Плавление это: Плавление — это… Что такое Плавление? – Плавление — это… Что такое Плавление? — НПФ Техсервис — Техническое оборудование общепромышленного и нефтепромыслового назначения

Содержание

Плавление — это… Что такое Плавление?

переход вещества из кристаллического (твёрдого) состояния в жидкое; происходит с поглощением теплоты (Фазовый переход I рода). Главными характеристиками П. чистых веществ являются Температура плавления (Т_пл) и теплота, которая необходима для осуществления процесса П. (Теплота плавления Q_пл). Температура П. зависит от внешнего давления р; на диаграмме состояния (См. Диаграмма состояния) чистого вещества эта зависимость изображается кривой плавления (кривой сосуществования твёрдой и жидкой фаз, AD или AD’ на рис. 1). П. сплавов (См. Сплавы) и твёрдых растворов происходит, как правило, в интервале температур (исключение составляют эвтектики (См. Эвтектика) с постоянной Т_пл). Зависимость температуры начала и окончания П. сплава от его состава при данном давлении изображается на диаграммах состояния специальными линиями (кривые ликвидуса и солидуса, см. Двойные системы) . У ряда высокомолекулярных соединений (например, у веществ, способных образовывать Жидкие кристаллы) переход из твёрдого кристаллического состояния в изотропное жидкое происходит постадийно (в некотором температурном интервале), каждая стадия характеризует определённый этап разрушения кристаллической структуры. Наличие определённой температуры П.— важный признак правильного кристаллического строения твёрдых тел. По этому признаку их легко отличить от аморфных твёрдых тел, которые не имеют фиксированной Т_пл. Аморфные твёрдые тела переходят в жидкое состояние постепенно, размягчаясь при повышении температуры (см. Аморфное состояние). Самую высокую температуру П. среди чистых металлов имеет Вольфрам (3410 °С), самую низкую — Ртуть (—38,9 °С). К особо тугоплавким соединениям относятся: TiN (3200 °С), HfN (3580 °С), ZrC (3805 °С), TaC (4070 °С), HfC (4160 °С) и др. Как правило, для веществ с высокой
Т_пл характерны более высокие значения Q_пл. Примеси, присутствующие в кристаллических веществах, снижают их Т_пл. Этим пользуются на практике для получения сплавов с низкой Т_пл (см., например, Вуда сплав с Т_пл = 68 °С) и охлаждающих смесей (См. Охлаждающие смеси). П. начинается при достижении кристаллическим веществом Т_пл. С начала П. до его завершения температура вещества остаётся постоянной и равной Т_пл, несмотря на сообщение веществу теплоты (рис. 2). Нагреть кристалл до Т > Т_пл в обычных условиях не удаётся (см. Перегрев), тогда как при кристаллизации сравнительно легко достигается значительное Переохлаждение расплава. Характер зависимости Т_пл от давления р определяется направлением объёмных изменений (ΔV _пл) при П. (см. Клапейрона — Клаузиуса уравнение). В большинстве случаев П. вещества сопровождается увеличением их объёма (обычно на несколько %). Если это имеет место, то возрастание давления приводит к повышению Т_пл (рис. 3). Однако у некоторых веществ (воды (См. Вода), ряда металлов (См. Металлы) и металлидов (См. Металлиды), см. рис. 1) при П. происходит уменьшение объёма. Температура П. этих веществ при увеличении давления снижается. П. сопровождается изменением физических свойств вещества: увеличением энтропии (См. Энтропия), что отражает разупорядочение кристаллической структуры вещества; ростом теплоёмкости (См. Теплоёмкость), электрического сопротивления [исключение составляют некоторые полуметаллы (Bi, Sb) и полупроводники (Ge), в жидком состоянии обладающие более высокой электропроводностью]. Практически до нуля падает при П. сопротивление сдвигу (в расплаве не могут распространяться поперечные упругие волны, см. Жидкость), уменьшается скорость распространения Звука

