Плавление и кристаллизация твердых тел

Вещество существует в твердом кристаллическом состоянии при определенных значениях давления и температуры. В этом состоянии вещество находится до тех пор, пока кинетической энергии атомов недостаточно, чтобы преодолеть силы взаимного притяжения. Эти силы удерживают атомы на некотором расстоянии друг относительно друга, не позволяя им перемещаться. При этом атом колеблется около положения своего равновесия. При нагревании твердого тела кинетическая энергия атомов или молекул возрастает. При этом амплитуды колебаний могут стать настолько большими, что уже будут сравнимы с периодом решетки, произойдет нарушение дальнего порядка, кристаллическая решетка начнет разрушаться. При дальнейшем увеличении температуры происходит плавление твердых тел.

Плавление – переход вещества из твердого состояния в жидкое.

При плавлении температура тела остается постоянной. Все переданное телу тепло идет на разрушение кристалла. При плавлении кристаллическое тело находится одновременно в твердом и жидком состояниях.

После разрушения кристалла и образования жидкости подводимая теплота идет на нагревание жидкости.

Температура плавления зависит от рода кристаллического тела.

При плавлении изменяется плотность и объем вещества. У большинства веществ объем при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается. При этом изменяется и плотность: при плавлении плотность уменьшается, а при отвердевании увеличивается. Например, кристаллики твердого нафталина или парафина тонут в расплавленном нафталине (парафине). Но лед плавает в воде. Также ведут себя висмут, галлий, германий, кремний, чугун, т.е. при плавлении их плотность увеличивается, а при отвердевании уменьшается. При плавлении они сжимаются (объем уменьшается), а при отвердевании расширяются (объем увеличивается).

Температура плавления зависит от атмосферного давления.

В тех случаях, когда объем вещества при плавлении возрастает, увеличение внешнего давления приводит к увеличению температуры плавления (т.к. увеличение давления затрудняет процесс плавления). Если же объем вещества при плавлении уменьшается, то увеличение внешнего давления ведет к понижению температуры плавления этого вещества (т.к. повышенное давление помогает процессу плавления в данном случае).

Чтобы перевести в жидкость твердое тело массой m при температуре плавления, ему надо сообщить количество теплоты

Q= λ m

где λ – удельная теплота плавления – количество теплоты, необходимое, чтобы перевести в жидкость твердое тело массой 1 кг при температуре плавления.

λ = Q / m [ Дж/кг ]

При плавлении увеличивается внутренняя энергия тела.

Если получившуюся при плавлении жидкость охладить до температуры плавления, то начнется обратный процесс.

Кристаллизация (отвердевание) – процесс перехода жидкости в твердое состояние.

Происходит сближение частиц жидкости и упорядочение их движения, в результате которого они начинают колебаться около узлов кристаллической решетки. Потенциальная энергия молекул при этом уменьшается, а т.к. температура кристаллизации постоянна (равна температуре плавления для данного вещества), процесс кристаллизации должен сопровождаться выделением тепла.

Процесс кристаллизации сопровождается выделением теплоты кристаллизации, которая равна теплоте плавления Q= λ m

Процесс кристаллизации происходит в двухфазной системе вблизи центров кристаллизации. такими центрами могут быть пылинки, мельчайшие примеси.

Процессы плавления и кристаллизации можно представить на графике:

По графику можно определить:

• участок АВ – нагревание льда от -40 ⁰С до температуры плавления 0 ⁰С
• участок ВС – плавление льда при температуре плавления
• участок СD – нагревание воды от 0 ⁰С до температуры 50 ⁰С
• участок DE – охлаждение воды от 50 ⁰С до температуры кристаллизации (отвердевания) 0 ⁰С
• участок EF – кристаллизация (отвердевание) воды при температуре плавления (кристаллизации)
• участок FK – охлаждение льда от 0 ⁰С до температуры -40 ⁰С

 

Многие твердые вещества обладают запахом – камфара, нафталин. Значит пары этих веществ есть в воздухе. Это доказывает, что при определенных условиях твердые вещества могут переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое.

