Powrót do przodu

Uwaga! Podglądy slajdów służą wyłącznie celom informacyjnym i mogą nie odzwierciedlać wszystkich funkcji prezentacji. Jeśli jesteś zainteresowany tą pracą, pobierz pełną wersję.

Cele: kształtowanie się koncepcji topnienia i krystalizacji ciał, temperatury topnienia i krystalizacji; rozwijanie umiejętności zastosowania zdobytej wiedzy do rozwiązywania prostych problemów, rozwijanie horyzontów uczniów, pielęgnowanie zainteresowań przedmiotem, pielęgnowanie wszechstronnie rozwiniętej osobowości.

Niezbędny sprzęt: Stanowisko nauczyciela, lekcje fizyki od Cyryla i Metodego dla klasy 8, kawałki lodu, świeca, zapałki.

Wyjaśnienia: Odpowiedzi uczniów w tekście zapisano kursywą.

Plan lekcji:

1. Organizowanie czasu.
2. Nauka nowego materiału.
3. Konsolidacja.
4. Praca domowa.
5. Podsumowanie lekcji.

PODCZAS ZAJĘĆ

1. Moment organizacyjny

– Dzisiaj na lekcji porozmawiamy o różnych stanach skupienia, dowiemy się, w jakich warunkach substancja może znajdować się w takim czy innym stanie i co należy zrobić, aby przejść z jednego stanu w drugi.

2. Nauka nowego materiału

– Spójrzmy na zdjęcia (slajd 2). Jak myślisz, co ich łączy?

– Rysunki przedstawiają wodę w trzech różnych stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym.

- Prawidłowy. Nie tylko woda, ale także każda inna substancja ma trzy stany. Jak nazywają się te stany?

–

– Czy substancja może przejść z jednego stanu w drugi? Na przykład, czy można zamienić lód w wodę?

– Tak.

- Jak to zrobić?

– Trzeba to podgrzać.

-Masz prawie rację. Bardziej słuszne byłoby stwierdzenie, że przekazujemy lodzie pewną ilość ciepła. Jaka jest zatem ilość ciepła?

– Ilość ciepła to energia, którą ciało otrzymuje lub oddaje w procesie wymiany ciepła.

– Co to jest energia wewnętrzna?

– Energia wewnętrzna to energia ruchu i interakcji cząstek tworzących ciało.

- Przeprowadźmy eksperyment. Zostawmy jeden kawałek lodu na talerzu i zobaczmy, co się z nim stanie, i przenieśmy pewną ilość ciepła ze świecy na drugą. Który kawałek lodu szybciej zamienia się w wodę i dlaczego?

– W drugim przypadku proces przejścia lodu w wodę zachodzi szybciej, ponieważ drugi kawałek lodu otrzymuje od świecy więcej ciepła niż pierwszy kawałek z otoczenia.

- Prawidłowy. Oznacza to, że kawałek lodu, któremu nadano więcej energii, szybciej zamienia się w wodę.

– Znajdź w podręczniku (s. 31) jak nazywa się proces przejścia substancji ze stanu stałego w ciekły?

Proces przejście substancji ze stanu stałego w ciekły nazywa się topnieniem (slajd 3)

- To jest temat naszej lekcji. Zapiszmy to w zeszycie - Topniejące ciała.

– Przyjrzyjmy się procesowi topienia na przykładzie fragmentu (lekcje fizyki u Cyryla i Metodego dla klasy 8). Twoim zadaniem jest odnotowanie, czy podczas tego procesu zmienia się temperatura.

– Temperatura nie zmienia się podczas procesu topienia.

- Prawidłowy. Teraz znajdź w podręczniku (s. 32) jak nazywa się proces przejścia substancji ze stanu ciekłego do stanu stałego?

Przejście substancji ze stanu ciekłego do stanu stałego nazywa się krzepnięciem lub krystalizacją (slajd 4)

– Rozważmy ten proces na przykładzie fragmentu (lekcje fizyki elektronicznej prowadzone przez Cyryla i Metodego dla klasy 8). Czy temperatura zmieniała się w trakcie procesu utwardzania?

