Страница 47 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Какой процесс называют плавлением?

1. Какой процесс называют плавлением?

Плавление — это фазовый переход вещества из твёрдого кристаллического состояния в жидкое. Этот процесс происходит при определённой температуре, называемой температурой плавления, и сопровождается поглощением теплоты.

Рассмотрим этот процесс с точки зрения молекулярного строения вещества. В твёрдых кристаллических телах частицы (атомы, молекулы или ионы) образуют упорядоченную структуру — кристаллическую решётку. Частицы в узлах этой решётки не неподвижны, а совершают колебательные движения.

При подводе к телу тепловой энергии его внутренняя энергия увеличивается, что приводит к увеличению средней кинетической энергии частиц и, следовательно, к росту амплитуды их колебаний. Когда тело нагревается до температуры плавления, амплитуда колебаний становится настолько большой, что силы межмолекулярного притяжения уже не могут удержать частицы в узлах кристаллической решётки. Порядок в расположении частиц нарушается, решётка разрушается, и вещество переходит в жидкое состояние. В жидкости частицы уже не так сильно связаны друг с другом и могут свободно перемещаться по всему объёму.

Важной особенностью процесса плавления является то, что пока всё твёрдое тело не расплавится, его температура остаётся постоянной и равной температуре плавления, даже если к нему продолжают подводить тепло. Вся поступающая энергия расходуется не на увеличение кинетической энергии частиц (то есть на нагрев), а на разрушение связей в кристаллической решётке.

Процесс, обратный плавлению, — переход из жидкого состояния в твёрдое — называется кристаллизацией или отвердеванием. Он происходит при той же температуре, что и плавление, но сопровождается выделением теплоты.

Ответ: Плавлением называют процесс перехода вещества из твёрдого агрегатного состояния в жидкое. Этот процесс происходит при постоянной температуре (называемой температурой плавления) и требует подвода энергии для разрушения кристаллической структуры вещества.

2. Какой процесс называют отвердеванием?

1. Какой процесс называют плавлением?

Плавление — это физический процесс перехода вещества из твёрдого агрегатного состояния (кристаллического) в жидкое. Этот фазовый переход происходит при подводе к телу тепловой энергии. Когда кристаллическое тело нагревают, увеличивается его внутренняя энергия, что приводит к увеличению амплитуды колебаний частиц (атомов, ионов или молекул) в узлах кристаллической решётки. При достижении определённой для каждого вещества температуры, называемой температурой плавления, энергия колебаний становится настолько большой, что связи между частицами начинают разрушаться, и упорядоченная структура кристаллической решётки распадается. Вещество становится жидким. Характерной особенностью плавления чистых кристаллических веществ является то, что в течение всего процесса температура тела остаётся постоянной. Вся подводимая извне энергия расходуется не на увеличение кинетической энергии частиц (и, следовательно, температуры), а на разрушение кристаллических связей.

Ответ: Плавлением называют процесс перехода вещества из твёрдого состояния в жидкое.

2. Какой процесс называют отвердеванием?

Отвердевание (также называемое кристаллизацией или замерзанием) — это процесс, обратный плавлению, то есть переход вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое. Этот процесс происходит при отводе от вещества тепловой энергии (охлаждении). По мере остывания жидкости её частицы движутся всё медленнее. Когда температура достигает значения, называемого температурой отвердевания, силы притяжения между частицами становятся достаточными для того, чтобы удержать их в определённых положениях, формируя упорядоченную кристаллическую решётку. Как и плавление, отвердевание чистого вещества происходит при постоянной температуре. В ходе этого процесса вещество выделяет энергию, называемую теплотой кристаллизации (которая по модулю равна теплоте плавления), что и поддерживает температуру постоянной до полного затвердевания.

Ответ: Отвердеванием (или кристаллизацией) называют процесс перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое.

3. Что называют температурой плавления; температурой отвердевания?

