Trabalho independente em física Estados agregados da matéria Fusão e solidificação de corpos cristalinos para alunos do 8º ano. O trabalho independente consiste em 2 opções em cada uma das 5 tarefas.

1 opção

1. Como as velocidades das moléculas e os intervalos entre elas mudam durante a fusão e a solidificação? Qual processo é acompanhado por um aumento e qual diminuição na energia interna?

2. O que acontece ao gelo à temperatura zero quando é imerso em água à mesma temperatura?

3. O que vai baixar mais a temperatura da água morna: um pedaço de gelo ou a mesma quantidade de água à temperatura zero?

4. No outono, a água era deixada nos canos e, na primavera, os canos haviam estourado. Por quê?

5. Às vezes, chips e “estrelas” aparecem no para-brisa de um carro. A razão para isso é o impacto das pedras dos carros da frente. Por que esses defeitos de vidro precisam ser removidos antes da primeira geada?

opção 2

1. O estanho é transferido de um estado de agregação para outro. Tornou-se sólido ou derretido se se sabe que aumentou sua energia interna?

2. Em que caso a água será aquecida a uma temperatura mais alta: se o estanho líquido for derramado na temperatura de solidificação ou se o estanho sólido for jogado na temperatura de fusão?

3. Por que um grande recipiente com água colocado no porão salva os vegetais da primeira geada?

4. Às vezes, garrafas de água deixadas no freezer quebram. Por quê?

5. Onde e quando os pingentes de gelo se formam?

Respostas para trabalhos independentes em física Estados agregados da matéria Fusão e solidificação de corpos cristalinos
1 opção
1. Durante a fusão, a velocidade das moléculas aumenta, enquanto solidifica, pelo contrário, diminui. Ao derreter, a energia interna aumenta, quando solidificado, diminui.
2. O gelo certamente flutuará na água, porque a densidade do gelo é menor que a densidade da água, mas o gelo definitivamente não derreterá, pois não receberá calor para derreter da água, pois a troca de calor na mesma temperatura é impossível.
3. Um pedaço de gelo, pois, além do aquecimento, uma certa quantidade de calor será gasta no derretimento do gelo.
4. Ao congelar, a água se expande.
5. Como a água vai entrar nessas lascas e ao congelar, o volume de gelo será maior que o volume de água e o gelo continuará destruindo o vidro, aumentando o tamanho da lasca e da rachadura.
opção 2
1. Ele derreteu porque aumentou a energia interna. E o endurecimento é caracterizado pelo fato de liberar essa energia.
2. Se você derramar a lata líquida na temperatura de solidificação.
3. Se de repente houver uma forte onda de frio, a água congelará. Quando a água congela, algum calor é liberado.
4. Ao congelar, o volume de água aumenta.
5. Pingentes de gelo se formam quando a água de um local onde a temperatura está acima de zero flui lentamente para onde a temperatura está abaixo de zero. Por exemplo: o sol aquece o telhado e a neve derrete sobre ele.

A passagem de uma substância de um estado cristalino sólido para um estado líquido é chamada Derretendo. Para derreter um corpo cristalino sólido, ele deve ser aquecido a uma certa temperatura, ou seja, deve ser fornecido calor.A temperatura na qual uma substância se funde é chamadao ponto de fusão da substância.

O processo inverso - a passagem do estado líquido para o sólido - ocorre quando a temperatura cai, ou seja, o calor é removido. A passagem de uma substância do estado líquido para o estado sólido é chamada deendurecimento , ou cristallise . A temperatura na qual uma substância cristaliza é chamadatemperatura do cristalções .

A experiência mostra que qualquer substância cristaliza e funde na mesma temperatura.

A figura mostra um gráfico da dependência da temperatura de um corpo cristalino (gelo) com o tempo de aquecimento (do ponto MAS ao ponto D) e tempo de resfriamento (do ponto D ao ponto k). Mostra o tempo no eixo horizontal e a temperatura no eixo vertical.

