График плавления и отвердевания кристаллических тел

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 284.

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 284.

В твердых кристаллических телах молекулы расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решетку, структура которой воспроизводится во всем объеме – такое расположение частиц называется дальним порядком. При нагревании тела кинетическая энергия молекул увеличивается, и при достижении температуры плавления структура решетки начинает разрушаться, твердое тело теряет форму — начинается процесс плавления. При охлаждении происходит отвердевание — переход из жидкой фазы в твердую.

Почему происходит плавление

В твердом состоянии молекулы и атомы находятся в узлах решетки, совершая непрерывные колебания вблизи фиксированного положения. Такие колебания не нарушают кристаллическую структуру. Прочность решетки обеспечивается межмолекулярными связями. В процессе нагрева тела происходит передача тепловой энергии, которая преобразуется во внутреннюю энергию молекул, увеличивая их скорость и частоту колебаний. При достижении некоторого критического значения температуры Tпл (температуры плавления) происходит разрыв межмолекулярных связей, молекулы покидают свои места, что приводит к изменению формы тела, которое начинает переходить в жидкое состояние.

Рис. 1. Примеры строения кристаллических решеток: графит, алмаз,NaCl.

Итак, плавлением называется процесс перехода из твердого состояния в жидкое.

Переходы между фазами

Изучая явления плавления и кристаллизации, следует познакомиться с понятием фазы вещества. Под ней полагают такое состояние материи, которое определяется конкретным строением и физико-химическими свойствами. Необходимо не путать это понятие с агрегатным состоянием. Например, чистый элемент железо может находиться в одном агрегатном состоянии, но иметь при этом разные фазы.

Так, будучи твердым, оно может быть в следующих формах:

• альфа низкотемпературная — имеет объемно центрированную кубическую решетку и обладает магнитными свойствами;
• гамма — имеет кристаллическую решетку кубическую гранецентрированную, немагнитное;
• дельта высокотемпературная — обладает таким же типом решетки, что и альфа-железо, но является немагнитным.

Превращения первого рода

В физике изучены многие виды превращений между фазами, которые сопровождаются определенным тепловым эффектом. Такие переходы носят название превращений первого рода. Выделяют следующие из них:

• из твердого в жидкое — плавление, наоборот — кристаллизация;
• из твердого в газообразное — возгонка, наоборот — десублимация;
• из жидкого в газообразное — кипение, наоборот — конденсация.

Здесь не приведена плазма, которая также относится к одному из агрегатных состояний. Для нее характерны процессы ионизации.

Помимо переходов первого рода существуют превращения второго рода. Последние не характеризуются тепловым эффектом, а связаны лишь с изменением каких-либо свойств вещества, например, магнитности или электрической проводимости.

Энергия Гиббса

Чтобы понимать графики превращений вещества между разными фазами, необходимо владеть понятием энергии Гиббса. Эта физическая величина характеризует стабильность фазы при рассматриваемых условиях. Под последними в большинстве случаев имеют в виду температуру и давление. Для изменения энергии Гиббса ΔG можно записать следующее термодинамическое выражение: ΔG = ΔH — T * ΔS.

Здесь ΔH — это изменение энтальпии или скрытой теплоты во время изучаемого фазового превращения, ΔS — изменение энтропии или меры беспорядка в ходе физического процесса, T — значение абсолютной температуры.

Следует запомнить, что всякий термодинамический процесс является выгодным с энергетической точки зрения, если в результате него изменение свободной энергии Гиббса оказывается отрицательным (ΔG<0), то есть величина G уменьшается.

Помимо энергетического фактора произвольности превращения существует еще кинетический. Любое вещество, в каком бы агрегатном состоянии ни находилось, характеризуется определенным микроскопическим строением. В процессе фазового превращения это строение изменяется. Для этого необходимо, чтобы участвующие в нем частицы имели определенный запас кинетической энергии, который позволит им выполнить пространственную перестройку. Понимание кинетического фактора играет ключевую роль при аморфных и метастабильных превращениях.

Что такое отвердевание

Наблюдения показывают, что если расплавленное вещество охладить, то при достижении температуры Tотв (температура отвердевания) начинается обратный процесс перехода из жидкого состояния в твердое. Этот фазовый переход называется отвердеванием или кристаллизацией. Экспериментально доказано, что для кристаллических тел Tпл = Tотв. “Горячие” молекулы”, при охлаждении теряют скорость и отдают тепло в окружающую среду. Внутренняя энергия уменьшается, частицы под воздействием сил молекулярного взаимодействия начинают “занимать” постоянные места, восстанавливая структуру решетки.

