Что такое плавление в физике

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

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:

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

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.

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.

Температура плавления

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

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

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

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.

Источник

Молекулярная физика. Плавление и кристаллизация.

Переход вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое называется плавлением. Чтобы расплавить твердое кристаллическое тело, его нужно нагреть до определенной температуры, т. е. подвести тепло. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества.

Обратный процесс — переход из жидкого состояния в твердое — происходит при понижении температуры, т. е. тепло отводится. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристал лизацией. Температура, при которой вещество кристаллизуется, называется температурой кристалли зации.

Опыт показывает, что любое вещество кристаллизуется и плавится при одной и той же температуре.

На рисунке представлен график зависимости температуры кристаллического тела (льда) от времени нагревания (от точки А до точки D) и времени охлаждения (от точки D до точки K). На нем по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — температура.

Вид рассмотренного графика объясняется следующим образом. На участке АВ благодаря подводимому теплу средняя кинетическая энергия молекул льда увеличивается, и температура его повышается. На участке ВС вся энергия, получаемая содержимым колбы, тратится на разрушение кристаллической решетки льда: упорядоченное пространственное расположение его молекул сменяется неупорядоченным, меняется расстояние между молекулами, т.е. происходит перестройка молекул таким образом, что вещество становится жидким. Средняя кинетическая энергия моле­кул при этом не меняется, поэтому неизменной остается и температура. Дальнейшее увеличение температуры расплавленного льда-воды (на участке CD) означает увеличение кинетической энер­гии молекул воды вследствие подводимого горелкой тепла.

При охлаждении воды (участок DE) часть энергии у нее отбирается, молекулы воды движутся с меньшими скоростями, их средняя кинетическая энергия падает — температура уменьшается, вода охлаждается. При 0°С (горизонтальный участок EF) молекулы начинают выстраиваться в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Пока этот процесс не завершится, температура вещества не изменится, несмотря на отводимое тепло, а это означает, что при отвер­девании жидкость (вода) выделяет энергию. Это как раз та энергия, которую поглотил лед, пре­вращаясь в жидкость (участок ВС). Внутренняя энергия у жидкости больше, чем у твердого тела. При плавлении (и кристаллизации) внутренняя энергия тела меняется скачком.

Металлы, плавящиеся при температуре выше 1650 ºС, называют тугоплавкими (титан, хром, молибден и др.). Самая высокая температура плавления среди них у вольфрама — около 3400 °С. Тугоплавкие металлы и их соединения используют в качестве жаропрочных материалов в самолетостроении, ракетостроении и космической технике, атомной энергетике.

Подчеркнем еще раз, что при плавлении вещество поглощает энергию. При кристаллизации оно, наоборот, отдает ее в окружающую среду. Получая определенное количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, среда нагревается. Это хорошо известно многим птицам. Неда­ром их можно заметить зимой в морозную погоду сидящими на льду, который покрывает реки и озера. Из-за выделения энергии при образовании льда воздух над ним оказывается на несколько градусов теплее, чем в лесу на деревьях, и птицы этим пользуются.

Наличие определенной точки плавления — это важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их можно легко отличить от аморфных тел, которые также относят к твердым телам. К ним, в частности, относятся стекла, очень вязкие смолы, пластмассы.

Аморфные вещества (в отличие от кристаллических) не имеют определенной температуры плавления — они не плавятся, а размягчаются. При нагревании кусок стекла, например, снача­ла становится из твердого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает менять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса принимает форму того сосуда, в котором лежит. Эта масса сначала густая, как мед, затем — как сметана и, наконец, становится почти такой же маловязкой жидкостью, как вода. Однако указать определенную температуру перехода твердого тела в жидкое здесь невозможно, поскольку ее нет.

Причины этого лежат в коренном отличии строения аморфных тел от строения кристаллических. Атомы в аморфных телах расположены беспорядочно. Аморфные тела по своему строению напоминают жидкости. Уже в твердом стекле атомы расположены беспорядочно. Значит, повы­шение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, дает им постепенно все большую и большую свободу перемещения. Поэтому стекло размягчается постепенно и не обнаруживает резкого перехода «твердое—жидкое», характерного для перехода от расположения молекул в строгом порядке к беспорядочному.