Pode-se ver no gráfico que a observação do processo começou a partir do momento em que a temperatura do gelo era de -40 °C, ou, como dizem, a temperatura no momento inicial do tempo tcedo= -40 °С (ponto MAS no gráfico). Com mais aquecimento, a temperatura do gelo aumenta (no gráfico, esta é a área AB). A temperatura sobe para 0 °C, o ponto de fusão do gelo. A 0°C, o gelo começa a derreter e sua temperatura para de subir. Durante todo o tempo de fusão (ou seja, até que todo o gelo tenha derretido), a temperatura do gelo não muda, embora o queimador continue a queimar e, portanto, o calor seja fornecido. O processo de fusão corresponde à seção horizontal do gráfico Sol . Somente depois que todo o gelo derreteu e se transformou em água é que a temperatura começa a subir novamente (seção CD). Após a temperatura da água atingir +40 ° C, o queimador se apaga e a água começa a esfriar, ou seja, o calor é retirado (para isso, um recipiente com água pode ser colocado em outro recipiente maior com gelo). A temperatura da água começa a cair (seção DE). Quando a temperatura atinge 0 °C, a temperatura da água para de diminuir, apesar do calor ainda ser removido. Este é o processo de cristalização da água - a formação de gelo (seção horizontal EF). Até que toda a água vire gelo, a temperatura não mudará. Só depois disso a temperatura do gelo começa a diminuir (seção FK).

A visualização do gráfico considerado é explicada a seguir. Localização em AB devido à entrada de calor, a energia cinética média das moléculas de gelo aumenta e sua temperatura aumenta. Localização em Sol toda a energia recebida pelo conteúdo do frasco é gasta na destruição da rede cristalina do gelo: o arranjo espacial ordenado de suas moléculas é substituído por desordenado, a distância entre as moléculas muda, ou seja. as moléculas são rearranjadas de tal forma que a substância se torna líquida. A energia cinética média das moléculas não muda, então a temperatura permanece inalterada. Um novo aumento na temperatura da água gelada derretida (na área CD) significa um aumento da energia cinética das moléculas de água devido ao calor fornecido pelo queimador.

Ao resfriar a água (seção DE) parte da energia é retirada dele, as moléculas de água se movem em velocidades mais baixas, sua energia cinética média cai - a temperatura diminui, a água esfria. A 0°C (seção horizontal EF) as moléculas começam a se alinhar em uma determinada ordem, formando uma rede cristalina. Até que esse processo seja concluído, a temperatura da substância não mudará, apesar do calor removido, o que significa que, ao solidificar, o líquido (água) libera energia. Essa é exatamente a energia que o gelo absorveu, transformando-se em líquido (seção Sol). A energia interna de um líquido é maior que a de um sólido. Durante a fusão (e cristalização), a energia interna do corpo muda abruptamente.

Os metais que fundem a temperaturas acima de 1650 ºС são chamados refratário(titânio, cromo, molibdênio, etc.). O tungstênio tem o ponto de fusão mais alto entre eles - cerca de 3400 ° C. Metais refratários e seus compostos são usados ​​como materiais resistentes ao calor na construção de aeronaves, foguetes e tecnologia espacial e energia nuclear.

Ressaltamos mais uma vez que durante a fusão, a substância absorve energia. Durante a cristalização, pelo contrário, dá-o ao ambiente. Recebendo uma certa quantidade de calor liberado durante a cristalização, o meio se aquece. Isso é bem conhecido por muitos pássaros. Não é à toa que eles podem ser vistos no inverno em climas gelados sentados no gelo que cobre rios e lagos. Devido à liberação de energia durante a formação do gelo, o ar acima dele fica vários graus mais quente do que na floresta nas árvores, e os pássaros se aproveitam disso.

Fusão de substâncias amorfas.

A presença de um certo Pontos de fusãoé uma característica importante das substâncias cristalinas. É com base nisso que eles podem ser facilmente distinguidos dos corpos amorfos, que também são classificados como sólidos. Estes incluem, em particular, vidro, resinas muito viscosas e plásticos.

