо одиниці величин:

.

Обчислюємо необхідну для плавлення енергію:

.

Відповідь: 126 кДж.

2). Скільки міді, що має температуру 85 °C, можна розплавити, передавши їй кількість теплоти 295 кДж?

3). У калориметрі знаходиться вода масою 2 кг, температура якої 30 °C. У калориметр поміщають лід при температурі 0 °C. Якою могла бути маса льоду, якщо він весь розтанув?

Відповідь: m ≤ 0,76 кг.

2. Поміркуй і відповідай

1). Чи буде плавитися чавунна деталь, кинута в розплавлену мідь?

2). Чи можна в алюмінієвій посудині розплавити цинк? Відповідь обґрунтуйте.

3). Чи може внутрішня енергія тіла змінитися без зміни температури? Наведіть приклади, що підтверджують вашу відповідь.

4). Яке тіло має більшу внутрішню енергію: шматок льоду при температурі 0 °C або вода, яку отримали із цього шматка, що має температуру 0 °C?

5). Узимку на балконі лежить мідна пластинка й крижинка такої ж маси. Питома теплота плавлення в міді значно менше, ніж у льоду. Чи означає це, що для плавлення мідної пластинки в цьому випадку буде потрібно менше енергії, ніж для плавлення крижинки?

Домашнє завдання-1

1. У-1: § 26.

2. Сб-1:

рів1 — № 29.2, 29.3, 29.4, 29.11, 28.13.

рів2 — № 29.17, 29.18, 29.19, 29.27, 29.29.

рів3 — № 29.33, 29.34, 29.35, 29.43, 29.44.

Домашнє завдання-2

1. У-2: § 44 (п.1, 2), 45 (п.1, 2).

2. Сб-2:

рів1 — № 32.1, 32.2, 32.3, 32.4, 32.5.

рів2 — № 32.15, 32.16, 32.17, 32.20, 32.23.

рів3 — № 32.32, 32.33, 32.37, 32.38, 32.39.

Джерела:

1. Усі уроки фізики. 8 клас./ Кирик Л. А.— Х.: Вид. група «Основа», 2008.— 352 с.

2. Сайти: fizika.ru