– Podczas procesu utwardzania temperatura nie uległa zmianie.

– Pamiętajmy, że w procesie topienia i krzepnięcia temperatura substancji nie ulega zmianie. Przyjrzymy się, dlaczego tak się dzieje, w następnej lekcji.

– Aby rozpoczął się proces topienia, ciało musi mieć określoną temperaturę. Jak ona ma na imię?

Temperatura, w której topi się substancja, nazywana jest jej temperaturą topnienia.

- Prawidłowy! Oznacza to, że temperatura topnienia to temperatura, powyżej której substancja nie może istnieć w stanie stałym. Znajdź temperaturę topnienia lodu w tabeli temperatur topnienia.

– Jest równa 0 O Z.

– W jakiej temperaturze woda twardnieje?

– Woda również twardnieje w temperaturze 0 O Z.

- Prawidłowy. Oznacza to, że substancje zestalają się w tej samej temperaturze, w której się topią.
Korzystając z wykresu (slajd 5), rozważymy proces przejścia lodu ze stanu stałego w stan ciekły (Peryshkin A.V., s. 33).
Obserwację procesu rozpoczęto od momentu, gdy temperatura lodu wynosiła –20 o C. W miarę dalszego ogrzewania temperatura lodu rosła aż do 0 o C. W tym momencie lód zaczął się topić, a jego temperatura przestało rosnąć. Przez cały czas topnienia temperatura lodu nie uległa zmianie, choć w dalszym ciągu dostarczana była do niego energia.
Gdy temperatura osiągnęła 20 o C, energia nie była już przekazywana substancji: woda zaczęła się ochładzać, a w temperaturze 0 o C rozpoczął się proces krystalizacji wody. Przez cały czas utwardzania temperatura substancji nie uległa już zmianie. Z wykresu jasno wynika również, że temperatura topnienia jest równa temperaturze krystalizacji.

3. Konsolidacja

1. Wykres (slajd 6) pokazuje, jak zmienia się temperatura w czasie podczas ogrzewania i schładzania ołowiu. Jakiemu stanowi odpowiadają poszczególne części wykresu?

AB, BC – stan stały, CD – topienie,
DE, EF – stan ciekły, FG – krystalizacja, GH – stan stały.

2. W eksperymencie aluminium, żelazo, miedź, cynk, stal, srebro i złoto podgrzewano oddzielnie do temperatury 1000 o C (slajd 7, 8). W jakim stanie – ciekłym czy stałym – znajdowały się te metale we wskazanej temperaturze?

3. Zdjęcia (slajd 2) przedstawiają wodę w trzech różnych stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym.

– Jak nazywają się te stany?

– Nazywa się je stanami skupienia.

– Czy substancja może przejść z jednego stanu w drugi?
Tak. Przekazując energię cząsteczkom ciała stałego, możliwe jest przeniesienie substancji ze stanu stałego do ciekłego i ze stanu ciekłego do gazowego. Odbierając energię cząsteczkom gazu, można otrzymać ciecz, a z niej ciało stałe.

4. – Zaczynamy podgrzewać pobrany lód do temperatury – 10 o C. Co się dzieje z temperaturą?

– Temperatura lodu wzrośnie.

– Temperatura lodu osiągnęła 0 o C. Lód zaczyna się topić. Co się dzieje z jego temperaturą?

– Temperatura przestaje się zmieniać aż do zakończenia całego procesu topienia.

– Lód całkowicie zamienił się w wodę. Proces ogrzewania trwa. Czy temperatura się zmienia? Jak?

– Czy temperatura wody już znowu rośnie?

5. Czy temperatura substancji zmienia się podczas krystalizacji?

Każde ciało może znajdować się w różnych stanach skupienia w określonej temperaturze i ciśnieniu - w stanie stałym, ciekłym, gazowym i plazmowym.

