Конкурс "Я иду на урок"

Плавление и отвердевание тел

Цель урока: ознакомить с агрегатными состояниями вещества, с процессами плавления и отвердевания тел, а также с графиками плавления и отвердевания тел.

Оборудование: кристаллические решётки различных твёрдых тел, стальная ложка, алюминиевая ложка, олово, воск, пластмасса, стекло, спиртовка.

Образовательные цели: раскрыть понятия плавление и отвердевание; экспериментально подтвердить изученные теоретические знания.

Ход урока

Учитель. Одно и то же вещество может находиться в различных состояниях – в твёрдом, жидком, газообразном. Например, на представленных слайдах мы видим воду в виде льда, жидкой воды и водяного пара. Эти состояния называют агрегатными. Вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое, и на практике это широко используется. Сможете ли вы привести примеры практического использования перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое?

Учащиеся. Металлурги плавят металлы, чтобы получить из них сплавы. Пар, полученный нагреванием воды, используют для получения электрического тока на электростанциях. Сжиженными газами пользуются в холодильных установках.

Учитель. Мы живём на поверхности твёрдого тела – земного шара, – в сооружениях, построенных из твёрдых тел, – домах. Наше тело, хотя и содержит приблизительно 65% воды (мозг – 80%), тоже твёрдое. Орудия труда, машины также сделаны из твёрдых тел. Знать свойства твёрдых тел, жидкостей и газов жизненно необходимо. Каковы особенности молекулярного строения твёрдых тел, жидкостей и газов?

Учащиеся. В газах при атмосферном давлении расстояние между молекулами много больше размера самих молекул. Притяжение между молекулами слабое. Движение молекул хаотичное. Газы легко сжимаются. В жидкостях и твёрдых телах плотность во много раз больше плотности газа. Молекулы расположены ближе друг к другу. Средняя кинетическая энергия молекул недостаточна для того, чтобы совершить работу по преодолению сил молекулярного притяжения. Поэтому молекулы в жидкостях и особенно в твёрдых телах не могут далеко удалятся друг от друга.

Учитель. Передавая телу энергию, можно перевести его из твёрдого состояния в жидкое, а из жидкого – в газообразное. Отнимая энергию (охлаждая) у газа, можно получить жидкость (правда, как правило, при очень низких температурах). Отнимая энергию у жидкости – получить твёрдое тело. Сегодня мы рассмотрим переход вещества из твёрдого состояния в жидкое, и наоборот. Переход вещества из твёрдого состояние в жидкое называют плавлением, обратный процеcc – отвердеванием.

Твёрдые тела делятся на кристаллические и аморфные. Примеры кристаллических тел приведены в табл. 1. Кристаллом называют тело определённой геометрической формы, ограниченное естественными плоскими гранями. Правильность внешней формы кристаллических тел обусловлена тем, что частицы (атомы, молекулы), из которых эти тела состоят, расположены относительно друг друга в определённом порядке, на строго определённых расстояниях друг от друга.

Таблица 1. Виды кристаллов

Частицы (атомы, молекулы) вследствие теплового движения совершают колебания около определённых точек – положений равновесия. Именно эти точки (они называются узлами) и расположены в определённом порядке, и если узлы соединить прямыми линиями, то получается пространственная решётка, называемая кристаллической.

К кристаллам относятся, например, алмаз, гранат, изумруд, кварц, турмалин, берилл, каменная соль, лёд, снежинки, нафталин, кальцит, металлы.

Не все твёрдые тела – кристаллы. Существует множество аморфных тел (от греческого слова άμορφος – бесформенный). Признаком аморфного тела является неправильная форма поверхности при изломе. К аморфным телам относятся смола, вар, пластмасса, воск и т.п.

Процесс плавления кристаллических и аморфных тел происходит существенно по-разному. Что необходимо сделать, чтобы кристаллическое тело начало плавится?

Учащиеся. Нагреть.

Учитель. Необходимо нагреть его до определённой для каждого вещества температуры, называемой температурой плавления. Температуры плавления некоторых веществ при нормальном атмосферном давлении приведены в табл. 3 в учебнике^* на с. 32. Какое вещество из перечисленных является самым тугоплавким? самым легкоплавким?

Учащиеся. Вольфрам. Лёд.

Учитель. Чтобы вещество расплавилось, недостаточно его нагреть до температуры плавления, необходимо продолжать подводить к нему тепло, т.е. постоянно сообщать ему энергию. Во время плавления температура кристаллического тела не меняется. Какую энергию мы называем внутренней?

Учащиеся. Это кинетическая и потенциальная энергия всех составляющих тело молекул.

Учитель. Так как температура тела во время плавления остаётся постоянной, то средняя кинетическая энергия его молекул не изменяется. Но при превращении твёрдого тела в жидкость разрушается кристаллическая решётка, т.е. увеличивается потенциальная энергия молекул. Переход из твёрдого состояния в жидкое происходит резко, скачком. Если тело продолжать нагревать после окончания процесса плавления, температура расплава будет расти.

