چرا یخ در اثر گرما ذوب می شود علوم هفتم

376 بازدید آخرین به روز رسانی: 31 آذر 1401 زمان مطالعه: 8 دقیقه

برای تبخیر مایع باید آن را گرم کرد تا انرژی جنبشی آن افزایش یابد و دمای آن به نقطه جوش برسد. با رسیدن به نقطه جوش در واقع به نقطه ای می رسیم که حالت ماده از مایع به بخار تغییر می کند. برای اینکه این اتفاق بیفتد، باید گرمای بیشتری را تامین کنیم تا انرژی مناسب برای جداسازی مولکول ها و تبدیل آنها به فاز گاز فراهم شود. در این مقاله قصد داریم موضوع گرما و تغییر حالت ماده را دقیقا اما به زبانی ساده بیان کنیم.

فهرست مطالب این نوشته

مانند نقطه جوش، نقطه ذوب یک ماده نیز مستقیماً به قدرت نیروهای جاذبه بین مولکول ها بستگی دارد. نقطه ذوب پایین مربوط به موادی با نیروی جاذبه بسیار ضعیف است که از جمله آنها می توان به گاز هیدروژن اشاره کرد که نقطه ذوب آن در حدود $259$$$ درجه سانتیگراد است. همچنین نقطه ذوب بالا را نیز به موادی با نیروی جاذبه بسیار قوی نسبت می دهند و کربن با نقطه ذوب بالای 3500 درجه سانتیگراد را می توان از جمله این مواد نام برد.

نمودارهای مربوط به گرما و تغییر حالت ماده

افزودن گرما و تأیید حرارت و تغییر حالت ماده قبل، بعد و در حین تغییر فاز را می توان با استفاده از نمودارهای حرارتی بررسی کرد. در نمودار حرارتی در تصویر زیر، نمونه ای از آب در دمای $$-20$$ درجه سانتیگراد و فشار 1 اتمسفر به طور مداوم گرم می شود.

بین دمای 20- دلار و صفر درجه سانتیگراد، تمام گرمای داده شده به صورت انرژی جنبشی جذب می شود و باعث افزایش دمای جامد می شود. با رسیدن به نقطه ذوب، حتی اگر هنوز آب را با همان سرعت قبل گرم کنیم، دما تغییر نمی کند. در این لحظه، تمام گرمای داده شده برای تامین انرژی لازم برای همجوشی جامد استفاده می شود. ما این انرژی را به عنوان گرمای همجوشی می شناسیم. در طول زمانی که این خط افقی است، ناظر می تواند تبدیل جامد به مایع یا ذوب شدن یخ را مشاهده کند.

در این حالت ظرفی با آب و یخ داریم که دمای آن صفر درجه است. به عبارت دیگر دمای یخ و دمای آب هر دو صفر درجه سانتیگراد خواهند بود. اگر حرارت بیشتری به ظرف بدهیم، سرعت ذوب افزایش می یابد، اما تا زمانی که تمام جامد به مایع تبدیل شود، دما افزایش نمی یابد. با خنک کردن مایع، همان فرآیند در نمودار انجام می شود اما این بار برعکس. با سرد شدن همان خط افقی را می بینیم و قبل از کاهش مجدد دما گرمای همجوشی حذف می شود.

لازم به ذکر است که هنگام در نظر گرفتن گرما و عبور از حالت ماده به لحظه ای که تمام آب در حالت مایع قرار می گیرد، گرما دوباره به صورت انرژی جنبشی جذب می شود. بین صفر تا 100 درجه سانتیگراد گرمای داده شده باعث افزایش دما می شود. وقتی به نقطه جوش رسیدیم دیگر افزایش دما نداریم. حتی اگر گرمای بیشتری اضافه کنیم، باز هم افزایش دما وجود نخواهد داشت و دوباره یک خط افقی در نمودار ایجاد می شود. تمام حرارتی که در این مدت به نمونه (آب) دادیم باعث افزایش انرژی می شود.

این انرژی «حرارت تبخیر» نامیده می شود و برای جداسازی مولکول های مایع و تبدیل آنها به مولکول های گاز استفاده می شود. در طول مدتی که این خط مستقیم (افقی) وجود دارد، ناظر می تواند آب تبدیل به گاز را ببیند، اما در هر دو حالت آب 100 درجه سانتیگراد است. با افزایش دما فقط آب را سریعتر می جوشانیم اما دما هرگز به بیش از 100 درجه سانتیگراد نمی رسد.

هنگامی که تمام آب وارد فاز بخار می شود، افزایش گرما باعث افزایش انرژی جنبشی و دمای گاز می شود. وقتی این گاز را خنک می کنیم، همیشه از الگوی بالا (در حالت معکوس) پیروی می کند. در واقع در هنگام سرد شدن همین خط افقی رعایت می شود.

