Në paragrafin e mëparshëm, ne shikuam grafikun e shkrirjes dhe ngurtësimit të akullit. Grafiku tregon se ndërsa akulli po shkrihet, temperatura e tij nuk ndryshon (shih Fig. 18). Dhe vetëm pasi të jetë shkrirë i gjithë akulli, temperatura e lëngut që rezulton fillon të rritet. Por edhe gjatë procesit të shkrirjes, akulli merr energji nga karburanti që digjet në ngrohës. Dhe nga ligji i ruajtjes së energjisë rrjedh se ajo nuk mund të zhduket. Për çfarë harxhohet energjia e karburantit gjatë shkrirjes?
Ne e dimë se në kristale molekulat (ose atomet) janë të renditura brenda në mënyrë strikte. Megjithatë, edhe në kristale ato janë në lëvizje termike (lëkundje). Kur trupi nxehet Shpejtësia mesatare lëvizja molekulare rritet. Rrjedhimisht rritet edhe mesatarja e tyre energjia kinetike dhe temperaturës. Në grafik ky është seksioni AB (shih Fig. 18). Si rezultat, diapazoni i dridhjeve të molekulave (ose atomeve) rritet. Kur trupi nxehet deri në temperaturën e shkrirjes, rendi në renditjen e grimcave në kristale prishet. Kristalet humbasin formën e tyre. Një substancë shkrihet, duke kaluar nga një gjendje e ngurtë në një gjendje të lëngshme.
Rrjedhimisht, e gjithë energjia që merr një trup kristalor pasi është ngrohur tashmë deri në pikën e shkrirjes shpenzohet për shkatërrimin e kristalit. Në këtë drejtim, temperatura e trupit ndalon së rrituri. Në grafikun (shih Fig. 18) ky është seksioni BC.
Eksperimentet tregojnë se për të shndërruar substanca të ndryshme kristalore të së njëjtës masë në lëng në pikën e shkrirjes, kërkohet sasi të ndryshme ngrohtësi.
Një sasi fizike që tregon se sa nxehtësi duhet t'i jepet një trupi kristalor që peshon 1 kg në mënyrë që të shndërrohet plotësisht në një gjendje të lëngshme në pikën e shkrirjes quhet nxehtësia specifike e shkrirjes.
Nxehtësia specifike e shkrirjes shënohet me λ (gërma greke "lambda"). Njësia e saj është 1 J / kg.
Nxehtësia specifike e shkrirjes përcaktohet në mënyrë eksperimentale. Kështu, u zbulua se nxehtësia specifike e shkrirjes së akullit është 3.4 10 5 -. Kjo do të thotë se për të transformuar një copë akulli me peshë 1 kg, të marrë në 0 °C, në ujë me të njëjtën temperaturë, nevojiten 3,4 10 5 J energji. Dhe për të shkrirë një bllok plumbi me peshë 1 kg, të marrë në temperaturën e shkrirjes, do t'ju duhet të shpenzoni 2,5 10 4 J energji.
Prandaj, në temperaturën e shkrirjes energjia e brendshme substancave në gjendje e lëngshme energji më e madhe e brendshme e së njëjtës masë të lëndës në gjendje të ngurtë.
Për të llogaritur sasinë e nxehtësisë Q të nevojshme për shkrirjen trup kristalor masë t, e marrë në pikën e shkrirjes dhe normale presioni atmosferik, ju duhet të shumëzoni nxehtësinë specifike të shkrirjes λ me masën e trupit m:
Nga kjo formulë mund të përcaktohet se
λ = Q / m, m = Q / λ
Eksperimentet tregojnë se gjatë ngurtësimit substancë kristalore lirohet saktësisht e njëjta sasi nxehtësie që përthithet gjatë shkrirjes së saj. Kështu, kur uji me peshë 1 kg ngurtësohet në një temperaturë prej 0 °C, një sasi nxehtësie lirohet e barabartë me 3,4 10 5 J. Saktësisht e njëjta sasi nxehtësie kërkohet për të shkrirë akullin me peshë 1 kg në një temperaturë prej 0 °C. .