Температура плавления — это температура, при которой кристаллическое вещество плавится, то есть переходит из твёрдого состояния в жидкое. Для каждого чистого кристаллического вещества при заданном давлении это строго определённое значение. Во время плавления температура вещества не меняется. При температуре плавления твёрдая и жидкая фазы вещества могут сосуществовать в термодинамическом равновесии. Например, температура плавления льда при нормальном атмосферном давлении составляет $0$ °C.

Температура отвердевания (кристаллизации) — это температура, при которой вещество отвердевает, переходя из жидкого состояния в твёрдое. Для чистых кристаллических веществ температура отвердевания в точности равна температуре плавления. Таким образом, вода кристаллизуется в лёд также при $0$ °C (при нормальном давлении). Стоит отметить, что аморфные тела (например, стекло или смола) не имеют определённой температуры плавления и отвердевания, их переход из одного состояния в другое происходит в некотором интервале температур.

Ответ: Температурой плавления называют температуру, при которой вещество переходит из твёрдого состояния в жидкое. Температурой отвердевания называют температуру, при которой вещество переходит из жидкого состояния в твёрдое. Для кристаллических веществ эти температуры равны.

3. Что называют температурой плавления; температурой отвердевания?

Что называют температурой плавления;

Температурой плавления называют температуру, при которой кристаллическое вещество переходит из твёрдого агрегатного состояния в жидкое. Это фиксированное значение температуры для данного вещества при заданном давлении. Процесс плавления происходит с поглощением энергии, называемой теплотой плавления. Важнейшей особенностью плавления кристаллических тел является то, что с момента начала плавления и до его полного завершения температура системы «твёрдое тело — жидкость» остаётся постоянной и равной температуре плавления, несмотря на продолжающийся подвод тепла. Эта подводимая энергия расходуется не на увеличение кинетической энергии молекул (то есть не на повышение температуры), а на разрушение кристаллической решётки вещества. Например, температура плавления льда при нормальном атмосферном давлении составляет $0^\circ \text{C}$.

Ответ: Температура плавления — это постоянная температура, при которой происходит переход вещества из твёрдого состояния в жидкое.

температурой отвердевания?

Температурой отвердевания (также называемой температурой кристаллизации) называют температуру, при которой вещество переходит из жидкого состояния в твёрдое (кристаллическое). Этот процесс является обратным плавлению. В ходе отвердевания вещество выделяет энергию (теплоту кристаллизации), и его температура остаётся постоянной до тех пор, пока вся жидкость не перейдёт в твёрдое состояние. Для чистых кристаллических веществ температура отвердевания при данном давлении в точности равна температуре плавления. Так, чистая вода отвердевает (замерзает) при $0^\circ \text{C}$, что совпадает с температурой плавления льда.

Ответ: Температура отвердевания — это постоянная температура, при которой происходит переход вещества из жидкого состояния в твёрдое. Для кристаллических веществ она равна температуре плавления.

Как показать, что стекло — тело аморфное, а поваренная соль — тело кристаллическое?

Чтобы доказать, что стекло является аморфным телом, а поваренная соль — кристаллическим, необходимо исследовать их физические свойства, которые напрямую зависят от внутреннего строения вещества. Основное различие между этими двумя типами твердых тел заключается в том, что кристаллические тела (как поваренная соль) имеют упорядоченную внутреннюю структуру, называемую кристаллической решеткой, в то время как аморфные тела (как стекло) не имеют дальнего порядка в расположении частиц, их структура хаотична, как у застывшей жидкости.

Это различие в строении проявляется в макроскопических свойствах, которые можно наблюдать экспериментально.

1. Поведение при нагревании (плавление)

Это самый наглядный способ. Если нагревать поваренную соль, она будет сохранять твердое состояние до тех пор, пока ее температура не достигнет строго определенного значения — температуры плавления ($T_{пл} = 801^\circ\text{C}$). При этой температуре соль начнет плавиться, и пока весь кристалл не перейдет в жидкое состояние, ее температура будет оставаться постоянной. На графике зависимости температуры от времени нагрева будет наблюдаться горизонтальный участок (плато).

В отличие от соли, стекло не имеет определенной температуры плавления. При нагревании оно постепенно размягчается в некотором интервале температур, становясь все более пластичным и текучим, пока не перейдет в жидкое состояние. У него нет температурного плато при плавлении.

