Темы докладов, страница 52 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 2. Изменение агрегатных состояний вещества. Параграф 12. Количество теплоты, необходимое для плавления тела и выделяющееся при его кристаллизации. Переход аморфных тел из твёрдого состояния в жидкое. Вопросы - страница 52.

Условие.

Как расплавить металл. Плавильные печи.

Решение.

Процесс плавления металла
Плавление металла — это физический процесс перехода вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое. Чтобы расплавить металл, его необходимо нагреть до температуры, называемой температурой плавления. У каждого металла и сплава эта температура своя (например, у олова — 232 °C, у алюминия — 660 °C, у железа — 1538 °C, а у вольфрама — 3422 °C).
Процесс можно условно разделить на три этапа:
1. Нагрев до температуры плавления. Металлу в твердом состоянии сообщается тепловая энергия. Это приводит к увеличению кинетической энергии его атомов (они начинают колебаться интенсивнее) и, как следствие, к росту температуры. Количество теплоты, необходимое для этого этапа, рассчитывается по формуле $Q_1 = c \cdot m \cdot (t_{пл} - t_0)$, где $\text{c}$ – удельная теплоемкость металла, $\text{m}$ – его масса, $t_{пл}$ – температура плавления, $t_0$ – начальная температура.
2. Плавление. При достижении температуры плавления дальнейшее подведение тепла не повышает температуру металла. Вся поступающая энергия расходуется на разрушение его кристаллической решетки, то есть на преодоление сил межмолекулярного притяжения. Этот процесс продолжается до тех пор, пока весь металл не перейдет в жидкое состояние. Необходимое для этого количество теплоты называется теплотой плавления и рассчитывается по формуле $Q_2 = \lambda \cdot m$, где $\lambda$ – удельная теплота плавления.
3. Нагрев расплава. После того как весь металл расплавился, дальнейший подвод тепла снова приводит к увеличению температуры, но уже жидкого металла.

Плавильные печи
Для нагрева и плавления металлов в промышленных масштабах используются плавильные печи. Они классифицируются по источнику энергии, принципу действия, производительности и назначению.

Основные типы плавильных печей:
1. Электродуговые печи (ДСП)
Тепло генерируется мощной электрической дугой, возникающей между графитовыми электродами и металлической шихтой (как правило, металлоломом). Температура в зоне дуги достигает 4000-6000 °C, что позволяет эффективно плавить сталь и тугоплавкие сплавы. Это основной агрегат современной металлургии для переплавки стального лома.

2. Индукционные печи
Нагрев металла происходит за счет вихревых токов (токов Фуко), которые наводятся в металле переменным магнитным полем. Печь состоит из индуктора (медной водоохлаждаемой катушки) и расположенного внутри него тигля из огнеупорного материала с металлом. Преимуществами являются высокая чистота получаемого расплава (так как нет контакта с продуктами горения топлива), точный контроль температуры и активное перемешивание металла электромагнитными силами. Широко используются для плавки стали, чугуна, цветных и драгоценных металлов.

3. Доменные печи (домны)
Это печи шахтного типа, предназначенные в первую очередь для выплавки чугуна из железорудного сырья (агломерата, окатышей). В домну слоями загружают руду, кокс (топливо и восстановитель) и флюсы (например, известняк). Снизу вдувается горячий воздух. В процессе горения кокса оксиды железа восстанавливаются до металла, который плавится и накапливается в нижней части печи. Это непрерывный процесс, являющийся основой доменного производства в черной металлургии.

4. Вагранки
Это печь шахтного типа, по конструкции напоминающая доменную, но меньшего размера. Используется в литейном производстве для переплавки чугуна (чушкового, стального и чугунного лома) с целью получения жидкого чугуна для литья. Топливом также служит кокс.

5. Тигельные печи
Наиболее простой тип печи, где металл плавится в специальной емкости — тигле, изготовленном из огнеупорных материалов (графит, шамот). Нагрев тигля может быть внешним (пламенем газовых или мазутных горелок) или внутренним (как в индукционных тигельных печах). Применяются для плавки небольших объемов цветных металлов (алюминий, медь, бронза), сплавов, а также в лабораторных условиях.

6. Конвертеры
Это агрегаты не для плавления, а для передела жидкого чугуна в сталь. В конвертер заливают расплавленный чугун и продувают его технически чистым кислородом. Кислород окисляет избыточный углерод и другие примеси (кремний, марганец), при этом выделяется большое количество тепла, которое не только поддерживает металл в жидком состоянии, но и дополнительно его нагревает.

Ответ: Чтобы расплавить металл, его необходимо нагреть до температуры плавления и сообщить ему дополнительное количество энергии (теплоту плавления) для перехода из твердого состояния в жидкое. На практике это осуществляется в плавильных печах. Выбор типа печи зависит от вида металла, масштаба производства, требований к чистоте и химическому составу конечного продукта. Основные виды печей включают электродуговые (для переплавки лома в сталь), индукционные (для качественных сталей и цветных металлов), доменные (для выплавки чугуна из руды), а также тигельные печи и вагранки для литейного производства.