Процессы плавления и отвердевания происходят не скачкообразно, а постепенно, так, что одновременно могут соседствовать твердая и жидкая компоненты. Эксперименты показывают, что до окончания плавления (или отвердевания) всей массы вещества, его температура остается постоянной.

Металлы, температура плавления которых больше 16500С, называют тугоплавкими. Например, температура плавления вольфрама равна 33700С. Поэтому из него делают долговечные нити накаливания для ламп. Тугоплавкие металлы и их сплавы незаменимы в ракетостроении, атомной энергетике, металлургии, космической технике — везде, где необходимы высокие жаропрочные свойства.

Применение металла в промышленном производстве

В естественных условиях алюминий имеет свойство образовывать тонкую оксидную пленку, что предотвращает реакции с водой и азотной кислотой (без нагрева). При разрушении пленки в результате контакта со щелочами химический элемент выступает в качестве восстановителя.

С целью предотвращения образования оксидной пленки в сплав добавляют другие металлы (галлий, олово, индий). Металл практически не подвергается коррозионным процессам. Он является востребованным материалом в различных отраслях промышленности.

Алюминий и его сплавы очень востребованы в различных сферах жизни человека.

• Алюминий считается популярным материалом для изготовления посуды, основным сырьем для авиационной и космической отрасли промышленности. Отличная электропроводность металла позволяет использовать его при напылении проводников в микроэлектронике.
• Свойство алюминия и его сплавов при низких температурах приобретать хрупкость позволяет его использовать в криогенной технике. Отражательная способность и дешевизна, легкость вакуумного напыления делают алюминий незаменимым материалом для изготовления зеркал.
• Нанесение металла на поверхность деталей турбин, нефтяных платформ придают устойчивость к коррозии сплавам из стали. Для производства сероводорода применяется сульфид металла, а чистый алюминий используется в качестве восстановителя редких сплавов из оксидов.
• Химический элемент используют как компонент соединений, например, в алюминиевых бронзах, магниевых сплавах. Наряду с другими материалами его применяют для изготовления спиралей в электронагревательных приборах. Соединения металла широко применяются в стекловарении.
• В данное время чистый алюминий редко используется в качестве материала для ювелирной бижутерии, но набирает популярности его сплав с золотом, обладающий особым блеском и игрой. В Японии металл вместо серебра используется для изготовления украшений.
• В пищевой промышленности алюминий зарегистрирован в качестве добавки. Алюминиевые банки для пива стали популярной упаковкой для напитка с 60-х годов прошлого века. Технологическая линия предусматривает производство тары 0,33 и 0,5 л. Упаковка имеет одинаковый диаметр и отличается только высотой.
• Основным преимуществом упаковки перед стеклом является возможность вторичного использования материала.
• Банки для пива (газированных напитков) выдерживают давление до 6 атмосфер, имеют куполообразное, толстое дно и тонкие стенки. Особенности технологии изготовления путем вытяжки обеспечивают конструкционную прочность и надежные эксплуатационные свойства тары.

Графическое представление процессов плавления и отвердевания

График плавления и отвердевания кристаллических тел дает наглядное представление о временной зависимости этих фазовых переходов.

Рис. 2. График плавления и отвердевания вода-лед.

Обычная вода является хорошим примером для иллюстрации обсуждаемых явлений. На представленном графике по оси абсцисс отложено время t, а по оси ординат — температура. Пускай изначально, в момент времени t = 0, когда температура льда (кристалла) была равна -400С, начнется подача тепла — нагрев. Рассмотрим далее временную зависимость температурной зависимости T(t):

• На участке АВ, от -400С до 00С (температура плавления льда) существует лед в кристаллическом виде;
• Участок ВС — происходит стадия плавления, присутствуют одновременно лед и вода. Температура остается постоянной, равной 00С;
• СD — в точке С закончилось плавление, существует только жидкая фаза — вода;
• DЕ — в точке D прекратился нагрев, происходит остывание вплоть до точки Е, т.е. до температуры 00С. Присутствует только вода в жидком виде;
• EF — в точке Е, начинается отвердевание, появляются кристаллы льда, но одновременно присутствует и жидкая фаза. Температура остается постоянной, равной 00С;
• FK — в точке F произошло полное отвердевание, остается только лед в кристаллическом виде, температура которого постепенно понижается.

Твердые тела и жидкости

С этими агрегатными состояниями вещества каждый человек сталкивается каждый день. Чтобы отчетливо понимать, какие процессы происходят во время плавления твердых тел, кристаллизации жидкостей и их нагревания, необходимо знать об особенностях внутреннего строения этих агрегатных состояний на атомно-молекулярном уровне. Жидкости и твердые вещества имеют одно общее свойство — являются несжимаемыми. Остальные их характеристики отличаются значительно.