Substâncias amorfas(ao contrário do cristalino) não têm um ponto de fusão específico - eles não derretem, mas amolecem. Quando aquecido, um pedaço de vidro, por exemplo, primeiro torna-se macio a partir do duro, pode ser facilmente dobrado ou esticado; a uma temperatura mais elevada, a peça começa a mudar de forma sob a influência da sua própria gravidade. À medida que aquece, a espessa massa viscosa toma a forma do recipiente em que se encontra. Essa massa é a princípio espessa, como mel, depois como creme azedo e, finalmente, torna-se um líquido quase tão pouco viscoso quanto a água. No entanto, é impossível indicar aqui uma temperatura específica para a transição de um sólido para um líquido, pois ela não existe.

As razões para isso residem na diferença fundamental entre a estrutura dos corpos amorfos e a estrutura dos cristalinos. Os átomos em corpos amorfos são arranjados aleatoriamente. Corpos amorfos em sua estrutura se assemelham a líquidos. Já no vidro maciço, os átomos são dispostos aleatoriamente. Isso significa que um aumento na temperatura do vidro apenas aumenta a gama de vibrações de suas moléculas, dando-lhes gradativamente mais e mais liberdade de movimento. Portanto, o vidro amolece gradativamente e não exibe a transição acentuada "sólido-líquido" característica da transição do arranjo das moléculas em uma ordem estrita para uma ordem desordenada.

Calor derretido.

Calor derretido- esta é a quantidade de calor que deve ser transmitida a uma substância a pressão constante e temperatura constante igual ao ponto de fusão para transferi-la completamente de um estado sólido cristalino para um líquido. O calor de fusão é igual à quantidade de calor liberada durante a cristalização de uma substância do estado líquido. Durante a fusão, todo o calor fornecido à substância vai aumentar a energia potencial de suas moléculas. A energia cinética não muda porque a fusão ocorre a uma temperatura constante.

Estudando experimentalmente a fusão de várias substâncias de uma mesma massa, pode-se perceber que diferentes quantidades de calor são necessárias para transformá-las em líquido. Por exemplo, para derreter um quilo de gelo, você precisa gastar 332 J de energia e para derreter 1 kg de chumbo - 25 kJ.

A quantidade de calor liberada pelo corpo é considerada negativa. Portanto, ao calcular a quantidade de calor liberada durante a cristalização de uma substância com massa m, você deve usar a mesma fórmula, mas com um sinal de menos:

Calor de combustão.

Calor de combustão(ou valor calórico, calorias) é a quantidade de calor liberada durante a combustão completa do combustível.

Para aquecer corpos, muitas vezes é utilizada a energia liberada durante a combustão do combustível. O combustível convencional (carvão, óleo, gasolina) contém carbono. Durante a combustão, os átomos de carbono se combinam com os átomos de oxigênio no ar, resultando na formação de moléculas de dióxido de carbono. A energia cinética dessas moléculas acaba sendo maior que a das partículas iniciais. O aumento da energia cinética das moléculas durante a combustão é chamado de liberação de energia. A energia liberada durante a combustão completa do combustível é o calor de combustão deste combustível.

O calor de combustão do combustível depende do tipo de combustível e sua massa. Quanto maior a massa do combustível, maior a quantidade de calor liberada durante sua combustão completa.

A quantidade física que mostra quanto calor é liberado durante a combustão completa de combustível pesando 1 kg é chamada calor específico de combustão do combustível.O calor específico de combustão é representado pela letraqe é medido em joules por quilograma (J/kg).

Quantidade de calor Q liberado durante a combustão m kg de combustível é determinado pela fórmula:

Para encontrar a quantidade de calor liberada durante a combustão completa de um combustível de massa arbitrária, é necessário multiplicar o calor específico de combustão desse combustível por sua massa.

