Номер 4, страница 59 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

Упражнение 13. § 16. График плавления и отвердевания кристаллических тел. Глава 1. Тепловые явления - номер 4, страница 59.

4*. Почему при изменении атмосферного давления изменяется температура плавления?

Температура плавления — это температура, при которой вещество переходит из твердого состояния в жидкое. В этой точке твердая и жидкая фазы вещества находятся в состоянии термодинамического равновесия. Внешнее давление, в том числе и атмосферное, влияет на это равновесие. Согласно принципу Ле Шателье, при увеличении внешнего давления равновесие смещается в сторону состояния с меньшим объемом. Поэтому характер изменения температуры плавления зависит от того, как меняется объем вещества при переходе из твердого состояния в жидкое.

Можно выделить два принципиально разных случая.

Вещества, расширяющиеся при плавлении

Большинство кристаллических веществ (например, металлы, парафин, нафталин) при плавлении увеличивают свой объем. Жидкая фаза у них имеет меньшую плотность, чем твердая. Для таких веществ повышение внешнего давления затрудняет плавление, поскольку оно препятствует расширению. Чтобы преодолеть это дополнительное противодействие, веществу необходимо сообщить больше энергии, то есть нагреть его до более высокой температуры. Таким образом, у веществ, которые расширяются при плавлении, температура плавления повышается с ростом давления.

Вещества, сжимающиеся при плавлении

Некоторые вещества, наиболее известным из которых является вода, а также висмут, галлий и чугун, ведут себя иначе. При плавлении их объем уменьшается (например, лед занимает больший объем и имеет меньшую плотность, чем вода, из которой он образовался). В этом случае повышение внешнего давления, наоборот, способствует процессу плавления, так как оно "помогает" веществу перейти в состояние с меньшим объемом (в жидкую фазу). Следовательно, для плавления требуется меньше тепловой энергии. Поэтому у веществ, которые сжимаются при плавлении, температура плавления понижается с ростом давления. Например, под лезвием конька, создающим высокое давление, температура плавления льда становится ниже $0^\circ\text{C}$, что способствует скольжению.

Зависимость температуры плавления от давления количественно описывается уравнением Клапейрона-Клаузиуса:

$\frac{dT_{пл}}{dp} = \frac{T_{пл}(V_{ж} - V_{тв})}{L_{пл}}$

где $T_{пл}$ — температура плавления, $p$ — давление, $V_{ж}$ и $V_{тв}$ — удельные объемы вещества в жидкой и твердой фазах соответственно, а $L_{пл}$ — удельная теплота плавления. Знак производной $\frac{dT_{пл}}{dp}$ полностью определяется знаком разности объемов $(V_{ж} - V_{тв})$, что и объясняет два описанных выше случая.

Ответ: Температура плавления изменяется с изменением атмосферного давления, потому что внешнее давление влияет на фазовый переход "твердое тело - жидкость". Если вещество при плавлении расширяется (как большинство веществ), то повышение давления мешает этому процессу, и для плавления требуется более высокая температура. Если же вещество при плавлении сжимается (как вода), то повышение давления, наоборот, способствует переходу в более плотное жидкое состояние, и температура плавления понижается.