Кристаллическое и аморфное состояние

Несмотря на великое многообразие твердых тел, их внутреннее строение относится к одной из двух групп. Выделяют следующие:

• кристаллы;
• аморфы.

И те и другие характеризуются определенной физической формой и способностью оказывать сопротивление внешним механическим нагрузкам.

Кристаллы состоят из упорядоченных ячеек атомов и молекул в пространстве так, что образуется правильная геометрическая решетка, которая называется кристаллической. С помощью трансляций на конкретные векторы можно из одного узла решетки попасть в любой другой. Строгое периодическое строение обуславливает анизотропию физических свойств кристаллов. Их примером является поваренная соль, сталь, лед и другое.

Чистые кристаллы в природе сложно встретить, поэтому они всегда в своем составе содержат примеси, вакансии, дислокации, то есть дефекты, которые нарушают их идеальное геометрическое строение.

Аморфы — это вещества, структурный порядок в которых нарушен. Они не обладают дальним порядком, подобно кристаллам. Однако для них характерен ближний порядок, который обусловлен химическими свойствами соответствующих элементов. Аморфы изотропны. Примером является стекло.

Текучие несжимаемые вещества

Речь идет о жидкостях. Типичное их строение — это хаотическое расположение частиц, которые способны за небольшие промежутки времени перескакивать из одного положения в другое. Этот факт их отличает от твердых тел, где для каждой частицы отведено вполне определенное место, вокруг которого она осуществляет колебания.

Атомы и молекулы жидкости слабо связаны друг с другом в отличие от кристаллов и аморфов. Это позволяет веществу легко принимать произвольную форму при любых необъемных механических воздействиях на него. С другой стороны частицы в жидкостях расположены на достаточно близком друг от друга расстоянии, чтобы взаимодействовать с помощью ван-дер-ваальсовых связей и не давать им разлетаться во все стороны, как молекулам газа.

Если жидкость резко охладить, то можно заморозить все ее частицы в своих позициях. В результате получается аморфное твердое состояние. Оно является метастабильным с энергетической точки зрения, однако для перехода в стабильное состояние необходимо затратить определенную энергию активации (кинетический фактор).

Что такое удельная теплота плавления

Удельной теплотой плавления λ (греческая буква “лямбда”), называется физическая величина, равная количеству тепла, которое необходимо передать твердому телу массой 1 кг, чтобы полностью перевести его в жидкую фазу. Формула удельной теплоты плавления выглядит так:

$ λ ={Q \over m}$ (1)

где:

m — масса плавящегося вещества, кг;

Q — количество тепла, переданное веществу при плавлении, Дж.

Значения λ для разных веществ определяют экспериментально. Размерность λ следует из формулы (1):

$ [λ] = { [Дж]\over [кг] } $ (2)

Зная λ, можно рассчитать количество тепла Q, которое необходимо сообщить телу массой m для его полного расплавления:

$Q={ λ * m}$ (3)

При отвердевании ровно такое же количество тепла будет возвращено в окружающую среду.

Некоторые вещества при нагревании минуют стадию плавления и сразу испаряются. Такой процесс называют сублимацией или возгонкой. Примером такого вещества может служить кристаллический йод. Обратный переход из газообразного состояния, проходящий без образования жидкой фазы, называется десублимацией. Примерами таких переходов служат образование кристаллов йода из паров йода и выпадение инея и снежинок из водяных паров воздуха.

Рис. 3. Образование узоров инея на стекле.

Плавление аморфных тел

Аморфные тела конкретной температуры плавления не имеют. Строение аморфных тел больше похоже на очень вязкую жидкость, чем на твердое кристаллическое тело. Во время нагревания они будут становиться более текучими, все больше проявляя свойство жидкости. При этом, хрупкость, присущая твердому состоянию, будет исчезать. Одновременно с плавлением, температура аморфных тел будет повышаться.

Важно! Одновременно с плавлением, температура аморфных тел будет непрерывно повышаться. Потому, что такие тела не имеют конкретной температуры плавления.

Примеры аморфных тел

• канифоль (смола хвойных деревьев);
• стекло;
• эбонит;
• сургуч;
• различные пластмассы;

Примечание: Эбонит («Эбенос» др.-греч. — чёрное дерево) – это вулканизированный каучук с добавлением большого количество серы, до 50 % от массы каучука. Цвет эбонита обычно тёмно-бурый или чёрный. Этот материал не проводит электрических ток – то есть, является хорошим изолятором.