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое. Теплота плавления равна тому количеству теплоты, которое выделяется при кристалли­зации вещества из жидкого состояния. При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энер­гии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить 332 Дж энергии, а для того чтобы расплавить 1 кг свинца — 25 кДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обозначают греческой буквой λ (лямбда).

Удельная теплота кристаллизации равна удельной теплоте плавления, поскольку при кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении. Так, например, при замерзании воды массой 1 кг выделяются те же 332 Дж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.

Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела произвольной массы, или теплоту плавления, надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой m, следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:

Теплота сгорания (или теплотворная способность, калорийность) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обыч­ное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива. Удельную теплоту сгорания обозначают буквой q и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты Q, выделяющееся при сгорании m кг топлива, определяют по формуле:

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.

Источник

Что такое плавление в физике? Определение, формула

Особенности строения твердых и жидких тел

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:

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.

Плавление металла

При нагревании металла до температуры плавления происходит нарушение правильности его структуры. Это характеризуется возрастанием в металле перемещающихся атомов. Дальнейшее повышение температуры приводит к плавлению металла.

Тепловое расширение приводит к такому увеличению расстояния между атомами при котором устойчивость кристаллической решетки в определенный момент теряется внезапно, наступает быстрый обрыв связей между атомами, резкая перестройка структуры.При нагревании расстояние между атомами увеличивается ( А и С ).

Если атом В занимается положение посередине, то наступит такой момент, когда он будет испытывать воздействие от атомов А и С и в конце концов оторвется и переместится от А и С или наоборот. Таким образом происходит разрыв связей между атомами. И начинается процесс плавления.

Если рассматривать два атома, то кривые, изображающие изменения потенциалов и сила притяжения (а) и сил отталкивания (в) между атомами, в зависимости от расстояния между ними будут иметь вид, представленный на рис.

Кривая а потенциала сил притяжения с увеличением r падает медленнее кривой в, поэтому кривая (сплошная линия) имеет характеризует форму образует потенциальную яму. Поэтому r0 соответствует наиболее устойчивому положению атомов.

Строение жидкого металла. Дальний и ближний порядок. – (Уравнение состояния жидкости.) – (Тепловое движение атомов в жидкости.)Обозначим через z число атомов разных видов, например А и В, окружающих каждый атом, а через число соседних атомов, принадлежащих к какому – либо одному сорту атомов. Тогда z – z1 определяет число атомов другого сорта. Степенью ближнего порядка будет отношение:

а) При z1=z все атомы разноименные и η=1 здесь имеет место полный ближний порядок расположения атомов. б) При z1=z половина всех окружающих атомов разноименные, а η=0 т.е ближний порядок исчезает. в) При z1=0 отсутствуют разноименные атомы, т.е. происходит разделение атомов А и атомов В, или распад раствора на оба компонента. Введенные понятия дальнего и ближнего порядка имеют существенное значение для правильного представления о различии между твердым и жидким состоянием у чистых металлов. При твердом кристаллическом состоянии металла атомы правильно расположены в узлах решетки. В процессе плавления металла это порядок исчезает. Структура и свойства жидкого металла подобны структуре и свойствам его в твердом состоянии. В доказательство этого могут быть приведены следующие соображения:

1. При плавлении происходит небольшое увеличение объема, которое у металлов не превышает 10%.

2. Обычно теплота плавления очень мала по сравнению с теплотой испарения. Отсюда следует, что силы сцепления между частицами при плавлении ослабляются незначительно.

3. При плавлении теплоемкость почти не изменяется или увеличивается в небольших размерах. Это говорит о том, что характер теплового движения в жидкости существенно не меняется практически он такой же, как и в твердых телах, т.е. в основном сводится к колебаниям частиц около которых положений равновесия.

