Удельная теплота плавления и кристаллизации

Плавление и кристаллизация

Плавлением называют переход вещества из твёрдого состояния в жидкое, а обратный процесс — кристаллизацией (отвердеванием). Каждое кристаллическое вещество плавится при строго определённой температуре — температуре плавления. Для льда это 0 °C, для свинца — около 327 °C, для железа — около 1539 °C. У одного и того же вещества температуры плавления и кристаллизации совпадают.

Важная особенность: пока идёт плавление, температура вещества не меняется, хотя теплота продолжает подводиться. Вся подводимая энергия идёт не на нагревание, а на разрушение кристаллической решётки — на то, чтобы частицы вырвались из своих узлов и получили возможность свободно перемещаться. Поэтому на графике нагревания участок плавления выглядит как горизонтальная площадка.

Что происходит с молекулами

В твёрдом теле частицы расположены упорядоченно и колеблются около положений равновесия. При нагревании размах колебаний растёт, и при температуре плавления решётка разрушается. При кристаллизации происходит обратное: частицы вновь выстраиваются в строгий порядок, и при этом энергия выделяется.

Удельная теплота плавления

Удельная теплота плавления показывает, какое количество теплоты нужно, чтобы расплавить 1 кг вещества, взятого при температуре плавления. Обозначают её греческой буквой λ (лямбда), измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты для плавления тела массой m рассчитывают по формуле:

Q = λ · m

При кристаллизации такое же количество теплоты, наоборот, выделяется в окружающую среду. Из формулы можно выразить и массу, и удельную теплоту: m = Q / λ, λ = Q / m.

Разбор примера

Сколько теплоты нужно, чтобы расплавить лёд массой 2 кг, уже нагретый до 0 °C? Подставляем удельную теплоту плавления льда:

Q = λ · m = 3,4·10^5 · 2 = 6,8·10^5 Дж

То есть около 680 кДж. Это очень большая величина: такой же теплотой можно нагреть эти же 2 кг воды примерно на 80 °C. Вот почему лёд тает медленно и хорошо охлаждает напитки.

Частые ошибки. Формула Q = λ·m работает только при температуре плавления. Чтобы сначала нагреть лёд от мороза до 0 °C, нужно отдельно посчитать теплоту нагревания через удельную теплоёмкость, и лишь потом прибавить теплоту плавления. Складывать эти процессы в одну формулу нельзя.

Кратко о главном

• Плавление — переход из твёрдого состояния в жидкое при постоянной температуре.
• Во время плавления теплота идёт на разрушение кристаллической решётки.
• Удельная теплота плавления λ измеряется в Дж/кг.
• Теплота плавления: Q = λ · m.
• При кристаллизации столько же теплоты выделяется.