Šioje pamokoje išnagrinėsime „specifinės sintezės šilumos“ sąvoką. Ši vertė apibūdina šilumos kiekį, kuris turi būti perduotas 1 kg medžiagos lydymosi temperatūroje, kad ji iš kietos būsenos pereitų į skystą (arba atvirkščiai).
Ištirsime formulę, kaip rasti šilumos kiekį, kuris reikalingas medžiagai ištirpti (arba išsiskirianti kristalizacijos metu).
Tema: agreguotos medžiagos būsenos
Pamoka: Specifinė šiluma tirpstantis
Ši pamoka yra skirta pagrindinei medžiagos lydymosi (kristalizavimosi) charakteristikai – specifinei lydymosi šilumai.
Paskutinėje pamokoje palietėme klausimą: kaip veikia vidinė energija kūnai tirpstant?
Išsiaiškinome, kad pridėjus šilumos padidėja vidinė kūno energija. Kartu žinome, kad kūno vidinę energiją galima apibūdinti tokia sąvoka kaip temperatūra. Kaip jau žinome, lydymosi metu temperatūra nekinta. Todėl gali kilti įtarimas, kad susiduriame su paradoksu: vidinė energija didėja, bet temperatūra nesikeičia.
Šio fakto paaiškinimas yra gana paprastas: visa energija išleidžiama sunaikinimui kristalinė gardelė. Atvirkštinis procesas yra panašus: kristalizacijos metu medžiagos molekulės sujungiamos į vieną sistemą, o energijos perteklius išsiskiria ir sugeria išorinę aplinką.
Įvairių eksperimentų metu buvo galima nustatyti, kad tai reikalinga tai pačiai medžiagai skirtingas kiekisšilumą, iš kurios ją perduoti kietos būsenosį skystį.
Tada buvo nuspręsta šiuos šilumos kiekius palyginti su ta pačia medžiagos mase. Dėl to atsirado tokia charakteristika kaip specifinė sintezės šiluma.
Apibrėžimas
Savitoji lydymosi šiluma- šilumos kiekis, kuris turi būti perduotas 1 kg medžiagos, pašildytos iki lydymosi temperatūros, kad ji iš kietos būsenos būtų perkelta į skystą.
Toks pat kiekis išsiskiria kristalizuojant 1 kg medžiagos.
Nurodyta specifinė lydymosi šiluma ( graikiška raidė, skaitoma kaip „lambda“ arba „lambda“).
Matavimo vienetai: . IN šiuo atveju matmenyje nėra temperatūros, nes lydymosi (kristalizacijos) metu temperatūra nekinta.
Norint apskaičiuoti šilumos kiekį, reikalingą medžiagai išlydyti, naudojama formulė:
Šilumos kiekis (J);
Savitoji lydymosi šiluma (, kurios ieškoma lentelėje;
Medžiagos masė.
Kai kūnas kristalizuojasi, jis rašomas „-“ ženklu, nes išsiskiria šiluma.
Pavyzdys yra specifinė ledo lydymosi šiluma:
. Arba specifinė geležies lydymosi šiluma:
.
Tai, kad ledo lydymosi savitoji šiluma pasirodė esanti didesnė už specifinę geležies lydymosi šilumą, neturėtų stebinti. Šilumos kiekis, kurio reikia konkrečiai medžiagai lydyti, priklauso nuo medžiagos savybių, ypač nuo ryšių tarp šios medžiagos dalelių energijos.
Šioje pamokoje apžvelgėme specifinės sintezės šilumos sąvoką.
Kitoje pamokoje išmoksime spręsti problemas, susijusias su kristalinių kūnų kaitinimu ir lydymu.
Nuorodos
- Gendenšteinas L. E., Kaidalovas A. B., Koževnikovas V. B. Fizika 8 / Red. Orlova V. A., Roizena I. I. - M.: Mnemosyne.
- Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Bustard, 2010 m.
- Fadeeva A. A., Zasov A. V., Kiselevas D. F. Fizika 8. - M.: Švietimas.
- Fizika, mechanika ir kt. ().
- Šauni fizika ().
- Interneto portalas Kaf-fiz-1586.narod.ru ().
