Температура плавления

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Точка плавления»)
Перейти к навигации Перейти к поиску
Плавление льда

Температура плавления и 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 определенной 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.

В 1999г. И.В. Гаврилиным было получено новое выражение для расчёта температуры плавления:

Тпл = DHпл / 1,5 N0 k,                                    (1)

где Тпл – температура плавления; DHпл скрытая теплота плавления; N0 – скрытая теплота плавления; k – константа Больцмана.   

Впервые получено исключительно компактное выражение (1) для расчёта температуры плавления металлов, связывающее эту температуру с известными физическими константами: скрытой теплотой плавления, числом Авогадро и константой Больцмана.

Точность расчетов по (1) можно оценить по данным таблицы.

Таблица.                                                          

Температура плавления некоторых металлов. Расчет по (1)

Me Al V Mn Fe Ni Cu Zn Sn Mo
DHпл

ккал

моль-1

2,5 5,51 3,5 4,4 4,18 3,12 1,7 1,7 8,7
Тпл, К

по (1)

876 1857 1179 1428 1406 1051 583 529 2945
Тпл, К

Эксп. [1]

933 2190 1517 1811 1728 1357 692 505 2890

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

Формула (1) выведена как одно из следствий новой теории плавления и кристаллизации, опубликованной в 2000г.[1].

[1]- Гаврилин И.В. Плавление и кристаллизация металлов и сплавов. Изд. ВлГУ. Владимир. 2000. 256 с.                                  

Температуры плавления некоторых веществ[2][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. Дрица М. Е., Будберг П. Б., Бурханов Г. С., Дриц А. М., Пановко В. М. Свойства элементов. — Металлургия, 1985. — С. 672.