Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели: формирование понятия о плавлении и кристаллизации тел, температуре плавления и кристаллизации; развитие умений применять полученные знания к решению простейших задач, развитие кругозора учащихся, воспитание интереса к предмету, воспитание всесторонне развитой личности.

Необходимое оборудование: АРМ учителя, уроки физики Кирилла и Мефодия для 8 класса, кусочки льда, свеча, спички.

Пояснения: ответы учащихся в тексте выделены курсивом.

План урока:

1. Организационный момент.
2. Изучение нового материала.
3. Закрепление.
4. Домашнее задание.
5. Итоги урока.

ХОД УРОКА

1. Организационный момент

– Сегодня на уроке мы поговорим о различных состояниях вещества, узнаем, при каких условиях вещество может находиться в том или ином состоянии и что необходимо сделать для превращения вещества из одного состояния в другое.

2. Изучение нового материала

– Рассмотрим рисунки (слайд 2). Как вы думаете, что их объединяет?

– На рисунках показана вода в трех различных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

– Верно. Не только у воды, но и у любого другого вещества есть три состояния. Как называют эти состояния?

–

– Может ли вещество переходить из одного состояния в другое? Например, можно ли превратить лед в воду?

– Да.

– Каким образом это сделать?

– Нужно нагреть его.

– Вы почти правы. Правильнее будет сказать, что мы сообщаем льду некоторое количество теплоты. Тогда что такое количество теплоты?

– Количество теплоты – это энергия, которую тело получает или отдает в процессе теплопередачи.

– А что такое внутренняя энергия?

– Внутренняя энергия – энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

– Проведем эксперимент. Один кусочек льда оставим на тарелке и проследим, что будет с ним происходить, а второму передадим некоторое количество теплоты от свечи. Какой кусок льда быстрее превращается в воду и почему?

– Во втором случае процесс перехода льда в воду происходит быстрее, так как второй кусок льда получает большее количество теплоты от свечи, чем первый кусок из окружающей среды.

– Верно. Значит, быстрее превращается в воду тот кусок льда, которому сообщили больше энергии.

– Найдите в учебнике (стр.31), как называется процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое?

Процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением (слайд 3)

– Это и есть тема нашего урока. Запишем в тетради – Плавление тел.

– Рассмотрим процесс плавления с помощью фрагмента (уроки физики Кирилла и Мефодия для 8 класса). Ваша задача – обратить внимание, меняется ли температура в течение этого процесса.

– Температура в процессе плавления не меняется.

– Верно. Теперь найдите в учебнике (стр.32), как называется процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое?

Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристаллизацией (слайд 4)

– Рассмотрим и этот процесс с помощью фрагмента (электронные уроки физики Кирилла и Мефодия для 8 класса). Менялась ли температура в течение всего процесса отвердевания?

– Температура в процессе отвердевания не менялась.

– Запомним, что в процессе плавления и отвердевания температура вещества не меняется. Почему это происходит, мы рассмотрим на следующем уроке.

– Для того чтобы начался процесс плавления, тело должно иметь определенную температуру. Как её называют?

Температуру, при которой вещество плавится, называют его температурой плавления.

– Правильно! Значит, температура плавления – это температура, выше которой вещество в твердом состоянии находиться не может. Найдите в таблице температур плавления температуру плавления льда.

– Она равна 0 о С.

– А при какой температуре отвердевает вода?

– Вода отвердевает тоже при 0 о С.

– Правильно. Значит, вещества отвердевают при той же температуре, при которой они плавятся.
С помощью графика (слайд 5) рассмотрим процесс перехода льда из твердого состояния в жидкое (Перышкин А.В., стр.33).
Наблюдение за процессом началось с того момента, когда температура льда была –20 о С. При дальнейшем нагревании температура льда росла до тех пор, пока не достигла 0 о С. В этот момент лед начал плавиться, а его температура перестала расти. В течение всего времени плавления температура льда не менялась, хотя ему продолжали сообщать энергию.
При достижении 20 о С веществу перестали сообщать энергию: вода стала охлаждаться, и при 0 о С начался процесс кристаллизации воды. В течение всего времени отвердевания температура вещества снова не менялась. Также из графика видно, что температура плавления равна температуре кристаллизации.

3. Закрепление

1. На графике (слайд 6) показано, как со временем изменяется температура при нагревании и охлаждении свинца. Какому состоянию соответствует каждый из участков графика?

АВ, ВС – твердое состояние, CD – плавление,
DE, EF – жидкое состояние, FG – кристаллизация, GH – твердое состояние.