7. Fusão e cristalização (§ 12-14)

1. Estude o material de estudo
Estados agregados da matéria

Fusão e Cristalização

2. Teste a si mesmo. Testes "Estados agregados da matéria", "Fusão e solidificação"

3. Responda às perguntas:
1. Como as velocidades das moléculas e os intervalos entre elas mudam durante a fusão e a solidificação? Qual processo é acompanhado por um aumento e qual diminuição na energia interna do corpo?
2. O que acontecerá ao gelo à temperatura zero se for imerso em água à mesma temperatura?
3. O que vai baixar mais a temperatura da água morna: um pedaço de gelo ou a mesma quantidade de água na temperatura zero?
4. Usando a tabela "Ponto de fusão", descubra: em que estado está o estanho a uma temperatura de 230 ° C; aço a 1503°C; nitrogênio a uma temperatura de - 215 ° C?
5. Usando o gráfico, responda às perguntas:

Qual é a temperatura inicial do corpo?
- em que momento começou o derretimento do corpo?
- com que substância ocorreram processos térmicos?
- em que estado estava o corpo 3 minutos após o início do aquecimento?
- quanto tempo o corpo derreteu?
- em que estado estava o corpo 8 minutos após o início do aquecimento?
6. Construa um gráfico dos processos térmicos que ocorrem com o corpo:
água: 80°С —› - 10°С

Se o gelo for colocado em um recipiente e colocado sobre um queimador em funcionamento, o recipiente aquecerá e o gelo começará a derreter. No entanto, até que todo o gelo se liquefaça, a temperatura da água não subirá acima de 0°C (32°F), independentemente de quão quente esteja o fogão. Isso se deve ao fato de que todo o calor fornecido ao gelo vai para vencer as forças físicas que unem suas moléculas.

No gelo, as moléculas de água são mantidas juntas por ligações intermoleculares formadas entre o átomo de hidrogênio (mostrado em azul) de uma molécula e o átomo de oxigênio (mostrado em vermelho) da outra. A estrutura cristalina hexagonal resultante tem uma resistência bastante alta. A 0°C, as moléculas movem-se tão rapidamente que as ligações são enfraquecidas. Algumas das ligações intermoleculares são quebradas, permitindo que as moléculas de água deixem o gelo para formar um líquido. Tal processo é chamado de transição de fase (a água muda de uma fase sólida para uma fase líquida), e a temperatura na qual ocorre é chamada de ponto de fusão.

Para quebrar as ligações que permitem que a água fique no estado sólido, é necessária energia, e em quantidade muito grande, então todo o calor liberado pelo queimador vai para a quebra dessas ligações, e não para o aumento da temperatura do gelo. O calor necessário para completar a transformação de fase descrita acima é chamado de calor latente de fusão ou calor de transição de fase, pois esse calor não leva a um aumento de temperatura. Somente depois que as últimas ligações forem quebradas e todo o gelo derreter, a temperatura da água começará a aumentar e passará dos 0°C.

Como o gelo derrete

1. No gelo, as moléculas de água se movem tão lentamente que permanecem sempre conectadas umas às outras, formando um corpo sólido. Quando o calor é adicionado ao gelo (mostrado como bolas amarelas na figura à direita), as moléculas de água ganham energia extra e se movem mais rápido, mas ainda estão unidas como gelo.
2. Se o fornecimento de calor continuar, as moléculas de água na superfície do gelo aumentam a velocidade de seus movimentos oscilatórios, quebrando as ligações intermoleculares que anteriormente as mantinham no lugar. Essas moléculas saem do gelo e formam a fase líquida da água. O fornecimento adicional de calor leva à destruição das ligações intermoleculares restantes e ao derretimento gradual do gelo.
3. O fornecimento contínuo de calor eventualmente dá à última das moléculas de água congelada energia suficiente para superar as ligações intermoleculares que as mantêm unidas como gelo. Toda a água agora é líquida.

Gelo, água e temperatura

Quando o calor é aplicado ao gelo (figura à esquerda), sua temperatura primeiro aumenta. No entanto, a 0°C (32°F), o aumento da temperatura para e ocorre uma transição de fase: o gelo começa a derreter. Como mostra a curva azul no gráfico, a entrada de calor adicional leva a um maior derretimento do gelo sem aumentar a temperatura da água. Somente depois que todo o gelo passar para o estado líquido (figura acima do texto), o fornecimento adicional de calor leva a um aumento da temperatura da água.