Переход твердого состояния вещества в газообразное называется сублимацией или возгонкой («сублимаре» - возносить)

Легко обнаружить возгонку (сублимацию) льда и снега: уменьшение инея на деревьях со временем, высыхание оледеневшего белья зимой.

Часто можно наблюдать и обратный переход из газообразного состояния непосредственно в твердое, минуя жидкое состояние – десублимация. На окнах зимой иногда можно видеть быстрый рост кристалликов льда в виде узоров на стеклах, которые образуются непосредственно из водяных паров, находящихся в воздухе.

Испарение твердых тел аналогично испарению жидкостей. Все твердые тела испаряются, но их паров обычно так мало, что их невозможно обнаружить.

Процесс сублимации происходит как при нагревании твердого тела, так и без подвода теплоты извне. При сублимации происходит охлаждение тела, т.к. его покидают наиболее быстрые молекулы (обладающие кинетической энергией, достаточной для преодоления молекулярного притяжения и отрыва молекул от поверхности тела).

Процесс сублимации или возгонки наблюдается во Вселенной. При сближении с солнцем происходит возгонка поверхностного слоя ядер комет. Практически вся масса кометы сосредоточена в ядре, которое является единственной твердой частью кометы. Ядро кометы состоит из смеси пылинок, твердых кусочков вещества и замерзших газов (углекислый газ, аммиак, метан). В далеких от Солнца областях кометы не имеют хвостов. При приближении кометы к Солнцу ядро прогревается и из него выделяются газы и пыль. Они образуют вокруг ядра газовую оболочку, которая вместе с ядром составляет голову кометы. Газы и пыль, выбрасываемые в голову кометы, отталкиваются под действия давления солнечного света и создают хвост кометы, всегда направленный в сторону, противоположную Солнцу. Чем ближе к Солнцу подходит комета, тем она ярче и тем длиннее её хвост вследствие большего её облучения и интенсивного выделения газов.

 

Известно, что при повышении температуры линейные размеры твердых тел увеличиваются, а при понижении уменьшаются. При нагревании увеличивается среднее расстояние между атомами и молекулами твердого тела, а значит и линейные размеры тела.

Тепловым расширением называют увеличение линейных размеров тела и его объема при повышении температуры.

Расширение твердых тел при нагревании происходит одинаково по всем направлениям. Однако на практике часто приходится учитывать расширение только в одном направлении.

Линейное расширение – изменение одного определенного размера твердого тела при изменении температуры.

Предположим, что твердое тело при начальной температуре Т₀ имеет длину l₀. При нагревании его до температуры T его длина увеличится до l, т.е. на Δ l = l - l₀

Относительное удлинение составит Δ l/ l.

Величина, равная отношению относительного удлинения тела к изменению его температуры на Δ Т = Т – Т₀, называется температурным коэффициентом линейного расширения.

α = ( Δ l/ l) / Δ Т

Зависимость длины твердого тела от температуры определяется по формуле

l= l₀ ( 1 + α Δ Т)

Для большинства тел можно считать, что температурные коэффициенты линейного расширения практически не зависят от температуры.

Объемное расширение – изменение объема тела при возрастании температуры.

Предположим, что твердое тело при начальной температуре Т₀ имеет объем V₀. При нагревании его до температуры T его объем увеличится до V, т.е. на ΔV = V - V₀

Относительное увеличение объемаΔ V/V

Величина, равная отношению относительного увеличения объема Δ V/Vтела к изменению температуры Δ Т = Т – Т₀ называется температурным коэффициентом объемного расширения.

β = ( Δ V/V) / Δ Т

Между температурными коэффициентами линейного и объемного расширения существует связь

β = 3α

Зависимость объема твердого тела от температуры определяется по формуле

V= V₀ ( 1 + β Δ Т)

Лекции по физике