Плавление и отвердевание

Определения и обозначения

Плавление — переход вещества из твёрдого состояния в жидкое. Например, при нагревании лёд становится водой. Это слово описывает именно изменение состояния, а не просто повышение температуры.

Отвердевание — переход вещества из жидкого состояния в твёрдое. Так вода при замерзании превращается в лёд. Термин помогает назвать обратный плавлению процесс и понять, что жидкость становится твёрдой.

Температура плавления — температура, при которой твёрдое вещество плавится. У чистого вещества при обычном давлении она определённая, как отметка на термометре, при которой начинается переход. Это значение позволяет сравнивать вещества и предсказывать, когда они расплавятся.

Кристаллизация — образование твёрдого кристаллического вещества из жидкости при охлаждении. Частицы жидкости располагаются упорядоченно и образуют твёрдое тело. Кристаллизация связана с отвердеванием и показывает, как может происходить этот переход.

Как это устроено

В твёрдом теле частицы расположены достаточно упорядоченно и колеблются около своих мест. При нагревании они получают энергию и колеблются всё интенсивнее. Когда достигается температура плавления, прежнее расположение частиц уже не удерживается, и вещество начинает переходить в жидкое состояние. В жидкости частицы могут перемещаться друг относительно друга, поэтому она течёт и принимает форму сосуда.

Во время плавления чистого кристаллического вещества его температура не повышается, хотя нагревание продолжается. Поступающая энергия нужна не для дальнейшего увеличения скорости движения частиц, а для перестройки их расположения и перехода в жидкость. Поэтому лёд при плавлении остаётся около своей температуры плавления, пока превращается в воду. После того как твёрдое вещество расплавится полностью, дальнейшее нагревание снова повышает температуру жидкости.

При охлаждении жидкости частицы теряют энергию и движутся медленнее. Им становится легче расположиться упорядоченно и образовать твёрдое тело. Если образуется кристалл, то этот процесс называют кристаллизацией. Так при замерзании воды формируется лёд; этот пример показывает, как охлаждение приводит к отвердеванию.

Во время отвердевания чистого вещества при обычном давлении температура также остаётся постоянной, пока весь переход не завершится. Жидкость отдаёт энергию окружающей среде, а её частицы выстраиваются в твёрдое тело. Температура начнёт понижаться дальше, когда всё вещество станет твёрдым. Поэтому показание термометра при замерзании не обязано меняться непрерывно.

У одного и того же чистого вещества при одинаковом давлении температура плавления совпадает с температурой отвердевания. Для воды и льда при обычном давлении это около 0 °C. У разных веществ значения не одинаковы: лёд начинает плавиться раньше, чем вещество с температурой плавления 660 °C. Значит, температура перехода зависит от того, какое вещество рассматривают.

Сравнение плавления и отвердевания

Сначала найдите строку о переходе между состояниями: она показывает, в каком направлении меняется вещество. Затем сравните условия и передачу энергии, чтобы не перепутать процессы. Для чистого вещества при одинаковом давлении температура перехода в обе стороны совпадает.

Разбор задач

Задача 1. Лёд нагревают от температуры ниже 0 °C до полного превращения в воду. Нужно описать этапы и определить, когда температура перестанет расти. Считаем, что давление обычное, а лёд чистый. Разделим нагревание на время до плавления и сам переход в жидкое состояние.

1. Пока лёд твёрдый и его температура ниже 0 °C, при нагревании он становится теплее, поэтому показания термометра растут.
2. Когда лёд достигает температуры плавления, начинается превращение в воду. Подводимая энергия теперь расходуется на плавление, поэтому температура не повышается.
3. После того как весь лёд станет водой, нагревание жидкости снова приведёт к росту температуры.

Ответ: сначала лёд нагревается до 0 °C, затем плавится при постоянной температуре. Температура перестаёт расти с началом плавления и начинает повышаться снова после того, как лёд полностью растает.

Задача 2. Воду охлаждают от температуры выше 0 °C до полного превращения в лёд. Требуется назвать состояния вещества и объяснить, что происходит с температурой при замерзании. Будем считать воду чистой, а давление — обычным. Здесь нужно проследить процесс от жидкости к твёрдому телу.

1. Сначала вода остаётся жидкой, а при охлаждении её температура постепенно снижается.
2. Достигнув температуры замерзания, вода начинает отвердевать и превращаться в лёд. Пока переход продолжается, температура остаётся постоянной, потому что вода отдаёт энергию и меняет состояние.
3. После полного замерзания образуется твёрдый лёд. Если продолжать охлаждение, температура льда станет снижаться дальше.

Ответ: сначала охлаждается жидкая вода, затем при 0 °C происходит отвердевание с постоянной температурой, после чего охлаждается лёд. При обычном давлении вода замерзает примерно при той же температуре, при которой лёд плавится.

Задача 3. Для двух чистых веществ известны температуры плавления: 0 °C и 660 °C. Нужно определить, какое начнёт плавиться первым при постепенном нагревании, и назвать температуру его отвердевания при том же давлении. Нагревание начинается с температур ниже обеих точек плавления. Сравним значения и применим правило для одного вещества.

1. При нагревании вещество с более низкой температурой плавления достигнет её раньше.
2. Из двух значений 0 °C и 660 °C меньшим является 0 °C, значит, первым начнёт плавиться вещество с такой температурой плавления.
3. Температура отвердевания чистого вещества при том же давлении совпадает с его температурой плавления.

Ответ: первым начнёт плавиться вещество с температурой плавления 0 °C. При том же давлении оно будет отвердевать при 0 °C.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что температура обязательно растёт во время плавления, раз тело продолжает получать тепло. Так думают, потому что обычно нагревание повышает температуру. Но во время плавления чистого вещества энергия расходуется на изменение состояния; проверьте, не начался ли переход, и не путайте его с нагреванием до этой температуры.

Ошибка: называть плавлением любое нагревание твёрдого тела. Нагревание меняет температуру, а плавление превращает твёрдое вещество в жидкость. Чтобы проверить себя, задайте вопрос: изменилось ли состояние или только показание термометра?

Ошибка: думать, что все вещества плавятся при 0 °C. Это значение относится ко льду при обычном давлении, а у других веществ температуры плавления отличаются. Проверьте, о каком веществе говорится в задаче, и не переносите значение для льда на металл или другое тело.

Ошибка: считать кристаллизацию противоположностью отвердевания. Путаница возникает из-за разных названий, хотя кристаллизация — это вид отвердевания, при котором из жидкости образуется кристаллическое твёрдое тело. Уточните, какой результат образовался при охлаждении: если твёрдый кристалл, речь о кристаллизации.

Связь с другими темами

Для понимания плавления и отвердевания нужно знать, что вещества бывают твёрдыми, жидкими и газообразными, а нагревание и охлаждение меняют температуру. Эти сведения помогают отличать изменение температуры от изменения состояния. Позже они пригодятся при изучении испарения, кипения и других переходов между состояниями вещества. С их помощью можно объяснить знакомое замерзание воды и плавление металлов.

Что запомнить

• Плавление — переход из твёрдого состояния в жидкое.
• Отвердевание — переход из жидкого состояния в твёрдое.
• Кристаллизация — образование кристаллического твёрдого тела из жидкости.
• Чистое кристаллическое вещество при обычном давлении плавится при определённой температуре.
• Во время плавления и отвердевания чистого вещества температура не меняется, пока переход не завершится.
• При одинаковом давлении температуры плавления и отвердевания одного и того же чистого вещества совпадают.