(продольных волн) и т.д. Согласно молекулярно-кинетическим представлениям, П. осуществляется следующим образом. При подведении к кристаллическому телу теплоты увеличивается энергия колебаний (амплитуда колебаний) его атомов, что приводит к повышению температуры тела и способствует образованию в кристалле различного рода дефектов (незаполненных узлов кристаллической решётки — вакансий (См. Вакансия); нарушений периодичности решётки атомами, внедрившимися между её узлами, и др., см. Дефекты в кристаллах). В молекулярных кристаллах может происходить частичное разупорядочение взаимной ориентации осей молекул, если молекулы не обладают сферической формой. Постепенный рост числа дефектов и их объединение характеризуют стадию предплавления. С достижением Т_пл в кристалле создаётся критическая концентрация дефектов, начинается П.— кристаллическая решётка распадается на легкоподвижные субмикроскопические области. Подводимая при П. теплота идёт не на нагрев тела, а на разрыв межатомных связей и разрушение дальнего порядка в кристаллах (см. Дальний порядок и ближний порядок). В самих же субмикроскопических областях ближний порядок в расположении атомов при П. существенно не меняется (Координационное число расплава при Т_пл в большинстве случаев остаётся тем же, что и у кристалла). Этим объясняются меньшие значения теплот плавления Q_пл по сравнению с теплотами парообразования (См. Парообразование) и сравнительно небольшое изменение ряда физических свойств веществ при их П.

Процесс П. играет важную роль в природе (П. снега и льда на поверхности Земли, П. минералов в её недрах и т.д.) и в технике (производство металлов и сплавов, литьё в формы и др.).

Лит.: Френкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей, Собр. избр. трудов, т. 3, М. —Л., 1959; Данилов В. И., Строение и кристаллизация жидкости, К., 1956; Глазов В. М., Чижевская С. Н., Глаголева Н. Н., Жидкие полупроводники, М., 1967; Уббелоде А., Плавление и кристаллическая структура, пер. с англ., М., 1969; Любов Б. Я., Теория кристаллизации в больших объемах, М. (в печати).

Б. Я. Любов.

Рис. 1. Диаграмма состояния чистого вещества. Линии AD и AD’ — кривые плавления, по линии AD’ плавятся вещества с аномальным изменением объёма при плавлении.

Рис. 2. Остановка температуры при плавлении кристаллического тела. По оси абсцисс отложено время τ, пропорциональное равномерно подводимому к телу количеству теплоты.

Рис. 3. Изменение температуры плавления Т_пл (°С) щелочных металлов с увеличением давления p (кбар). Кривая плавления Cs указывает на существование у него при высоких давлениях двух полиморфных превращений (а и в).

Плавление — это… Что такое Плавление?

Плавле́ние —это процесс перехода тела^{[источник не указан 1003 дня]} из кристаллического твёрдого состояния в жидкое. Плавление происходит с поглощением удельной теплоты плавления и является фазовым переходом первого рода.

Способность плавиться относится к физическим свойствам вещества ^[1]

При нормальном давлении, наибольшей температурой плавления среди металлов обладает вольфрам (3422 °C), среди простых веществ — углерод (по разным данным 3500 — 4500 °C^[2]) а среди произвольных веществ — карбид тантала-гафния Ta₄HfC₅ (4216 °C). Можно считать, что самой низкой температурой плавления обладает гелий: при нормальном давлении он остаётся жидким при сколь угодно низких температурах.

Многие вещества при нормальном давлении не имеют жидкой фазы. При нагревании они путем сублимации сразу переходят в газообразное состояние.

Плавление смесей и твёрдых растворов

У сплавов, как правило, нет определённой температуры плавления; процесс их плавления происходит в конечном диапазоне температур. На диаграммах состояния «температура — относительная концентрация» имеется конечная область сосуществования жидкого и твёрдого состояния, ограниченная кривыми ликвидуса и солидуса. Аналогичная ситуация имеет место и в случае многих твёрдых растворов.

Фиксированной температуры плавления нет также у аморфных тел; они переходят в жидкое состояние постепенно, размягчаясь при повышении температуры.

Кинетика плавления

Природа плавления

Поясним вначале, почему при некоторой температуре тело предпочитает разорвать часть межатомных связей и из упорядоченного состояния (кристалл) перейти в неупорядоченное (жидкость).