Przejście z jednego stanu skupienia do drugiego następuje pod warunkiem, że nagrzewanie ciała z zewnątrz następuje szybciej niż jego chłodzenie. I odwrotnie, jeśli chłodzenie ciała z zewnątrz następuje szybciej niż nagrzewanie ciała z powodu jego energii wewnętrznej.

Przy przejściu do innego stanu skupienia substancja pozostaje ta sama, te same cząsteczki pozostaną, zmieni się jedynie ich względny układ, prędkość ruchu i siły wzajemnego oddziaływania.

Te. zmiana energii wewnętrznej cząstek ciała przenosi je z jednej fazy stanu do drugiej. Ponadto stan ten można utrzymać w szerokim zakresie temperatur środowiska zewnętrznego.

Przy zmianie stanu skupienia potrzebna jest pewna ilość energii. A podczas procesu przejścia energia jest wydawana nie na zmianę temperatury ciała, ale na zmianę energii wewnętrznej ciała.

Przedstawmy na wykresie zależność temperatury ciała T (przy stałym ciśnieniu) od ilości ciepła Q dostarczonego ciału podczas przejścia z jednego stanu skupienia do drugiego.

Rozważmy ciało posiadające masę M, który jest w stanie stałym w temperaturze T 1.

Ciało nie przechodzi natychmiast z jednego stanu do drugiego. Po pierwsze, do zmiany energii wewnętrznej potrzebna jest energia, a to wymaga czasu. Szybkość przejścia zależy od masy ciała i jego pojemności cieplnej.

Zacznijmy rozgrzewać ciało. Korzystając ze wzorów, możesz zapisać to w następujący sposób:

Q = c⋅m⋅(T 2 -T 1)

Ciało musi pochłonąć tyle ciepła, aby ogrzać się od temperatury T1 do T2.

Przejście ze stanu stałego w płynny

Dalej, w temperaturze krytycznej T2, która jest różna dla każdego ciała, wiązania międzycząsteczkowe zaczynają się rozpadać i ciało przechodzi w inny stan skupienia - ciecz, tj. wiązania międzycząsteczkowe słabną, cząsteczki zaczynają poruszać się z większą amplitudą, większą prędkością i większą energią kinetyczną. Dlatego temperatura tego samego ciała w stanie ciekłym jest wyższa niż w stanie stałym.

Aby całe ciało przeszło ze stanu stałego w płynny, zgromadzenie energii wewnętrznej wymaga czasu. W tym czasie cała energia nie jest przeznaczana na ogrzewanie ciała, ale na niszczenie starych wiązań międzycząsteczkowych i tworzenie nowych. Ilość potrzebnej energii:

λ - ciepło właściwe topnienia i krystalizacji substancji w J/kg, różne dla każdej substancji.

Po przejściu całego ciała w stan ciekły, ciecz ta ponownie zaczyna się nagrzewać zgodnie ze wzorem: Q = c⋅m⋅(T-T 2); [J].

Przejście ciała ze stanu ciekłego w gazowy

Po osiągnięciu nowej temperatury krytycznej T3 rozpoczyna się nowy proces przejścia z cieczy w parę. Aby przejść dalej od cieczy do pary, musisz wydać energię:

r jest ciepłem właściwym tworzenia się gazu i kondensacji substancji w J/kg, różnym dla każdej substancji.

Należy pamiętać, że możliwe jest przejście ze stanu stałego do stanu gazowego z pominięciem fazy ciekłej. Proces ten nazywa się sublimacja, a jego proces odwrotny to desublimacja.

Przejście ciała ze stanu gazowego do stanu plazmowego

Osocze- gaz częściowo lub całkowicie zjonizowany, w którym gęstość ładunków dodatnich i ujemnych jest prawie równa.

Plazma zwykle występuje w wysokich temperaturach, od kilku tysięcy °C i wyższych. Ze względu na sposób powstawania wyróżnia się dwa rodzaje plazmy: termiczną, która powstaje podczas podgrzewania gazu do wysokich temperatur oraz gazową, która powstaje podczas wyładowań elektrycznych w środowisku gazowym.