با توجه به اهمیت درک گرما و تغییر حالت ماده در دروس متوسطه و متعاقب آن اهمیت تأثیرات گرما در ترمودینامیک، «فرادرس» ویدئویی از اثرات گرما در ترمودینامیک مهندسی شیمی منتشر کرد که لینک آن در زیر آورده شده است.

گرمای خاص

برای مطالعه گرما و تغییر حالت ماده، به داده های ترمودینامیکی خاصی نیاز داریم. داده های ترمودینامیکی، از جمله نقطه ذوب و جوش، گرمای همجوشی و گرمای تبخیر، همه در کتاب های مرجع برای همه عناصر و هزاران ترکیب مختلف نوشته شده است. یکی از این داده‌های ترمودینامیکی پرکاربرد «گرمای خاص» است که با نماد $$C$$ نشان داده می‌شود. گرمای ویژه یک ماده، مقدار حرارتی است که برای افزایش دمای 1 گرم ماده به میزان 1 درجه سانتیگراد لازم است. این مقدار برای آب برابر است با $4.18 J/g⋅^∘C$$.

نمونه ای از گرمای ویژه

برای اینکه دمای 25 گرم آب را از 15 درجه به 55 درجه سانتیگراد برسانیم چقدر گرما نیاز داریم؟

با استفاده از رابطه زیر این مقدار گرما را محاسبه می کنیم:

$$begin{معادله}
Q = m C Delta T=(25 mathrm {g}) left (4.18 mathrm {J} / mathrm {g} cdot{}^ {circ} mathrm { C} راست) چپ (40 .^{circ} mathrm {C} right ) = 4180 mathrm { J} = 4.18 mathrm {kJ}
end {معادله}$$

نقطه ذوب و انجماد

هنگام بحث گرما و تغییر حالت ماده، باید با مفهوم نقطه ذوب نیز آشنا شویم. جامدات نیز مانند مایعات دارای فشار بخار هستند. این فشار بخار با افزایش دما افزایش می یابد. در دمای 100 درجه سانتیگراد، فشار بخار آب مایع برابر با 760 میلی متر جیوه است. با کاهش دما به 0 درجه سانتی گراد، فشار بخار به طور غیرخطی به 6.4 میلی متر جیوه کاهش می یابد.

فشار بخار یک جامد معمولاً بسیار کم است زیرا نیروهای جاذبه در جامدات قوی هستند. به عنوان مثال، در $$-83 ^ circ C$$، فشار بخار یخ 0.00025 میلی متر جیوه است. هنگام گرم کردن یخ، فشار بخار آن افزایش می یابد. در دمای صفر درجه، فشار بخار یخ 6.4 میلی متر جیوه خواهد بود که معادل فشار بخار آب در دمای صفر درجه سانتیگراد است.

در واقع، برای همه مواد، حالت جامد و مایع دارای یک نقطه فشار بخار در نقطه ذوب هستند. نقطه ذوب یک جامد دمایی است که در آن دما، فشار بخار جامد و مایع در مطالعه گرما و تغییر حالت ماده یکسان است. بنابراین، نقطه ذوب یک جامد و نقطه انجماد یک مایع هر دو برابر هستند.

دمای ذوب

موضوع دیگری که در مورد گرما و تغییر حالت ماده باید در نظر بگیریم گرمای همجوشی است. ذوب که در واقع تغییر فاز از جامد به مایع است، شباهت های زیادی به تبخیر دارد. یک جامد باید قبل از ورود مولکول های آن به فاز مایع به نقطه ذوب خود برسد. مولکول ها در فاز مایع نسبت به جامدات از یکدیگر فاصله بیشتری دارند.

از آنجایی که مولکول ها یکدیگر را جذب می کنند، افزایش فاصله بین آنها کار می کند. کار انجام شده در طول جداسازی مولکول ها به عنوان انرژی پتانسیل در فاز مایع ذخیره می شود.

این فرآیند مشابه فرآیندی است که در آن گرمای تبخیر باید به مولکول های مایع داده شود تا آنها را به فاز گاز تبدیل کنند. وقتی صحبت از همجوشی می شود، انرژی پتانسیل به عنوان “گرمای همجوشی” شناخته می شود. گرمای همجوشی آب برابر با 334 J/g است.

مثال گرمای همجوشی

چه مقدار حرارت باید به ۲۵ گرم یخ در دمای صفر درجه سانتیگراد داد تا در همان دما به آب تبدیل شود.

