Topnienie i krzepnięcie

Podczas wypraw wysokogórskich alpiniści pozyskują wodę roztapiając lód (lub śnieg) przy pomocy kuchenek turystycznych. Zmiana stanu ciała ze stałego w ciekły nazywana topnieniem wymaga dostarczenia mu energii. Ile dokładnie? Tego dowiecie się z tego artykułu.

W tym artykule znajdziesz najważniejsze informacje o topnieniu, cieple topnienia, krzepnięciu (czyli procesie odwrotym to topnienia) i cieple krzepnięcia.

Zmiana stanów skupienie

1. Topnienie

Co to jest topnienie? Topnienie to zjawisko zmiany stanu skupienia ciała ze stałego w ciekły np. topiący się lód zamienia się w wodę. Jak dochodzi do topnienia? Topnienie wymaga zwiększenia energii wewnętrznej ciała (dostarczenia ciepła), dzięki czemu cząsteczki ciała zmieniają swoją strukturę z krystalicznej na swobodną.

Topnienie odbywa się w stałej dla danej substancji temperaturze nazywaną temperaturą topnienia. Przykładowo temperatura topnienia lodu to zero stopni Celsjusza.

Ile ciepła należy dostarczyć aby stopić daną substancję? To zależy ile jej jest i jaka to substancja. Zależność tą możemy zapisać za pomocą wzoru Q = m ⋅ ct, gdzie m to masa a ct – współczynnik nazywany ciepłem topnienia substancji.

\large Q = m \cdot c_t

2. Ciepło topnienia

Ciepło topnienia to ilość ciepła Q, które trzeba dostarczyć, aby 1 kg substancji będącej w stanie stałym zamienić w ciecz w temperaturze topnienia tej substancji.

\large c_t = \frac{Q}{m}

Jednostką ciepła topnienia w układzie SI jest dżul na kilogram (J/kg).

Ciepło topnienia możemy odczytać z tabel ciepła topnienia substancji i ze wzoru powyżej wyliczyć dostarczoną energię lub masę topniejącej substancji.

SubstancjaCiepło topnienia [kJ/kg]Temp. topnienia [C]
Rtęć11,3-38,8
Ołów25327,5
Cyna59231,9
Złoto631064
Srebro105961,8
Miedź2051085
Żelazo2681538
Lód (woda)333,70
Aluminium398660,3
Tabela ciepła topnienia wybranych substancji

Zadanie:

Ile energii (ciepła) należy dostarczyć aby stopić 1 kg lodu?

m = 1kg
ctl = 333 700 J/kg (z tabeli)
Q = ?

Q = m ⋅ ct
Q = 1 kg ⋅ 333 700 J/kg = 333 700 J = 333,7 kJ

Odpowiedź: Do stopienia 1 kg lodu należy dostarczyć 333,7 kJ energii.

3. Krzepnięcie

Krzepnięcie to zjawisko zmiany stanu skupienia ciała z ciekłego na stały np. zamarzanie wody. Jak dochodzi do krzepnięcia? Krzepnięcie polega na oddaniu części energii wewnętrznej ciała (oddaniu ciepła), dzięki czemu cząsteczki ciała zmieniają swoją strukturę ze swobodnej na krystaliczną. Krzepnięcie to proces odwrotny do topnienia.

Krzepnięcie odbywa się w stałej dla danej substancji temperaturze nazywaną temperaturą krzepnięcia. Przykładowo temperatura krzepnięcia wody to zero stopni Celsjusza. Temperatura krzepnięcia jest równa temperaturze topnienia dla ciał o budowie krystalicznej.

Ile ciepła musi oddać substancja aby zakrzepnąć? Podobnie jak przy topnieniu, to zależy ile jej jest i jaka to substancja. Zależność tą możemy zapisać za pomocą wzoru Q = m ⋅ ck, gdzie m to masa a ck – współczynnik nazywany ciepłem krzepnięcia substancji.

\large Q = m \cdot c_k

4. Ciepło krzepnięcia

Ciepło krzepnięcia to ilość ciepła Q, które 1 kg substancji będącej w stanie ciekłym musi oddać aby zamienić się w ciało stałe w temperaturze krzepnięcia tej substancji.

\large c_k = \frac{Q}{m}

Jednostką ciepła krzepnięcia w układzie SI jest dżul na kilogram (J/kg).

Krzepnięcia i topnienie to procesy odwracalne. Dlatego ciepło krzepnięcia jest równe ciepłu topnienia substancji. Ciepło krzepnięcia możemy odczytać z tabel ciepła topnienia substancji i ze wzoru powyżej wyliczyć dostarczoną energię lub masę topniejącej substancji.

SubstancjaCiepło topnienia [kJ/kg]Ciepło krzepnięcia [kJ/kg]
Rtęć11,3-11,3
Ołów2525
Cyna5959
Złoto6363
Srebro105105
Miedź205205
Żelazo268268
Lód (woda)333,7333,7
Aluminium398398
Tabela ciepła topnienia wybranych substancji

Zadanie:

Ile energii (ciepła) musi oddać 1 kilogram wody aby zamienić się w lód?

m = 1kg
ckw = ctw = 333 700 J/kg (z tabeli)
Q = ?

Q = m ⋅ ck
Q = 1 kg ⋅ 333 700 J/kg = 333 700 J = 333,7 kJ

Odpowiedź: Woda musiała oddać 333,7 kJ energii (dokładnie tyle samo ile było potrzebne aby stopić 1 kg lodu).

Zadanie:

Woda znajdująca się temperaturze krzepnięcia 0°C oddała 100 kJ energii. Jaka była masa wody?

m = ?
ckw = ctw = 333,7 kJ/kg (z tabeli)
Q = 100 kJ

Q = m ⋅ ck
m = Q/ck
m = 100 kJ/(333,7 kJ/kg) = ~0.3 kg

Odpowiedź: Masa wody to około 300g (0.3 kg).


PRZYDATNY ARTYKUŁ? Udostępnij link innym:

Facebooktwittermail

Dodaj do Google Classroom

Następny temat:
Parowanie i skraplanie

Pozostałe tematy z działu: TERMODYNAMIKA  

Temperatura | Skale temperatur | Energia wewnętrzna | Przepływ energii (ciepło) | Jednostka ciepła: dżul | Pierwsza zasada termodynamiki | Przewodnictwo cieplne | Zjawisko konwekcji | Ciepło właściwe | Zmiany stanów skupienia | Topnienie i krzepnięcie | Parowanie i skraplanie