2. В эксперименте отдельно нагревали до 1000 о С алюминий, железо, медь, цинк, сталь, серебро и золото (слайд 7, 8). В каком состоянии – жидком или твердом – находились эти металлы при указанной температуре?

3. На рисунках (слайд 2) показана вода в трех различных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

– Как называют эти состояния?

– Их называют агрегатными состояниями.

– Может ли вещество переходить из одного состояния в другое?
Да. Передавая молекулам твердого тела энергию, можно перевести вещество из твердого состояния в жидкое, а из жидкого – в газ. Отнимая энергию у молекул газа, можно получить жидкость, а из неё – твердое тело.

4. – Начинаем нагревать лед, взятый при температуре – 10 о С. Что происходит с температурой?

– Температура льда будет увеличиваться.

– Температура льда достигла 0 о С. Лед начинает плавиться. Что происходит с его температурой?

– Температура перестает меняться до конца всего процесса плавления.

– Лед полностью превратился в воду. Процесс нагревания продолжается. Меняется ли температура? Каким образом?

– Температура уже воды снова увеличивается?

5. Меняется ли температура вещества в процессе кристаллизации?

Любое тело может находиться в разных агрегатных состояниях при определенных температуре и давлении - в твердом, жидком, газообразном и плазменном состояниях.

Для перехода из одного агрегатного состояния в другое происходит при условии, что нагревание тела из вне происходит быстрее, чем его охлаждение. И наоборот, если охлаждение тела из вне происходит быстрее, чем нагрев тела за счет его внутренней энергии.

При переходе в другое агрегатное состояние вещество остается прежним, останутся те же молекулы, изменится только их взаимное расположение, скорость движения и силы взаимодействия друг с другом.

Т.е. изменение внутренней энергии частиц тела переводит его из одной фазы состояния в другую. При этом это состояние может поддерживаться в большом температурном интервале внешней среды.

При изменении агрегатного состояния нужно определенное количество энергии. И в процессе перехода энергия тратится не на изменение температуры тела, а на изменение внутренней энергии тела.

Отобразим на графике зависимость температуры тела T (при постоянном давлении) от количества подаваемого к телу тепла Q при переходе из одного агрегатного состояния в другое.

Рассмотри тело массой m , которое находится в твердом состоянии с температурой T 1 .

Тело переходит не моментально из одного состояния в другое. Сначала нужна энергия на изменение внутренней энергии, а на это нужно время. Скорость перехода зависит от массы тела и его теплоёмкости.

Начнем нагревать тело. Через формулы можно записать так:

Q = c⋅m⋅(T 2 -T 1)

Столько тепла тело должно усвоить, чтобы нагреться с температуры T 1 до T 2 .

Переход твердого тела в жидкое

Далее при критической температуре T 2 , которая для каждого тела своя, начинают рушиться межмолекулярные связи и тело переходит в другое агрегатное состояние - жидкость, т.е. межмолекулярные связи слабеют, молекулы начинаю перемещаться с большей амплитудой с большей скоростью и большей кинетической энергией. Поэтому температура одного и того же тела в жидком состоянии выше, чем в твердом.

Для того чтобы всё тело перешло из твердого состояния в жидкое, нужно время на накопление внутренней энергии. В это время вся энергия идет не на нагрев тела, а на разрушение старых межмолекулярных связей и создание новых. Количество энергии нужно:

λ - удельная теплота плавления и кристаллизации вещества в Дж/кг, для каждого вещества своя.

После того как всё тело перешло в жидкое состояние, эта жидкость опять начинает нагреваться по формуле: Q = c⋅m⋅(T-T 2); [Дж].

Переход тела из жидкого состояния в газообразное

При достижении новой критической температуры Т 3 , начинается новый процесс перехода из жидкого состояния в парообразный. Чтобы дальше перейти из жидкости в пар, нужно затратить энергии:

r - удельная теплота газообразования и конденсации вещества в Дж/кг, для каждого вещества своя.

Заметим, что возможен переход из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс именуется возгонкой , а обратный ему процесс - десублимацией .

Переход тела из газообразного состояния в плазменное

Плазма - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

Плазма обычно возникает при высокой температуре, от нескольких тысяч °С и выше. По способу образования различают два вида плазмы: термическую, возникающую при нагревании газа до высоких температур, и газообразную, образующуюся при электрических разрядах в газовой среде.

Этот процесс очень сложный и имеет простого описания, да и нам в бытовых условиях он не достижим. Поэтому не будем подробно останавливаться на этом вопросе.

