Температура плавления: от чего зависит, как характеризуется и другое

От чего зависит температура плавления?

Вещества начинают плавиться при разной температуре. Температура перехода металлов в жидкость зависит от двух факторов:

1. чистоты вещества (примеси придают системе большую и меньшую устойчивость);
2. химического строения, состава (некоторые сплавы переходят в жидкое состояние при температуре выше 200°С, а другие при 2500°С).

Особенности различных температур плавления применяют в металлургической промышленности. Устойчивость к нагреванию повышает легирование стали, т. е. изменение химического состава.

Содержание

Одно и то же вещество может находиться в трех разных агрегатных состояниях в зависимости от условий. Например, лед, вода и водяной пар (рисунок 1).

Рисунок 1. Агрегатные состояния одного вещества на примере льда, воды и пара

Соответственно, это одно вещество в твердом, жидком и газообразном состоянии. Эти состояния отличаются друг от друга расположением, характером движения и взаимодействия молекул. В жидких и твердых телах, в отличии от газов, молекулы не могут далеко удалиться друг от друга. Изначально они расположены близко друг к другу и их средняя кинетическая энергия недостаточна для того, чтобы совершить работу по преодолению сил молекулярного притяжения.

Тем не менее, на практике мы часто наблюдаем, как тела переходят из твердого состояния в жидкое, и наоборот. Например, процесс таяния льда или его замерзания. В данном уроке мы более подробно рассмотрим эти процессы, узнаем при каких условиях они проходят.

Как определить температуру плавления?

Существует несколько методов экспериментального определения температуры плавления.

1. Капиллярный способ Измельченное твердое вещество необходимо поместить в капилляр с открытым концом. Капилляр нагревают в таких условиях, чтобы тонкое стекло не лопнуло. Когда все вещество переходит в жидкую фазу, температуру фиксируют.
2. Открытый капиллярный метод Этот способ схож с предыдущим, но вместо закрытого капилляра используют открытый.
3. Мгновенное плавление На металлический блок, нагретый до температуры на 10°С ниже справочной температуры плавления, кладут измельченные порции сухого вещества. Регулируют нагревание так, чтобы градус повышался на 1°С в минуту. Затем записывают изначальную температуру t1, при которой вещество приобретает свойства жидкости сразу после контакта с блоком. После нахождения данной величины нагревание приостанавливают и очищают место соприкосновения блока и вещества. При постепенном охлаждении продолжают класть на блок порции вещества. Таким образом устанавливают конечную температуру t2, при которой вещество перестает плавиться.

Формула определения температуры плавления по методу «мгновенного плавления»:

Тпл = (t1 + t2) / 2

Для определения температуры плавления твердых веществ, которые быстро превращаются в порошок, используют методы №1 и №3, а для аморфных веществ, плавящихся при температуре ниже 100°С, — метод №2.

Температуру плавления нельзя определить теоретическим путем с помощью формул. Ознакомиться с ней можно в специальном химическом справочнике.

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.

Критерии

Среди теоретических критериев плавления Lindemann[6] и Родившийся[7] критерии — это те критерии, которые наиболее часто используются в качестве основы для анализа условий плавления. Критерий Линдемана утверждает, что плавление происходит из-за колебательной неустойчивости, например кристаллы плавятся, когда средняя амплитуда тепловых колебаний атомов относительно высока по сравнению с межатомными расстояниями, например δu2>1/2 > δLрs

, куда
δu
— атомное смещение, параметр Линдемана
δL
≈ 0,20 … 0,25 и
рs
составляет половину межатомного расстояния.[8]:177 Критерий плавления Линдемана подтверждается экспериментальными данными как для кристаллический материалы и для переходы стекло-жидкость в аморфных материалах. Критерий Борна основан на катастрофе жесткости, вызванной исчезающим модулем упругости сдвига, то есть когда кристалл больше не имеет достаточной жесткости, чтобы механически выдерживать нагрузку.[9]

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.

