КРИВА НА ОТОПЛЕНИЕ: КАКВО Е, КАК СЕ ПРАВИ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

А крива отопление е графично представяне на начина на температурата на пробата варира като функция на времето, поддържане постоянно налягане и добавяне на топлина равномерно, което е с постоянна скорост.

За да се построи графика от този тип, се вземат двойки стойности на температурата и времето, които по-късно се схващат чрез поставяне на температурата на вертикалната ос (ордината) и времето на хоризонталната ос (абсциса).

Фигура 1. Кривата на нагряване на веществото се получава чрез добавяне на топлина и измерване на температурата на всеки определен интервал от време. Източник: Pixabay

Тогава към тези експериментални точки се монтира най-подходящата крива и накрая се получава графика на температурата Т като функция от време t: T (t).

Каква е кривата на отопление?

Докато се нагрява, веществото преминава през различни състояния последователно: от твърдо вещество може да се превърне в пара, почти винаги преминавайки през течното състояние. Тези процеси се наричат ​​промени в състоянието, при които пробата увеличава вътрешната си енергия, докато се добавя топлина, както е посочено от молекулярната кинетична теория.

При добавяне на топлина към проба има две възможности:

- Веществото повишава температурата си, като се има предвид, че частиците му се разбъркват с по-голяма интензивност.

- Материалът преминава през фазова промяна, при която температурата остава постоянна. Добавянето на топлина води до отслабване до известна степен на силите, които държат частиците заедно, поради което е лесно да се премине от лед към течна вода, например.

Фигура 2 показва четирите състояния на материята: твърдо, течно, газово и плазмено, както и имената на процесите, които позволяват прехода между тях. Стрелките показват посоката на процеса.

Фигура 2. Състоянията на материята и процесите, необходими за преминаване между едното и другото. Източник: Wikimedia Commons.

-Съдържайте промените в веществото

Започвайки с проба в твърдо състояние, когато се стопи, тя преминава в течно състояние, когато се изпарява, се превръща в газ и чрез йонизация се превръща в плазма.

Твърдото вещество може да се превърне директно в газ чрез процес, известен като сублимация. Има вещества, които лесно се сублимират при стайна температура. Най-известният е CO ₂ или сух лед, както и нафталин и йод.

Докато пробата претърпява промяна в състоянието, температурата остава постоянна, докато достигне новото състояние. Това означава, че ако например имате порция течна вода, достигнала своята точка на кипене, нейната температура остава постоянна, докато цялата вода не се превърне в пара.

Поради тази причина се очаква кривата на затопляне да се състои от комбинация от увеличаващи се секции и хоризонтални секции, където последните съответстват на фазови промени. Една от тези криви е показана на фигура 3 за дадено вещество.

Фигура 3. Крива на нагряване на дадено вещество с типичната конфигурация на базата на стъпала и наклони.

Тълкуване на отоплителната крива

В интервалите на растеж ab, cd и ef веществото се намира съответно като твърдо, течно и газообразно. В тези региони кинетичната енергия се увеличава, а с нея и температурата.

Докато в bc тя променя състоянието си от твърдо в течно, следователно двете фази съжителстват. Това се случва в частта, в която пробата се променя от течна в газ. Тук потенциалната енергия се променя, а температурата остава постоянна.

Възможна е и обратната процедура, тоест пробата може да бъде охладена, за да приеме последователно други състояния. В този случай говорим за крива на охлаждане.

Кривите на нагряване имат еднакъв общ външен вид за всички вещества, въпреки че, разбира се, не са еднакви числови стойности. Някои вещества отнемат повече време, отколкото други, за да променят състоянието си и те се стопяват и изпаряват при различни температури.

Тези точки са известни съответно като точка на топене и точка на кипене и са характеристики на всяко вещество.

Ето защо кривите за отопление са много полезни, тъй като те показват числовата стойност на тези температури за милиони вещества, които съществуват като твърди вещества и течности в диапазона от температури, считани за нормални и при атмосферно налягане.

Как да направите крива на загряване?

По принцип е много просто: просто поставете проба от веществото в съд, оборудван с бъркалка, поставете термометър и загрейте равномерно.

Едновременно с това в началото на процедурата се активира хронометър и от време на време се отбелязват съответните двойки температура-време.

Топлинният източник може да бъде газова горелка, с добра скорост на нагряване или електрическо съпротивление, което отделя топлина при нагряване, което може да бъде свързано към променлив източник за постигане на различни мощности.

За по-голяма точност има две техники, широко използвани в химическата лаборатория:

- Диференциален термичен анализ.

- Диференциална сканираща калориметрия.

Те сравняват температурната разлика между изследваната проба и друга референтна проба с висока температура на топене, почти винаги алуминиев оксид. С тези методи е лесно да се намерят точките на топене и кипене.

Примери (вода, желязо…)

Помислете за кривите на отопление за вода и желязо, показани на фигурата. Времевата скала не е показана, но незабавно е да се разграничат температурите на топене и за двете вещества, които съответстват на точка Б от всяка графика: за вода 0 ° C, за желязо 1500 ° C.

Фигура 4. Криви на нагряване на вода и желязо.

Водата е универсално вещество и диапазонът на температурите, необходими, за да се видят нейните промени в състоянието, е лесно постижим в лабораторията. Много по-високи температури са необходими за желязото, но както бе отбелязано по-горе, формата на графиката не се променя съществено.

Топене на леда

При загряване на ледената проба, според графиката, която сме в точка А, при температура под 0 ° C. Наблюдава се, че температурата нараства с постоянна скорост до достигане на 0 ° С.

Водните молекули в леда вибрират с по-голяма амплитуда. След достигане на температурата на топене (точка В), молекулите вече могат да се движат една пред друга.

Пристигащата енергия се инвестира в намаляване на атрактивната сила между молекулите, така че температурата между В и С остава постоянна, докато целият лед се разтопи.

Превръщането на водата в пара

След като водата е напълно в течно състояние, вибрациите на молекулите отново се увеличават и температурата се увеличава бързо между C и D до точката на кипене 100 ° C. Между D и E температурата остава на тази стойност, докато пристигащата енергия гарантира, че цялата вода в контейнера се изпарява.

Ако цялата водна пара може да се съдържа в контейнер, той може да продължи нагряването от точка Е до точка F, чиято граница не е показана на графиката.

Желязна проба може да премине през същите тези промени. Въпреки това, като се има предвид естеството на материала, температурните диапазони са много различни.

Препратки

1. Аткинс, П. Принципи на химията: Пътеките на откритието. Редакция Médica Panamericana. 219-221.
2. Чунг, П. Криви на нагряване. Възстановено от: chem.libretexts.org.
3. Криви на отопление. Топлина на синтез и изпаряване. Възстановено от: wikipremed.com.
4. Хюит, Пол. 2012. Концептуални физически науки. 5-ти. Ед Пиърсън. 174-180.
5. Университета във Валядолид. Степен на химия, възстановена от: lodging.uva.es.