Мы живем на поверхности твердого тела - земного шара, в сооружениях, построенных из твердых тел, - домах. Наше тело, хотя и содержит приблизительно 65% воды (мозг - 80%), тоже твердое. Орудия труда, машины также сделаны из твердых тел. Знать свойства твердых тел жизненно необходимо.

В § 2.6 было кратко описано молекулярное строение твердых кристаллических тел. Теперь мы рассмотрим подробнее их свойства и строение.

Кристаллы

Если рассматривать при помощи лупы или микроскопа крупинки сахара, соли, медного купороса, нафталина и т. п., то можно заметить, что они ограничены плоскими, как бы шлифованными гранями. Наличие таких естественных граней является признаком нахождения вещества в кристаллическом состоянии. Кристаллом* называется тело определенной геометрической формы, ограниченное естественными плоскими гранями.

* От греческого слова krystallos - буквально: лед.

Монокристаллы и поликристаллические тела

Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом.

На рисунке 8.1 изображен крупный монокристалл кварца (горного хрусталя). Маленькая крупинка сахарного песка тоже является монокристаллом. Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить металлический монокристалл больших размеров.

Большинство кристаллических тел состоит из множества беспорядочно расположенных и сросшихся между собой мелких кристалликов. Такие тела называются поликристаллическими. Поликристаллическими являются все металлы и минералы. Кусок сахара тоже поликристаллическое тело.

Форма и размеры кристаллов

Кристаллы различных веществ имеют разнообразную форму. На рисунке 8.2 изображены кристаллы: каменной соли 1, берилла 2, алмаза 3, граната 4, кварца 5, турмалина 6, изумруда 7 и кальцита 8. Один из видов кристаллов льда, образующих причудливые формы снежинок (рис. 8.3), представляет собой правильную шестиугольную призму (рис. 8.4).

Размеры кристаллов тоже разнообразны. Одни кристаллы крупны и легко различимы невооруженным глазом, другие же настолько малы, что могут быть рассмотрены только в микроскоп.

Размеры кристаллов поликристаллического типа могут с течением времени изменяться. Так, мелкие кристаллы железа и стали переходят в крупные. Этот переход ускоряется при ударах и сотрясениях. Он постоянно происходит в железнодорожных рельсах, вагонных осях, стальных мостах, отчего прочность этих сооружений с течением времени уменьшается.

Полиморфизм

Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях (модификациях). Это свойство называется полиморфизмом (многоформностью). У льда, например, известно до десяти различных модификаций, которые получают в лабораториях. В природе же встречается только один вид (см. рис. 8.4).

Особо важное значение для техники имеет полиморфизм углерода - углерод кристаллизуется в двух модификациях: графит и алмаз. Графит - мягкий материал матово-черного цвета. Из него, например, изготавливают грифели карандашей. Алмаз совершенно не похож на графит. Это прозрачный и очень твердый кристалл. При температуре около 150 °С (при нагревании в вакууме) алмаз превращается в графит. Чтобы графит превратить в алмаз, его нужно нагреть до 2000 °С под давлением 1010Па. В настоящее время освоено промышленное производство искусственных алмазов. Искусственные алмазы широко используются в различных режущих инструментах.

Что же такое «тройная точка» и как определить её координаты? Опыты показывают, что для каждого вещества существуют условия (давление и температура), при которых пар, жидкость и кристалл могут сосуществовать одновременно сколь угодно долго. Например, если поместить в закрытый сосуд при нуле градусов воду с плавающим льдом, то в свободное пространство будут испаряться и вода, и лёд. Однако при давлении паров 0,006 атм. (это «собственное» их давление, без учёта давления, создаваемого воздухом) и температуре 0,01 °С увеличение массы пара прекратится. С этого момента лёд, вода и пар будут сохранять свои массы сколь угодно долго. Это и есть тройная точка для воды (левая диаграмма). Если в условия левой области поместить воду или пар, то они станут льдом. Если в «нижнюю область» внести жидкость или твёрдое тело, то получится пар. В правой области вода будет конденсироваться, а лёд плавиться.

Аналогичную диаграмму можно построить для любого вещества. Цель таких диаграмм – дать ответ на вопрос: какое состояние вещества будет устойчивым при таком-то давлении и такой-то температуре. Например, правая диаграмма построена для углекислого газа. Тройная точка для этого вещества имеет координату «давление» 5,11 атм, то есть значительно больше, чем нормальное атмосферное давление. Поэтому при обычных условиях (давление 1 атм) мы можем наблюдать только переходы «ниже тройной точки», то есть самостоятельное превращение твёрдого тела в газ. При давлении 1 атм это будет происходить при температуре –78 °С (см. пунктирные линии координат ниже тройной точки).