Proces ten jest bardzo złożony, ma prosty opis i nie jest dla nas osiągalny w codziennych warunkach. Dlatego nie będziemy szczegółowo omawiać tego problemu.

Żyjemy na powierzchni ciała stałego- kula ziemska, w konstrukcjach zbudowanych z brył,- domy. Nasze ciało, choć zawiera około 65% wody (mózg to 80%), jest również stałe. Narzędzia i maszyny są również wykonane z materiałów stałych. Znajomość właściwości ciał stałych jest niezbędna.

W§ 2.6 krótko opisano strukturę molekularną krystalicznych ciał stałych. Teraz przyjrzymy się bliżej ich właściwościom i strukturze.

Kryształy

Jeśli przyjrzysz się ziarenkom cukru, soli, siarczanu miedzi, naftalenu itp. za pomocą szkła powiększającego lub mikroskopu, zauważysz, że są one ograniczone płaskimi, jakby wypolerowanymi krawędziami. Obecność takich naturalnych ścian jest oznaką, że substancja jest w stanie krystalicznym. Kryształ* to bryła o określonym kształcie geometrycznym, ograniczona naturalnymi płaskimi krawędziami.

* Od greckiego słowa krystallos – dosłownie: lód.

Monokryształy i ciała polikrystaliczne

Ciało będące jednym kryształem nazywa się monokryształem.

Rysunek 8.1 przedstawia duży monokryształ kwarcu (kryształ górski). Małe ziarno granulowanego cukru jest również monokryształem. Podejmując duże środki ostrożności, możliwe jest wyhodowanie metalicznego monokryształu o dużych rozmiarach.

Większość ciał krystalicznych składa się z wielu małych kryształów rozmieszczonych losowo i połączonych ze sobą. Takie ciała nazywane są polikrystalicznymi. Wszystkie metale i minerały są polikrystaliczne. Kawałek cukru jest również ciałem polikrystalicznym.

Kształt i rozmiar kryształu

Kryształy różnych substancji mają różne kształty. Rysunek 8.2 przedstawia kryształy: sól kamienna 1, beryl 2, diament 3, granat 4, kwarc 5, turmalin 6, szmaragd 7 i kalcyt 8. Jednym z rodzajów kryształków lodu tworzących dziwaczne kształty płatków śniegu (ryc. 8.3) jest regularny sześciokątny pryzmat (ryc. 8.4).

Rozmiary kryształów są również zróżnicowane. Niektóre kryształy są duże i łatwo widoczne gołym okiem, inne są tak małe, że można je zobaczyć jedynie pod mikroskopem.

Rozmiary kryształów polikrystalicznych mogą zmieniać się w czasie. W ten sposób małe kryształy żelaza i stali zamieniają się w duże. To przejście jest przyspieszane przez uderzenia i wstrząsy. Występuje stale w szynach kolejowych, osiach samochodów i mostach stalowych, powodując z czasem spadek wytrzymałości tych konstrukcji.

Wielopostaciowość

Wiele ciał o tym samym składzie chemicznym w stanie krystalicznym, w zależności od warunków, może występować w dwóch lub większej liczbie odmian (modyfikacje). Ta właściwość nazywa się polimorfizmem (wielopostaciowością). Na przykład lód ma aż dziesięć różnych modyfikacji uzyskiwanych w laboratoriach. W naturze występuje tylko jeden gatunek (patrz ryc. 8.4).

Szczególne znaczenie dla technologii ma polimorfizm węgla - węgiel krystalizuje w dwóch modyfikacjach: graficie i diamentie. Grafit to miękki materiał o matowej czarnej barwie. Robi się z niego na przykład grafity do ołówków. Diament zupełnie różni się od grafitu. Jest to przezroczysty i bardzo twardy kryształ. W temperaturze około 150°C (po podgrzaniu w próżni) diament zamienia się w grafit. Aby zamienić grafit w diament, należy go podgrzać do temperatury 2000°C pod ciśnieniem 1010 Pa. Obecnie opanowano przemysłową produkcję sztucznych diamentów. Sztuczne diamenty są szeroko stosowane w różnych narzędziach skrawających.

