§ 10. Плавление и кристаллизация твердых тел, температура плавления

Определения и обозначения

Плавление — переход вещества из твёрдого состояния в жидкое при нагревании до определённых условий, прежде всего до температуры плавления. При этом твёрдое тело постепенно превращается в жидкость. Понятие помогает отличить сам переход от обычного нагревания твёрдого тела, при котором оно только становится теплее.

Кристаллизация — переход вещества из жидкого состояния в твёрдое при охлаждении. Это обратный плавлению процесс: при плавлении твёрдое тело становится жидкостью, а при кристаллизации жидкость превращается в твёрдое тело. Термин нужен, чтобы точно называть переход при образовании кристаллов, например когда вода превращается в лёд.

Температура плавления — температура, при которой кристаллическое вещество плавится. При том же давлении она совпадает с температурой кристаллизации этого вещества. Это свойство позволяет определять условия перехода и сравнивать материалы; обычно температуру обозначают буквой T, а температуру плавления можно записывать как Tₘ.

Кристаллические тела — твёрдые тела, для которых характерна определённая температура плавления при заданном давлении. К ним относятся, например, лёд и многие металлы. Такое свойство помогает распознавать плавление по постоянной температуре на графике и отличать кристаллические тела от веществ, которые размягчаются постепенно.

Как это устроено

Если твёрдое тело нагревать, оно получает энергию, и его температура растёт. Частицы движутся интенсивнее, поэтому тепловое состояние тела меняется. На графике нагревания этот этап изображается наклонным участком: по мере увеличения времени нагревания температура поднимается. Наклон продолжается, пока тело не достигнет своей температуры плавления.

При плавлении кристаллического тела температура при постоянном давлении не меняется, хотя тепло продолжает поступать. До начала перехода энергия увеличивала интенсивность движения частиц, а теперь она расходуется на перестройку их расположения и переход вещества в жидкое состояние. Поэтому показания термометра остаются на одном уровне, пока в теле одновременно есть твёрдая и жидкая части. На графике этому соответствует горизонтальный участок при температуре Tₘ.

Когда всё твёрдое вещество расплавилось, переход завершён и горизонтальный участок заканчивается. Если продолжать нагревать получившуюся жидкость, энергия снова повышает интенсивность движения её частиц. Поэтому температура жидкости растёт, и линия графика опять идёт вверх. Таким образом, график обычно показывает сначала нагревание твёрдого тела, затем плавление и после него нагревание жидкости.

При охлаждении жидкости частицы теряют энергию, и их движение становится менее интенсивным. Кристаллизация начинается, когда жидкость достигает температуры плавления этого вещества; при том же давлении это температура, при которой оно плавилось. Пока идёт переход, температура остаётся постоянной, потому что изменение состояния требует отвода энергии. После завершения кристаллизации дальнейшее охлаждение понижает температуру твёрдого тела.

Температура плавления зависит от вещества: например, лёд плавится при 0 °C, алюминий — примерно при 660 °C, а железо — примерно при 1539 °C. Это можно использовать при выборе материала: вещество с высокой температурой плавления подходит для деталей, которые должны выдерживать сильный нагрев, а материал с более низкой температурой плавления легче расплавить при обработке. Сравнивать значения следует при одинаковом давлении, так как условия тоже могут влиять на температуру перехода.

Температуры плавления некоторых веществ

Чтобы пользоваться таблицей, найдите нужное вещество и сравните его температуру с указанной температурой плавления. Ниже неё вещество обычно находится в твёрдом состоянии, а выше — в жидком, если не учитывать другие условия. Значения приблизительные и приведены для сравнения материалов при обычном давлении.

Разбор задач

1. Нагревание льда

Условие. Лёд при температуре −10 °C нагревают до 0 °C. Как изменяется его температура и начинается ли уже плавление? Чтобы ответить, нужно сравнить начальную и конечную температуры с температурой плавления льда. При нормальном атмосферном давлении она равна 0 °C.

