КРИВА НАГРІВУ: ЩО ЦЕ, ЯК ЦЕ РОБИТЬСЯ, ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Крива нагрівання є графічним представленням того , як температура зразка змінюється в залежності від часу, підтримання постійного тиску і додавання тепла рівномірно, тобто, з постійною швидкістю.

Для побудови графіка цього типу беруться пари температурних та часових значень, які пізніше схоплюються шляхом розміщення температури на вертикальній осі (ординаті) та часу на горизонтальній осі (абсцисі).

Рисунок 1. Крива нагрівання речовини отримується шляхом додавання тепла і вимірювання температури через певний проміжок часу. Джерело: Pixabay.

Тоді до цих експериментальних точок підходить найбільш відповідна крива і, нарешті, отримується графік температури T як функція часу t: T (t).

Що таке крива нагріву?

Під час нагрівання речовина послідовно проходить через різні стани: від твердої речовини вона може перетворитися у пари, майже завжди переходячи через рідкий стан. Ці процеси називаються змінами стану, при яких зразок збільшує свою внутрішню енергію при додаванні тепла, на що вказує молекулярна кінетична теорія.

При додаванні тепла до зразка є дві можливості:

- Речовина підвищує свою температуру, враховуючи, що її частинки перемішуються з більшою інтенсивністю.

- Матеріал переживає зміну фази, при якій температура залишається постійною. Додавання тепла призводить до послаблення певною мірою сил, які утримують частинки разом, тому, наприклад, легко перейти від льоду до рідкої води.

На малюнку 2 показано чотири стани речовини: твердий, рідкий, газовий і плазмовий, а також назви процесів, що дозволяють переходити між ними. Стрілки вказують напрямок процесу.

Малюнок 2. Стани речовини та процеси, необхідні для проходження між одним та іншим. Джерело: Wikimedia Commons.

-Статуйте зміни речовини

Починаючи з зразка в твердому стані, коли він плавиться, він переходить у рідкий стан, коли випаровується, він перетворюється на газ і через іонізацію перетворюється в плазму.

Тверде речовина може бути перетворене безпосередньо в газ методом, відомим як сублімація. Є речовини, які легко сублімуються при кімнатній температурі. Найвідомішим є CO ₂ або сухий лід, а також нафталін та йод.

Поки зразок зазнає зміни стану, температура залишається постійною, поки не досягне нового стану. Це означає, що якщо, наприклад, у вас є частина рідкої води, яка досягла своєї температури кипіння, її температура залишається постійною, поки вся вода не перетвориться на пару.

З цієї причини очікується, що крива потепління складається з комбінації зростаючих ділянок та горизонтальних ділянок, де останні відповідають фазовим змінам. Одна з цих кривих зображена на малюнку 3 для даної речовини.

Малюнок 3. Крива нагріву даної речовини з типовою конфігурацією на основі ступенів і схилів.

Інтерпретація кривої нагріву

У інтервалах росту ab, cd та ef речовина виявляється відповідно як тверда, рідка та газова. У цих регіонах зростає кінетична енергія, а з нею і температура.

У той час як в bc він змінює свій стан з твердого в рідкий, тому дві фази співіснують. Це відбувається в розділі, в якому зразок змінюється з рідкого на газовий. Тут потенційна енергія змінюється, а температура залишається постійною.

Можлива і зворотна процедура, тобто зразок може бути охолоджений для послідовного прийняття інших станів. У цьому випадку ми говоримо про криву охолодження.

Криві нагрівання мають однаковий загальний вигляд для всіх речовин, хоча, звичайно, не однакові числові значення. Деякі речовини потребують більше часу, ніж інші, щоб змінити стан, і вони плавляться і випаровуються при різних температурах.

Ці точки відомі відповідно як температура плавлення і температура кипіння, і є характеристиками кожної речовини.

Ось чому криві нагрівання є дуже корисними, оскільки вони вказують на числове значення цих температур для мільйонів речовин, які існують як тверді речовини і рідини в діапазоні температур, які вважаються нормальними, і при атмосферному тиску.

Як зробити криву розминки?

В принципі, це дуже просто: просто помістіть зразок речовини в контейнер, розміщений з мішалкою, вставте термометр і нагрівайте рівномірно.

Одночасно на початку процедури вмикається секундомір і час від часу відзначаються відповідні пари температура-час.

Джерелом тепла може бути газовий пальник, з хорошою швидкістю нагріву, або електричний опір, який випромінює тепло при нагріванні, який може бути підключений до змінного джерела для досягнення різних потужностей.

Для більшої точності в хімічній лабораторії широко застосовуються дві методики:

- Диференціальний тепловий аналіз.

- Диференціальна скануюча калориметрія.

Вони порівнюють різницю температур між досліджуваним зразком та іншим еталонним зразком з високою температурою плавлення, майже завжди оксидом алюмінію. За допомогою цих методів легко знайти точки плавлення і кипіння.

Приклади (вода, залізо …)

Розглянемо криві нагріву води та заліза, показані на малюнку. Часова шкала не показана, однак тут же слід розрізнити температури плавлення обох речовин, які відповідають точці В кожного графіка: для води 0 º С, для заліза 1500 ºС.

Малюнок 4. Криві нагрівання води та заліза.

Вода є універсальною речовиною, і діапазон температур, необхідний для перегляду її змін стану, легко досягти в лабораторії. Набагато вищі температури потрібні для заліза, але, як зазначалося вище, форма графіка суттєво не змінюється.

Танення льоду

При нагріванні зразка льоду, згідно з графіком, який ми знаходимось у точці А, при температурі нижче 0 ° C. Спостерігається, що температура зростає постійною швидкістю до досягнення 0ºС.

Молекули води всередині льоду вібрують із більшою амплітудою. Як тільки температура плавлення (точка В) буде досягнута, молекули можуть вже рухатися один перед одним.

Енергія, яка надходить, вкладається у зменшення привабливої ​​сили між молекулами, тому температура між В і С залишається постійною, поки весь лід не розтане.

Перетворення води в пару

Коли вода повністю перебуває у рідкому стані, коливання молекул знову збільшується, а температура швидко зростає між C і D до температури кипіння 100ºC. Між D і E температура залишається на цій величині, енергія, яка надходить, забезпечує випаровування всієї води в ємності.

Якщо вся водяна пара може міститися в ємності, вона може продовжувати нагріватися від точки Е до точки F, межа якої не показана на графіку.

Зразок заліза може пройти ці самі зміни. Однак, зважаючи на характер матеріалу, діапазони температур сильно відрізняються.

Список літератури

1. Аткінс, П. Принципи хімії: Шляхи відкриття. Редакція Médica Panamericana. 219-221.
2. Чунг, П. Криві нагрівання. Відновлено з: chem.libretexts.org.
3. Криві нагріву. Нагрівання плавлення і випаровування. Відновлено з: wikipremed.com.
4. Хьюїтт, Пол. 2012. Концептуальна фізична наука. 5-й. Ред. Пірсон. 174-180.
5. Університет Вальядолід. Ступінь хімії, відновлюється з: lodging.uva.es.