Проделайте описанный в учебнике опыт. График зависимости температуры вещества от времени нагрева
Реши задание на изображении
Сверь числа и знаки с фото.
• Проделайте описанный в учебнике опыт. График зависимости температуры вещества от времени нагрева
Таблица:
Время τ, мин Температура воды \(t_{1}\), °C Температура снега \(t_{2}\), °C [Рисунок: пустая система координат для построения графика; вертикальная ось со стрелкой подписана «t, °C», горизонтальная со стрелкой — «τ, мин», точка пересечения отмечена «0». Оси проведены от руки по клетчатой сетке, числовых делений на осях нет.]
Кратко: готовых чисел здесь нет — это опыт. Таблицу заполняют своими измерениями, а на графике должно получиться две линии: у воды температура растёт почти по прямой от комнатной, а у снега сначала держится на 0 °C (снег тает), и только после таяния начинает расти.
Как выполнить опыт
- Возьмите две одинаковые порции — воду и снег (одинаковой массы), два термометра и часы.
- Запишите начальные температуры при \(\tau=0\): у воды — комнатная, у снега — та, что показывает термометр (0 °C, а если снег с мороза — ниже нуля).
- Каждую минуту записывайте показания в таблицу: \(\tau = 1, 2, 3, \ldots\) мин.
- Постройте график: по горизонтали \(\tau\) (удобно 1 клетка = 1 мин), по вертикали \(t\) (например, 1 клетка = 5 °C). Отметьте точки \((\tau; t)\) отдельно для воды и для снега и соедините их.
Почему линии такие
- Во время плавления вся подводимая энергия идёт на разрушение кристаллической решётки: \(Q=\lambda m\). Температура при этом не меняется — получается горизонтальный участок ровно на 0 °C.
- При нагревании \(Q=cm\Delta t\), а при постоянной мощности heater \(Q=P\tau\). Значит, \(\Delta t=\frac{P}{cm}\tau\) — температура растёт линейно со временем, линия наклонная.
- Если массы и нагреватели одинаковые, то после таяния наклон у снега будет таким же, как у воды: линии почти параллельны. У снега линия начинается с 0 °C.
- Если снег был холоднее 0 °C, сначала будет небольшой подъём до 0 °C, потом горизонтальная полка, потом снова подъём.
Проверка результата
- Полка у снега должна быть строго на 0 °C.
- Если у снега температура сразу растёт — снег уже растаял или термометр меряет воздух, а не снег.
- Вода не должна подниматься выше 100 °C (кипение).
- Чем больше масса, тем меньше наклон линии при той же мощности нагревателя.
Обсуждение
4 сообщенияА почему при плавлении температура не меняется?
Коротко: температура — это мера средней кинетической энергии теплового движения молекул. При плавлении подводимая энергия идёт не на разгон молекул, а на разрушение кристаллической решётки — то есть превращается в потенциальную энергию их взаимодействия. Кинетическая энергия (и температура) при этом не растёт, пока лёд не растает весь.
По шагам
- В кристалле молекулы (у льда — молекулы \(H_2O\)) колеблются около закреплённых положений, связанные водородными связями. Чтобы «сорвать» молекулу с места и сделать возможным скольжение друг относительно друга, нужно разорвать эти связи.
- Подводимая теплота расходуется именно на разрыв связей: \(Q=\lambda m\), где \(\lambda\) — удельная теплота плавления (для льда \(\lambda \approx 3{,}3\cdot 10^{5}\) Дж/кг).
- Средняя кинетическая энергия молекул при этом остаётся прежней, значит и температура постоянна — \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\) для льда при нормальном давлении.
- Как только последний кристаллик исчез, вся подводимая энергия снова идёт в кинетическую — вода начинает нагреваться, и линия на графике уходит вверх.
Наглядная проверка масштаба
Сравните: чтобы расплавить 1 кг льда, нужно столько же энергии, сколько на нагрев 1 кг воды примерно на \[ \Delta t=\frac{\lambda}{c}=\frac{3{,}3\cdot10^{5}}{4200}\approx 79\,^{\circ}\mathrm{C}. \] Именно поэтому полка на графике такая «дорогая» по времени: пока лёд тает, термометр стоит на месте, хотя нагреватель работает вовсю.
Почему на опыте полка может «поплыть»
- Если снег/лёд с примесями (соль), плавление идёт не при 0 °C, а в некотором интервале — полка будет наклонной.
- Аморфные тела (воск, стекло, пластилин) не имеют чёткой температуры плавления: размягчаются постепенно.
- Если термометр плохо контактирует со смесью или подвод тепла неравномерен, полка выходит размытой — но физически, пока есть и лёд, и вода, их смесь держится около 0 °C именно по причине выше.
Проверить себя можно так: если во время «полки» нагреватель продолжает работать, а температура не меняется — energy куда-то девается; она уходит в скрытую теплоту плавления. Как только льда не осталось, температура снова начнёт расти линейно.
Можно просто ответ и рисунок графика
Ответ: при плавлении температура не меняется, потому что вся подводимая энергия уходит на разрушение кристаллической решётки — на разрыв связей между молекулами. Это потенциальная энергия взаимодействия, поэтому средняя скорость (и температура) молекул остаётся прежней, пока не растает весь лёд: \(Q=\lambda m\). Когда льда не осталось, энергия снова идёт на нагрев — температура растёт.
График (схема — перерисуй в тетрадь):
t, °C
20 ┤ ╱
15 ┤ ╱
10 ┤ ╱
5 ┤ ╱
0 ┤ ●───────────●
-5 ┤ ╱
-10 ┤●
└──┬───┬───┬───┬───┬───┬──→ τ, мин
0 2 4 6 8 10 12
Как читать:
- Наклонный участок вверх (от \(-10\) до \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\)) — снег нагревается.
- Горизонтальная полка на \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\) — плавление: теплота идёт на разрушение решётки, температура стоит.
- Снова наклонный участок — уже вода нагревается дальше.
Если снег сразу был при \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\), первый наклонный участок просто отсутствует — график начинается сразу с полки.