Co to jest „punkt potrójny” i jak określić jego współrzędne? Eksperymenty pokazują, że dla każdej substancji istnieją warunki (ciśnienie i temperatura), w których para, ciecz i kryształ mogą współistnieć jednocześnie przez dowolnie długi czas. Na przykład, jeśli umieścisz wodę z pływającym lodem w zamkniętym naczyniu w temperaturze zero stopni, wówczas zarówno woda, jak i lód wyparują do wolnej przestrzeni. Jednakże przy ciśnieniu pary 0,006 atm. (jest to ich „własne” ciśnienie, bez uwzględnienia ciśnienia wytwarzanego przez powietrze) i temperatura 0,01 ° C, wzrost masy pary ustanie. Od tego momentu lód, woda i para zachowują swoje masy na czas nieokreślony. To jest punkt potrójny dla wody (lewy diagram). Jeśli woda lub para zostaną umieszczone w warunkach lewego obszaru, zamienią się w lód. Jeśli dodasz ciecz lub substancję stałą do „dolnego obszaru”, otrzymasz parę. W odpowiednim obszarze woda będzie się skraplać, a lód topnieje.

Podobny diagram można skonstruować dla dowolnej substancji. Celem takich diagramów jest odpowiedź na pytanie: jaki stan materii będzie stabilny przy takim a takim ciśnieniu i takiej a takiej temperaturze. Na przykład diagram po prawej stronie dotyczy dwutlenku węgla. Punkt potrójny tej substancji ma współrzędną „ciśnienia” wynoszącą 5,11 atm, czyli znacznie większą niż normalne ciśnienie atmosferyczne. Dlatego w normalnych warunkach (ciśnienie 1 atm) możemy zaobserwować jedynie przejścia „poniżej punktu potrójnego”, czyli niezależną przemianę ciała stałego w gaz. Przy ciśnieniu 1 atm nastąpi to w temperaturze –78°C (patrz przerywane linie współrzędnych poniżej punktu potrójnego).

Wszyscy żyjemy „w pobliżu” wartości „warunków normalnych”, czyli przede wszystkim pod ciśnieniem bliskim jednej atmosfery. Dlatego jeśli ciśnienie atmosferyczne będzie niższe niż ciśnienie odpowiadające punktowi potrójnemu, po podgrzaniu ciała nie zobaczymy cieczy - ciało stałe natychmiast zamieni się w parę. Dokładnie tak zachowuje się „suchy lód”, co jest bardzo wygodne dla sprzedawców lodów. Brykiety lodowe można przenosić z kawałkami „suchego lodu” i nie należy się obawiać, że lody zamokną. Jeżeli ciśnienie odpowiadające punktowi potrójnemu jest mniejsze niż atmosferyczne, wówczas substancję klasyfikuje się jako „topiącą” - gdy temperatura wzrasta, najpierw zamienia się w ciecz, a następnie wrze.

Jak widać, cechy zagregowanych przemian substancji zależą bezpośrednio od tego, jak aktualne wartości ciśnienia i temperatury odnoszą się do współrzędnych „punktu potrójnego” na wykresie ciśnienie-temperatura.

Na koniec wymieńmy znane Ci substancje, które w normalnych warunkach zawsze sublimują. To jod, grafit, „suchy lód”. Przy ciśnieniach i temperaturach odmiennych od normalnych substancje te można zaobserwować w stanie ciekłym, a nawet wrzącym.