Как известно из термодинамики, при фиксированной температуре тело стремится минимизировать свободную энергию . При низких температурах второе слагаемое (произведение температуры и энтропии) несущественно, и в результате всё сводится к минимизации обычной энергии . Состояние с минимальной энергией — это кристаллическое твёрдое тело. При повышении температуры, второе слагаемое становится всё важнее, и при некоторой температуре оказывается выгоднее разорвать некоторые связи. При этом обычная энергия слегка повысится, но при этом сильно возрастет и энтропия, что в результате приведёт к понижению свободной энергии.

Динамика плавления

В динамике, плавление происходит следующим образом. При повышении температуры тела увеличивается амплитуда тепловых колебаний его молекул, и время от времени возникают дефекты решетки. Каждый такой дефект требует определённого количества энергии, поскольку он сопровождается разрывом некоторых межатомных связей. Стадия рождения и накопления дефектов называется стадией предплавления. Кроме того, на этой стадии, как правило, возникает квази-жидкий слой на поверхности тела. При некоторой температуре концентрация дефектов становится столь большой, что приводит к потере ориентационного порядка в образце.

Плавление в двумерных системах

В двумерных или квази-двумерных системах кристалл является гораздо более шатким объектом, чем в трёхмерном случае, а именно у двумерного кристалла нет дальнего позиционного порядка. (Для сравнения: в одномерном случае кристалл при конечной температуре вообще не может быть стабильным!) Как выяснилось, это приводит к тому, что плавление двумерного кристалла происходит в два этапа. Вначале кристалл переходит в так называемую

гексатическую фазу, в которой теряется ближний позиционный порядок, но сохраняется ориентационный, а затем происходит потеря и ориентационного порядка и тело становится жидким.

См. также

Примечания

Ссылки

Что такое плавление в физике? Определение, формула :: SYL.ru

Вся наблюдаемая в природе материя существует в 3 состояниях: газообразном, жидком и твердом. Нахождение вещества в конкретном состоянии определяется его физико-химическими свойствами, а также внешними условиями. В статье подробно рассматривается процесс перехода материи из твердого состояния в жидкое, то есть дается развернутый ответ на вопрос: «Что такое плавление?».

Особенности строения твердых и жидких тел

Перед тем как дать ответ на вопрос о том, что такое плавление, следует рассмотреть особенности строения твердых и жидких тел.

Первые характеризуются наличием постоянной формы, любому изменению которой они оказывают сопротивление. Твердые тела обладают упругостью, отсутствием текучести. Расстояния между частицами, образующими твердое тело, являются небольшими, а силы связи между этими частицами являются значительными в сравнении с таковыми для жидкостей и газов. Силы связи в твердых телах могут иметь различную химическую природу (ван-дер-ваальсовые, металлические, ковалентные, ионные). Существует два способа организации твердых тел:

кристаллические структуры, когда атомы или молекулы тела расположены в определенных позициях в пространстве, например, металлы;
аморфные структуры, в которых атомы или молекулы расположены хаотичным способом, например, стекло.

В жидкостях атомы и молекулы расположены дальше друг от друга, чем в твердых телах, поэтому они слабее связаны. Жидкость сохраняет объем при данных условиях, но не сохраняет форму и обладает хорошей текучестью. Частицы жидкости расположены хаотично относительно друг друга.

Следует отметить важный момент, атомы или молекулы в твердом теле находятся в определенных положениях, которые они очень медленно изменяют (например, в процессах диффузии), а вот частицы жидкости постоянно перескакивают из одного положения в другое.

Кинетическая и потенциальная энергия

Чтобы понять, что такое плавление в физике, необходимо ясно представлять соотношение кинетической и потенциальной энергии в твердых и жидких телах.

Потенциальная энергия характеризует работу, которую нужно затратить, чтобы распылить данное тело в пространстве на составляющие его частицы. Для описания этой величины вводят понятие энергии связи, которая обозначает работу, необходимую для того, чтобы оторвать от тела один атом или молекулу и удалить его/ее на бесконечность. Например, типичные значения энергии связи для твердых тел составляют несколько электрон-вольт, эти же значения для жидкостей на порядок меньше.

Кинетическая энергия характеризует интенсивность движения атомов и молекул. В случае конденсированных сред эта энергия прямо пропорционально зависит от температуры.

