Dans le paragraphe précédent, nous avons examiné le graphique de la fonte et de la solidification de la glace. Le graphique montre que pendant que la glace fond, sa température ne change pas (voir Fig. 18). Et ce n’est qu’une fois toute la glace fondue que la température du liquide résultant commence à augmenter. Mais même pendant le processus de fonte, la glace reçoit de l'énergie du combustible brûlant dans le radiateur. Et de la loi de conservation de l'énergie, il s'ensuit qu'elle ne peut pas disparaître. À quoi sert l’énergie combustible pendant la fusion ?
Nous savons que dans les cristaux, les molécules (ou atomes) sont disposées dans un ordre strict. Cependant, même dans les cristaux, ils sont en mouvement thermique (oscillant). Quand le corps se réchauffe vitesse moyenne le mouvement moléculaire augmente. Par conséquent, leur moyenne augmente également énergie cinétique et la température. Sur le graphique, il s'agit de la section AB (voir Fig. 18). En conséquence, la gamme de vibrations des molécules (ou atomes) augmente. Lorsque le corps se réchauffe jusqu'à la température de fusion, l'ordre dans la disposition des particules dans les cristaux est perturbé. Les cristaux perdent leur forme. Une substance fond, passant de l’état solide à l’état liquide.
Par conséquent, toute l'énergie qu'un corps cristallin reçoit après avoir déjà été chauffé jusqu'au point de fusion est dépensée pour détruire le cristal. À cet égard, la température corporelle cesse d'augmenter. Sur le graphique (voir Fig. 18), il s'agit de la section BC.
Les expériences montrent que pour transformer diverses substances cristallines de même masse en liquide au point de fusion, il faut différentes quantités chaleur.
Une grandeur physique indiquant la quantité de chaleur qui doit être transmise à un corps cristallin pesant 1 kg afin de le transformer complètement à l'état liquide au point de fusion est appelée chaleur spécifique de fusion.
La chaleur spécifique de fusion est désignée par λ (lettre grecque « lambda »). Son unité est 1 J/kg.
La chaleur spécifique de fusion est déterminée expérimentalement. Ainsi, il a été constaté que la chaleur spécifique de fusion de la glace est de 3,4 10 5 -. Cela signifie que pour transformer un morceau de glace de 1 kg, pris à 0 °C, en eau de même température, il faut 3,4 10 5 J d'énergie. Et pour faire fondre un bloc de plomb de 1 kg, pris à sa température de fusion, il faudra dépenser 2,5 10 4 J d'énergie.
Donc à la température de fusion énergie interne substances dans état liquide une plus grande énergie interne de la même masse de matière à l’état solide.
Pour calculer la quantité de chaleur Q nécessaire à la fusion corps cristallin masse t, prise à son point de fusion et normale pression atmosphérique, vous devez multiplier la chaleur spécifique de fusion λ par la masse corporelle m :
De cette formule, on peut déterminer que
λ = Q / m, m = Q / λ
Les expériences montrent que pendant le durcissement substance cristalline exactement la même quantité de chaleur est libérée et absorbée lors de sa fusion. Ainsi, lorsque de l'eau pesant 1 kg se solidifie à une température de 0 °C, une quantité de chaleur est libérée égale à 3,4 10 5 J. Il faut exactement la même quantité de chaleur pour faire fondre de la glace pesant 1 kg à une température de 0 °C. .
Lorsqu'une substance durcit, tout se passe dans ordre inverse. La vitesse, et donc l'énergie cinétique moyenne des molécules dans une substance fondue refroidie, diminue. Les forces attractives peuvent désormais maintenir les molécules lentes proches les unes des autres. En conséquence, la disposition des particules devient ordonnée - un cristal se forme. L'énergie libérée lors de la cristallisation est dépensée pour maintenir Température constante. Sur le graphique, il s'agit de la section EF (voir Fig. 18).
La cristallisation est facilitée si certaines particules étrangères, telles que des particules de poussière, sont présentes dès le début dans le liquide. Ils deviennent des centres de cristallisation. Dans des conditions normales, il existe de nombreux centres de cristallisation dans un liquide, autour desquels se produit la formation de cristaux.
Tableau 4.
Chaleur spécifique fonte de certaines substances (à pression atmosphérique normale)
Lors de la cristallisation, l'énergie est libérée et transférée aux corps environnants.
La quantité de chaleur dégagée lors de la cristallisation d'un corps de masse m est également déterminée par la formule
L'énergie interne du corps diminue.
Exemple. Pour préparer le thé, le touriste mettait 2 kg de glace à une température de 0 °C dans une casserole. Quelle quantité de chaleur faut-il pour transformer cette glace en eau bouillante à une température de 100 °C ? L'énergie dépensée pour chauffer la chaudière n'est pas prise en compte.