2. Характер разрушения (излом)

Если рассмотреть кристаллы поваренной соли (даже под лупой), можно увидеть, что они имеют правильную кубическую форму. При попытке их расколоть они будут распадаться на более мелкие фрагменты, которые также будут иметь плоские грани и прямые углы. Это явление называется спайностью и обусловлено тем, что разлом происходит вдоль определенных плоскостей в кристаллической решетке.

Стекло же при раскалывании образует осколки неправильной формы. Поверхности излома у него, как правило, гладкие, но криволинейные (так называемый раковистый излом). Это следствие отсутствия упорядоченной внутренней структуры.

3. Физические свойства в разных направлениях (изотропия и анизотропия)

Свойства монокристаллов (например, прочность, теплопроводность, скорость света) зависят от направления, то есть они анизотропны. У стекла, как у аморфного тела, все физические свойства одинаковы по всем направлениям, то есть оно изотропно. Продемонстрировать это свойство на практике сложнее, чем первые два, но это фундаментальное различие.

Ответ: Чтобы показать, что стекло — аморфное тело, а поваренная соль — кристаллическое, можно провести эксперимент по их нагреванию. Поваренная соль расплавится при строго определенной и постоянной температуре ($801^\circ\text{C}$), что характерно для кристаллических тел. Стекло же не имеет четкой температуры плавления, а постепенно размягчается в широком диапазоне температур, что является свойством аморфных тел. Дополнительным доказательством служит характер излома: соль раскалывается на части с плоскими гранями, а стекло образует осколки с криволинейными поверхностями.

УПРАЖНЕНИЕ 12

1. Можно ли расплавить свинец в оловянной ложке?

1. Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо сравнить температуры плавления свинца и олова.

Дано:

Температура плавления свинца: $t_{пл.свинца} = 327,5 \text{ °C}$

Температура плавления олова: $t_{пл.олова} = 231,9 \text{ °C}$

Найти:

Можно ли расплавить свинец в оловянной ложке?

Решение:

Процесс плавления вещества происходит при достижении им определённой температуры, называемой температурой плавления. Чтобы расплавить свинец, его необходимо нагреть до температуры $327,5 \text{ °C}$.

Оловянная ложка, в которой находится свинец, будет нагреваться вместе с ним. Материал ложки, олово, плавится при температуре $231,9 \text{ °C}$.

Сравним температуры плавления обоих металлов:

$t_{пл.свинца} > t_{пл.олова}$, так как $327,5 \text{ °C} > 231,9 \text{ °C}$.

Это означает, что при нагревании оловянная ложка достигнет своей температуры плавления и начнёт плавиться раньше, чем свинец достигнет своей. Как только температура превысит $231,9 \text{ °C}$, ложка начнёт терять свою форму и расплавится, в то время как свинец будет ещё в твёрдом состоянии. Следовательно, расплавить свинец в оловянной ложке невозможно.

Ответ: нет, нельзя. Температура плавления олова ($231,9 \text{ °C}$) значительно ниже температуры плавления свинца ($327,5 \text{ °C}$), поэтому оловянная ложка расплавится раньше, чем свинец в ней.

2. Почему для измерения температуры в северных районах нашей страны используются спиртовые, а не ртутные термометры?

Выбор термометра для измерения температуры в северных районах обусловлен физическими свойствами рабочих жидкостей, а именно их температурами замерзания (кристаллизации).

Ртуть, используемая в ртутных термометрах, переходит из жидкого состояния в твердое при температуре около $T_{замерзания, Hg} \approx -39^\circ\text{C}$. В северных регионах, особенно в зимние месяцы, температура воздуха часто опускается значительно ниже этого значения. Когда температура падает ниже точки замерзания ртути, она затвердевает, и термометр перестает функционировать: его показания становятся неверными, и он больше не может измерять дальнейшее понижение температуры.