4. Жидкость обладает текучестью; это основная особенность жидкости отмечает ее скорее количественно, чем качественно от твердого тела.

5. Рентгенографические исследования, проведенные в последние годы показали, что живности вблизи точки плавления имеют расположение частиц, сходное с тем правильным расположением, которое они имеют при кристаллизации. Таким образом, экспериментально доказано, что вблизи точки плавления в жидкости сохраняется ближний порядок в расположении частиц, наблюдаются как бы микрокристаллики, подобные исходным.

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.

Плавление и кристаллизация металлов и сплавов

Рассмотрим процессы, предшествующие плавлению в металлах. Известно, что все свойства металлов меняются в зависимости от температуры. В широком смысле совокупность изменений всех свойств металлов с ростом температуры и есть предплавление, поскольку все они так или иначе отражают изменения в равновесии элементов вещества и пространства в твердом состоянии, приводящие в конце концов к плавлению.

Любое агрегатное состояние содержит в себе возможность перехода в другое агрегатное состояние. И если агрегатное состояние есть форма распределения взаимодействующих элементов вещества в пространстве (и наоборот), то фазовые переходы — это переходы от одной формы распределения элементов вещества в пространстве к другой.

Однако такое определение имеет чересчур общий характер. Оно определяет общее для всех фазовых переходов содержание, что тоже достаточно важно, но не раскрывает конкретного механизма интересующих нас процессов плавления и кристаллизации. Механизм каждого вида фазовых исходов имеет свои особенности, поскольку каждой форме вещества соответствует своя форма пространства. Эти особенности и предстоит вылить для процессов плавления и кристаллизации. Поэтому выделим процессы, наиболее прямо связанные с подготовкой плавления в твердом состоянии и прямо отвечающие за Механизм этого процесса.

Выше установлено, что характерной формой элементов пространства в кристаллической решетке твердых металлов являются вакансии. Вакансии в кристаллической решетке металлов движутся и это движение подобно движению молекул вещества в газах: оно хаотично и ускоряется с ростом температуры. Поведение вакансий в металлах описывается теми же выражениями, что и поведение частиц в газах, с той существенной разницей, что скорости движения вакансий в твердых металлах намного ниже, чем скорости частиц в газах, а траектория движения структурируется кристаллической решеткой. Но это отличия количественные, а в качественном плане вакансии в твердых металлах образуют такой же газ элементов пространства в веществе, какой образуют атомы и молекулы в газах.

Поэтому в физике существует понятие «газа вакансий». Помимо прочего к этому газу применимо и понятие давления газа вакансий подобно давлению газа частиц. Давление газа вакансий распространяется на весь объем твердого металла так же, как Давление обычного газа действует во всем объеме такого газа. Отсюда следует, что Давление газа вакансий действует изнутри на кристаллическую решетку, которая выполняет функции одновременно среды и оболочки для газа вакансий. И подобно обычному газу внутри резиновой камеры газ вакансий внутри кристаллической решетки создает напряжения в своей оболочке и при превышении величины давления над прочностью может разрушить эту оболочку.

3.1. Элементарный акт процесса плавления и образование

структурных единиц вещества и пространства

в жидком состоянии

Вопрос об элементарном акте плавления и о структурных единицах вещества в жидкости здесь поднимается впервые. Обычно процесс плавления рассматривается как непрерывный, в котором трудно или невозможно усмотреть элементарный акт. Или процесс плавления рассматривается как атомарный, в котором процесс перехода отдельного атома твердого тела в жидкость и есть элементарный акт, а отдельные атомы являются структурными единицами вещества в жидком состоянии, как и в твердом, и в газовом.

Но это допущение неверно, поскольку свойства агрегатных состояний, например свойство тела быть жидким или твердым, не присущи отдельным атомам. Выше было сказано, что отдельный атом (молекула) не может быть твердым, жидким или газообразным. свойства агрегатных состояний проявляются только на уровне неких агрегатов частиц вещества и элементов пространства.