برای حل این سوال باید تغییر آنتالپی همجوشی $$Delta H_{Fusion}$$ را در جرم ماده مورد نظر ضرب کنیم. بنابراین، خواهیم داشت:

$$begin {equation}
Q = (operatorname {mass}) چپ (Delta H_ {F U S I O N} right) =(25 mathrm {g}) (334 mathrm {J} / mathrm {g} )= 8350 mathrm {J}= 8.4 mathrm {k J}
end {معادله}$$

گرمای تبخیر

گرمای تبخیر موضوع دیگری در بررسی گرما و تغییر حالت ماده است. تفاوت بین فاز مایع و گاز یک ماده در واقع تفاوت بین فاصله بین مولکول های آن ماده است. از آنجایی که مولکول ها در فاز گاز یکدیگر را جذب می کنند و فاصله بیشتری نسبت به فاز مایع دارند، مولکول های فاز گاز نسبت به فاز مایع دارای انرژی پتانسیل بیشتری هستند.

وقتی ماده ای از فاز مایع به فاز گازی تبدیل می شود، باید روی آن کار کرد تا مولکول ها از یکدیگر جدا شوند. کار انجام شده برای جدا کردن مولکول ها به عنوان انرژی پتانسیل در ساختار مولکولی آنها ذخیره می شود. اگر مولکول ها امکان پیوستن مجدد به فاز مایع را از طریق تراکم داشته باشند، این انرژی پتانسیل آزاد می شود. مقدار این انرژی دقیقاً برابر با مقدار لازم برای جداسازی مولکول ها است. این انرژی پتانسیل ذخیره شده در مولکول ها در فاز گاز «گرمای تبخیر» نامیده می شود.

گرمای تبخیر $$Delta H_{Vap}$$ برای آب برابر با 540 کالری در گرم یا $2.26 $kJ/g$$ در دمای جوش معمولی است. به دلیل نیروی جاذبه های قطبی که مولکول های آب مایع را در خود نگه می دارند، این ماده دارای گرمای تبخیر بالایی است.

نمونه‌هایی از مولکول‌های قطبی دیگر عبارتند از آمونیاک با فرمول $$NH_3$$ و اتانول با فرمول $$C_2H_5OH$$، به ترتیب، گرمای تبخیر برابر با $1.38kJ/g$ $ و $0.84kJ/ است. گرم دلار.

نمونه ای از گرمای تبخیر

در نقطه جوش آمونیاک به 100 گرم از این ماده چقدر حرارت (به کیلوژول) باید داد تا تبخیر شود؟

برای حل این سوال باید جرم آن را در $$Delta H _ {Vap}$$ ضرب کنیم.

$$begin {equation}
Q = (operatorname {mass}) left (Delta H_ {V A P}right)= (100 . mathrm {g}) (1.38 mathrm{kJ} / mathrm {g }) = 138 mathrm {kJ}
end {معادله}
$$

نقطه جوش آمونیاک $$-33 C ^ circ$$ است. لازم به ذکر است که تمام انرژی حاصل از گرمای تبخیر به صورت انرژی پتانسیل جذب مواد می شود و هیچ گونه تبدیلی به انرژی جنبشی نخواهیم داشت و به همین دلیل تغییر دما نخواهیم داشت.

برای درک این موضوع مثال دیگری می زنیم. به نظر شما چه چیزی باعث شدیدترین سوختگی می شود؟ سوختگی ناشی از آب در 100 درجه سانتیگراد یا بخار در 100 درجه سانتیگراد؟

در نگاه اول به نظر می رسد که هر دو باعث سوختگی یکسان می شوند، اما بخار آب انرژی حرارتی بسیار بیشتری نسبت به آب مایع روی پوست آزاد می کند که برابر با گرمای تبخیر است. در واقع، قبل از اینکه این بخار در دمای 100 درجه سانتیگراد به آب تبدیل شود، پوست را می سوزاند و در نتیجه باعث سوختگی بیشتر می شود.

مثال دوم گرمای تبخیر است

برای تغییر دمای 25 گرم آب از دمای 25 درجه (در حالت مایع) به دمای 100 درجه سانتیگراد (در حالت گاز) به چه مقدار گرما نیاز داریم.

برای حل این سوال ابتدا مقدار حرارت لازم برای رسیدن به دمای 100 درجه سانتیگراد در حالت مایع را محاسبه می کنیم:

$$begin {معادله}
Q=m C Delta T = (25 mathrm {g}) left (4.18 mathrm {J} / mathrm {g} cdot{}^ {circ} mathrm { C} right) left (75^ {circ} mathrm {C} right) = 7838 mathrm {J } = 7.8 mathrm {k J}
end {معادله}$$

در ادامه مقدار حرارت مورد نیاز برای تبدیل مایع به بخار محاسبه می شود:

$$begin { معادله}
Q = m H_ {V A P} = (25 mathrm{g}) (2.26 mathrm{kJ} / mathrm {g}) = 56.5 mathrm {kJ}
end {equation $$

در انتها مقدار این دو عدد را با هم جمع می کنیم تا پاسخ سوال را بدست آوریم:

$$Q_T= 7.8 k J + 56.5 k J = 64.3 k J$$

نتیجه

در نهایت مطالب مربوط به گرما و تغییر حالت ماده را به اختصار بیان می کنیم:

در نمودارهای مربوط به گرمایش و سرمایش، تغییر دما با تغییر انرژی جنبشی همراه است، در حالی که در صورت عدم تغییر دما، این تغییر به صورت تغییر در انرژی پتانسیل خواهد بود.

