Кипение жидкостей. Переход воды из жидкого состояния в газообразное называется Переход твердого вещества в жидкое

Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой. В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное.

Например, вода может находиться в твердом (лед), жидком (вода) и газообразном (пар) состояниях.

Газ расширяется, пока не заполнит весь отведенный ему объем. Если рассмотреть газ на молекулярном уровне, мы увидим беспорядочно мечущиеся и сталкивающиеся между собой и со стенками сосуда молекулы, которые, однако, практически не вступают во взаимодействие друг с другом. Если увеличить или уменьшить объем сосуда, молекулы равномерно перераспределятся в новом объеме.

В отличие от газа при заданной температуре занимает фиксированный объем, однако и она принимает форму заполняемого сосуда - но только ниже уровня ее поверхности. На молекулярном уровне жидкость проще всего представить в виде молекул-шариков, которые хотя и находятся в тесном контакте друг с другом, однако имеют свободу перекатываться друг относительно друга, подобно круглым бусинам в банке. Налейте жидкость в сосуд - и молекулы быстро растекутся и заполнят нижнюю часть объема сосуда, в результате жидкость примет его форму, но не распространится в полном объеме сосуда.

Твердое тело имеет собственную форму, не растекается по объему контейнера и не принимает его форму. На микроскопическом уровне атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жесткие упорядоченные структуры - кристаллические решетки, - так и беспорядочное нагромождение - аморфные тела (именно такова структура полимеров, которые похожи на перепутанные и слипшиеся макароны в миске).

Выше были описаны три классических агрегатных состояния вещества. Имеется, однако, и четвертое состояние, которые физики склонны относить к числу агрегатных. Это плазменное состояние. Плазма характеризуется частичным или полным срывом электронов с их атомных орбит, при этом сами свободные электроны остаются внутри вещества.

Изменение агрегатных состояний вещества мы можем наблюдать воочию в природе. Вода с поверхности водоемов испаряется, и образуются облака. Так жидкость переходит в газ. Зимой вода в водоемах замерзает, переходя в твердое состояние, а весной вновь тает, переходя в обратно в жидкость. Что происходит с молекулами вещества при переходе его из одного состояния в другое? Меняются ли они? Отличаются ли, например, молекулы льда от молекул пара? Ответ однозначный: нет. Молекулы остаются абсолютно теми же. Меняется их кинетическая энергия, а соответственно и свойства вещества.

Энергия молекул пара достаточно велика, чтобы разлетаться в разные стороны, а при охлаждении пар конденсируется в жидкость, и энергии у молекул все еще достаточно для почти свободного перемещения, но уже недостаточно, чтобы оторваться от притяжения других молекул и улететь. При дальнейшем охлаждении вода замерзает, становясь твердым телом, и энергии молекул уже недостаточно даже для свободного перемещения внутри тела. Они колеблются около одного места, удерживаемые силами притяжения других молекул.

Мы живем на поверхности твердого тела - земного шара, в сооружениях, построенных из твердых тел, - домах. Наше тело, хотя и содержит приблизительно 65% воды (мозг - 80%), тоже твердое. Орудия труда, машины также сделаны из твердых тел. Знать свойства твердых тел жизненно необходимо.

В § 2.6 было кратко описано молекулярное строение твердых кристаллических тел. Теперь мы рассмотрим подробнее их свойства и строение.

Кристаллы

Если рассматривать при помощи лупы или микроскопа крупинки сахара, соли, медного купороса, нафталина и т. п., то можно заметить, что они ограничены плоскими, как бы шлифованными гранями. Наличие таких естественных граней является признаком нахождения вещества в кристаллическом состоянии. Кристаллом* называется тело определенной геометрической формы, ограниченное естественными плоскими гранями.

* От греческого слова krystallos - буквально: лед.

Монокристаллы и поликристаллические тела

Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом.

На рисунке 8.1 изображен крупный монокристалл кварца (горного хрусталя). Маленькая крупинка сахарного песка тоже является монокристаллом. Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить металлический монокристалл больших размеров.

Большинство кристаллических тел состоит из множества беспорядочно расположенных и сросшихся между собой мелких кристалликов. Такие тела называются поликристаллическими. Поликристаллическими являются все металлы и минералы. Кусок сахара тоже поликристаллическое тело.

