Что такое плавление в физике? Определение, формула

Вся наблюдаемая в природе материя существует в 3 состояниях: газообразном, жидком и твердом. Нахождение вещества в конкретном состоянии определяется его физико-химическими свойствами, а также внешними условиями. В статье подробно рассматривается процесс перехода материи из твердого состояния в жидкое, то есть дается развернутый ответ на вопрос: "Что такое плавление?".

Особенности строения твердых и жидких тел

Твердое тело и жидкость

Перед тем как дать ответ на вопрос о том, что такое плавление, следует рассмотреть особенности строения твердых и жидких тел.

Первые характеризуются наличием постоянной формы, любому изменению которой они оказывают сопротивление. Твердые тела обладают упругостью, отсутствием текучести. Расстояния между частицами, образующими твердое тело, являются небольшими, а силы связи между этими частицами являются значительными в сравнении с таковыми для жидкостей и газов. Силы связи в твердых телах могут иметь различную химическую природу (ван-дер-ваальсовые, металлические, ковалентные, ионные). Существует два способа организации твердых тел:

  • кристаллические структуры, когда атомы или молекулы тела расположены в определенных позициях в пространстве, например, металлы;
  • аморфные структуры, в которых атомы или молекулы расположены хаотичным способом, например, стекло.

В жидкостях атомы и молекулы расположены дальше друг от друга, чем в твердых телах, поэтому они слабее связаны. Жидкость сохраняет объем при данных условиях, но не сохраняет форму и обладает хорошей текучестью. Частицы жидкости расположены хаотично относительно друг друга.

Следует отметить важный момент, атомы или молекулы в твердом теле находятся в определенных положениях, которые они очень медленно изменяют (например, в процессах диффузии), а вот частицы жидкости постоянно перескакивают из одного положения в другое.

Кинетическая и потенциальная энергия

Чтобы понять, что такое плавление в физике, необходимо ясно представлять соотношение кинетической и потенциальной энергии в твердых и жидких телах.

Потенциальная энергия характеризует работу, которую нужно затратить, чтобы распылить данное тело в пространстве на составляющие его частицы. Для описания этой величины вводят понятие энергии связи, которая обозначает работу, необходимую для того, чтобы оторвать от тела один атом или молекулу и удалить его/ее на бесконечность. Например, типичные значения энергии связи для твердых тел составляют несколько электрон-вольт, эти же значения для жидкостей на порядок меньше.

Кинетическая энергия характеризует интенсивность движения атомов и молекул. В случае конденсированных сред эта энергия прямо пропорционально зависит от температуры.

В твердых телах кинетическая энергия при комнатных температурах составляет несколько сотых электрон-вольт, то есть она в 100 раз меньше потенциальной. Атомы и молекулы в твердых телах находятся как бы в потенциальной яме и колеблются около устойчивых определенных положений. Выбраться они могут из этих положений, если флуктуации кинетической энергии окажутся значительными, или если сама потенциальная яма невелика, например, когда поблизости имеется какой-либо дефект.

Кинетическая энергия атомов и молекул в жидкости приблизительно равна их потенциальной энергии, то есть составляет несколько десятых электрон-вольт при комнатной температуре. Это означает, что каждая частица, составляющая жидкость, постоянно перепрыгивает из одного места в другое. Хорошим доказательством этого факта является Броуновское движение.

Определение процесса плавления

Плавление льда

Что такое плавление в физике? Определение этому явлению можно дать следующее: под плавлением понимают переход из твердого состояния вещества в жидкое в результате увеличения его температуры. То есть если постоянно нагревать твердое тело, то молекулы или атомы, которые его составляют, начинают увеличивать свою кинетическую энергию. И это происходит до тех пор, пока эта энергия не сравняется с энергией связи, после чего частота прыжков атомов (молекул) значительно возрастает, и твердый материал начинает плавиться.

Яркими примерами плавления являются процессы таяния льда или переход в расплавленное состояние какого-либо металла или сплава.

Плавление - фазовый переход первого рода

Расплавленная ртуть

Согласно своему определению, плавление является переходом первого рода, поскольку при нем происходит поглощение теплоты. При этом температура всей системы в процессе плавления не изменяется и является постоянной величиной. Этот факт объясняется тем, что подводимое к телу тепло расходуется не на увеличение кинетической энергии атомов и молекул, а на разрыв прочных химических связей между ними. Только после того, как все связи в твердом теле будут разрушены, дальнейший подвод тепла к уже жидкому веществу приведет к увеличению его температуры.

Сам процесс плавления не происходит спонтанно, а развивается в определенном промежутке времени, когда жидкая и твердая фазы сосуществуют в равновесии друг с другом.

Таким образом, плавление - это эндотермический процесс, что означает, что он идет с поглощением теплоты. Обратный процесс, при котором жидкость затвердевает, называется кристаллизацией.

Температура плавления

Плавление твердого тела

Как было сказано выше, плавление происходит при определенной температуре, которая называется точкой плавления. От чего зависит эта физическая величина? Во-первых, от энергии связи частиц, составляющих твердое тело, чем эта энергия больше, тем больше температура плавления. Например, тугоплавкий металл ниобий плавится при температуре 2742 К, а энергия связи на атом у этого металла равна 7,6 эВ, другой тугоплавкий металл вольфрам, имеет энергию связи 8,9 эВ и плавится при значительно большей температуре 3695 К.

Во-вторых, точка плавления определяется внешними условиями. В частности, при увеличении давления она также возрастает.

В-третьих, на эту величину для данного вещества сильно влияют примеси. Как правило, примеси приводят к понижению точки плавления.

Теплота плавления

Теперь перейдем от определения плавления к формуле, которая количественно описывает этот процесс. Когда происходит плавление, то внешний подвод тепла расходуется на разрыв связей в твердом теле и его перевод в жидкое состояние. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы определенное количество твердого вещества, находящегося при температуре плавления, перешло в жидкое состояние называется теплотой плавления. Формула в этом случае записывается так: λ=Q/m, где Q - количество теплоты, m - масса тела.

Значение теплоты плавления λ зависит от физико-химических свойств материала. Например, для льда это значение составляет 333,55 Дж/г или 6,02 кДж/моль, а для железа 13,81 кДж/моль. Значения приведены при давлении 1 атмосфера.

Плавления кристаллов

Пример кристаллической решетки

Эти твердые тела представляют собой определенное пространственное расположение частиц, которые их образуют. Оно известно под названием кристаллической решетки. Существуют много разных кристаллических решеток, каждая из которых реализуется в определенном классе веществ. Например, металлы, как правило, существуют в виде ОЦК (объемно-центрированная кубическая) и ГЦК (гранецентрированная кубическая) решеток. Понятие о температуре плавления справедливо только для кристаллов.

Плавление аморфных тел

Жидкое стекло

Поскольку в аморфных материалах атомы (молекулы) расположены хаотически, то и энергии связей между ними будут различными. Этот факт объясняет, почему для аморфных материалов не существует определенной точки плавления, а сам процесс плавления происходит в температурном интервале, который, как правило, составляет несколько десятков градусов.