Namų darbai
Matėme, kad į šiltą patalpą įneštas indas su ledu ir vandeniu neįkaista tol, kol neištirpsta visas ledas. Šiuo atveju vanduo gaunamas iš tokios pat temperatūros ledo. Šiuo metu į ledo ir vandens mišinį patenka šiluma ir dėl to padidėja šio mišinio vidinė energija. Iš to turime daryti išvadą, kad vidinė vandens energija esant tokiai pačiai temperatūrai yra didesnė už vidinę ledo energiją. Nes kinetinė energija molekulės, vanduo ir ledas yra vienodi, tada vidinės energijos padidėjimas lydantis yra molekulių potencialios energijos padidėjimas.
Patirtis rodo, kad tai galioja visiems kristalams. Lydant kristalą, būtina nuolat didinti sistemos vidinę energiją, o kristalo ir lydalo temperatūra nesikeičia. Paprastai vidinė energija padidėja, kai kristalui perduodamas tam tikras šilumos kiekis. Tą patį tikslą galima pasiekti atliekant darbą, pavyzdžiui, naudojant trintį. Taigi, lydalo vidinė energija visada yra didesnė už tos pačios masės kristalų vidinę energiją toje pačioje temperatūroje. Tai reiškia, kad tvarkingas dalelių išdėstymas (in kristalinė būsena) atitinka mažesnę energiją nei netvarkinga (lydoje).
Šilumos kiekis, reikalingas kristalo masės vienetui transformuoti į tokios pat temperatūros lydalą, vadinamas specifine kristalo lydymosi šiluma. Jis išreiškiamas džauliais kilogramui.
Kai medžiaga sukietėja, sintezės šiluma išsiskiria ir perduodama aplinkiniams kūnams.
Ugniai atsparių kūnų (kūnų, kurių lydymosi temperatūra aukšta) savitosios lydymosi šilumos nustatymas nėra lengva užduotis. Mažai tirpstančio kristalo, pavyzdžiui, ledo, specifinę lydymosi šilumą galima nustatyti naudojant kalorimetrą. Į kalorimetrą pilamas tam tikras kiekis tam tikros temperatūros vandens ir įmetamas į jį žinoma masė ledo, kuris jau pradėjo tirpti, t. y. turi temperatūrą, palaukite, kol visas ledas ištirps ir vandens temperatūra kalorimetre įgis pastovią reikšmę. Naudodamiesi energijos tvermės dėsniu, sudarysime šilumos balanso lygtį (§ 209), kuri leidžia nustatyti specifinę ledo tirpimo šilumą.
Tegul vandens masė (įskaitant kalorimetro vandens ekvivalentą) lygi ledo masei - , vandens savitajai šiluminei talpai - , pradinei vandens temperatūrai - , galutinei temperatūrai - , ledo lydymosi savitajai šilumai - . Lygtis šilumos balansas atrodo kaip
.
Lentelėje 16 lentelėje parodyta kai kurių medžiagų savitoji lydymosi šiluma. Pažymėtina didelis ledo tirpimo karštis. Ši aplinkybė labai svarbi, nes lėtina ledo tirpimą gamtoje. Jei savitoji sintezės šiluma būtų daug mažesnė, pavasariniai potvyniai būtų daug kartų stipresni. Žinodami specifinę sintezės šilumą, galime apskaičiuoti, kiek šilumos reikia bet kuriam kūnui ištirpti. Jei kūnas jau įkaitintas iki lydymosi temperatūros, tada šilumą reikia išleisti tik jam ištirpti. Jei jo temperatūra yra žemesnė už lydymosi tašką, vis tiek turite išleisti šilumą šildymui.
16 lentelė.
|
Medžiaga |
Medžiaga |
||
Lydymosi temperatūra chemiškai grynos geležies yra 1539 o C. Techniškai gryna geležis, gautas oksidacinio rafinavimo metu, turi tam tikrą metale ištirpusio deguonies kiekį. Dėl šios priežasties jo lydymosi temperatūra nukrenta iki 1530 o C.
Plieno lydymosi temperatūra visada yra žemesnė už geležies lydymosi temperatūrą, nes jame yra priemaišų. Geležyje ištirpę metalai (Mn, Cr, Ni. Co, Mo, V ir kt.) sumažina metalo lydymosi temperatūrą 1 - 3 o C 1% įvesto elemento, o elementai iš metaloidų grupės (C , O, S, P ir kt.) 30–80 o C temperatūroje.