Форма и размеры кристаллов

Кристаллы различных веществ имеют разнообразную форму. На рисунке 8.2 изображены кристаллы: каменной соли 1, берилла 2, алмаза 3, граната 4, кварца 5, турмалина 6, изумруда 7 и кальцита 8. Один из видов кристаллов льда, образующих причудливые формы снежинок (рис. 8.3), представляет собой правильную шестиугольную призму (рис. 8.4).

Размеры кристаллов тоже разнообразны. Одни кристаллы крупны и легко различимы невооруженным глазом, другие же настолько малы, что могут быть рассмотрены только в микроскоп.

Размеры кристаллов поликристаллического типа могут с течением времени изменяться. Так, мелкие кристаллы железа и стали переходят в крупные. Этот переход ускоряется при ударах и сотрясениях. Он постоянно происходит в железнодорожных рельсах, вагонных осях, стальных мостах, отчего прочность этих сооружений с течением времени уменьшается.

Полиморфизм

Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях (модификациях). Это свойство называется полиморфизмом (многоформностью). У льда, например, известно до десяти различных модификаций, которые получают в лабораториях. В природе же встречается только один вид (см. рис. 8.4).

Особо важное значение для техники имеет полиморфизм углерода - углерод кристаллизуется в двух модификациях: графит и алмаз. Графит - мягкий материал матово-черного цвета. Из него, например, изготавливают грифели карандашей. Алмаз совершенно не похож на графит. Это прозрачный и очень твердый кристалл. При температуре около 150 °С (при нагревании в вакууме) алмаз превращается в графит. Чтобы графит превратить в алмаз, его нужно нагреть до 2000 °С под давлением 1010Па. В настоящее время освоено промышленное производство искусственных алмазов. Искусственные алмазы широко используются в различных режущих инструментах.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели: формирование понятия о плавлении и кристаллизации тел, температуре плавления и кристаллизации; развитие умений применять полученные знания к решению простейших задач, развитие кругозора учащихся, воспитание интереса к предмету, воспитание всесторонне развитой личности.

Необходимое оборудование: АРМ учителя, уроки физики Кирилла и Мефодия для 8 класса, кусочки льда, свеча, спички.

Пояснения: ответы учащихся в тексте выделены курсивом.

План урока:

1. Организационный момент.
2. Изучение нового материала.
3. Закрепление.
4. Домашнее задание.
5. Итоги урока.

ХОД УРОКА

1. Организационный момент

– Сегодня на уроке мы поговорим о различных состояниях вещества, узнаем, при каких условиях вещество может находиться в том или ином состоянии и что необходимо сделать для превращения вещества из одного состояния в другое.

2. Изучение нового материала

– Рассмотрим рисунки (слайд 2). Как вы думаете, что их объединяет?

– На рисунках показана вода в трех различных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

– Верно. Не только у воды, но и у любого другого вещества есть три состояния. Как называют эти состояния?

–

– Может ли вещество переходить из одного состояния в другое? Например, можно ли превратить лед в воду?

– Да.

– Каким образом это сделать?

– Нужно нагреть его.

– Вы почти правы. Правильнее будет сказать, что мы сообщаем льду некоторое количество теплоты. Тогда что такое количество теплоты?

– Количество теплоты – это энергия, которую тело получает или отдает в процессе теплопередачи.

– А что такое внутренняя энергия?

– Внутренняя энергия – энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

– Проведем эксперимент. Один кусочек льда оставим на тарелке и проследим, что будет с ним происходить, а второму передадим некоторое количество теплоты от свечи. Какой кусок льда быстрее превращается в воду и почему?

– Во втором случае процесс перехода льда в воду происходит быстрее, так как второй кусок льда получает большее количество теплоты от свечи, чем первый кусок из окружающей среды.

– Верно. Значит, быстрее превращается в воду тот кусок льда, которому сообщили больше энергии.

– Найдите в учебнике (стр.31), как называется процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое?

Процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением (слайд 3)

– Это и есть тема нашего урока. Запишем в тетради – Плавление тел.