Образование такого минимального агрегата частиц вещества и элементов пространства, несущего признаки данного состояния, мы и называем здесь элементарным актом образования того или иного агрегатного состояния, в данном случае жидкого состояния.

Выше было показано, что двумя основными факторами, приводящими к плавлению, являются, с одной стороны, нарастание давления газа вакансий, а с другой — падение прочности металлов и сплавов с ростом температуры.

Глава 8. СТРОЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ЖИДКОГО ЧУГУНА

8.1. Общие сведения о сплавах железо-углерод

Сплавы системы железо-углерод — стали и чугуны относятся к широко распространенным промышленным сплавам. чугуны имеют наиболее широкое применение в литейном производстве. Поэтому изучение строения жидких чугунов в связи с процессами кристаллизации и структурообразования представляется весьма полезным.

Сплавы железо-углерод относятся к сплавам с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и с не вполне определенной растворимостью компонентов друг в друге в жидком состоянии. Эта неопределенность вызвана тем, что никому еще не удавалось получить сплав железа с углеродом с содержанием углерода выше 25% ат. в связи с необходимостью получения стабильной и точно измеримой температуры для исследований выше 2000 °С. Но это не единственная особенность этого рода сплавов.

Сплавы железо-углерод отличаются еще и тем, что один из компонентов этих сплавов — углерод — в свободном виде вообще не плавится и не образует жидкую фазу и в этом отношении представляет собой довольно Редкое, хотя и не единственное, исключение среди элементов периодической системы (119- 120].

С позиций развитой выше теории плавления углерод в его наиболее стабильной форме графита не плавится потому, что его прочность с повышением температуры не падает, как у подавляющего большинства элементе, а даже несколько возрастает. А падение прочности, как отмечалось выше, является одним из необходимых факторов подготовки к плавлению.

Кроме того, углерод в твердом состоянии практически не растворяет в Себе никакие другие элементы. И известно лишь весьма ограниченное число элементов, образующих ограниченные растворы с углеродом, в том числе и железо. В то же время углерод охотно вступает в химические реакции со многими элементами с образованием карбидов.

10.12. Конгломерирование в жидких сплавах в результате седиментации

В связи с тем, что большинство проведенных опытов по седиментации в жидких сплавах показало, что равновесие не было достигнуто, мы npoводили опыты с более длительной выдержкой сплавов Zn — 5%А1; Zn — 10%А1; Zn — 15%А1 в жидком состоянии в течение 24, 48, 72, 96 ч. Главным результатом этих опытов было то, что даже после 96 ч выдержки равновесие Достигнуто не было и перераспределение элементов продолжалось.

Содержание алюминия в верхней и нижней частях образцов после такой длительной выдержки в жидком состоянии показано в табл. 22.

Как видно из табл. 22, перераспределение алюминия продолжается и после 96 часов выдержки достаточно интенсивно. Напрашивается прогноз полного расслоения данного жидкого сплава на исходные компоненты при достаточно длительной выдержке в жидком состоянии.

Определение процесса плавления

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.

Прочность металлов

Помимо способности перехода из твердого в жидкое состояние, одним из важных свойств материала является его прочность — возможность твердого тела сопротивлению разрушению и необратимым изменениям формы. Основным показателем прочности считается сопротивление возникающее при разрыве заготовки, предварительно отожженной. Понятие прочности не применимо к ртути, поскольку она находится в жидком состоянии. Обозначение прочности принято в МПа — Мега Паскалях.

Существуют следующие группы прочности металлов:

Таблица прочности металлов

Плавление — фазовый переход первого рода

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.

Плавление – это физический процесс перехода металла из твердого состояния в жидкое расплавленное. Плавление – процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т. е. при перегреве. Поскольку жидкий металл обладает большей внутренней энергией, чем твердый, при кристаллизации выделяется теплота. Между теплотой Q и температурой кристаллизации Тк

существует определенная связь. Степень перегрева при плавлении металлов не превышает нескольких градусов.