Quelle quantité de chaleur serait nécessaire si, au lieu de glace, un touriste prenait de l'eau de même masse et à la même température dans un trou de glace ?
Écrivons les conditions du problème et résolvons-le.
Des questions
- Comment expliquer le processus de fusion d'un corps à partir de la théorie de la structure de la matière ?
- Quelle est l'énergie combustible dépensée lors de la fusion d'un corps cristallin chauffé à la température de fusion ?
- Comment s’appelle la chaleur spécifique de fusion ?
- Comment expliquer le processus de solidification à partir de la théorie de la structure de la matière ?
- Comment est calculée la quantité de chaleur nécessaire pour faire fondre un solide cristallin pris à son point de fusion ?
- Comment calculer la quantité de chaleur dégagée lors de la cristallisation d'un corps ayant un point de fusion ?
Exercice 12
Exercice
- Placez deux boîtes de conserve identiques sur la cuisinière. Versez de l'eau de 0,5 kg dans l'un, mettez plusieurs glaçons de même masse dans l'autre. Notez combien de temps il faut pour que l'eau des deux bocaux bout. Écrire bref rapport sur votre expérience et expliquez les résultats.
- Lire le paragraphe « Corps amorphes. Fusion corps amorphes" Préparez un rapport à ce sujet.
Nous avons vu qu'un récipient rempli de glace et d'eau amené dans une pièce chaude ne se réchauffe que lorsque toute la glace a fondu. Dans ce cas, l'eau est obtenue à partir de glace à la même température. A ce moment, la chaleur circule dans le mélange glace-eau et, par conséquent, l'énergie interne de ce mélange augmente. De là, nous devons conclure que l'énergie interne de l'eau à est supérieure à l'énergie interne de la glace à la même température. Puisque l'énergie cinétique des molécules, de l'eau et de la glace est la même, l'augmentation de l'énergie interne lors de la fusion correspond à une augmentation de l'énergie potentielle des molécules.
L'expérience montre que ce qui précède est vrai pour tous les cristaux. Lors de la fusion d'un cristal, il est nécessaire d'augmenter continuellement l'énergie interne du système, tandis que la température du cristal et de la masse fondue reste inchangée. Généralement, une augmentation de l’énergie interne se produit lorsqu’une certaine quantité de chaleur est transférée au cristal. Le même objectif peut être atteint en effectuant un travail, par exemple par friction. Ainsi, l’énergie interne d’une masse fondue est toujours supérieure à l’énergie interne de la même masse de cristaux à la même température. Cela signifie que l’arrangement ordonné des particules (à l’état cristallin) correspond à une énergie plus faible que l’arrangement désordonné (à l’état fondu).
La quantité de chaleur nécessaire pour transformer une unité de masse d'un cristal en une masse fondue de même température est appelée chaleur spécifique de fusion du cristal. Elle est exprimée en joules par kilogramme.
Lorsqu’une substance se solidifie, la chaleur de fusion est libérée et transférée aux corps environnants.
Déterminer la chaleur spécifique de fusion des corps réfractaires (corps à point de fusion élevé) n'est pas une tâche facile. La chaleur spécifique de fusion d'un cristal à faible point de fusion tel que la glace peut être déterminée à l'aide d'un calorimètre. Verser une certaine quantité d'eau à une certaine température dans le calorimètre et la jeter dans masse connue de la glace qui a déjà commencé à fondre, c'est-à-dire qui a une température, attendez que toute la glace ait fondu et que la température de l'eau dans le calorimètre prenne une valeur constante. En utilisant la loi de conservation de l'énergie, nous établirons une équation de bilan thermique (§ 209), qui permet de déterminer la chaleur spécifique de fonte de la glace.
Soit la masse d'eau (y compris l'équivalent en eau du calorimètre) égale à la masse de glace - , la capacité thermique spécifique de l'eau - , la température initiale de l'eau - , la température finale - , la chaleur spécifique de fonte de la glace - . L'équation bilan thermique ressemble à
.
Dans le tableau Le tableau 16 montre la chaleur spécifique de fusion de certaines substances. Il convient de noter la forte chaleur de fonte de la glace. Cette circonstance est très importante car elle ralentit la fonte des glaces dans la nature. Si la chaleur spécifique de fusion était beaucoup plus faible, les crues printanières seraient plusieurs fois plus fortes. Connaissant la chaleur spécifique de fusion, nous pouvons calculer la quantité de chaleur nécessaire pour faire fondre un corps. Si le corps est déjà chauffé jusqu'au point de fusion, la chaleur doit être dépensée uniquement pour le faire fondre. S'il a une température inférieure au point de fusion, vous devez toujours dépenser de la chaleur pour le chauffer.
Tableau 16.
