В термической печи температура 1000 °С. Какие вещества будут плавиться в этой печи? Как изменяется внутреннее строение этих веществ при плавлении?

Для решения задачи необходимо рассмотреть теоретические аспекты, связанные с процессом плавления веществ, их внутренним строением, а также понять, какие вещества имеют температуру плавления ниже заданной температуры термической печи.

Процесс плавления

Плавление — это физический процесс, при котором вещество переходит из твердого состояния в жидкое при определенной температуре, называемой температурой плавления. Температура плавления зависит от природы вещества, его кристаллической структуры и межатомных или межмолекулярных взаимодействий.

Когда вещество плавится, оно поглощает энергию, называемую скрытой теплотой плавления, без изменения своей температуры. Эта энергия используется для разрушения связей между частицами (атомами, молекулами или ионами), которые удерживают вещество в твердом состоянии.

Внутреннее строение вещества

1. Твердое состояние:

   • В этом состоянии частицы вещества расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решетку.
   • Между частицами действуют сильные межатомные, межмолекулярные или ионные взаимодействия.
   • Частицы осуществляют колебания вокруг своих узлов, но не перемещаются свободно.

2. Во время плавления:

   • При нагреве до температуры плавления кинетическая энергия частиц увеличивается за счет поступающей тепловой энергии.
   • В момент плавления связи между частицами начинают разрушаться, и упорядоченная структура кристаллической решетки разрушается.
   • Частицы начинают перемещаться более свободно, переставая быть фиксированными в своих местах.

3. Жидкое состояние:

   • В этом состоянии связи между частицами ослаблены. Жидкости обладают текучестью, что позволяет им принимать форму сосуда.
   • Хотя частицы остаются близко друг к другу, порядок в их расположении отсутствует (аморфная структура).
   • Движение частиц становится хаотическим.

Определение веществ, которые будут плавиться

Температура термической печи составляет $ 1000 \, ^\circ\text{C} $, что эквивалентно $ 1273 \, \text{K} $ в абсолютной температурной шкале (Кельвин). Чтобы определить, какие вещества будут плавиться в данной печи, необходимо знать их температуры плавления. Если температура плавления вещества ниже $ 1000 \, ^\circ\text{C} $, то данное вещество будет плавиться.

Для решения задачи обычно используют таблицы температур плавления различных веществ. Например:
− Металлы: Алюминий ($ 660 \, ^\circ\text{C} $), золото ($ 1064 \, ^\circ\text{C} $), железо ($ 1538 \, ^\circ\text{C} $).
− Неметаллы: Сера ($ 115 \, ^\circ\text{C} $), фосфор ($ 44 \, ^\circ\text{C} $).
− Соединения: Соль (NaCl, $ 801 \, ^\circ\text{C} $), кварц (SiO$_2$, $ 1710 \, ^\circ\text{C} $).

Теоретически, только вещества с температурой плавления ниже $ 1000 \, ^\circ\text{C} $ будут плавиться в условиях заданной термической печи.

Энергетический аспект плавления

Плавление требует затраты энергии. На каждый килограмм вещества необходимо количество тепловой энергии, называемое удельной теплотой плавления ($ \lambda $), выражаемое в Дж/кг. Эта энергия не идет на повышение температуры вещества, а расходуется на изменение его внутреннего строения — разрушение связей.

Формула для расчета энергии плавления:
$$ Q = m \cdot \lambda $$
где:
− $ Q $ — количество теплоты, необходимое для плавления вещества (Дж),
− $ m $ — масса вещества (кг),
− $ \lambda $ — удельная теплота плавления (Дж/кг).

Изменение внутренней энергии

Плавление сопровождается увеличением внутренней энергии вещества. Внутреннюю энергию вещества составляют:
1. Кинетическая энергия движения частиц: во время плавления температура вещества остается постоянной, поэтому средняя кинетическая энергия не изменяется.
2. Потенциальная энергия взаимодействия частиц: во время плавления связи между частицами разрушаются, что приводит к увеличению потенциальной энергии. Именно на это уходит энергия, подводимая к веществу.

Кристаллическая структура

Кристаллическая структура вещества определяет его температурные свойства. Вещества с сильными взаимодействиями между частицами (например, ионными или ковалентными связями) имеют более высокую температуру плавления. Примеры:
− металлы (с металлической связью),
− соли (с ионной связью),
− алмаз и графит (с ковалентной связью).

Вещества с более слабыми взаимодействиями (например, межмолекулярными ван−дер−ваальсовыми силами) имеют низкую температуру плавления.

Итоги

Для ответа на задачу необходимо:
1. Сравнить температуры плавления разных веществ с заданной температурой $ 1000 \, ^\circ\text{C} $.
2. Учесть, как изменяется внутренняя структура вещества при плавлении:
− Разрушение упорядоченной кристаллической решетки.
− Появление хаотического движения частиц в жидком состоянии.

Таким образом, теоретическая база для решения задачи включает понимание процесса плавления, энергетических изменений и влияния температурных свойств на вещества.