В жидком состоянии атомы вещества из-за теплового движения перемещаются беспорядочно, в жидкости имеются группировки атомов небольшого объема, в их пределах расположение атомов аналогично расположению в решетке кристалла. Эти группировки неустойчивы, они рассасываются и снова появляются в жидкости. При переохлаждении жидкости некоторые крупные группировки становятся устойчивыми и способными к росту. Эти устойчивые группировки атомов называют центрами кристаллизации (зародышами). Для осуществления процесса плавления необходимо наличие некоторого перегрева над равновесной температурой, т. е. термодинамического потенциала. Выше равновесной температуры более устойчив жидкий металл, он имеет меньший запас свободной энергии. Ниже этой температуры более устойчив твердый металл. При равновесной температуре свободные энергии жидкого и твердого состояния одинаковы, поэтому при этой температуре обе фазы (жидкая и твердая) могут сосуществовать одновременно и притом бесконечно долго. Равновесная температура очень близка к температуре плавления Тпл

, с которой ее часто сравнивают. При охлаждении переход из жидкого состояния в твердое сопровождается образованием кристаллической решетки, т. е. кристаллизацией. Чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно переохладить до температуры ниже температуры плавления.

Жидкости, находящиеся при температуре, близкой к температуре плавления называются расплавами. Расплавы бывают металлическими, ионными, полупроводниковыми, органическими и высокополимерными. В зависимости от того, какие химические соединения образуют расплавы, выделяют солевые, оксидные, оксидно-силикатные и другие расплавы.

Большинство расплавов имеют в составе искосаэдрические частицы.

В процессе плавления химические связи в расплавах подвергаются видоизменению. В полупроводниках наблюдается образование металлической проводимости, у некоторых галогенидов вместо ионной проводимости происходит снижение электрической проводимости из-за образования расплава с молекулярным составом. Уровень температуры также влияет на тип связи в расплавах.

Среднее координационное число и межатомные расстояния также являются характеристиками расплавов. В процессе плавления металлов происходит уменьшение координационного числа примерно на 10–15 %. В тоже время межатомные расстояния остаются прежними. При плавлении полупроводников происходит увеличение их координационного числа в 1,5 раза, расстояние между атомами также увеличивается. Многокомпонентные расплавы характеризуются неравновесными, метастабильными состояниями, которые имеют взаимосвязь со структурой первоначальных твердых фаз.

Во многих случаях встречается отставание (гистерезис) свойств расплавов в процессе изменения температуры. На свойства и строения расплавов оказывают влияние следующие факторы: температура, время выдержки, скорость колебания температуры, тот материал, из которого создан контейнер, а также наличие примесей.

Состав расплавов отличается своей сложностью. В ионных расплавах могут содержаться простые или комплексные ионы, недиссоциированные и полимерные молекулы, а также свободные объемы. Силикатные расплавы могут содержать изолированные кремнекислородные тетраэдры и образуемые ими цепи, кольца, сетки и каркасы.

Однозначная модель структуры расплавов формируется достаточно сложно, т. к. расплавы содержат разные виды частиц и связи. Основная функция моделей: определение и интерпретация свойств расплавов, а также расчет свойств.

Расплавы в металлургической области подразделяются на промежуточные, побочные и конечные продукты. Используя расплавы в качестве электролитов, в металлургии производят и рафинируют металлы, а также осуществляют нанесение покрытий. Многие сплавы образуются в виде расплавов. Монокристаллы и эпитаксиальные пленки выращиваются из расплавов. В качестве катализаторов принято использовать металлические, солевые и оксидные расплавы. Солевые расплавы применяют в отжиговых и закалочных ваннах, высокотемпературных топливных элементах, в качестве теплоносителей, флюсов в процессе пайки и сварки металлов, реакционных сред в неорганическом и органическом синтезе, а также как поглотители, экстрагенты и т. д. Некоторые расплавы используются для получения силикатных, фторидных и иных специальных стеков и аморфных металлов.

Температура плавления

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

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.

Источник