مقدار حرارت مورد نیاز برای افزایش دمای یک گرم از یک ماده به اندازه یک درجه سانتیگراد، گرمای مخصوص آن ماده نامیده می شود.

مقدار گرمای لازم برای تبخیر یک واحد جرم مایع در دمای ثابت را گرمای تبخیر آن مایع می گویند.

انرژی آزاد شده در اثر متراکم شدن گاز و تبدیل آن به مایع، گرمای تراکم نامیده می شود. البته در برخی منابع این عبارات به عنوان گرمای نهان (تبخیر یا تراکم) نیز تعریف شده است.

زمانی که فشار بخار جامد با فشار بخار مایع برابر شود، جامدات ذوب می شوند. برای این همجوشی، گرما باید توسط جامد جذب شود، که حتی ممکن است دما را تغییر ندهد. مقدار گرمای جذب شده در واحد جرم را گرمای همجوشی می گویند.

نیروهای جاذبه قوی‌تر بین ذرات یک جامد باعث می‌شود که نقطه جوش و گرمای همجوشی بالاتری داشته باشیم.

فیلم آموزش اثرات گرما در ترمودینامیک مهندسی شیمی

آنچه در این مقاله در مورد گرما و تغییر حالت ماده گفتیم به بخش مهمی از ترمودینامیک مهندسی شیمی مربوط می شود. به همین منظور «فرادرس» در قالب آموزشی ۸۴ دقیقه ای ویدئویی از اثرات گرما در ترمودینامیک مهندسی شیمی منتشر کرده است.

این آموزش در 7 فصل گردآوری شده است که در فصل اول و دوم به اثرات گرمای محسوس و گرمای نهان مواد خالص پرداخته شده است. در فصل های 3، 4 و 5 به ترتیب گرمای استاندارد واکنش، گرمای استاندارد تشکیل و گرمای استاندارد احتراق بررسی خواهد شد. در فصل های آخر، وابستگی دمایی $$Delta H$$ و اثرات حرارتی واکنش های صنعتی مورد بحث قرار گرفته است.

منابع:

ck-12

سهیل بحر کاظمی (+)

«سهیل بحرکاظمی» دانش‌آموخته کارشناسی ارشد رشته مهندسی نفت از دانشگاه علوم و تحقیقات تهران است. به عکاسی و شیمی آلی علاقه دارد و تا امروز تولید مطالب متنوعی از مجله فرادرس را در حوزه‌های شیمی، هنر و بازاریابی به عهده داشته است. او اکنون به عنوان دبیر ارشد مجله علمی-آموزشی فرادرس فعالیت می‌کند.

مطالب مرتبط

برچسب‌ها

سوالات علوم هفتم درس 3

پرسش و پاسخ علوم هفتم درس سوم

📚 سوالات درس علوم هفتم با جواب
🔴 درس سوم: اتم ها، الفبای مواد

دانلود سوالات درس علوم هفتم 3 PDF
سوالات درس علوم هفتم 3 (2)

پیشنهاد می شود سوالات بالا را حتما دانلود کنید!

1- اتم چیست
به ذرات ریز تشکیل دهنده ماده اتم می گویند.

2- دانشمندان چگونه با مشاهده غیرمستقیم و با استفاده از حواس پنج گانه و آزمایش های تجربی به وجود اتم ها پی بردند؟
.

3- مولکول چیست
مولکول ها از پیوند دو یا چند اتم به وجود می آیند.

4-تعریف مناسبی برای ترکیب ارائه دهید.
مواد خالصی هستند که از ترکیب چند نوع اتم به وجود می آیند.

5- چرا یک ماده گازی به راحتی متراکم می شود؟
در مواد گازی فاصله بین ذرات از مواد جامد و مایع بیشتر است، بنابراین اگر نمونه گاز را در ظرف کوچکتر قرار دهیم
به یکدیگر نزدیک می شوند و فاصله بین آنها کاهش می یابد.

6- توضیح دهید چرا یخ در اثر گرما به آب و بخار آب تبدیل می شود
وقتی یخ را گرم می کنیم انرژی مولکول های آن افزایش می یابد و حرکت آنها افزایش می یابد. اگر این روند را ادامه دهیم، یخ به آرامی ذوب شده و به آب (مایع) تبدیل می شود (شکل 5). حال اگر آب را گرم کنیم حرکت مولکول های آب زیاد می شود. بنابراین آب تغییر حالت داده و به بخار تبدیل می شود. .شدن.