В твердых телах кинетическая энергия при комнатных температурах составляет несколько сотых электрон-вольт, то есть она в 100 раз меньше потенциальной. Атомы и молекулы в твердых телах находятся как бы в потенциальной яме и колеблются около устойчивых определенных положений. Выбраться они могут из этих положений, если флуктуации кинетической энергии окажутся значительными, или если сама потенциальная яма невелика, например, когда поблизости имеется какой-либо дефект.

Кинетическая энергия атомов и молекул в жидкости приблизительно равна их потенциальной энергии, то есть составляет несколько десятых электрон-вольт при комнатной температуре. Это означает, что каждая частица, составляющая жидкость, постоянно перепрыгивает из одного места в другое. Хорошим доказательством этого факта является Броуновское движение.

Определение процесса плавления

Что такое плавление в физике? Определение этому явлению можно дать следующее: под плавлением понимают переход из твердого состояния вещества в жидкое в результате увеличения его температуры. То есть если постоянно нагревать твердое тело, то молекулы или атомы, которые его составляют, начинают увеличивать свою кинетическую энергию. И это происходит до тех пор, пока эта энергия не сравняется с энергией связи, после чего частота прыжков атомов (молекул) значительно возрастает, и твердый материал начинает плавиться.

Яркими примерами плавления являются процессы таяния льда или переход в расплавленное состояние какого-либо металла или сплава.

Плавление — фазовый переход первого рода

Согласно своему определению, плавление является переходом первого рода, поскольку при нем происходит поглощение теплоты. При этом температура всей системы в процессе плавления не изменяется и является постоянной величиной. Этот факт объясняется тем, что подводимое к телу тепло расходуется не на увеличение кинетической энергии атомов и молекул, а на разрыв прочных химических связей между ними. Только после того, как все связи в твердом теле будут разрушены, дальнейший подвод тепла к уже жидкому веществу приведет к увеличению его температуры.

Сам процесс плавления не происходит спонтанно, а развивается в определенном промежутке времени, когда жидкая и твердая фазы сосуществуют в равновесии друг с другом.

Таким образом, плавление — это эндотермический процесс, что означает, что он идет с поглощением теплоты. Обратный процесс, при котором жидкость затвердевает, называется кристаллизацией.

Температура плавления

Как было сказано выше, плавление происходит при определенной температуре, которая называется точкой плавления. От чего зависит эта физическая величина? Во-первых, от энергии связи частиц, составляющих твердое тело, чем эта энергия больше, тем больше температура плавления. Например, тугоплавкий металл ниобий плавится при температуре 2742 К, а энергия связи на атом у этого металла равна 7,6 эВ, другой тугоплавкий металл вольфрам, имеет энергию связи 8,9 эВ и плавится при значительно большей температуре 3695 К.

Во-вторых, точка плавления определяется внешними условиями. В частности, при увеличении давления она также возрастает.

В-третьих, на эту величину для данного вещества сильно влияют примеси. Как правило, примеси приводят к понижению точки плавления.

Теплота плавления

Теперь перейдем от определения плавления к формуле, которая количественно описывает этот процесс. Когда происходит плавление, то внешний подвод тепла расходуется на разрыв связей в твердом теле и его перевод в жидкое состояние. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы определенное количество твердого вещества, находящегося при температуре плавления, перешло в жидкое состояние называется теплотой плавления. Формула в этом случае записывается так: λ=Q/m, где Q — количество теплоты, m — масса тела.

Значение теплоты плавления λ зависит от физико-химических свойств материала. Например, для льда это значение составляет 333,55 Дж/г или 6,02 кДж/моль, а для железа 13,81 кДж/моль. Значения приведены при давлении 1 атмосфера.

Плавления кристаллов

Эти твердые тела представляют собой определенное пространственное расположение частиц, которые их образуют. Оно известно под названием кристаллической решетки. Существуют много разных кристаллических решеток, каждая из которых реализуется в определенном классе веществ. Например, металлы, как правило, существуют в виде ОЦК (объемно-центрированная кубическая) и ГЦК (гранецентрированная кубическая) решеток. Понятие о температуре плавления справедливо только для кристаллов.

