Физика · теплота и плавление

Перышкин, Иванов · § 10, 11, 12, 15, 16, 17
вопрос и ответ сразу видны

§ 10. Количество теплоты

Что такое Q?
Энергия, которую тело получает или отдаёт при теплопередаче. Буква Q. Это изменение внутренней энергии без работы.
В чём измеряют?
Джоуль. 1 кДж = 10³ Дж, 1 МДж = 10⁶ Дж.
От чего зависит Q при нагревании и при охлаждении?
От трёх вещей: массы, разности конечной и начальной температур, рода вещества. Больше масса или больше скачок температуры — больше теплоты. Вода и масло одной массы за одно время нагреваются по-разному: масло быстрее.

§ 11. Удельная теплоёмкость

Формула.
Q = c m (t₂ − t₁). Теплота прямо пропорциональна массе и разности температур. Буква c зависит от вещества.
Что показывает c?
Сколько теплоты нужно 1 кг, чтобы изменить температуру на 1 °C. Столько же меняется внутренняя энергия этого килограмма. c = Q / (m (t₂ − t₁)).
Единица.
Дж/(кг·°C). Промежуток в 1 °C равен 1 К, поэтому Дж/(кг·°C) и Дж/(кг·К) — одна и та же единица.
Почему c разная?
Молекулы разных веществ взаимодействуют по-разному. У одного вещества в разных состояниях c тоже разная: вода 4200, лёд 2100.
Числа таблицы 1, Дж/(кг·°C).
Вода 4200, молоко 3900, спирт 2500, дерево 2400, эфир 2350, лёд и керосин 2100, подсолнечное масло 1700, алюминий 920, кирпич 880, стекло 840, чугун 540, сталь 500, железо 460, медь, цинк и латунь 400, серебро 250, олово 230, свинец 140, ртуть 138, золото 130. Масло 1700 значит: 1 кг масла на 1 °C — это 1700 Дж.

§ 12. Расчёт и тепловой баланс

Нагрев и охлаждение.
Нагрев: Q = c m (t₂ − t₁). Охлаждение пишут так, чтобы Q вышло положительным: Q = c m (t₁ − t₂).
Несколько тел.
Котелок и вода греются до одной температуры, но Q у них разные: разные массы и разные c. Общая теплота — сумма. Масса воды: m = ρV, ρ = 1000 кг/м³. Граммы переводят в кг, литры — в м³.
Уравнение теплового баланса.
Если тела обмениваются теплом только между собой и снаружи энергия не уходит, отданное равно полученному: Qотд = Qпол. В примере параграфа 120 г кипятка (100 °C) и 60 г чая (10 °C) приходят к 70 °C, и оба количества теплоты равны 15 120 Дж. Потери в кружку малы, поэтому их не видно. В рубрике после параграфа: 1 кал = 4,1868 Дж, это теплота на нагрев 1 г воды на 1 °C.

§ 15. Плавление и отвердевание

Два перехода.
Плавление — твёрдое стало жидким. Отвердевание, или кристаллизация, — жидкость стала твёрдой. Чтобы кристалл расплавился, его сначала нагревают до температуры плавления.
Одна температура.
При том же давлении вещество отвердевает при той же температуре, при которой плавится. Лёд и вода — 0 °C, свинец — 327 °C. Жидкость теплее своей температуры плавления.
Температуры плавления, °C. Таблица 3, нормальное давление.
Спирт −114, ртуть −39, лёд 0, цезий 29, калий 63, натрий 98, олово 232, свинец 327, цинк 420, алюминий 660, серебро 962, латунь 1000, золото 1064, медь 1085, чугун 1200, сталь 1500, железо 1539, вольфрам 3387.
Что из этого спрашивают.
Свинец в оловянной ложке не расплавить: ложка плавится при 232 °C, свинец — при 327 °C. На севере берут спиртовой термометр: ртуть твердеет при −39 °C. Цинк при 420 °C уже плавится. В кипятке 100 °C плавятся натрий, калий, цезий и лёд. Олово при 100 °C остаётся твёрдым. При 1000 °C жидкие алюминий, свинец и серебро; золото, железо и вольфрам ещё твёрдые.

§ 16. График плавления и отвердевания

Лёд на графике, рис. 31.
AB — лёд греется от −40 °C до 0 °C. BC — плавление, температура стоит на 0 °C, пока лёд не кончится. CD — вода греется. DE — вода остывает. EF — кристаллизация, снова 0 °C. FK — лёд остывает. Теплоту тело получает на AB, BC и CD, отдаёт на DE, EF и FK.
Почему на BC и EF температура не растёт?
На плавлении вся теплота рвёт решётку: потенциальная энергия молекул растёт, кинетическая не меняется. На кристаллизации потенциальная падает, кинетическая та же, теплота уходит наружу.
Плотность и аморфные тела.
У большинства веществ при плавлении плотность падает. Лёд и висмут — наоборот: лёд 0,9 г/см³, вода 1 г/см³, поэтому лёд плавает. У стекла нет температуры плавления: оно размягчается, горизонтального участка на графике нет. У соли участок есть.
Давление, соль, переохлаждение.
Если давление растёт, температура плавления льда падает: проволока с грузом проходит сквозь брусок, а над ней лёд снова смерзается. Соль снижает температуру замерзания: раствор с 30 % соли замерзает при −21 °C, морская вода при 0 °C не замерзает. Жидкость ниже температуры отвердевания называют переохлаждённой. Кристаллы растут от центра: пылинки, кристаллика, частицы дыма. Чистые капли тумана могут не замёрзнуть и при −30 °C.

§ 17. Удельная теплота плавления

Что такое λ?
Теплота, чтобы 1 кг кристалла, уже нагретого до температуры плавления, стал жидкостью. Буква λ (лямбда). λ = Q / m, Q = λ m. Единица — Дж/кг.
Плавление и отвердевание.
При отвердевании выделяется столько же, сколько ушло на плавление. Формула та же. У 1 кг воды при 0 °C внутренняя энергия на 3,4·10⁵ Дж больше, чем у 1 кг льда при 0 °C.
Если тело ещё холодное.
Сначала нагрев до температуры плавления, потом плавление: Q = c m (tпл − t) + λ m. Свинец 0,5 кг от 27 °C до 327 °C: нагрев 21 000 Дж, плавление 12 500 Дж, вместе 33,5 кДж. c свинца 140, λ = 0,25·10⁵ Дж/кг.
Числа таблицы 4. В таблице уже стоит множитель 10⁵, единица Дж/кг.
Алюминий 3,9; лёд 3,4; железо 2,7; медь 2,1; парафин 1,5; спирт 1,1; серебро 0,87; сталь 0,84; золото 0,67; олово и водород 0,59; свинец 0,25; кислород 0,14; ртуть 0,12. Лёд 3,4 значит λ = 3,4·10⁵ Дж/кг. При одинаковой массе и одинаковом подводе теплоты дольше плавится то, у чего λ больше: лёд дольше стали.