Рекомендации

1. Софекун, Габриэль О .; Эвой, Эрин; Лесаж, Кевин Л .; Чоу, Нэнси; Марриотт, Роберт А. (2018). «Реология жидкой элементарной серы через λ-переход». Журнал реологии
   . Общество реологии.
   62
   (2): 469–476. Bibcode:2018JRheo..62..469S. Дои:10.1122/1.5001523. ISSN 0148-6055.
2. Аткинс, П. У. (Питер Уильям), 1940 — автор. (2017). Элементы физической химии
   . ISBN 978-0-19-879670-1 . OCLC 982685277.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
3. Pedersen, Ulf R .; Костильола, Лоренцо; Бейли, Николас П .; Schrøder, Thomas B .; Дайр, Джепп К. (2016). «Термодинамика замерзания и плавления». Nature Communications
   .
   7
   (1): 12386. Bibcode:2016НатКо … 712386P. Дои:10.1038 / ncomms12386. ISSN 2041-1723. ЧВК 4992064. PMID 27530064.
4. Аткинс, Питер; Джонс, Лоретта (2008), Химические принципы: поиски понимания
   (4-е изд.), W.H. Freeman and Company, p. 236, г. ISBN 978-0-7167-7355-9
5. Отт, Дж. Беван; Берио-Козочки, Джулиана (2000), Химическая термодинамика: современные приложения
   , Academic Press, стр. 92–93, ISBN 978-0-12-530985-1
6. Линдеманн, Ф. (1910). «Über die Berechnung molkularer Eigenfrequenzen». Physikalische Zeitschrift
   (на немецком).
   11
   (14): 609–614.
7. Родился, Макс (1939). «Термодинамика кристаллов и плавления». Журнал химической физики
   . Издательство AIP.
   7
   (8): 591–603. Bibcode:1939ЖЧФ … 7..591Б. Дои:10.1063/1.1750497. ISSN 0021-9606.
8. Стюарт А. Райс (15 февраля 2008 г.). Успехи химической физики
   . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-470-23807-3 .
9. Роберт В. Кан (2001) Материаловедение: плавление изнутри, Природа 413 (#6856)
10. Пак, Сон Ён; Страуд, Д. (11 июня 2003 г.). «Теория плавления и оптические свойства нанокомпозитов золото / ДНК». Физический обзор B
    . Американское физическое общество (APS).
    67
    (21): 212202. arXiv:cond-mat / 0305230. Bibcode:2003ПхРвБ..67у2202П. Дои:10.1103 / Physrevb.67.212202. ISSN 0163-1829. S2CID 14718724.
11. Охован, Майкл I; Ли, Уильям (Билл) Э (2010). «Связность и стеклование в неупорядоченных оксидных системах». Журнал некристаллических твердых тел
    . Elsevier BV.
    356
    (44–49): 2534–2540. Bibcode:2010JNCS..356.2534O. Дои:10.1016 / j.jnoncrysol.2010.05.012. ISSN 0022-3093.

ПЛАВЛЕ́НИЕ

ПЛАВЛЕ́НИЕ, пе­ре­ход ве­ще­ст­ва из твёр­до­го кри­стал­лич. со­стоя­ния в жид­кое; фа­зо­вый пе­ре­ход 1-го ро­да, со­про­во­ж­даю­щий­ся скач­ко­об­раз­ным из­ме­не­ни­ем объ­ё­ма и эн­тро­пии ве­ще­ст­ва. При по­сто­ян­ном дав­ле­нии П. од­но­ком­по­нент­ных ве­ществ про­ис­хо­дит при не­ко­то­рой фик­си­ро­ван­ной темп-ре Тпл, на­зы­вае­мой темп-рой плав­ле­ния. Это свой­ст­во от­ли­ча­ет кри­стал­лич. ве­ще­ст­ва от аморф­ных, пе­ре­ход ко­то­рых в жид­кое со­стоя­ние идёт по­сте­пен­но в не­ко­то­ром ин­тер­ва­ле тем­пе­ра­тур. В ре­зуль­та­те П. про­ис­хо­дит по­зи­ци­он­ное ра­зу­по­ря­до­че­ние сис­те­мы: ре­гу­ляр­ное про­стран­ст­вен­ное рас­по­ло­же­ние ато­мов или мо­ле­кул (даль­ний по­ря­док) сме­ня­ет­ся не­ре­гу­ляр­ным, при­чём ср. рас­стоя­ния ме­ж­ду час­ти­ца­ми из­ме­ня­ют­ся не­зна­чи­тель­но. В ря­де мо­ле­ку­ляр­ных кри­стал­лов вы­де­ля­ют так­же др. ме­ха­низ­мы ра­зу­по­ря­до­че­ния при П. (ори­ен­та­ци­он­ный, кон­фи­гу­ра­ци­он­ный, ко­ле­ба­тель­ный). Эн­тро­пия ве­ще­ст­ва при П. воз­рас­та­ет, при­чём в за­ви­си­мо­сти от ха­рак­те­ра из­ме­не­ния струк­ту­ры ве­ще­ст­ва те или иные ме­ха­низ­мы ра­зу­по­ря­до­че­ния вно­сят разл. вклад в её при­рост. Напр., для по­лу­про­вод­ни­ков, пе­ре­хо­дя­щих при П. в ме­тал­лич. со­стоя­ние, су­ще­ст­вен­ный вклад в эн­тро­пию обу­слов­лен уве­ли­че­ни­ем кон­цен­тра­ции элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти при П. Для раз­ры­ва свя­зей ме­ж­ду час­ти­ца­ми при П. тре­бу­ет­ся энер­гия, ве­ли­чи­на ко­то­рой за­ви­сит от кон­крет­ного ве­ще­ст­ва и на­зы­ва­ет­ся те­п­ло­той плав­ле­ния.

