Чему равна удельная теплота плавления

Как известно, существуют три агрегатных состояния веществ: твердое, жидкое и газообразное. Твердые тела при определенной температуре становятся жидкостями. Для каждого вещества характерна своя температура, при которой оно переходит в жидкое состояние. Эта температура называется температурой плавления вещества, а сам процесс называется плавлением.

Так, лед плавится при 0 °C, кислород — при –218 °C, железо — при 1539 °C.

Когда вещество находится ниже температуры своего плавления, то оно остается твердым. При этом если оно поглощает тепло, то его температура увеличивается. Однако до температуры плавления агрегатное состояние вещества меняться не будет. Когда температура вещества становится равной его температуре плавления, то оно начинает переходить в жидкое состояние. Это не одномоментный процесс, вещество плавится на протяжении какого-то времени (скорость плавления зависит от количества сообщающегося веществу тепла в единицу времени). Во время плавления тепло продолжает поглощаться, но температура вещества не увеличивается. Когда вещество полностью перейдет в жидкое состояние, то поглощенное им тепло уже снова будет увеличивать его температуру.

Куда же уходит энергия (тепло) при плавлении вещества, если его температура не увеличивается? Как известно, температура определяется кинетической энергией молекул вещества. То есть чем быстрее двигаются молекулы, тем выше температура. В твердых веществах молекулы (или атомы) составляют кристаллическую решетку, а, следовательно, могут колебаться только около своих мест. Когда достигается температура плавления, то сила их колебаний становится больше силы межмолекулярного (межатомного) взаимодействия, удерживающего частицы в кристаллической решетке. В это время энергия тратится уже не на увеличение кинетической энергии частиц, а на разрыв связей, на увеличение потенциальной энергии взаимодействия частиц. А поскольку кинетическая энергия при этом не увеличивается, то не увеличивается и температура.

Различные вещества имеют разную энергию химических связей, а, следовательно, им требуется различное количество тепла для разрушения кристаллической решетки. Поэтому в физике вводится такая величина, как удельная теплота плавления, которая численно равна количеству теплоты, которое поглощает 1 кг вещества, чтобы полностью перейти из твердого состояния в жидкое. Понятно, что это происходит при температуре плавления вещества.

Удельная теплота плавления обозначается греческой буквой лямбда — λ. Ее единицей измерения является Дж/кг.

Не следует путать такие понятия, как температура плавления вещества и его удельная теплота плавления. Так, например, температура плавления льда 0 °C, а его удельная теплота плавления 3,4 · 105 Дж/кг. Это значит, что лед начинает плавиться, когда его температура достигает 0 °C. При этом на каждый его килограмм будет поглощено 3,4 · 105 Дж тепла до полного перехода в воду.

Существует обратный плавлению процесс — кристаллизация. При этом вещество переходит из жидкого состояния в твердое. Происходит это при понижении температуры, когда температура самого вещества становится равной температуре его плавления. То есть температура плавления одновременно является и температурой кристаллизации.

Во время кристаллизации энергия не поглощается, а выделяется. Это происходит из-за того, что формируется кристаллическая решетка, а, как известно, при образовании химических связей энергия выделяется. При этом количество энергии такое же, какое поглощается при разрушении этой решетки, то есть при плавлении вещества. Таким образом удельная теплота плавления и удельная теплота кристаллизации равны друг другу по значению. Однако при плавлении внутренняя энергия тела увеличивается на это значение (за счет поглощения тепла), а при кристаллизации уменьшается (за счет выделения тепла).

Чтобы найти теплоту, которая поглощается при плавлении вещества или выделяется при его кристаллизации, надо умножить удельную теплоту плавления этого вещества на его массу:

Q = λm.