"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Кристаллические тела имеют упорядоченное строение и плавятся при определённой температуре. При нагревании твёрдое вещество сначала повышает температуру, а затем переходит в жидкость без дальнейшего нагрева. При охлаждении жидкость отдаёт энергию и отвердевает при той же температуре, если давление одинаково. Знание этих процессов помогает объяснить работу плавильных печей, получение отливок, замораживание продуктов и распознавание веществ.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кристаллическое тело — вещество, частицы которого расположены упорядоченно и образуют кристаллическую решётку. Благодаря такой структуре оно имеет определённую температуру плавления. Это понятие помогает отличать кристаллы от аморфных тел, которые размягчаются постепенно.
Плавление — переход кристаллического тела из твёрдого состояния в жидкое. Во время него частицы теряют строгий порядок и могут перемещаться свободнее. Понятие нужно, чтобы отличать сам фазовый переход от обычного нагревания твёрдого тела.
Отвердевание — переход вещества из жидкого состояния в твёрдое. Частицы сближаются и занимают упорядоченные положения, образуя кристаллическую решётку. Так происходит, например, при превращении расплавленного металла в отливку.
Температура плавления — температура, при которой кристаллическое тело плавится при данном давлении. При том же давлении она совпадает с температурой отвердевания этого вещества. По этой величине можно сравнивать и распознавать вещества.
При нагревании энергия передаётся частицам кристаллического тела, поэтому увеличивается его внутренняя энергия и растёт температура. Частицы начинают колебаться сильнее, но ещё сохраняют порядок решётки. Когда температура достигает температуры плавления, дальнейший нагрев вызывает уже изменение строения вещества.
Во время плавления поступающая энергия расходуется на ослабление связей между частицами и разрушение кристаллической решётки. Из-за этого не увеличивается скорость движения частиц, отвечающая за температуру. Поэтому при постоянном давлении температура тела остаётся неизменной, пока не расплавится последняя часть.
После полного плавления упорядоченной решётки уже нет, и полученная энергия увеличивает движение частиц жидкости. Поэтому температура расплава снова начинает повышаться. На практике вещество можно нагреть выше температуры плавления только после завершения самого перехода в жидкое состояние.
При охлаждении жидкость отдаёт энергию окружающей среде, поэтому её температура снижается до температуры отвердевания. Затем частицы начинают выстраиваться в кристаллическую решётку, и выделяющаяся при этом энергия поддерживает постоянную температуру. После полного отвердевания дальнейшее охлаждение снова понижает температуру твёрдого тела.
Температура плавления зависит от природы вещества, потому что частицы разных веществ связаны друг с другом с разной силой и образуют разные решётки. Она также зависит от давления, которое может изменять расстояния между частицами. Поэтому при сравнении веществ нужно указывать одинаковое давление.
| Свойство | Плавление | Отвердевание |
|---|---|---|
| Направление перехода между состояниями | Из твёрдого в жидкое | Из жидкого в твёрдое |
| Условия протекания процесса | Нагревание до температуры плавления | Охлаждение до температуры отвердевания |
| Направление передачи энергии | Тело получает энергию | Тело отдаёт энергию |
| Изменение температуры во время процесса | Остаётся постоянной до полного плавления | Остаётся постоянной до полного отвердевания |
| Изменение строения вещества | Кристаллическая решётка разрушается | Кристаллическая решётка образуется |
| Пример процесса | Таяние льда | Замерзание воды |
Таблица помогает быстро определить направление перехода и движение энергии. Если тело получает энергию и переходит в жидкость, это плавление; если отдаёт энергию и становится твёрдым, это отвердевание. В обоих случаях на участке фазового перехода температура постоянна.
Условие: определить, какое превращение происходит с куском льда при нагревании от −10 °C до 0 °C и затем при 0 °C. Нужно разделить процесс на этапы, потому что достижение температуры плавления ещё не означает мгновенное исчезновение льда.
Ответ: сначала происходит нагревание твёрдого льда, затем при постоянной температуре 0 °C — его плавление. После полного таяния вода сможет нагреваться выше 0 °C.
Условие: по графику нагревания вещества определить температуру плавления и продолжительность плавления. На графике нужно найти горизонтальный участок, потому что именно он показывает фазовый переход при постоянной температуре.
Ответ: температура плавления равна значению горизонтального участка, а длительность процесса равна разности времени его окончания и начала. Наклонные участки относятся к нагреванию, а не к плавлению.
Условие: объяснить, почему при одинаковой температуре одно вещество уже плавится, а другое остаётся твёрдым. Сравнивать нужно не только показания термометра, но и температуры плавления веществ.
Ответ: вещества имеют разные кристаллические решётки и разные температуры плавления. Поэтому одна и та же температура может быть достаточной для плавления одного вещества, но недостаточной для другого.
Ошибка 1. Считать, что температура растёт во время плавления. Так думают, потому что нагреватель продолжает работать, но энергия в этот момент разрушает решётку. Проверьте себя: на графике плавлению соответствует горизонтальный участок.
Ошибка 2. Путать плавление с нагреванием. Нагревание изменяет температуру, а плавление изменяет агрегатное состояние вещества. Спросите себя, появилась ли жидкая фаза и сохраняется ли температура постоянной.
Ошибка 3. Говорить, что при отвердевании энергия исчезает. Тело отдаёт её окружающей среде, а выделение энергии связано с образованием кристаллической решётки. Для проверки укажите направление передачи энергии: от тела наружу.
Ошибка 4. Переносить постоянство температуры на всё нагревание. До плавления твёрдое тело нагревается, а плато появляется только во время перехода. Сначала найдите на графике границу между наклонным и горизонтальным участками.
Для понимания темы нужны знания о твёрдом, жидком и газообразном состояниях вещества, температуре, внутренней энергии и теплопередаче. Эти понятия объясняют, почему частицы меняют движение и строение.
Плавление используют в плавильных печах, при получении металлов и стекла, изготовлении отливок. Отвердевание важно при замораживании продуктов и изготовлении изделий из расплавов.
Далее эти процессы связываются с удельной теплотой плавления. Она позволяет рассчитывать количество теплоты, необходимое для плавления тела или выделяемое при его отвердевании.
Почему лёд при нагревании некоторое время не нагревается выше 0 °C?
При нормальном давлении лёд плавится при 0 °C. Получаемая энергия расходуется на разрушение кристаллической решётки, поэтому температура смеси льда и воды остаётся постоянной до полного таяния.
Одинакова ли температура плавления и температура отвердевания?
У одного и того же кристаллического вещества при одинаковом давлении эти температуры совпадают. Различаются не температуры, а направление процесса: при плавлении вещество получает энергию, а при отвердевании отдаёт её.
Куда расходуется энергия, поступающая к телу во время плавления?
Она идёт на разрушение упорядоченной кристаллической решётки и увеличение расстояний между частицами. Поэтому температура во время плавления не растёт.
Почему аморфные тела не имеют чёткой температуры плавления?
У аморфных тел нет правильной кристаллической решётки, которую нужно разрушить при одной определённой температуре. Поэтому они постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние в некотором диапазоне температур.
Можно ли расплавить вещество, не повышая его температуру?
Да, если вещество уже достигло температуры плавления. При дальнейшем подводе энергии его температура остаётся постоянной до полного расплавления, а энергия расходуется на изменение строения.
§ 38. Плавление и отвердевание кристаллических тел
