Температура плавления

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.

Плавление льда

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.

Температуры плавления некоторых веществ[1]
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[2] −38,83
водяной лёд[3] 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[2] +3414
углерод (сублимация) +3547
карбид гафния +3890
карбид тантала-гафния[4] +3942

Предсказание температуры плавления (критерий Линдемана)

Попытка предсказать точку плавления кристаллических материалов была предпринята в 1910 году Фредериком Линдеманом[5]. 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[6]:

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

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.[7] 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
2,58876 933
5,511857 2180
3,501179 1517
4,401428 1811
4,181406 1728
3,121051 1357
1.73583 692
1,72529 505
8.742945 2890

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

Примечания

  1. Дрица М. Е., Будберг П. Б., Бурханов Г. С., Дриц А. М., Пановко В. М. Свойства элементов. — Металлургия, 1985. — С. 672.
  2. Haynes, 2011, p. 4.122.
  3. Температура плавления очищенной воды была измерена как 0,002519 ± 0,000002 °C, см. Feistel, R.; Wagner, W. A New Equation of State for H2O Ice Ih (англ.) // J. Phys. Chem. Ref. Data : journal. — 2006. Vol. 35, no. 2. P. 1021—1047. — DOI:10.1063/1.2183324. — .
  4. Agte, C.; Alterthum, H. Researches on Systems with Carbides at High Melting Point and Contributions to the Problem of Carbon Fusion (англ.) // Z. Tech. Phys. : journal. — 1930. Vol. 11. P. 182—191.
  5. Lindemann FA. The calculation of molecular vibration frequencies (нем.) // Phys. Z. : magazin. — 1910. Bd. 11. S. 609—612.
  6. Жирифалько Л. Статистическая физика твердого тела. М.: Мир, 1975. — С. 15.
  7. 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.

Литература

  • Haynes, William M. CRC Handbook of Chemistry and Physics (неопр.). — 92nd. — CRC Press, 2011. — ISBN 1439855110.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.