Плавление аморфных тел

Поскольку в аморфных материалах атомы (молекулы) расположены хаотически, то и энергии связей между ними будут различными. Этот факт объясняет, почему для аморфных материалов не существует определенной точки плавления, а сам процесс плавления происходит в температурном интервале, который, как правило, составляет несколько десятков градусов.

ПЛАВЛЕНИЕ — это… Что такое ПЛАВЛЕНИЕ?

— переход вещества изкристаллич. твёрдого состояния в жидкое. П. происходит с поглощением теплакак фазовый переход1-го рода, оно состоит в позиционном разупорядочениисистемы: регулярное пространственное расположение атомов (молекул) сменяетсянерегулярным при незначит. изменении ср. расстояний между ними. ТемператураП. Т_пл зависит от давления Р. Для двух- и многоатомныхмолекул при П. наблюдается также ориентационное разупорядочение, у нек-рыхвеществ оно предшествует П.
Линия фазового равновесия кристалл — жидкость, начинается в тройной точке А чистого вещества (рис. 1) и прослеживаетсядо давлений ~10ГПа. Если в системе происходит полиморфное превращение (см. Полиморфизм), толиния П. имеет излом в тройной точке кристалл I — кристалл II — жидкость.

Рис. 1. Линия плавления АВ на диаграммесостояния чистого вещества: А— тройная точка равновесия кристалл- жидкость — газ, К — критическая точка, AD — экстраполяциялинии плавления за тройную точку.

Для большинства веществ темп-ра П. увеличиваетсяс ростом давления, dT_пл/dP > 0. Но для воды, Ga,Bi, Sb, нек-рых сплавов dT_пл/dP< 0 в окрестноститройной точки А. При плавлении энтропия S возрастает,S= S_ж — S_крист > 0, т. е. теплота плавления .= Т S положительна.(Известно исключение, относящееся к ³ Не при Т< 0,32К. Оно связано с явлением преимущественного ориентац. упорядочения ядерныхспинов в жидкой фазе.) Тогда, согласно Клапейрона — Клаузиуса уравнению,dP/dT = знак dP/dT совпадает со знаком скачка объёма = v_ж — v_крист Для нормально плавящихсявеществ объём при П. увеличивается,T_пл при атм. давлении, S/R(R — газовая постоянная )и объёма _крист для нек-рых веществ.

Вещество	T_пл,К	/R	/v_крист	Вещество	Т _пл,К	/R	/v_крист
Аr	83,8	1 ,69	0,142	Сu	1358	1,15	0,046
Хе	161,3	1,71	0,151	Аu	1338	1,15	0,055
N₂	63,2	1 ,37	0,072	Zn	692,7	1,25	0,041
O₂	54,4	0,99	0,075	А1	933	1,36	0,064
СН ₄	90,7	1,24	0,081	Pb	600,2	1,00	0,037
C₆H₆	278,6	4,25	0,133	Fe	1811	1,01	0,039
C₆F₁₄	185,0	4,96	0,091	Ni	1728	1,23	0,063
Na	370,8	0,86	0,026	NaCl	1073	3,37	0,250
К	335,7	0,86	0,025	KC1	1043	3,12	0,173

