Теплота плавления и парообразования

Из истории калориметрии. Что такое калориметр, для чего он служит и как устроен, мы узнали в § 6-в. А известно ли вам, что калориметрия – наука об измерении количества теплоты – составляет целый раздел физики и уходит корнями в глубь веков?

Изобретению уже известного вам жидконаполненного калориметра предшествовало создание в ХVIII веке французами П. Лапласом и А. Лавуазье так называемого ледяного калориметра. Если при пользовании школьным калориметром с жидкостью мы измеряем изменение её температуры, то при пользовании ледяным калориметром требовалось измерять массу растаявшего льда. В ХVIII веке только так и можно было поступить, так как не было общепринятых методов измерения температуры.

Лаплас и Лавуазье опирались на труды своих предшественников, шотландца Д. Блэка и голландца И. Вильке, которые нашли необходимым ввести в физику новое понятие: скрытая теплота.

Вильке, например, в 1772 г. нагревал огнем смесь воды и льда и обнаружил, что часть теплоты «исчезает». То есть пламя греет, а температура не повышается. В 1803 г. Блэк описывает постоянство температуры тающего льда, несмотря на приток тепла извне. Отсюда он пришёл к понятию «скрытой теплоты плавления».

Позже он установил наличие и «скрытой теплоты парообразования», поскольку вода всегда кипела при постоянной температуре, несмотря на приток тепла. Блэк также четко разграничил термины «количество теплоты» и «количество температуры».

Усилиями уже упомянутых, а также других физиков конца XVIII и начала XIX веков, установлено, что необходимое количество теплоты прямо пропорционально массе расплавившегося вещества или массе превратившейся в пар жидкости. Упрощённо говоря, чем больше масса вещества, тем больше нужно теплоты.

На следующей странице показан современный вид формул для расчёта теплоты плавления и теплоты парообразования. Они, наряду с уже известной вам формулой Q = cmDt, по сей день лежат в основе всех методов калориметрических измерений.

Подсчёт количества теплоты, необходимого для плавления. Чем больше масса вещества, которое нужно расплавить, тем большее количество теплоты нужно. Его можно подсчитать:

Q – количество теплоты, Дж. m – масса вещества, кг. l – удельная теплота плавления, Дж/кг.

Коэффициент «l» берут из таблиц (см. ниже). Он показывает количество теплоты, требуемое для плавления 1 кг вещества.

Точные калориметрические измерения показывают, что при кристаллизации вещества (это процесс, обратный плавлению) выделяется такое же количество теплоты, которое было затрачено на образование расплава.

Подсчет количества теплоты, нужного для парообразования. Чем больше масса вещества, которое нужно превратить в пар, тем большее количество теплоты необходимо:

Q – количество теплоты, Дж. m – масса вещества, кг. r – удельная теплота парообразования, Дж/кг.

Коэффициент «r» берут из таблиц. Он показывает количество теплоты, необходимое для превращения в пар 1 кг вещества.

Точные калориметрические измерения показывают, что при конденсации вещества (это процесс, обратный парообразованию) выделяется такое же количество теплоты, которое было затрачено на образование пара.