Ankstesnėje pastraipoje pažvelgėme į ledo tirpimo ir kietėjimo grafiką. Grafike matyti, kad ledui tirpstant jo temperatūra nekinta (žr. 18 pav.). Ir tik ištirpus visam ledui pradeda kilti susidariusio skysčio temperatūra. Tačiau net ir lydymosi proceso metu ledas energijos gauna iš šildytuve degančio kuro. O iš energijos tvermės dėsnio išplaukia, kad ji negali išnykti. Kam išleidžiama kuro energija lydymosi metu?
Mes žinome, kad kristaluose molekulės (arba atomai) yra išsidėsčiusios griežta tvarka. Tačiau net ir kristaluose jie yra šiluminiame judėjime (svyruoja). Kai kūnas įkaista vidutinis greitis didėja molekulinis judėjimas. Vadinasi, didėja ir jų vidurkis kinetinė energija ir temperatūra. Grafike tai atkarpa AB (žr. 18 pav.). Dėl to didėja molekulių (arba atomų) virpesių diapazonas. Kai kūnas įkaista iki lydymosi temperatūros, sutrinka dalelių išsidėstymo kristaluose tvarka. Kristalai praranda savo formą. Medžiaga tirpsta, pereidama iš kietos būsenos į skystą.
Vadinasi, visa energija, kurią gauna kristalinis kūnas po to, kai jis jau buvo įkaitintas iki lydymosi temperatūros, išleidžiama kristalui sunaikinti. Šiuo atžvilgiu kūno temperatūra nustoja didėti. Grafike (žr. 18 pav.) tai yra BC atkarpa.
Eksperimentai rodo, kad norint lydymosi temperatūroje įvairias tos pačios masės kristalines medžiagas paversti skysčiu, reikia skirtingi kiekiaišiluma.
Fizinis dydis, parodantis, kiek šilumos turi būti perduota 1 kg sveriančiam kristaliniam kūnui, kad jis lydymosi temperatūroje visiškai virstų skysta būsena, vadinamas specifine lydymosi šiluma.
Specifinė lydymosi šiluma žymima λ (graikiška raidė „lambda“). Jo vienetas yra 1 J / kg.
Specifinė lydymosi šiluma nustatoma eksperimentiniu būdu. Taigi buvo nustatyta, kad ledo lydymosi savitoji šiluma yra 3,4 10 5 -. Tai reiškia, kad norint paversti 1 kg sveriantį ledo gabalą, paimtą 0 °C temperatūroje, į tokios pat temperatūros vandenį, reikia 3,4 10 5 J energijos. O norint išlydyti 1 kg sveriantį švino bloką, paimtą jo lydymosi temperatūroje, reikės išleisti 2,5 10 4 J energijos.
Todėl lydymosi temperatūroje vidinė energija esančios medžiagos skysta būsena didesnė tos pačios masės medžiagos vidinė energija kietoje būsenoje.
Norint apskaičiuoti lydymui reikalingą šilumos kiekį Q kristalinis kūnas masė t, paimta jos lydymosi temperatūroje ir normalioji atmosferos slėgis, reikia padauginti savitąją sintezės šilumą λ iš kūno masės m:
Iš šios formulės galima nustatyti, kad
λ = Q / m, m = Q / λ
Eksperimentai rodo, kad kietėjimo metu kristalinė medžiaga išsiskiria lygiai tiek pat šilumos, kiek sugeriama jai tirpstant. Taigi, 1 kg sveriančiam vandeniui kietėjant 0 °C temperatūroje, išsiskiria šilumos kiekis, lygus 3,4 10 5 J. Lygiai tiek pat šilumos reikia 1 kg sveriančiam ledui ištirpinti 0 °C temperatūroje. .
Kai medžiaga sukietėja, viskas vyksta atvirkštine tvarka. Molekulių greitis, taigi ir vidutinė kinetinė energija atvėsusioje išlydytoje medžiagoje mažėja. Patrauklios jėgos dabar gali laikyti lėtai judančias molekules arti viena kitos. Dėl to dalelių išsidėstymas tampa tvarkingas – susidaro kristalas. Kristalizacijos metu išsiskirianti energija išleidžiama palaikymui pastovi temperatūra. Grafike tai yra EF sekcija (žr. 18 pav.).
Kristalizaciją palengvina, jei skystyje nuo pat pradžių yra pašalinių dalelių, pavyzdžiui, dulkių dalelių. Jie tampa kristalizacijos centrais. Normaliomis sąlygomis skystyje yra daug kristalizacijos centrų, aplink kuriuos susidaro kristalai.
4 lentelė.
Specifinė šiluma tam tikrų medžiagų lydymas (esant normaliam atmosferos slėgiui)
Kristalizacijos metu energija išsiskiria ir perduodama aplinkiniams kūnams.
M masės kūno kristalizacijos metu išsiskiriantis šilumos kiekis taip pat nustatomas pagal formulę
Sumažėja vidinė kūno energija.
Pavyzdys. Arbatai ruošti turistas į puodą įdėjo 2 kg 0 °C temperatūros ledo. Kiek šilumos reikia, kad šis ledas virstų verdančiu 100 °C temperatūros vandeniu? Katilo šildymui sunaudota energija neatsižvelgiama.
Kokio šilumos kiekio prireiktų, jei vietoj ledo turistas iš ledo duobės pasiimtų tokios pat masės vandenį?
Užrašykime problemos sąlygas ir ją išspręskime.
Klausimai
- Kaip, remiantis materijos sandaros doktrina, paaiškinti kūno lydymosi procesą?
- Kam sunaudojama kuro energija, kai tirpsta iki lydymosi temperatūros įkaitintas kristalinis kūnas?
- Kaip vadinama specifinė sintezės šiluma?
- Kaip, remiantis materijos sandaros teorija, paaiškinti kietėjimo procesą?
- Kaip apskaičiuojamas šilumos kiekis, reikalingas kristalinei kietajai medžiagai ištirpti, esant jos lydymosi temperatūrai?
- Kaip apskaičiuoti kūno, turinčio lydymosi temperatūrą, kristalizacijos metu išsiskiriantį šilumos kiekį?
12 pratimas
Pratimai
- Ant viryklės padėkite dvi vienodas skardines. Į vieną supilkite 0,5 kg sveriantį vandenį, į kitą įdėkite kelis tokios pat masės ledo kubelius. Atkreipkite dėmesį, kiek laiko užvirs vanduo abiejuose stiklainiuose. Rašyti trumpas reportažas apie savo patirtį ir paaiškinkite rezultatus.
- Perskaitykite pastraipą „Amorfiniai kūnai. Tirpimas amorfiniai kūnai“ Paruoškite ataskaitą apie tai.
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. Kadangi molekulių, vandens ir ledo kinetinė energija yra vienoda, vidinės energijos padidėjimas lydymosi metu yra potencialios molekulių 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 išsidėstymas (kristalinėje būsenoje) atitinka mažesnę energiją nei netvarkingas išsidėstymas (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 šilumai - , pradinei vandens temperatūrai - , galutinei temperatūrai - , ledo lydymosi savitajai šilumai - . Lygtis šilumos balansas atrodo kaip
.
Lentelėje 16 lentelėje parodyta kai kurių medžiagų savitoji lydymosi šiluma. Įsidėmėtinas didelis ledo tirpimo karštis. Ši aplinkybė labai svarbi, nes lėtina ledo tirpimą gamtoje. Jei savitoji sintezės šiluma būtų daug mažesnė, pavasario 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.
Spaudimas 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 1600 o C temperatūroje 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 vieneto masės sraute greitis. 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.).