Темп-ры П. раз­ных ве­ществ ле­жат в ши­ро­ком ин­тер­ва­ле. Сре­ди од­но­ком­по­нент­ных ве­ществ наи­бо­лее низ­кую темп-ру П. при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии име­ет во­до­род (Тпл=14 К); са­мым ту­го­плав­ким ме­тал­лом яв­ля­ет­ся вольф­рам (Тпл=3693 К), а наи­бо­лее ту­го­плав­ки­ми со­еди­не­ния­ми – кар­би­ды, напр. ТаС (Тпл=4258 К) и HfC (Тпл=4163 К).

Рис. 1. Фазовая диаграмма однокомпонентного вещества; А – тройная точка; K – критическая точка.

На фа­зо­вой диа­грам­ме од­но­ком­по­нент­но­го ве­ще­ст­ва (рис. 1) за­ви­си­мость Тпл от дав­ле­ния (ли­ния П.) опи­сы­ва­ет­ся ли­ни­ей AB, со­от­вет­ст­вую­щей фа­зо­во­му рав­но­ве­сию ме­ж­ду кри­стал­лом и жид­ко­стью. Ли­ния AD (про­дол­же­ние ли­нии П. в об­ласть от­ри­ца­тель­ных дав­ле­ний) опи­сы­ва­ет ме­та­ста­биль­ное со­стоя­ние рав­но­ве­сия кри­стал­ла с жид­ко­стью, на­хо­дя­щих­ся в рас­тя­ну­том со­стоя­нии. Ход ли­нии П. оп­ре­де­ля­ет­ся зна­ком из­ме­не­ния объ­ё­ма. Для боль­шин­ст­ва ве­ществ на­блю­да­ет­ся уве­ли­че­ние объ­ё­ма при П. и не­ог­ра­ни­чен­ный рост Тпл при уве­ли­че­нии дав­ле­ния (нор­маль­ный ход ли­нии П.). Это оз­на­ча­ет бо­лее вы­со­кую упо­ря­до­чен­ность и плот­ность кри­стал­лич. фа­зы по срав­не­нию с рас­пла­вом. Вме­сте с тем из­вест­ны ве­ще­ст­ва (напр., гал­лий, вис­мут, лёд), у ко­то­рых при от­но­си­тель­но низ­ких дав­ле­ни­ях на­блю­да­ет­ся умень­ше­ние объ­ё­ма при П. и умень­ше­ние Тпл с рос­том дав­ле­ния (ано­маль­ный ход ли­нии П.). При П. та­ких ве­ществ про­ис­хо­дит об­ра­зо­ва­ние не­упо­ря­до­чен­ной струк­ту­ры с бо­лее плот­ной упа­ков­кой час­тиц. Од­на­ко с уве­ли­че­ни­ем дав­ле­ния эти ве­ще­ст­ва ис­пы­ты­ва­ют по­ли­морф­ный пе­ре­ход, по­сле ко­то­ро­го ход ли­нии П. ста­но­вит­ся нор­маль­ным. На ли­ни­ях П. не­ко­то­рых ве­ществ (напр., це­зия, ба­рия) на­блю­да­ет­ся тем­пе­ра­тур­ный мак­си­мум, за ко­то­рым (при по­вы­ше­нии дав­ле­ния) ход ли­нии П. ста­но­вит­ся ано­маль­ным, при­чём в точ­ке мак­си­му­ма кри­сталл и рас­плав име­ют оди­на­ко­вую плот­ность. При даль­ней­шем рос­те дав­ле­ния та­кие ве­ще­ст­ва ис­пы­ты­ва­ют по­ли­морф­ный пе­ре­ход, по­сле ко­то­ро­го на­клон кри­вых П. вновь ста­но­вит­ся по­ло­жи­тель­ным.

На ли­нии П. (в от­ли­чие от ли­нии рав­но­ве­сия жид­кость–пар) от­сут­ст­ву­ют осо­бен­но­сти ти­па кри­ти­че­ской точ­ки, что свя­за­но с раз­ли­чи­ем сим­мет­рии кри­стал­ла и жид­ко­сти. Осо­бый вид име­ет фа­зо­вая диа­грам­ма ге­лия: на ней от­сут­ст­ву­ет трой­ная точ­ка рав­но­ве­сия кри­сталл– жид­кость–пар. Ге­лий твёр­дый мо­жет су­ще­ст­во­вать толь­ко при по­вы­шен­ном дав­ле­нии, ко­то­рое при 0 К для 4He со­став­ля­ет ок. 2,5 МПа, для 3He – ок. 3,4 МПа.

