Плавлення і затвердіння кристалічних тіл

Будь-який елемент може перебувати в кількох різних станах при дотриманні деяких зовнішніх умов. Плавлення і затвердіння кристалічних тіл – основні зміни в структурі матеріалів. Гарним прикладом є вода, яка може перебувати в рідкому, газоподібному і твердому станах. Ці різні форми називають агрегатними (від грец. «Пов’язую») станами. Агрегатний стан – це форми одного елемента, що відрізняються за характером розташування частинок (атомів), які не змінюють своєї будови.

Як відбуваються зміни
Існує кілька процесів, що характеризують зміну форм різних речовин:

  • затвердіння;
  • кипіння;
  • сублімація (з твердої форми відразу в газоподібну);
  • випаровування;
  • плавка;
  • конденсація;
  • десублімації (зворотний перехід з сублімації).

Кожне перетворення характеризується певними умовами, які повинні бути дотримані для вдалого переходу.

Формули

Який процес називають тепловим? Будь-, при якому відбувається зміна агрегатних станів матеріалів, оскільки в них велику роль грає температура. Будь-яке теплове зміна має їй протилежне: з рідкого у твердий і навпаки, з твердого в пар і навпаки.

Важливо! Майже всі теплові процеси зворотні.
Плавлення і затвердіння веществСуществуют формули, за якими можна визначити, якою буде питома теплота, тобто тепло, що вимагається для зміни 1 кг твердої речовини.

Наприклад, формула затвердіння і плавки: Q = λm, де λ – це питома теплота.

А ось формула для відображення процесу охолодження і нагрівання – Q = cmt, де с – питома теплоємність – обсяг тепла для нагрівання 1 кг матеріалу на один градус, m-це маса, а t – різниця температур.

Формула для конденсації і пароутворення: Q = Lm, де питома теплота -L, а m – маса.

Опис процесів

Плавленням називають один із способів деформації структури, переведення з твердого стану в рідке. Протікає практично однаково в усіх випадках, але двома різними способами:

  • елемент нагрівають зовні;
  • нагрів відбувається зсередини.

Ці два способи відрізняються інструментами: в першому випадку речовини нагрівають у спеціальній печі, а в другому – пропускають струм крізь предмет або индукционно нагрівають його, поміщаючи в електромагнітне поле з високими частотами.

Важливо! Руйнування кристалічної структури матеріалу і виникнення змін в ній призводить до рідкого стану елемента.
За допомогою різних інструментів можна домогтися одного і того ж процесу:

  • підвищується температура;
  • кристалічна решітка змінюється;
  • частинки віддаляються один від одного;
  • з’являються інші порушення кристалічної решітки;
  • міжатомні зв’язки розриваються;
  • утворюється квазіжідкій шар.

Як вже стало зрозуміло, температура – основний фактор, через який стан елемента змінюється. За температура плавлення метали ділять на:

  • легкі – не більше 600 ° С;
  • середні – 600-1600 ° С;
  • тугі -понад 1600 ° С.

Інструмент для цієї роботи вибирають за належністю до тієї чи іншої групи: чим більше необхідно нагріти матеріал, тим потужнішим має бути механізм.

Однак, варто бути уважним і звіряти дані з системою координат, наприклад, критична температура твердої ртуті – це -39 ° С, а твердого спирту – -114 ° С, але велика з них буде -39 ° С, оскільки по системі координат це число ближче до нуля.

Не менш важливим показником є ​​і температура кипіння, при якій рідина закипає. Дана величина дорівнює теплоті парів, що утворюються над поверхнею. Цей показник прямо пропорційний тиску: при підвищенні тиску – підвищується температура плавлення і навпаки.

Допоміжні матеріали

У кожного матеріалу свої температурні показники, при яких його форма змінюється, причому для кожного з них можна скласти свій графік плавлення і затвердіння. Залежно від кристалічної решітки, показники будуть змінюватися. Наприклад, графік плавлення льоду показує, що для нього потрібна вкрай мало тепла, що показано нижче:

На графіку зображено співвідношення кількості тепла (вертикально) і часу (горизонтально), необхідне для плавки льоду.

Таблиця показує, яка кількість теплоти необхідно для плавлення найпоширеніших металів.

Графік плавлення та інші допоміжні матеріали вкрай необхідні під час дослідів, щоб простежити зміни положення частинок і помітити початок зміни форми елементів.

Тужавіння тіл

Тужавіння – це зміна рідкої форми елемента в тверду. Необхідною умовою є зниження температури нижче точки замерзання. Під час даної процедури може утворюватися кристалічна структура молекул, і тоді зміна стану називають кристалізацією. При цьому елемент в рідкій формі повинен охолонути до температури затвердіння або кристалізації.

Плвалення і затвердіння кристалічних тіл здійснюється при однакових умовах зовнішнього середовища: вода кристалізується при 0 ° С, і при цьому ж показнику тане лід.

А у випадку з металами: залозу необхідно 1539 ° С для плавлення і кристалізації.

Досвід доводить, що для затвердіння речовина має виділити рівну кількість тепла, як і при зворотному перетворенні.

Молекули при цьому притягуються один до одного, утворюючи кристалічну решітку, не в силах чинити опір, оскільки вони втрачають свою енергію. Таким чином, питома теплота визначає, як багато необхідно енергії для перетворення тіла в рідкий стан і скільки її виділитися при твердінні.

Формула затвердіння – це Q = λ * m. При кристалізації до знаку Q додається знак мінуса, оскільки тіло в такому випадку енергію виділяє або втрачає.

Посилання на основну публікацію