Спирт (обычно подкрашенный этиловый спирт), который является рабочим веществом в спиртовых термометрах, имеет гораздо более низкую температуру замерзания, составляющую $T_{замерзания, C_2H_5OH} \approx -114^\circ\text{C}$. Такие низкие температуры на поверхности Земли практически не встречаются. Поэтому спиртовой термометр сохраняет свою работоспособность и точность измерений даже в условиях экстремально холодной погоды, характерной для северных широт.

Таким образом, для надежного измерения низких температур в северных районах необходимо использовать приборы, рабочее вещество которых остается в жидком состоянии во всем диапазоне измеряемых температур.

Ответ: Спиртовые термометры используются в северных районах, потому что температура замерзания спирта (около $-114^\circ\text{C}$) значительно ниже температуры замерзания ртути (около $-39^\circ\text{C}$). В сильные морозы, когда температура опускается ниже $-39^\circ\text{C}$, ртуть в термометре замерзает и он перестает работать, в то время как спиртовой термометр продолжает корректно измерять температуру.

3. Будет ли цинк плавиться, если его нагреть до температуры 420 °C? Почему?

Дано:

Температура нагрева цинка $t = 420 \text{ °C}$

Перевод в систему СИ:

$T = 420 + 273.15 = 693.15 \text{ К}$

Найти:

Будет ли цинк плавиться и почему?

Решение:

Плавление представляет собой фазовый переход вещества из твердого агрегатного состояния в жидкое. Для каждого кристаллического вещества, такого как цинк, этот процесс начинается при достижении определённой температуры, называемой температурой плавления, при нормальном атмосферном давлении.

Чтобы ответить на вопрос, необходимо сравнить температуру, до которой нагревают цинк, с его табличной температурой плавления. Температура плавления цинка ($t_{пл}$) составляет $419.53 \text{ °C}$ (часто в учебных таблицах округляют до $420 \text{ °C}$).

В условии задачи задана температура нагрева $t = 420 \text{ °C}$.

Сравним заданную температуру с температурой плавления цинка:

$t \ge t_{пл}$, так как $420 \text{ °C} \ge 419.53 \text{ °C}$.

Поскольку температура нагрева достигает и даже незначительно превышает температуру плавления цинка, цинк будет плавиться. Процесс плавления начнется, как только температура цинка достигнет $419.53 \text{ °C}$, и при дальнейшем сообщении ему энергии он полностью перейдет в жидкое состояние.

Ответ: Да, цинк будет плавиться. Это произойдет потому, что температура, до которой его нагрели ($420 \text{ °C}$), достигает и превышает его температуру плавления (приблизительно $419.5 \text{ °C}$).

4. В каком агрегатном состоянии находятся при температуре $1000^\circ\text{C}$ следующие вещества: алюминий, вольфрам, железо, золото, свинец, серебро?

Чтобы определить агрегатное состояние вещества при заданной температуре, необходимо сравнить эту температуру ($T$) с его температурой плавления ($T_{пл}$) и температурой кипения ($T_{кип}$).

• Если $T < T_{пл}$, вещество находится в твёрдом состоянии.
• Если $T > T_{пл}$ (и $T < T_{кип}$), вещество находится в жидком состоянии.
• Если $T > T_{кип}$, вещество находится в газообразном состоянии.

В данном случае заданная температура составляет $T = 1000 \text{ °C}$. Для металлов температура кипения значительно выше $1000 \text{ °C}$, поэтому нам достаточно сравнить заданную температуру только с температурой плавления.

алюминий

Температура плавления алюминия $T_{пл(Al)} \approx 660.3 \text{ °C}$. Сравним заданную температуру с температурой плавления: $1000 \text{ °C} > 660.3 \text{ °C}$. Так как заданная температура выше температуры плавления алюминия, он будет находиться в жидком состоянии.

Ответ: жидкое состояние.

вольфрам

Температура плавления вольфрама $T_{пл(W)} \approx 3422 \text{ °C}$. Сравним заданную температуру с температурой плавления: $1000 \text{ °C} < 3422 \text{ °C}$. Так как заданная температура ниже температуры плавления вольфрама, он будет находиться в твёрдом состоянии.

Ответ: твёрдое состояние.