При П. име­ет ме­сто раз­мер­ный эф­фект, ко­то­рый за­мет­но про­яв­ля­ет­ся в об­раз­цах суб­мик­рон­но­го раз­ме­ра. В та­ких кри­стал­лах боль­шая до­ля ато­мов на­хо­дит­ся в по­верх­но­ст­ном слое. Это при­во­дит к то­му, что пе­ре­ход от кри­стал­лич. со­стоя­ния к жид­ко­му, свя­зан­ный с по­ни­же­ни­ем энер­гии тер­мо­ди­на­мич. сис­те­мы, про­ис­хо­дит при бо­лее низ­кой темп-ре, чем в мас­сив­ных об­раз­цах. Напр., ес­ли для мак­ро­ско­пич. об­раз­ца свин­ца Тпл=600 К, то для об­раз­цов раз­ме­ром 10, 5 и 3 нм Тпл со­став­ля­ет со­от­вет­ст­вен­но 580, 540 и 490 К.

Рис. 2. Фазовая диаграмма двухкомпонентной системы.

Для мно­го­ком­по­нент­ных сис­тем Тпл за­ви­сит от их со­ста­ва. Так, для двух­ком­по­нент­ной сис­те­мы с не­ог­ра­ни­чен­ной рас­тво­ри­мо­стью ком­по­нен­тов за­ви­си­мость Тпл от кон­цен­тра­ции x од­но­го из них при по­сто­ян­ном дав­ле­нии и оди­на­ко­вой сим­мет­рии кри­стал­лич. ре­шё­ток име­ет вид, изо­бра­жён­ный на рис. 2. Кон­цен­тра­ции ком­по­нен­тов в кри­стал­ле и рас­пла­ве, на­хо­дя­щих­ся в рав­но­ве­сии, раз­лич­ны (хкр и хж на рис. 2 при темп-ре Т1). Ли­нии S и L на диа­грам­ме опи­сы­ва­ют со­от­вет­ст­вен­но за­ви­си­мо­сти темп-ры на­ча­ла (кри­вая со­ли­ду­са) и темп-ры окон­ча­ния (кри­вая ли­к­ви­ду­са) П. от кон­цен­тра­ции и ог­ра­ни­чи­ва­ют об­ласть, в ко­то­рой со­су­ще­ст­ву­ют кри­стал­лы твёр­до­го рас­тво­ра и рас­плав. Для слу­чая ог­ра­ни­чен­ной рас­тво­ри­мо­сти ком­по­нен­тов (с разл. сим­мет­ри­ей кри­стал­лич. ре­шё­ток) фа­зо­вая диа­грам­ма име­ет бо­лее слож­ный вид.

П. иг­ра­ет важ­ную роль в при­ро­де и жиз­не­дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка (П. льда и сне­га, про­цес­сы в не­драх Зем­ли и кос­мо­се и др.). П. – со­став­ная часть мн. тех­но­ло­гич. про­цес­сов (про­из-во чис­тых ме­тал­лов и спла­вов, из­де­лий из них).

Библиографический список

1. Kawakami К., Kitagava Т., Miyashita Y. et al. II Nippon Kokan Technical Report.Overseas. 1982. V. 36. P. 26…27.
2. SchreweH. II Verlag Stakleisen mbH. Dusseldorf, 1987. S. 104.
3. Deuxieme Conference Mondial des Founders a models perdus. Dusseldorf, 1…4 June, 1960.
4. AymardJ. P., DetrezP. IIFouderie 330. Janvier, 1974. P. 11…24.
5. Hirai M., Kanamru K., Mori H. IITetsu to Hagane 52 (1969). P. 85.
6. Roeser Wm. R, Wensel H. T. Freezing Temperatures of High-Purity Iron and Some Steels // Journal of Research of the Na­tional Bureau of Standards. 1941. V. 26. P. 273…287.
7. KagavaA., Okamota T. Influence of alloying elements on tem­perature and composition for peritectic reaction in plain carbon steel // Material science and technology. October 1986. V. 2. №10. P. 997…1008.
8. Andrews K. W. Solidification ranges of steel // A note submitted to the alloy phase diagram date Committee of the Metals Soci­ety, 1981. P. 1…8.
9. WolfM. //Zurich, 1982. S. 37…49.
10. Howe A. A. II Ironmaking and Steelmaking. 1988. V. 16. №3. P. 134…142.
11. Jerkontoret.//Stockholm, 1977. P. 117.
12. Schiirmann E., Schweinichen J. V., Volker R. u. a. II Giesserei-Forschung 39, Jahrgang 1987. H. 4. S. 133…136.
13. SugdenA. А. В., Bhadeshia H. K. D. H. II Material science and technology. October 1989. V. 5. № 10. P. 977…984.

Задать интересующий Вас вопрос, написать комментарий к данной статье Вы можете здесь. Напишите нам и мы обязательно ответим.