Из табл. видно, что для простых веществ S/R лежитв интервале 0,86 — 1,71 (7,2 — 14,2 Дж/моль х К). Более высокие значения характерны для веществ, у к-рых при П. возбуждаются дополнительные (напр.,ориентацпонные) степени свободы (С ₆ Н ₆, C₆F₁₄ и др.) или перестраивается электронная структура (Si, Ge, Bi и др.). Увеличениеобъёма у металлов значительно меньше, чем у инертных газов и ионных солей. Т _пл элементов от их ат. номера Z немонотоннаи обнаруживает периодичность (рис. 2). Похожий вид имеет зависимость от . теплотыплавления L.
Термодинамич. движущей силой П. являетсяотклонение двухфазной системы от равновесия. Мерой этого отклонения служитразность химических потенциалов ( Т, (Т, 0. Стационарное состояние обеспечивается подводом тепла к границераздела фаз при постоянном внеш. давлении. П. — результат конкуренции двухфаз, каждая из к-рых устойчива по отношению к малым возмущениям..
П. сопровождается скачкообразным изменением S,v и внутр. энергии при медленном изобарич. нагревании образца. ПриП. не только теряется регулярность структуры (дальний порядок в расположенииатомов), но существенно изменяется в среднем и координация соседних атомов(ближний порядок).
Зависимость между Т и Р налинии П. приближённо передаётся эмпирич. ур-нием ( Р/Р ₀)+1 = ( Т/Т _п)^с. Здесь с1 — индивидуальнаяпостоянная, к-рую следует рассматривать как параметр термодинамич. подобиявеществ относительно П., значения Т ₀ и Р ₀ (Т _п — темп-pa плавления при Р = 0, Р ₀ = -Р при T= 0) получены экстраполяцией линии П. за тройную точку(ли ния АД на рис. 1). Для нормально плавящихся веществ Р₀.0.
Физически продолжение линии фазового равновесияза тройную точку возможно. Обе сосуществующие фазы при этом находятся врастянутом состоянии и удовлетворяют условию Эмпирич. ур-ние приводит к асимптотике dP/dT0при Т 0,к-рая согласуется с теоремой Нернста. Поиск высокотемпературной асимптотикилиний П. не привёл к универсальному результату. В отличие от равновесияжидкость — пар критическая точка на линии равновесия кристалл — жидкостьне обнаружена. Её появление считается невозможным, что объясняется различиемсимметрии кристалла и жидкости.

Рис. 2. Зависимость температуры ( а )и теплоты ( б) плавления элементов от их атомного номера Z.

При П. имеет место размерный эффект: темп-paП. T_R малых частиц (R — эфф. радиус частицы) ниже, Т _пл больших кристаллов. Эффект связан с поверхностнойэнергией, к-рая относительно велика для малых частиц. Напр., для Sn Т _ПЛ=505 К, T_R480;460; 415 К соответственно для R= 10; 6; 4 нм.
П. частично аморфных веществ, напр. полимеров, х). Вид простой диаграммысостояний показан на рис. 3. Система образует непрерывный ряд растворовв жидком и кристаллич. состояниях. Равновесные составы жидкой ( х_ж )и кристаллич. ( х_крист) фаз при заданной темп-ре Т₁ определяются, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Диаграмма состояния кристалл -жидкость двухкомпонентной системы, х— атомная (молекулярная) долякомпонента В в растворе.

Относит. количества фаз зависят от исходнойконцентрации однородной системы и определяются из условия сохранения масскомпонент. Верхняя линия l наз. кривой ликвидуса, нижняя линия s- кривой солидуса.
П. и кристаллизация играют важнуюроль в природе: образование снега и льда, вечной мерзлоты, процессы вовнутр. слоях Земли, вулканич. явления. П. — составная часть мн. процессовв технике (произ-во чистых металлов и сплавов, стекла, изделий из них).

Лит.: Френкель Я. И., Кинетическаятеория жидкостей, Л., 1975; Любов Б. Я., Теория кристаллизации в большихобъемах, М., 1975; Тонков Е. Ю., Фазовые диаграммы элементов при высокомдавлении, М., 1979; Уббелоде А. Р., Расплавленное состояние вещества, пер. В. П. Скрипов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Плавление — Википедия. Что такое Плавление

Плавле́ние — это процесс перехода тела из кристаллического твёрдого состояния в жидкое, то есть переход вещества из одного агрегатного состояния в другое. Плавление происходит с поглощением теплоты плавления и является фазовым переходом первого рода, которое сопровождается скачкообразным изменением теплоёмкости в конкретной для каждого вещества температурной точке превращения — температура плавления.

Способность плавиться относится к физическим свойствам вещества^[1]

При нормальном давлении, наибольшей температурой плавления среди металлов обладает вольфрам (3422 °C), среди простых веществ — углерод (по разным данным 3500 — 4500 °C^[2]) а среди произвольных веществ — карбид тантала-гафния Ta₄HfC₅ (3942 °C). Можно считать, что самой низкой температурой плавления обладает гелий: при нормальном давлении он остаётся жидким при сколь угодно низких температурах.

Многие вещества при нормальном давлении не имеют жидкой фазы. При нагревании они путём сублимации сразу переходят в газообразное состояние.