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Substance |
Substance |
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Température de fusion le fer chimiquement pur est de 1539 o C. Techniquement fer pur, obtenu à la suite d'un raffinage oxydatif, contient une certaine quantité d'oxygène dissous dans le métal. Pour cette raison, son point de fusion descend à 1530°C.
Le point de fusion de l’acier est toujours inférieur au point de fusion du fer en raison de la présence d’impuretés. Les métaux dissous dans le fer (Mn, Cr, Ni. Co, Mo, V, etc.) abaissent le point de fusion du métal de 1 à 3 o C pour 1 % de l'élément introduit, et les éléments du groupe des métalloïdes (C , O, S, P et etc.) à 30 – 80 o C.
Pour la plupart de durée totale lors de la fusion, le point de fusion du métal change principalement en raison des changements dans la teneur en carbone. À une concentration de carbone de 0,1 à 1,2 %, typique pour la fusion de finition dans les unités de fusion d'acier, la température de fusion du métal peut être estimée avec une précision suffisante à des fins pratiques à partir de l'équation
Chaleur de fusion du fer est de 15 200 J/mol ou 271,7 kJ/kg.
Point d'ébullition du fer dans les publications dernières années est donné à 2735 o C. Cependant, des résultats de recherche ont été publiés selon lesquels le point d'ébullition du fer est beaucoup plus élevé (jusqu'à 3230 o C).
Chaleur de vaporisation du fer est de 352,5 kJ/mol ou 6 300 kJ/kg.
Pression vapeur saturée glande(P Fe , Pa) peut être estimé à l'aide de l'équation
où T est la température du métal, K.
Résultats du calcul de la pression de vapeur saturée de fer à différentes températures, ainsi que la teneur en poussières dans la phase gazeuse oxydante au-dessus du métal ( X, g/m 3) sont présentés dans le tableau 1.1.
Tableau 1.1– Pression de vapeur saturée de fer et teneur en poussières des gaz à différentes températures
Selon les normes sanitaires en vigueur, la teneur en poussières des gaz émis dans l'atmosphère ne doit pas dépasser 0,1 g/m3. D'après les données du tableau 1.1, il est clair qu'à 1 600 °C, la teneur en poussière des gaz au-dessus de la surface ouverte du métal est plus élevée. valeurs acceptables. Par conséquent, il est nécessaire de purifier les gaz des poussières, constituées principalement d’oxydes de fer.
Viscosité dynamique. Coefficient viscosité dynamique liquide () est déterminé à partir de la relation
où F est la force d'interaction entre deux couches en mouvement, N ;
S – surface de contact des couches, m2 ;
– gradient de vitesse des couches liquides normales à la direction d'écoulement, s -1.
La viscosité dynamique des alliages de fer varie généralement entre 0,001 et 0,005 Pa.s. Sa valeur dépend de la température et de la teneur en impuretés, principalement du carbone. Lorsque le métal est surchauffé au-dessus du point de fusion supérieur à 25 - 30 °C, l'influence de la température n'est pas significative.
Viscosité cinématique le fluide est le taux de transfert de quantité de mouvement dans un débit massique unitaire. Sa valeur est déterminée à partir de l'équation
où est la densité du liquide, kg/m3.
La valeur de la viscosité dynamique de la fonte liquide est proche de 6 10 -7 m 2 /s.
Densité du ferà 1 550 - 1 650 o C est égal à 6 700 - 6 800 kg/m 3. A la température de cristallisation, la densité du métal liquide est proche de 6850 kg/m3. La densité du fer solide à la température de cristallisation est de 7 450 kg/m3, à température ambiante de 7 800 kg/m3.
Des impuretés ordinaires la plus grande influence Le carbone et le silicium influencent la densité du fer fondu, la réduisant ainsi. Par conséquent, la fonte liquide de composition ordinaire a une densité de 6 200 à 6 400 kg/m3, la fonte solide à température ambiante a une densité de 7 000 à 7 200 kg/m3.
La densité de l'acier liquide et solide est position intermédiaire entre les densités du fer et de la fonte et sont respectivement de 6 500 - 6 600 et 7 500 - 7 600 kg/m 3.
Chaleur spécifique le métal liquide est pratiquement indépendant de la température. Dans les calculs d'estimation, sa valeur peut être prise égale à 0,88 kJ/(kg K) pour la fonte et 0,84 kJ/(kg K) pour l'acier.
Tension superficielle du fer Il a valeur maximumà une température d'environ 1550 o C. Dans la région des températures supérieures et basses températures sa taille diminue. Cela distingue le fer de la plupart des métaux, qui se caractérisent par une diminution tension superficielleà mesure que la température augmente.
La tension superficielle des alliages de fer liquide varie considérablement en fonction de composition chimique et la température. Elle varie généralement entre 1 000 et 1 800 mJ/m2 (Figure 1.1).
