РЕФЕРАТ
«Плавление тел»
Выполнила:
Присяжнюк Ольга 9-А
Проверила:
Невзорова Татьяна Игоревна
2010 г.
Содержание
Введение
1) Расчетколичества теплоты
2) Плавление
3) Удельнаятеплота плавления
4) Плавлениеметаллов
5) Температураплавления и кипения воды
6) Расплавы
7) Интересноео плавлении
Заключение (выводы)
Список использованной литературы
Введение
Агрега́тноесостоя́ние — состояние вещества, характеризующееся определённымикачественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём иформу, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими.Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободнойэнергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.
Выделяют три основныхагрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда не совсем корректнок агрегатным состоянием причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные состояния,например, жидкие кристаллы или конденсат Бозе — Эйнштейна.
Изменения агрегатногосостояния суть термодинамические процессы, называемые фазовыми переходами.Выделяют следующие их разновидности: из твёрдого в жидкое — плавление; изжидкого в газообразное — испарение и кипение; из твёрдого в газообразное —сублимация; из газообразного в жидкое или твёрдое — конденсация. Отличительнойособенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменномусостоянию.
Для описания различныхсостояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы.Явления, описывающие переходы от одной фазы к другой, называют критическимиявлениями.
Твёрдое тело:Состояние, характеризующееся способностью сохранять объём и форму. Атомытвёрдого тела совершают лишь небольшие колебания вокруг состояния равновесия.Присутствует как дальний, так и ближний порядок.
Жидкость: Состояниевещества, при котором оно обладает малой сжимаемостью, то есть хорошо сохраняетобъём, однако неспособно сохранять форму. Жидкость легко принимает формусосуда, в который она помещена. Атомы или молекулы жидкости совершают колебаниявблизи состояния равновесия, запертые другими атомами, и часто перескакивают надругие свободные места. Присутствует только ближний порядок.
Газ: Состояние,характеризующееся хорошей сжимаемостью, отсутствием способности сохранять какобъём, так и форму. Газ стремится занять весь объём, ему предоставленный. Атомыили молекулы газа ведут себя относительно свободно, расстояния между нимигораздо больше их размеров.
Другие состояния: Приглубоком охлаждении некоторые (далеко не все) вещества переходят всверхпроводящее или сверхтекучее состояние. Эти состояния, безусловно, являютсяотдельными термодинамическими фазами, однако их вряд ли стоит называть новымиагрегатными состояниями вещества в силу их неуниверсальности. Неоднородныевещества типа паст, гелей, суспензий, аэрозолей и т. д., которые приопределённых условиях демонстрируют свойства как твёрдых тел, так и жидкостей идаже газов, обычно относят к классу дисперсных материалов, а не к каким-либоконкретным агрегатным состояниям вещества.
/>
Плавление
Рис. 1. Состояниечистого вещества (диаграмма)
/>
Рис. 2. Температураплавления кристаллического тела
/>
Рис. 3. Температураплавления щелочных металлов
/>
Плавление — переходвещества из кристаллического (твёрдого) состояния в жидкое; происходит споглощением теплоты (фазовый переход I рода). Главными характеристиками П.чистых веществ являются температура плавления (Тпл) и теплота, котораянеобходима для осуществления процесса П. (теплота плавления Qпл).
Температура П. зависитот внешнего давления р; на диаграмме состояния чистого вещества эта зависимостьизображается кривой плавления (кривой сосуществования твёрдой и жидкой фаз, ADили AD' на рис. 1). П. сплавов и твёрдых растворов происходит, как правило, винтервале температур (исключение составляют эвтектики с постоянной Тпл).Зависимость температуры начала и окончания П. сплава от его состава при данномдавлении изображается на диаграммах состояния специальными линиями (кривыеликвидуса и солидуса, см. Двойные системы). У ряда высокомолекулярныхсоединений (например, у веществ, способных образовывать жидкие кристаллы)переход из твёрдого кристаллического состояния в изотропное жидкое происходитпостадийно (в некотором температурном интервале), каждая стадия характеризуетопределённый этап разрушения кристаллической структуры.
