Главная >> Молекулярная физика. Термодинамика. Физика 10 класс. Мякишев

Глава 8. Твердые тела и их превращение в жидкости

Теплота плавления

Сопло космической ракеты

Приведем интересный технический пример практического использования теплоты плавления и парообразования. При изготовлении сопла для космической ракеты следует учитывать, что струя газов, выходящая из сопла ракеты, имеет температуру около 4000 °С. В природе практически отсутствуют материалы, которые в чистом виде могли бы выдержать такую температуру. Поэтому приходится прибегать ко всякого рода ухищрениям, чтобы охладить материал сопла во время горения топлива.

Сопло изготавливают методом порошковой металлургии. В полость формы закладывается порошок тугоплавкого металла (вольфрам). Затем его подвергают сдавливанию. Порошок спекается, получается пористая структура типа пемзы. Затем эта «пемза» пропитывается медью (ее температура плавления всего 1083 °С).

Полученный материал называется псевдосплавом. На рисунке 8.31 показана фотография микроструктуры псевдосплава. На белом фоне вольфрамового каркаса видны медные включения неправильной формы. Этот сплав может, как это ни невероятно, кратковременно работать даже при температуре газов, образующихся при сгорании топлива, т. е. выше 4000 °С.

Происходит это следующим образом. Вначале температура сплава растет, пока не достигнет температуры плавления меди t₁ (рис. 8.32). После этого температура сопла не будет меняться, пока вся медь не расплавится (промежуток времени от τ до τ₂). В дальнейшем температура опять возрастает до тех пор, пока медь не закипит. Это происходит при температуре t₂ = 2595 °С, меньшей температуры плавления вольфрама (3380 °С). Пока вся медь не выкипит, температура сопла опять меняться не будет, так как испаряющаяся медь забирает теплоту от вольфрама (промежуток времени от τ₃ до τ₄). Конечно, сколько угодно долго сопло работать не будет. После испарения меди вольфрам опять начнет нагреваться. Однако двигатель ракеты работает всего лишь несколько минут, а за это время сопло не успеет перегреться и расплавиться.

Фазовые переходы. Сублимация

Мы познакомились со взаимными превращениями жидкостей и газов, твердых тел и жидкостей.

Возможен также непосредственный переход твердых тел в газообразное состояние. Такой процесс называется сублимацией* (или возгонкой). Именно благодаря этому процессу высыхает замерзшее белье на большом морозе. Без плавления переходит в газообразную фазу «сухой лед» — твердая углекислота. Сублимация специальных веществ используется для теплозащиты космических аппаратов, спускающихся с околоземной орбиты на Землю. Дело в том, что процесс сублимации, как и плавления, сопровождается поглощением теплоты.

* От латинского слова sublimo — возношу.

Все рассмотренные процессы (плавление, парообразование, кристаллизация, конденсация и сублимация) сопровождаются поглощением или выделением некоторого количества теплоты.

Переход вещества из одного состояния в другое, сопровождающийся скачкообразным изменением физических свойств вещества (плотности, концентрации компонентов и др.) при непрерывном изменении внешних параметров (температуры, давления и т. д.), называется фазовым переходом первого рода.

Таким образом, парообразование, конденсация, сублимация, плавление и кристаллизация представляют собой фазовые переходы первого рода.

Существуют фазовые переходы второго рода. При этих переходах не происходит скачкообразного изменения плотности вещества, и они не сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние является примером фазового перехода второго рода.

Количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического вещества единичной массы, называется удельной теплотой плавления. При кристаллизации такое же количество теплоты, выделяется.

<<< К началу параграфа