– Рассмотрим процесс плавления с помощью фрагмента (уроки физики Кирилла и Мефодия для 8 класса). Ваша задача – обратить внимание, меняется ли температура в течение этого процесса.

– Температура в процессе плавления не меняется.

– Верно. Теперь найдите в учебнике (стр.32), как называется процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое?

Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристаллизацией (слайд 4)

– Рассмотрим и этот процесс с помощью фрагмента (электронные уроки физики Кирилла и Мефодия для 8 класса). Менялась ли температура в течение всего процесса отвердевания?

– Температура в процессе отвердевания не менялась.

– Запомним, что в процессе плавления и отвердевания температура вещества не меняется. Почему это происходит, мы рассмотрим на следующем уроке.

– Для того чтобы начался процесс плавления, тело должно иметь определенную температуру. Как её называют?

Температуру, при которой вещество плавится, называют его температурой плавления.

– Правильно! Значит, температура плавления – это температура, выше которой вещество в твердом состоянии находиться не может. Найдите в таблице температур плавления температуру плавления льда.

– Она равна 0 о С.

– А при какой температуре отвердевает вода?

– Вода отвердевает тоже при 0 о С.

– Правильно. Значит, вещества отвердевают при той же температуре, при которой они плавятся.
С помощью графика (слайд 5) рассмотрим процесс перехода льда из твердого состояния в жидкое (Перышкин А.В., стр.33).
Наблюдение за процессом началось с того момента, когда температура льда была –20 о С. При дальнейшем нагревании температура льда росла до тех пор, пока не достигла 0 о С. В этот момент лед начал плавиться, а его температура перестала расти. В течение всего времени плавления температура льда не менялась, хотя ему продолжали сообщать энергию.
При достижении 20 о С веществу перестали сообщать энергию: вода стала охлаждаться, и при 0 о С начался процесс кристаллизации воды. В течение всего времени отвердевания температура вещества снова не менялась. Также из графика видно, что температура плавления равна температуре кристаллизации.

3. Закрепление

1. На графике (слайд 6) показано, как со временем изменяется температура при нагревании и охлаждении свинца. Какому состоянию соответствует каждый из участков графика?

АВ, ВС – твердое состояние, CD – плавление,
DE, EF – жидкое состояние, FG – кристаллизация, GH – твердое состояние.

2. В эксперименте отдельно нагревали до 1000 о С алюминий, железо, медь, цинк, сталь, серебро и золото (слайд 7, 8). В каком состоянии – жидком или твердом – находились эти металлы при указанной температуре?

3. На рисунках (слайд 2) показана вода в трех различных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

– Как называют эти состояния?

– Их называют агрегатными состояниями.

– Может ли вещество переходить из одного состояния в другое?
Да. Передавая молекулам твердого тела энергию, можно перевести вещество из твердого состояния в жидкое, а из жидкого – в газ. Отнимая энергию у молекул газа, можно получить жидкость, а из неё – твердое тело.

4. – Начинаем нагревать лед, взятый при температуре – 10 о С. Что происходит с температурой?

– Температура льда будет увеличиваться.

– Температура льда достигла 0 о С. Лед начинает плавиться. Что происходит с его температурой?

– Температура перестает меняться до конца всего процесса плавления.

– Лед полностью превратился в воду. Процесс нагревания продолжается. Меняется ли температура? Каким образом?

– Температура уже воды снова увеличивается?

5. Меняется ли температура вещества в процессе кристаллизации?

В зависимости от условий тела могут находиться в жидком, твердом или газообразном состоянии. Эти состояния называются агрегатными состояниями вещества .

В газах расстояние между молекулами много больше размеров молекул. Если газу не мешают стенки сосуда, его молекулы разлетаются.

В жидкостях и твердых телах молекулы расположены ближе друг к другу и поэтому не могут удаляться далеко друг от друга.

Переход из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом .

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением , а температуру, при которой это происходит, – температурой плавления . Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией , а температуру перехода – температурой кристаллизации .