Все мы живём «около» значений «нормальных условий», т. е. прежде всего при давлении, близком к одной атмосфере. Поэтому, если атмосферное давление, ниже давления, соответствующего тройной точке, при нагревании тела мы не увидим жидкости, – твёрдое вещество будет превращаться сразу в пар. Именно так и ведёт себя «сухой лёд», что очень удобно для продавцов мороженого. Брикеты мороженого можно перекладывать кусками «сухого льда» и не бояться при этом, что мороженое намокнет. Если же давление, соответствующее тройной точке, меньше атмосферного, то вещество относится к «плавящимся» – при повышении температуры оно сначала превращается в жидкость, а потом закипает.

Как видите, особенности агрегатных превращений веществ напрямую зависят от того, как текущие значения давления и температуры соотносятся с координатами «тройной точки» на диаграмме «давление-температура».

И в заключение назовём известные вам вещества, всегда сублимирующие при нормальных условиях. Это йод, графит, «сухой лёд». При давлениях и температурах, отличных от нормальных, эти вещества вполне можно наблюдать и в жидком, и даже в кипящем состоянии.

(C) 2013. Физика.ru при участии А.В.Кузнецовой (г. Самара)

1. Твердое состояние
2. Жидкое состояние
3. Газообразное состояние
4. Изменение состояния вещества

Химия изучает вещество. Что же такое "вещество"? Вещество - это все то, что имеет массу и объем. Вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком, газообразном .

1. Твердое состояние

Частицы (молекулы) в твердом теле объединены в жесткую повторяющуюся конструкцию - кристаллическую решетку . Частицы в кристаллической решетке совершают небольшие колебания около центров равновесия. Твердое тело имеет форму и объем .

2. Жидкое состояние

В отличие от твердых тел, жидкость не имеет определенной формы, но имеет объем. Это объясняется тем, что в жидкостях частицы находятся на большем расстоянии друг от друга, чем в твердых телах и двигаются активнее.

Поскольку частицы в жидкостях располагаются менее плотно, чем в твердых телах, то они не могут образовать кристаллическую решетку, следовательно жидкости не имеют определенной формы.

3. Газообразное состояние

В газе частицы находятся еще на больших расстояниях, чем в жидкостях. Мало того - частицы постоянно находятся в хаотическом (беспорядочном) движении. Поэтому газы стремятся равномерно заполнить, предоставленный им, объем (отсюда следует тот факт, что у газов нет определенной формы).

4. Изменение состояния вещества

Возьмем банальный пример и проследим за процессом изменения состояния воды.

В твердом состоянии вода - это лед. Температура льда меньше 0 о С. При нагревании лед начинает плавиться и превращаться в воду. Это объясняется тем, что частицы льда, находящиеся в кристаллической решетке, при нагревании начинают двигаться, вследствие этого решетка разрушается. Температура, при которой происходит плавление вещества, называется "точкой плавления" вещества. Точка плавления воды равна 0 о С.

Следует заметить, что до тех пор пока лед полностью не расплавится, температура льда будет 0 о С.

После того, как лед полностью превратился в воду, мы продолжим нагрев. Температура воды будет повышаться, а движение частиц под действием тепла все более ускоряться. Это происходит до тех пор, пока вода не достигнет следующей своей точки изменения состояния - кипения .

Этот момент наступает когда связи частиц воды полностью разрываются и их движение становится свободным: вода превращается в пар.

Температура, при которой жидкость закипает, называют "точкой кипения" .

Следует обратить внимание, что температура кипения зависит от давления. При нормальном давлении (760 мм. рт. ст.) температура кипения воды составляет 100 о С.

По аналогии с плавлением: пока вода полностью не превратится в пар - температура будет постоянной.

Подведем итог. В результате нагревания мы получили разные фазовые состояния воды:

Лед → вода → пар или Н 2 0 (т) → Н 2 0 (ж) → Н 2 0 (г)

Что же произойдет, если мы начнем охлаждать водяной пар? Не надо быть "семи пядей во лбу", чтобы догадаться - пойдет обратный процесс фазовых изменений воды:

Пар → вода → лед

Существуют некоторые вещества, которые из твердого состояния переходят сразу в газообразное, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией или возгонкой . Так, например, ведет себя "сухой лед" (двуокись азота СО 2). При его нагревании вы не увидите ни капли воды, - "сухой лед" будет как бы испаряться на глазах.

Процесс, обратный сублимации (переход вещества из газа в твердое состояние), называется десублимация .