Kur një substancë ngurtësohet, gjithçka ndodh brenda rend i kundërt. Shpejtësia, dhe për këtë arsye energjia mesatare kinetike e molekulave në një substancë të shkrirë të ftohur zvogëlohet. Forcat tërheqëse tani mund të mbajnë molekulat që lëvizin ngadalë afër njëra-tjetrës. Si rezultat, rregullimi i grimcave bëhet i renditur - formohet një kristal. Energjia e çliruar gjatë kristalizimit shpenzohet për mirëmbajtjen temperaturë konstante. Në grafik ky është seksioni EF (shih Fig. 18).
Kristalizimi lehtësohet nëse disa grimca të huaja, të tilla si grimcat e pluhurit, janë të pranishme në lëng që në fillim. Ato bëhen qendra kristalizimi. Në kushte normale, ka shumë qendra kristalizimi në një lëng, rreth të cilave ndodh formimi i kristaleve.
Tabela 4.
Nxehtësia specifike shkrirja e disa substancave (në presion normal atmosferik)
Gjatë kristalizimit, energjia lirohet dhe transferohet në trupat përreth.
Sasia e nxehtësisë që çlirohet gjatë kristalizimit të një trupi me masë m përcaktohet gjithashtu nga formula
Energjia e brendshme e trupit zvogëlohet.
Shembull. Për të përgatitur çajin, turisti vendos në një tenxhere 2 kg akull në temperaturë 0 °C. Çfarë sasie nxehtësie nevojitet për ta kthyer këtë akull në ujë të valë në një temperaturë prej 100 °C? Energjia e shpenzuar për ngrohjen e bojlerit nuk merret parasysh.
Çfarë sasie nxehtësie do të duhej nëse, në vend të akullit, një turist merrte ujë me të njëjtën masë në të njëjtën temperaturë nga një vrimë akulli?
Le të shkruajmë kushtet e problemit dhe ta zgjidhim atë.
Pyetje
- Si të shpjegohet procesi i shkrirjes së një trupi bazuar në doktrinën e strukturës së materies?
- Për çfarë harxhohet energjia e karburantit kur shkrihet një trup kristalor i ngrohur deri në temperaturën e shkrirjes?
- Si quhet nxehtësia specifike e shkrirjes?
- Si të shpjegohet procesi i ngurtësimit bazuar në teorinë e strukturës së materies?
- Si llogaritet sasia e nxehtësisë e nevojshme për shkrirjen e një trupi të ngurtë kristalor të marrë në pikën e shkrirjes së tij?
- Si të llogaritet sasia e nxehtësisë së çliruar gjatë kristalizimit të një trupi që ka një pikë shkrirjeje?
Ushtrimi 12
Ushtrimi
- Vendosni dy kanaçe identike në sobë. Derdhni ujë me peshë 0,5 kg në njërën, vendosni disa kube akulli me të njëjtën masë në tjetrën. Vini re se sa kohë duhet që uji në të dy kavanozët të vlojë. Shkruaj raport i shkurtër për përvojën tuaj dhe shpjegoni rezultatet.
- Lexoni paragrafin “Trupat amorfë. Shkrirja trupa amorfë" Përgatitni një raport për të.
Kemi parë që një enë me akull dhe ujë të sjellë në një dhomë të ngrohtë nuk nxehet derisa të shkrihet i gjithë akulli. Në këtë rast, uji merret nga akulli në të njëjtën temperaturë. Në këtë kohë, nxehtësia derdhet në përzierjen e ujit akull dhe, për rrjedhojë, energjia e brendshme e kësaj përzierjeje rritet. Nga kjo duhet të konkludojmë se energjia e brendshme e ujit në është më e madhe se energjia e brendshme e akullit në të njëjtën temperaturë. Meqenëse energjia kinetike e molekulave, ujit dhe akullit është e njëjtë, rritja e energjisë së brendshme gjatë shkrirjes është një rritje në energjinë potenciale të molekulave.
Përvoja tregon se sa më sipër është e vërtetë për të gjithë kristalet. Gjatë shkrirjes së një kristali, është e nevojshme të rritet vazhdimisht energjia e brendshme e sistemit, ndërsa temperatura e kristalit dhe e shkrirjes mbetet e pandryshuar. Në mënyrë tipike, një rritje e energjisë së brendshme ndodh kur një sasi e caktuar nxehtësie transferohet në kristal. I njëjti qëllim mund të arrihet duke bërë punë, për shembull me fërkim. Pra, energjia e brendshme e një shkrirjeje është gjithmonë më e madhe se energjia e brendshme e së njëjtës masë kristalesh në të njëjtën temperaturë. Kjo do të thotë se renditja e renditur e grimcave (në gjendje kristalore) korrespondon me energji më të ulët se renditja e çrregullt (në shkrirje).