1. Пока лёд твёрдый и его температура ниже 0 °C, поступающая энергия повышает его температуру.
2. При нагревании от −10 °C до 0 °C температура возрастает на 10 °C.
3. Плавление начинается при достижении 0 °C; до этого момента лёд только нагревается.

Ответ: температура льда повышается от −10 °C до 0 °C, плавление начинается при достижении 0 °C.

2. Температура кристаллизации

Условие. Кристаллическое вещество плавится при 80 °C. При какой температуре оно кристаллизуется при охлаждении, если давление не меняется? Здесь не требуется вычислять разность или применять формулу нагревания. Достаточно использовать равенство температур плавления и кристаллизации одного вещества при одинаковом давлении.

1. Записываем известную температуру плавления: 80 °C.
2. Давление при охлаждении не меняется, поэтому условия для сравнения одинаковы.
3. Температура кристаллизации равна температуре плавления этого вещества.

Ответ: вещество кристаллизуется при 80 °C.

3. Горизонтальный участок графика

Условие. На графике нагревания вещества виден горизонтальный участок при 660 °C. Нужно определить температуру плавления и описать, что происходит на этом участке. Горизонтальная линия означает, что при продолжающемся нагревании температура не меняется. Для кристаллического тела это характерный признак плавления.

1. Находим значение температуры, соответствующее горизонтальному участку: 660 °C.
2. Постоянство температуры при поступлении тепла показывает, что идёт фазовый переход, то есть меняется состояние вещества.
3. На участке часть вещества ещё твёрдая, а часть уже стала жидкой; после окончания участка всё вещество расплавлено.

Ответ: температура плавления равна 660 °C; на горизонтальном участке вещество плавится, получая тепло без повышения температуры.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что температура обязательно растёт на протяжении всего нагревания. Такое ожидание возникает из опыта нагревания предметов, но при плавлении кристаллического тела энергия меняет состояние вещества, а температура остаётся постоянной. Проверьте себя по графику: горизонтальный участок означает постоянную температуру, даже если нагревание продолжается.

• Ошибка: путать температуру плавления с температурой, при которой тело просто начинает нагреваться. Твёрдое тело можно нагревать и при температуре ниже точки плавления, не превращая его в жидкость. Чтобы проверить ответ, сравните температуру тела с характерной для вещества точкой плавления: переход начинается при её достижении.

• Ошибка: полагать, что у всех твёрдых тел одна и та же температура плавления. Причина ошибки — перенос знакомого значения 0 °C для льда на другие материалы, хотя температура зависит от вещества. Проверьте себя по таблице: лёд, свинец и металлы плавятся при разных температурах.

• Ошибка: считать, что при кристаллизации температура обязательно ниже, чем при плавлении. При охлаждении направление процесса меняется, но для одного вещества при одинаковом давлении температура перехода сохраняется. Проверка простая: сопоставьте условия и убедитесь, что давление одинаково; тогда температуры плавления и кристаллизации совпадают.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что температура характеризует тепловое состояние тела и обычно меняется при нагревании или охлаждении. Также важно различать твёрдое и жидкое состояния вещества и помнить, что частицы находятся в тепловом движении. Эти представления помогают объяснить, почему при фазовом переходе подводимая или отводимая энергия не всегда изменяет температуру.

Плавление и кристаллизация связаны с дальнейшим изучением тепловых явлений, удельной теплоты плавления и теплообмена. Удельная теплота плавления показывает, сколько энергии нужно для плавления вещества заданной массы при температуре плавления. Эти знания позволяют решать задачи, где тело получает или отдаёт тепло и может менять своё состояние.

Что запомнить

• Плавление — переход твёрдого вещества в жидкое.
• Кристаллизация — переход жидкости в твёрдое состояние.
• У кристаллического вещества есть определённая температура плавления.
• Во время плавления температура кристаллического тела при постоянном давлении не меняется.
• Во время кристаллизации температура также остаётся постоянной.
• Температуры плавления и кристаллизации одного вещества при одинаковом давлении совпадают.