железо

Температура плавления железа $T_{пл(Fe)} \approx 1538 \text{ °C}$. Сравним заданную температуру с температурой плавления: $1000 \text{ °C} < 1538 \text{ °C}$. Так как заданная температура ниже температуры плавления железа, оно будет находиться в твёрдом состоянии.

Ответ: твёрдое состояние.

золото

Температура плавления золота $T_{пл(Au)} \approx 1064 \text{ °C}$. Сравним заданную температуру с температурой плавления: $1000 \text{ °C} < 1064 \text{ °C}$. Так как заданная температура ниже температуры плавления золота, оно будет находиться в твёрдом состоянии.

Ответ: твёрдое состояние.

свинец

Температура плавления свинца $T_{пл(Pb)} \approx 327.5 \text{ °C}$. Сравним заданную температуру с температурой плавления: $1000 \text{ °C} > 327.5 \text{ °C}$. Так как заданная температура выше температуры плавления свинца, он будет находиться в жидком состоянии.

Ответ: жидкое состояние.

серебро

Температура плавления серебра $T_{пл(Ag)} \approx 961.8 \text{ °C}$. Сравним заданную температуру с температурой плавления: $1000 \text{ °C} > 961.8 \text{ °C}$. Так как заданная температура выше температуры плавления серебра, оно будет находиться в жидком состоянии.

Ответ: жидкое состояние.

5. Какие вещества можно расплавить в воде, находящейся при темпера-туре $100^\circ C$?

Для того чтобы расплавить какое-либо вещество в воде, находящейся при температуре 100 °C, необходимо, чтобы температура плавления этого вещества была ниже или равна 100 °C. Это связано с тем, что вода будет передавать тепло веществу до тех пор, пока их температуры не выровняются или пока вещество не расплавится. Если температура плавления вещества выше 100 °C, то кипящая вода не сможет нагреть его до нужной температуры, и плавления не произойдет.

Таким образом, в кипящей воде можно расплавить любые кристаллические и аморфные вещества, у которых температура плавления (или размягчения для аморфных тел) удовлетворяет условию: $T_{пл} \le 100 \text{ °C}$.

Приведем несколько примеров таких веществ:

• Легкоплавкие металлы и сплавы:
  • Галлий (Ga): температура плавления $T_{пл} \approx 29,8 \text{ °C}$. Этот металл можно расплавить, просто держа его в руке, и тем более в кипящей воде.
  • Сплав Вуда: эвтектический сплав, состоящий из висмута, свинца, олова и кадмия. Его температура плавления составляет около $70 \text{ °C}$.
  • Сплав Розе: сплав висмута, свинца и олова. Его температура плавления находится в диапазоне $94-98 \text{ °C}$.
  • Натрий (Na) и Калий (K): их температуры плавления составляют $97,8 \text{ °C}$ и $63,5 \text{ °C}$ соответственно. Физически они могут быть расплавлены в горячей воде, однако следует помнить, что эти щелочные металлы бурно реагируют с водой, поэтому на практике такой эксперимент опасен.
• Неметаллические и органические вещества:
  • Воск (парафин): температура плавления обычно составляет $45-65 \text{ °C}$.
  • Нафталин: его температура плавления $T_{пл} \approx 80,3 \text{ °C}$.
  • Белый фосфор: плавится при $44,1 \text{ °C}$ (очень ядовит и химически активен).
  • Сливочное масло, шоколад, маргарин: это бытовые примеры веществ, которые легко плавятся при температурах значительно ниже $100 \text{ °C}$.
  • Лёд (вода в твердом состоянии): плавится при $0 \text{ °C}$.

Вещества же с более высокой температурой плавления, такие как свинец ($T_{пл} = 327,5 \text{ °C}$), олово ($T_{пл} = 232 \text{ °C}$), цинк ($T_{пл} = 419,5 \text{ °C}$) или алюминий ($T_{пл} = 660 \text{ °C}$), расплавить в кипящей воде невозможно.

Ответ: В воде при температуре 100 °C можно расплавить те вещества, температура плавления которых меньше или равна 100 °C. Примерами таких веществ являются галлий, сплав Вуда, сплав Розе, воск (парафин), нафталин.