Що таке плавлення у фізиці? Визначення, формула

Уся спостережувана в природі матерія існує в 3 станах: газоподібному, рідкому і твердому. Знаходження речовини в конкретному стані визначається його фізико-хімічними властивостями, а також зовнішніми умовами. У статті детально розглядається процес переходу речовини з твердого стану в рідкий, тобто дається розгорнутий відповідь на питання: «Що таке плавлення?».

Особливості будови твердих і рідких тіл

Перед тим як дати відповідь на питання про те, що таке плавлення, слід розглянути особливості будови твердих і рідких тел.

Перші характеризуються наявністю постійної форми, будь-якій зміні якої вони чинять опір. Тверді тіла володіють пружністю, відсутністю плинності. Відстані між частинками, що утворюють тверде тіло, є невеликими, а сили зв’язку між цими частинками є значними у порівнянні з такими для рідин і газів. Сили зв’язку в твердих тілах можуть мати різну хімічну природу (ван-дер-ваальсовые, металеві, ковалентні, іонні). Існує два способи організації твердих тіл:

  • кристалічні структури, коли атоми або молекули тіла розташовані в певних позиціях в просторі, наприклад, метали;
  • аморфні структури, в яких атоми або молекули розташовані хаотичним способом, наприклад, скло.

У рідинах атоми і молекули розташовані далі один від одного, ніж у твердих тілах, тому вони слабше пов’язані. Рідина зберігає об’єм при даних умовах, але не зберігає форму і має гарну плинність. Частинки рідини розташовані хаотично одна відносно одної.

Слід відзначити важливий момент, атоми або молекули у твердому тілі перебувають у певних положеннях, які вони дуже повільно змінюють (наприклад, у процесах дифузії), а ось частинки рідини постійно перескакують з одного положення в інше.

Кінетична і потенційна енергія

Щоб зрозуміти, що таке плавлення у фізиці, необхідно ясно уявляти співвідношення кінетичної і потенційної енергії в твердих та рідких тілах.

Потенційна енергія характеризує роботу, яку треба затратити, щоб розпорошити дане тіло в просторі на складові його частки. Для опису цієї величини вводять поняття енергії зв’язку, яка позначає роботу, необхідну для того, щоб відірвати від тіла один атом або молекулу і видалити його/її на нескінченність. Наприклад, типові значення енергії зв’язку для твердих тіл становлять кілька електрон-вольт, ці ж значення для рідин на порядок менше.

Кінетична енергія характеризує інтенсивність руху атомів і молекул. У разі конденсованих середовищ ця енергія прямо пропорційно залежить від температури.

У твердих тілах кінетична енергія при кімнатних температурах становить кілька сотих електрон-вольт, тобто вона в 100 разів менше потенційної. Атоми і молекули у твердих тілах перебувають у потенційній ямі і коливаються близько стійких певних положень. Вибратися вони можуть з цих положень, якщо флуктуації кінетичної енергії виявляться значними, або якщо сама потенційна яма невелика, наприклад, коли поблизу є який-небудь дефект.

Кінетична енергія атомів і молекул в рідині приблизно дорівнює їх потенційної енергії, тобто становить кілька десятих електрон-вольт при кімнатній температурі. Це означає, що кожна частинка, складова рідину, постійно перестрибує з одного місця в інше. Хорошим доказом цього факту є Броунівський рух.

Визначення процесу плавлення

Що таке плавлення у фізиці? Визначення цьому явищу можна дати наступне: під плавленням розуміють перехід з твердого стану речовини в рідкий в результаті збільшення його температури. Тобто якщо постійно нагрівати тверде тіло, то молекули або атоми, які його складають, починають збільшувати свою кінетичну енергію. І це відбувається до тих пір, поки ця енергія не зрівняється з енергією зв’язку, після чого частота стрибків атомів (молекул) значно зростає, і твердий матеріал починає плавитися.

Яскравими прикладами плавлення є процеси танення льоду або перехід у розплавлене стан будь-якого металу чи сплаву.

Плавлення — фазовий перехід першого роду

За своїм визначенням, плавлення є переходом першого роду, оскільки при ньому відбувається поглинання теплоти. При цьому температура всієї системи в процесі плавлення не змінюється і є постійною величиною. Цей факт пояснюється тим, що підводиться до тіла тепло витрачається не на збільшення кінетичної енергії атомів і молекул, а на розрив міцних хімічних зв’язків між ними. Тільки після того, як всі зв’язки в твердому тілі будуть зруйновані, подальший підведення тепла до вже рідкого речовини призведе до збільшення його температури.

Сам процес плавлення не відбувається спонтанно, а розвивається в певному проміжку часу, коли рідка і тверда фази співіснують в рівновазі один з одним.

Таким чином, плавлення — це ендотермічний процес, що означає, що він йде з поглинанням теплоти. Зворотний процес, при якому рідина твердне, називається кристалізацією.

Температура плавлення

Як було сказано вище, плавлення відбувається при певній температурі, яка називається точкою плавлення. Від чого залежить ця фізична величина? По-перше, від енергії зв’язку часток, що складають тверде тіло, ніж ця енергія більше, тим більше температура плавлення. Наприклад, тугоплавкий метал ніобій плавиться при температурі 2742 До, а енергія зв’язку на атом у цього металу дорівнює 7,6 ев, інший тугоплавкий метал вольфрам, має енергію зв’язку 8,9 ев і плавиться при значно більшій температурі 3695 К.

По-друге, точка плавлення визначається зовнішніми умовами. Зокрема, при збільшенні тиску вона також зростає.

По-третє, на цю величину для даної речовини сильно впливають домішки. Як правило, домішки призводять до зниження точки плавлення.

Теплота плавлення

Тепер перейдемо від визначення плавлення до формули, яка кількісно описує цей процес. Коли відбувається плавлення, то зовнішній підведення тепла витрачається на розрив зв’язків у твердому тілі і його переклад у рідкий стан. Енергія, яку необхідно затратити, щоб певна кількість твердої речовини, що знаходиться при температурі плавлення, перейшло в рідкий стан називається теплотою плавлення. Формула в цьому випадку записується так: λ=Q/m, де Q — кількість теплоти, m — маса тіла.

Значення теплоти плавлення λ залежить від фізико-хімічних властивостей матеріалу. Наприклад, для льоду це значення становить 333,55 Дж/г або 6,02 кДж/моль, а для заліза 13,81 кДж/моль. Значення наведені при тиску 1 атмосфера.

Плавлення кристалів

Ці тверді тіла являють собою певне просторове розташування частинок, які їх утворюють. Воно відоме під назвою кристалічної решітки. Існують багато різних кристалічних решіток, кожна з яких реалізується у певному класі речовин. Наприклад, метали, як правило, існують у вигляді ОЦК (об’ємно-центрована кубічна) і ГЦК (гранецентрированная кубічна) решіток. Поняття про температуру плавлення справедливо тільки для кристалів.

Плавлення аморфних тіл

Оскільки в аморфних матеріалах атоми (молекули) розташовані хаотично, то і енергії зв’язків між ними будуть різними. Цей факт пояснює, чому для аморфних матеріалів не існує певної точки плавлення, а сам процес плавлення відбувається в температурному інтервалі, який, як правило, становить кілька десятків градусів.