(C) 2013. Fizika.ru z udziałem A.V. Kuznetsova (Samara)

1. Stan stały
2. Stan ciekły
3. Stan gazowy
4. Zmiana stanu materii

Studia chemiczne mają znaczenie. Co to jest „substancja”? Materia to wszystko, co ma masę i objętość. Substancja może znajdować się w jednym z trzech stanów skupienia: ciało stałe, ciecz, gaz.

1. Stan stały

Cząsteczki (cząsteczki) w ciele stałym łączą się w sztywną, powtarzalną strukturę - sieci krystalicznej. Cząstki w sieci krystalicznej podlegają niewielkim wibracjom wokół środków równowagi. Ciało stałe ma formularz I tom.

2. Stan ciekły

W przeciwieństwie do ciał stałych, ciecze nie mają określonego kształtu, ale mają objętość. Wyjaśnia to fakt, że w cieczach cząstki znajdują się w większej odległości od siebie niż w ciałach stałych i poruszają się aktywniej.

Ponieważ cząstki w cieczach są rozmieszczone mniej gęsto niż w ciałach stałych, nie mogą tworzyć sieci krystalicznej, dlatego ciecze nie mają określonego kształtu.

3. Stan gazowy

W gazach cząsteczki znajdują się w jeszcze większych odległościach niż w cieczach. Co więcej, cząstki znajdują się w ciągłym, chaotycznym (nieuporządkowanym) ruchu. Dlatego gazy mają tendencję do równomiernego wypełniania powierzonej im objętości (stąd gazy nie mają określonego kształtu).

4. Zmiana stanu skupienia

Weźmy banalny przykład i prześledźmy proces zmiany stanu wody.

W stanie stałym woda jest lodem. Temperatura lodu jest niższa niż 0 o C. Po podgrzaniu lód zaczyna się topić i zamieniać w wodę. Wyjaśnia to fakt, że cząsteczki lodu znajdujące się w sieci krystalicznej zaczynają się poruszać po podgrzaniu, w wyniku czego sieć ulega zniszczeniu. Nazywa się temperatura, w której topi się substancja "temperatura topnienia" Substancje. Temperatura topnienia wody wynosi 0°C.

Należy zauważyć, że dopóki lód nie całkowicie się stopi, jego temperatura będzie wynosić 0 o C.

Gdy lód całkowicie zamieni się w wodę, będziemy kontynuować ogrzewanie. Temperatura wody wzrośnie, a ruch cząstek pod wpływem ciepła będzie coraz bardziej przyspieszał. Dzieje się tak, dopóki woda nie osiągnie następnego punktu zmiany - wrzenie.

Ten moment następuje, gdy wiązania cząsteczek wody zostają całkowicie zerwane i ich ruch staje się swobodny: woda zamienia się w parę.

Nazywa się temperaturę, w której wrze ciecz „punkt wrzenia”.

Należy pamiętać, że temperatura wrzenia zależy od ciśnienia. Przy normalnym ciśnieniu (760 mm Hg) temperatura wrzenia wody wynosi 100 o C.

Analogicznie do topienia: dopóki woda całkowicie nie zamieni się w parę, temperatura pozostanie stała.

Podsumować. W wyniku ogrzewania otrzymaliśmy różne stany fazowe wody:

Lód → woda → para Lub N 2 0 (t) → N 2 0 (g) → N 2 0 (g)

Co się stanie, jeśli zaczniemy chłodzić parę wodną? Nie trzeba być „najlepszym uczniem”, aby zgadnąć, że w wodzie będzie zachodził odwrotny proces przemian fazowych:

Para → woda → lód

Istnieją pewne substancje, które przechodzą ze stanu stałego bezpośrednio do stanu gazowego, z pominięciem fazy ciekłej. Proces ten nazywa się sublimacja Lub sublimacja. Tak zachowuje się na przykład „suchy lód” (dwutlenek azotu CO 2). Po podgrzaniu nie zobaczysz ani kropli wody - „suchy lód” będzie wydawał się wyparowywać na twoich oczach.

Nazywa się odwrotny proces sublimacji (przejścia substancji ze stanu gazowego do stanu stałego). desublimacja.