Daugumai bendra trukmė lydantis, metalo lydymosi temperatūra kinta daugiausia dėl anglies kiekio pokyčių. Esant 0,1–1,2 % anglies koncentracijai, kuri būdinga baigiamajam lydymui plieno lydymo agregatuose, iš lygties galima pakankamai tiksliai įvertinti metalo lydymosi temperatūrą praktiniams tikslams.
Geležies tirpimo karštis yra 15200 J/mol arba 271,7 kJ/kg.
Geležies virimo temperatūra leidiniuose pastaraisiais metais pateikiama kaip 2735 o C. Tačiau paskelbti tyrimų rezultatai, pagal kuriuos geležies virimo temperatūra yra daug aukštesnė (iki 3230 o C).
Geležies garavimo šiluma yra 352,5 kJ/mol arba 6300 kJ/kg.
Slėgis sočiųjų garų liauka(P Fe , Pa) galima įvertinti naudojant lygtį
kur T yra metalo temperatūra, K.
Geležies sočiųjų garų slėgio apskaičiavimo rezultatai skirtingos temperatūros, taip pat dulkių kiekis oksiduojančių dujų fazėje virš metalo ( X, g/m 3) pateikti 1.1 lentelėje.
1.1 lentelė– Sočiųjų geležies garų slėgis ir dulkių kiekis dujose esant skirtingos temperatūros
Pagal galiojančius sanitarinius standartus į atmosferą išmetamose dujose dulkių kiekis neturi viršyti 0,1 g/m3. Iš 1.1 lentelės duomenų matyti, kad esant 1600 o C dulkės virš atviro metalo paviršiaus yra didesnis. priimtinos vertės. Todėl būtina išvalyti dujas nuo dulkių, kurias daugiausia sudaro geležies oksidai.
Dinaminis klampumas. Koeficientas dinaminis klampumas skystis () nustatomas iš santykio
čia F yra dviejų judančių sluoksnių sąveikos jėga, N;
S – sluoksnių kontaktinis plotas, m2;
– skysčio sluoksnių greičio gradientas, normalus tekėjimo krypčiai, s -1.
Geležies lydinių dinaminis klampumas paprastai svyruoja 0,001 - 0,005 Pa s intervale. Jo vertė priklauso nuo temperatūros ir priemaišų, daugiausia anglies, kiekio. Kai metalas perkaitinamas virš lydymosi temperatūros virš 25 - 30 o C, temperatūros įtaka nėra reikšminga.
Kinematinis klampumas skystis yra impulso perdavimo greitis masės vieneto sraute. Jo reikšmė nustatoma pagal lygtį
kur yra skysčio tankis, kg/m3.
Skystos geležies dinaminės klampos vertė artima 6 10 -7 m 2 /s.
Geležies tankis esant 1550 - 1650 o C temperatūrai yra lygus 6700 - 6800 kg/m 3. Esant kristalizacijos temperatūrai, skysto metalo tankis yra artimas 6850 kg/m3. Kietos geležies tankis kristalizacijos temperatūroje yra 7450 kg/m3, kambario temperatūroje - 7800 kg/m3.
Iš įprastų priemaišų didžiausią įtaką Anglis ir silicis įtakoja geležies lydalo tankį, jį mažindami. Todėl įprastos sudėties skysto ketaus tankis yra 6200–6400 kg/m3, kieto kambario temperatūroje – 7000–7200 kg/m3.
Skysto ir kieto plieno tankis yra tarpinė padėtis tarp geležies ir ketaus tankių ir yra atitinkamai 6500–6600 ir 7500–7600 kg/m3.
Specifinė šiluma skystas metalas praktiškai nepriklauso nuo temperatūros. Vertinamuosiuose skaičiavimuose jo vertė gali būti lygi 0,88 kJ/(kg K) ketaus ir 0,84 kJ/(kg K) plienui.
Geležies paviršiaus įtempimas turi maksimali vertė maždaug 1550 o C temperatūroje. Aukštesniųjų ir žemos temperatūros jo dydis mažėja. Tai išskiria geležį nuo daugumos metalų, kuriems būdingas sumažėjimas paviršiaus įtempimas kylant temperatūrai.
Skystų geležies lydinių paviršiaus įtempis labai skiriasi priklausomai nuo cheminė sudėtis ir temperatūra. Paprastai jis svyruoja nuo 1000 iki 1800 mJ/m2 (1.1 pav.).
