Температура плавления

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Плавление льда

Температура плавления (обычно совпадает с температурой кристаллизации) — температура, при которой твёрдое кристаллическое тело совершает переход в жидкое состояние и наоборот. При температуре плавления вещество может находиться как в жидком, так и в твёрдом состоянии. При подведении дополнительного тепла вещество перейдёт в жидкое состояние, а температура не будет изменяться, пока всё вещество в рассматриваемой системе не расплавится. При отведении лишнего тепла (охлаждении) вещество будет переходить в твёрдое состояние (застывать), и, пока оно не застынет полностью, его температура не изменится.

Температура плавления/отвердевания и температура кипения/конденсации считаются важными физическими свойствами вещества. Температура отвердевания совпадает с температурой плавления только для чистого вещества. На этом свойстве основаны специальные калибраторы термометров для высоких температур. Так как температура застывания чистого вещества, например олова, стабильна, достаточно расплавить и ждать, пока расплав не начнёт кристаллизоваться. В это время, при условии хорошей теплоизоляции, температура застывающего слитка не изменяется и в точности совпадает с эталонной температурой, указанной в справочниках.

Смеси веществ не имеют температуры плавления/отвердевания вовсе и совершают переход в некотором диапазоне температур (температура появления жидкой фазы называется точкой солидуса, температура полного плавления — точкой ликвидуса). Поскольку точно измерить температуру плавления такого рода веществ нельзя, применяют специальные методы (ГОСТ 20287 и ASTM D 97). Но некоторые смеси (эвтектического состава) обладают определённой температурой плавления, как чистые вещества.

Аморфные (некристаллические) вещества, как правило, не обладают чёткой температурой плавления. С ростом температуры вязкость таких веществ снижается, и материал становится более жидким.

Поскольку при плавлении объём тела изменяется незначительно, давление мало влияет на температуру плавления. Зависимость температуры фазового перехода (в том числе и плавления, и кипения) от давления для однокомпонентной системы даётся уравнением Клапейрона-Клаузиуса. Температуру плавления при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па, или 760 мм ртутного столба) называют точкой плавления.

Предсказание температуры плавления (критерий Линдемана)[править | править код]

Попытка предсказать точку плавления кристаллических материалов была предпринята в 1910 году Фредериком Линдеманом (англ.). Идея заключалась в наблюдении того, что средняя амплитуда тепловых колебаний увеличивается с увеличением температуры. Плавление начинается тогда, когда амплитуда колебаний становится достаточно большой для того, чтобы соседние атомы начали частично занимать одно и то же пространство.

Критерий Линдемана утверждает, что плавление ожидается, когда среднеквадратическое значение амплитуды колебаний превышает пороговую величину.

Температура плавления кристаллов достаточно хорошо описывается формулой Линдемана[1]:

где  — средний радиус элементарной ячейки,  — температура Дебая, а параметр для большинства материалов меняется в интервале 0,15-0,3.

Температура плавления – Расчет

Формула Линдемана выполняла функцию теоретического обоснования плавления в течение почти ста лет, но развития не имела из-за низкой точности.

Расчёт температуры плавления металлов[править | править код]

В 1999 году профессором Владимирского государственного университета И.В. Гаврилиным было получено новое выражение для расчёта температуры плавления:

где — температура плавления, — скрытая теплота плавления, — число Авогадро, — константа Больцмана.   

Впервые получено исключительно компактное выражение для расчёта температуры плавления металлов, связывающее эту температуру с известными физическими константами: скрытой теплотой плавления, числом Авогадро и константой Больцмана.

Формула выведена как одно из следствий новой теории плавления и кристаллизации, опубликованной в 2000 г.[2] Точность расчетов по формуле Гаврилина можно оценить по данным таблицы.                                                          

Температура плавления некоторых металлов
Металл Скрытая теплота плавления , ккал*моль-1 Температура плавления , K
расчётная экспериментальная
2,58 876 933
5,51 1857 2180
3,50 1179 1517
4,40 1428 1811
4,18 1406 1728
3,12 1051 1357
1.73 583 692
1,72 529 505
8.74 2945 2890

По этим данным, точность расчетов меняется от 2 до 30%, что в расчетах такого рода вполне приемлемо.

Температуры плавления некоторых веществ[3][править | править код]

вещество температура
плавления
(°C)
гелий (при 2,5 МПа) −272,2
водород −259,2
кислород −219
азот −210,0
метан −182,5
спирт −114,5
хлор −101
аммиак −77,7
ртуть −38,87
водяной лёд 0
бензол +5,53
цезий +28,64
галлий +29,8
сахароза +185
сахарин +225
олово +231,93
свинец +327,5
алюминий +660,1
серебро +960,8
золото +1063
медь +1083,4
кремний +1415
железо +1539
титан +1668
платина +1772
цирконий +1852
корунд +2050
рутений +2334
молибден +2622
карбид кремния +2730
карбид вольфрама +2870
осмий +3054
оксид тория +3350
вольфрам +3422
углерод (сублимация) +3547
карбид гафния +3890
карбид тантала-гафния +3942

Примечания[править | править код]

  1. Жирифалько Л. Статистическая физика твердого тела. — М.: Мир, 1975. — С. 15.
  2. Гаврилин И. В. 3.7. Расчёт температуры плавления металлов // Плавление и кристаллизация металлов и сплавов. — Владимир: Изд. ВлГУ, 2000. — С. 72. — 200 экз. — ISBN 5-89368-175-4.
  3. Дрица М. Е., Будберг П. Б., Бурханов Г. С., Дриц А. М., Пановко В. М. Свойства элементов. — Металлургия, 1985. — С. 672.