Sasia e nxehtësisë e nevojshme për të shndërruar një masë njësi të një kristali në një shkrirje me të njëjtën temperaturë quhet nxehtësia specifike e shkrirjes së kristalit. Shprehet në xhaul për kilogram.
Kur një substancë ngurtësohet, nxehtësia e shkrirjes lirohet dhe transferohet në trupat përreth.
Përcaktimi i nxehtësisë specifike të shkrirjes së trupave zjarrdurues (trupa me pikë shkrirjeje të lartë) nuk është një detyrë e lehtë. Nxehtësia specifike e shkrirjes së një kristali me shkrirje të ulët si akulli mund të përcaktohet duke përdorur një kalorimetër. Derdhja e një sasie të caktuar uji në një temperaturë të caktuar në kalorimetër dhe hedhja e tij në të masë e njohur akulli që tashmë ka filluar të shkrihet, d.m.th. ka temperaturë, prisni derisa të shkrihet i gjithë akulli dhe temperatura e ujit në kalorimetër të marrë një vlerë konstante. Duke përdorur ligjin e ruajtjes së energjisë, ne do të hartojmë një ekuacion të bilancit të nxehtësisë (§ 209), i cili na lejon të përcaktojmë nxehtësinë specifike të shkrirjes së akullit.
Lëreni që masa e ujit (përfshirë ekuivalentin e ujit të kalorimetrit) të jetë e barabartë me masën e akullit - , nxehtësinë specifike të ujit - , temperaturën fillestare të ujit - , temperaturën përfundimtare - , nxehtësinë specifike të shkrirjes së akullit - . Ekuacioni bilanci i nxehtësisë duket si
.
Në tabelë Tabela 16 tregon nxehtësinë specifike të shkrirjes së disa substancave. Vlen të përmendet nxehtësia e lartë e shkrirjes së akullit. Kjo rrethanë është shumë e rëndësishme, pasi ngadalëson shkrirjen e akullit në natyrë. Nëse nxehtësia specifike e shkrirjes do të ishte shumë më e ulët, përmbytjet e pranverës do të ishin shumë herë më të forta. Duke ditur nxehtësinë specifike të shkrirjes, ne mund të llogarisim se sa nxehtësi nevojitet për të shkrirë çdo trup. Nëse trupi tashmë është ngrohur deri në pikën e shkrirjes, atëherë nxehtësia duhet të shpenzohet vetëm për ta shkrirë atë. Nëse ka një temperaturë nën pikën e shkrirjes, atëherë ende duhet të shpenzoni nxehtësi për ngrohje.
Tabela 16.
|
Substanca |
Substanca |
||
Temperatura e shkrirjes hekuri kimikisht i pastër është 1539 o C. Teknikisht hekur i pastër, e marrë si rezultat i rafinimit oksidativ, përmban një sasi të caktuar oksigjeni të tretur në metal. Për këtë arsye, pika e tij e shkrirjes bie në 1530 o C.
Pika e shkrirjes së çelikut është gjithmonë më e ulët se pika e shkrirjes së hekurit për shkak të pranisë së papastërtive në të. Metalet e tretura në hekur (Mn, Cr, Ni. Co, Mo, V etj.) ulin pikën e shkrirjes së metalit me 1 - 3 o C për 1% të elementit të futur dhe elementet nga grupi i metaloideve (C , O, S, P dhe etj.) në 30 – 80 o C.
Për shumicën e kohëzgjatja totale me shkrirje, pika e shkrirjes së metalit ndryshon kryesisht si rezultat i ndryshimeve në përmbajtjen e karbonit. Në një përqendrim karboni prej 0,1 - 1,2%, i cili është tipik për përfundimin e shkrirjes në njësitë e shkrirjes së çelikut, temperatura e shkrirjes së metalit mund të vlerësohet me saktësi të mjaftueshme për qëllime praktike nga ekuacioni
Nxehtësia e shkrirjes së hekuritështë 15200 J/mol ose 271,7 kJ/kg.
Pika e vlimit të hekurit në botime vitet e fundit jepet si 2735 o C. Megjithatë, janë publikuar rezultatet e hulumtimit sipas të cilave pika e vlimit të hekurit është shumë më e lartë (deri në 3230 o C).