Рассмотрим график зависимости температуры кристаллического тела (нафталина) от времени его нагревания. Что происходит на каждом участке графика?

Учащиеся. АВ – нагревание твёрдого тела (нафталина); ВС – плавление (при плавлении температура не меняется); СD – нагревание расплава.

Учитель. Кривизна и наклон участков АВ и СD зависят от условий процесса (массы тела, мощности нагревателя, удельной теплоёмкости).

Совсем не так ведут себя аморфные тела. При нагревании они постепенно, по мере повышения температуры, размягчаются и в конце концов становятся жидкими. Никакой определённой температуры перехода из твёрдого состояния в жидкое у аморфных тел нет.

Смогу ли я расплавить олово в стальной ложке?

Учащиеся. Да, т.к. сталь плавится при температуре 1500 °С, а олово – при 232 °С.

Опыт 1. Плавление олова в стальной ложке.

Учитель. Можно ли расплавить олово в алюминиевой ложке?

Учащиеся. Да, т.к. алюминий плавится при температуре 660 °С, а олово – при 232 °С.

Опыт 2. Плавление олова в алюминиевой ложке.

Учитель. Можно ли расплавить вольфрам в стальной ложке?

Учащиеся. Нет, т.к. стальная ложка (1500 °С) расплавится раньше, чем вольфрам (3387 °С).

Учитель. Переход вещества из жидкого состояния в твёрдое называют отвердеванием, или кристаллизацией. Чтобы началась кристаллизация расплавленного тела, оно должно остыть до определённой температуры. Температура, при которой вещество кристаллизуется, называют температурой кристаллизации, или температурой отвердевания. Практика показывает, что вещества отвердевают при той же температуре, при которой плавятся. Сравните температуры плавления твёрдой ртути (–39 °С) и твёрдого спирта (–114 °С ). Какая из них выше?

Учащиеся. У ртути.

Учитель. Почему для измерения температуры наружного воздуха в холодных районах применяют термометры со спиртом, а не со ртутью?

Учащиеся. В холодных районах температура бывает ниже –39 °С, а спирт отвердевает при –114 °С.

Учитель. Процессы отвердевания кристаллических и аморфных тел имеют различия.

При охлаждении расплавленного кристаллического тела (расплава) оно продолжает оставаться в жидком состоянии до тех пор, пока его температура не понизится до определённого значения. Температура кристаллического тела во время отвердевания не изменяется. При дальнейшем охлаждении тела, когда весь расплав отвердел, температура снова будет уменьшаться.

Что происходит на каждом участке графика отвердевания нафталина? Почему участок В₁С₁ параллелен оси времени?

Учащиеся. A₁B₁ – охлаждение жидкости (расплава); В₁С₁ – отвердевание; C₁D₁ – охлаждение твёрдого тела. В₁С₁ параллелен оси времени, т.к. при отвердевании температура не меняется.

Учитель. Вещества из жидкого состояния в твёрдое при кристаллизации переходят резко, без промежуточных состояний. Во время затвердевания вещества его молекулы располагаются упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. Их потенциальная энергия в процессе кристаллизации уменьшается, а кинетическая энергия остаётся неизменной. Поэтому при кристаллизации температура не изменяется, происходит передача количества теплоты окружающим телам.

Отвердевание аморфного тела, например смолы, происходит постепенно. Определённой температуры отвердевания нет, происходит постепенное загустевание.

Итак, аморфные вещества не имеют определённой температуры плавления и отвердевания, не имеют строгого порядка в расположении молекул. В этом главное отличие аморфных тел от кристаллических.

Для закрепления материала можно рассмотреть график зависимости температуры льда от времени его нагревания по учебнику (с. 33, § 14) и ответить на вопросы: что происходит на каждом участке графика? как по графику можно судить об изменении температуры вещества при нагревании и охлаждении? какие участки графика соответствуют плавлению и отвердеванию? почему эти участки параллельны оси времени?

Решите задачу. В сосуде находится лёд при температуре –10 °С. Сосуд поставили на горелку, которая даёт в равные промежутки времени одно и то же количество теплоты. Укажите, какой график соответствует описанному случаю и в чём ошибочны остальные графики?

(Ответ. Правильный график – средний. Верхний соответствует телам, имеющим одинаковую удельную теплоёмкость в твёрдом и жидком состояниях, нижний – не для льда.)

Домашнее задание: § 12–14, упр. 7.

Аклима Гадыевна Бикчурина – учитель физики высшей квалификационной категории, педагогический стаж 33 года. Окончила Казанский государственный педагогический институт в 1973 г. Аклима Гадыевна, обладатель Гранта губернатора (победитель в конкурсе лучших учителей образовательных учреждений ЯНАО), подготовила много победителей и призёров городских, окружных региональных и всероссийских этапов олимпиад школьников. Замужем, имеет двоих детей.

---

^* Учебник: А.В.Пёрышкин. Физика-8. – М.: Дрофа, 2008.