Количество теплоты, которое выделяется при кристаллизации тела либо поглощается телом при плавлении, отнесенное к единице массы тела, называется удельной теплотой плавления (кристаллизации) λ:

При кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием . Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией . Количество теплоты, необходимое для парообразования (выделяющееся при конденсации):

Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением . Испарение может происходить при любой температуре. Переход жидкости в пар, происходящий по всему объему тела, называется кипением , а температуру, при которой жидкость кипит, – температурой кипения .

Наконец, сублимация – это переход вещества из твердого состояния непосредственно в газообразное, минуя жидкую стадию.

Если прочие параметры внешней среды (в частности, давление) остаются постоянными, то температура тела в процессе плавления (кристаллизации) и кипения не изменяется.

Если количество молекул, покидающих жидкость, равно количеству молекул, возвращающихся в жидкость, то говорят, что наступило динамическое равновесие между жидкостью и ее паром. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется

Любое изменение состояния вещества связано с метаморфозами температуры, давления. Можно одно вещество представить в следующих агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном.

Отметим, что по мере перехода не наблюдается изменения состава вещества. Переход вещества из жидкого состояния в твердое сопровождается только изменением сил межмолекулярного взаимодействия, расположением молекул. Превращение из одного состояния в другое именуют

Плавление

Данный процесс предполагает превращение в жидкость. Для его осуществления необходима повышенная температура.

Например, можно наблюдать в природе такое состояние вещества. Физика легко объясняет процесс таяния снежинок под действием весенних лучей. Маленькие кристаллики льда, входящие в состав снега, после прогревания воздуха до нулевой отметки начинают разрушаться. Происходит плавление постепенно. Сначала лед поглощает тепловую энергию. По мере изменения температуры происходит полное превращение льда в жидкую воду.

Он сопровождается существенным ростом скорости движения частиц, тепловой энергией, повышением величины внутренней энергии.

После достижения показателя, именуемого происходит разрыв структуры твердого вещества. У молекул появляется большая свобода, они «перескакивают», занимая разные положения. Расплавленное вещество имеет больший запас энергии, чем в твердом состоянии.

Температура отвердевания

Переход вещества из жидкого состояния в твердое осуществляется при определенном значении температуры. Если от тела будет отводиться тепло, то оно застывает (кристаллизуется).

Температуру отвердевания считают одной из важнейших характеристик.

Кристаллизация

Переход вещества из жидкого состояния в твердое положение называют кристаллизацией. При прекращении передачи тепла жидкости наблюдается снижение температуры до определенного значения. Фазовый переход вещества из жидкого состояния в твердое тело в физике называют кристаллизацией. При рассмотрении вещества, не содержащего примесей, температура плавления соответствует показателю кристаллизации.

Оба процесса протекают постепенно. Процесс кристаллизации сопровождается снижением молекул, содержащихся в жидкости. Силы притяжения, благодаря которым частицы удерживаются в строгом порядке, присущие твердым телам, возрастают. После того как частицы приобретут упорядоченное расположение, сформируется кристалл.

Называют физическую форму вещества, представленную в определенном интервале давлений и температур. Оно характеризуется количественными свойствами, которые изменены в выбранных интервалах:

• способность вещества менять форму и объем;
• отсутствие (присутствие) дальнего либо ближнего порядка.

Процесс кристаллизации связан с энтропией, свободной энергией, плотностью, иными физическими величинами.

Помимо жидкостей, твердых тел, газообразной формы, выделяют еще одно агрегатное состояние - плазму. В нее могут переходить газы в случае повышения температуры при неизменном давлении.

Рамки между разнообразными состояниями вещества далеко не всегда являются строгими. В физике подтверждено существование аморфных тел, способных сохранять структуру жидкости, имеющей небольшую текучесть. обладают способностью поляризовать электромагнитное излучение, которое через них проходит.

Заключение

Для того чтобы описывать различные состояния в физике, применяют определение термодинамической фазы. Критическими явлениями называют состояния, которые описывают превращение одной фазы в другую. Твердые тела отличаются сохранением на протяжении длительного временного промежутка своего среднего положения. Они будут совершать незначительные колебания (с минимальной амплитудой) около положения равновесия. У кристаллов есть определенная форма, которая при переходе в жидкое состояние будет изменяться. Информация о температурах кипения (плавления) позволяет физикам использовать переходы из одного агрегатного состояния в другое для практических целей.