Nxehtësia e avullimit të hekuritështë 352.5 kJ/mol ose 6300 kJ/kg.
Presioni avull i ngopur gjëndër(P Fe, Pa) mund të vlerësohet duke përdorur ekuacionin
ku T është temperatura e metalit, K.
Rezultatet e llogaritjes së presionit të avullit të ngopur të hekurit në temperatura të ndryshme, si dhe përmbajtja e pluhurit në fazën e gazit oksidues mbi metal ( X, g/m 3) janë paraqitur në tabelën 1.1.
Tabela 1.1– Presioni i avullit të ngopur të hekurit dhe përmbajtjes së pluhurit të gazrave në temperatura të ndryshme
Sipas standardeve ekzistuese sanitare, përmbajtja e pluhurit në gazrat e emetuara në atmosferë nuk duhet të kalojë 0,1 g/m3. Nga të dhënat në tabelën 1.1 është e qartë se në 1600 o C përmbajtja e pluhurit të gazrave mbi sipërfaqen e hapur të metalit është më e lartë. vlerat e pranueshme. Prandaj, është e domosdoshme pastrimi i gazeve nga pluhuri, i përbërë kryesisht nga oksidet e hekurit.
Viskoziteti dinamik. Koeficient viskoziteti dinamik lëngu () përcaktohet nga relacioni
ku F është forca e bashkëveprimit ndërmjet dy shtresave lëvizëse, N;
S - zona e kontaktit të shtresave, m2;
– gradienti i shpejtësisë së shtresave të lëngshme normale me drejtimin e rrjedhjes, s -1.
Viskoziteti dinamik i lidhjeve të hekurit zakonisht varion në intervalin 0,001 - 0,005 Pa s. Vlera e tij varet nga temperatura dhe përmbajtja e papastërtive, kryesisht karbonit. Kur metali mbinxehet mbi pikën e shkrirjes mbi 25 - 30 o C, ndikimi i temperaturës nuk është i rëndësishëm.
Viskoziteti kinematik lëngu është shpejtësia e transferimit të momentit në një njësi të rrjedhës së masës. Vlera e tij përcaktohet nga ekuacioni
ku është dendësia e lëngut, kg/m3.
Vlera e viskozitetit dinamik të hekurit të lëngshëm është afër 6 10 -7 m 2 / s.
Dendësia e hekurit në 1550 - 1650 o C është e barabartë me 6700 - 6800 kg/m 3. Në temperaturën e kristalizimit, dendësia e metalit të lëngshëm është afër 6850 kg/m3. Dendësia e hekurit të ngurtë në temperaturën e kristalizimit është 7450 kg/m3, në temperaturën e dhomës - 7800 kg/m3.
Nga papastërtitë e zakonshme ndikimi më i madh Karboni dhe silikoni ndikojnë në densitetin e shkrirjes së hekurit, duke e ulur atë. Prandaj, giza e lëngshme e përbërjes së zakonshme ka një densitet prej 6200–6400 kg/m3, giza e ngurtë në temperaturën e dhomës ka një densitet prej 7000–7200 kg/m3.
Dendësia e çelikut të lëngët dhe të ngurtë është pozicioni i ndërmjetëm ndërmjet dendësisë së hekurit dhe gize dhe janë përkatësisht 6500 - 6600 dhe 7500 - 7600 kg/m 3.
Nxehtësia specifike metali i lëngshëm është praktikisht i pavarur nga temperatura. Në llogaritjet e vlerësimit, vlera e tij mund të merret e barabartë me 0,88 kJ/(kg K) për gize dhe 0,84 kJ/(kg K) për çelikun.
Tensioni sipërfaqësor i hekurit Ajo ka vlera maksimale në një temperaturë prej rreth 1550 o C. Në rajonin e lartë dhe temperaturat e ulëta madhësia e saj zvogëlohet. Kjo e dallon hekurin nga shumica e metaleve, të cilat karakterizohen nga një rënie tensioni sipërfaqësor ndërsa temperatura rritet.
Tensioni sipërfaqësor i lidhjeve të lëngshme të hekurit ndryshon ndjeshëm në varësi të përbërje kimike dhe temperaturës. Zakonisht varion ndërmjet 1000 – 1800 mJ/m2 (Figura 1.1).