Наличие определённойтемпературы П.— важный признак правильного кристаллического строения твёрдыхтел. По этому признаку их легко отличить от аморфных твёрдых тел, которые неимеют фиксированной Тпл. Аморфные твёрдые тела переходят в жидкое состояниепостепенно, размягчаясь при повышении температуры (см. Аморфное состояние). Самуювысокую температуру П. среди чистых металлов имеет вольфрам (3410 °С), самуюнизкую — ртуть (—38,9 °С). К особо тугоплавким соединениям относятся: TiN (3200°С), HfN (3580 °С), ZrC (3805 °С), TaC (4070 °С), HfC (4160 °С) и др. Какправило, для веществ с высокой Тпл характерны более высокие значения Qпл.Примеси, присутствующие в кристаллических веществах, снижают их Тпл. Этимпользуются на практике для получения сплавов с низкой Тпл (см., например, Вудасплав с Тпл = 68 °С) и охлаждающих смесей.
П. начинается придостижении кристаллическим веществом Тпл. С начала П. до его завершениятемпература вещества остаётся постоянной и равной Тпл, несмотря на сообщениевеществу теплоты (рис. 2). Нагреть кристалл до Т > Тпл в обычных условиях неудаётся (см. Перегрев), тогда как при кристаллизации сравнительно легкодостигается значительное переохлаждение расплава.
Характер зависимостиТпл от давления р определяется направлением объёмных изменений (DVпл) при П.(см. Клапейрона — Клаузиуса уравнение). В большинстве случаев П. веществасопровождается увеличением их объёма (обычно на несколько %). Если это имеетместо, то возрастание давления приводит к повышению Тпл (рис. 3). Однако унекоторых веществ (воды, ряда металлов и металлидов, см. рис. 1) при П.происходит уменьшение объёма. Температура П. этих веществ при увеличениидавления снижается.
П. сопровождаетсяизменением физических свойств вещества: увеличением энтропии, что отражаетразупорядочение кристаллической структуры вещества; ростом теплоёмкости,электрического сопротивления [исключение составляют некоторые полуметаллы (Bi,Sb) и полупроводники (Ge), в жидком состоянии обладающие более высокойэлектропроводностью]. Практически до нуля падает при П. сопротивление сдвигу (врасплаве не могут распространяться поперечные упругие волны, см. Жидкость),уменьшается скорость распространения звука(продольных волн) и т.д.
Согласномолекулярно-кинетическим представлениям, П. осуществляется следующим образом.При подведении к кристаллическому телу теплоты увеличивается энергия колебаний(амплитуда колебаний) его атомов, что приводит к повышению температуры тела испособствует образованию в кристалле различного рода дефектов (незаполненныхузлов кристаллической решётки — вакансий; нарушений периодичности решёткиатомами, внедрившимися между её узлами, и др., см. Дефекты в кристаллах). Вмолекулярных кристаллах может происходить частичное разупорядочение взаимнойориентации осей молекул, если молекулы не обладают сферической формой. Постепенныйрост числа дефектов и их объединение характеризуют стадию предплавления. Сдостижением Тпл в кристалле создаётся критическая концентрация дефектов,начинается П.— кристаллическая решётка распадается на легкоподвижныесубмикроскопические области. Подводимая при П. теплота идёт не на нагрев тела,а на разрыв межатомных связей и разрушение дальнего порядка в кристаллах (см.Дальний порядок и ближний порядок). В самих же субмикроскопических областяхближний порядок в расположении атомов при П. существенно не меняется(координационное число расплава при Тпл в большинстве случаев остаётся тем же,что и у кристалла). Этим объясняются меньшие значения теплот плавления Qпл посравнению с теплотами парообразования и сравнительно небольшое изменение рядафизических свойств веществ при их П.
Процесс П. играетважную роль в природе (П. снега и льда на поверхности Земли, П. минералов в еёнедрах и т.д.) и в технике (производство металлов и сплавов, литьё в формы идр.).
Удельная теплотаплавления
Уде́льная теплота́плавле́ния (также: энтальпия плавления; также существует равнозначноепонятие уде́льная теплота́ кристаллиза́ции) — количествотеплоты, которое необходимо сообщить одной единице массы кристаллическоговещества в равновесном изобарно-изотермическом процессе, чтобы перевести его изтвёрдого (кристаллического) состояния в жидкое (то же количество теплотывыделяется при кристаллизации вещества). Теплота плавления — частный случайтеплоты фазового перехода I рода. Различают удельную теплоту плавления (Дж/кг) имолярную (Дж/моль).
Удельная теплотаплавления обозначается буквой /> (греческая буква лямбда) Формуларасчёта удельной теплоты плавления:
/> ,
где /> — удельная теплота плавления,/>— количество теплоты, полученноевеществом при плавлении (или выделившееся при кристаллизации), /> — масса плавящегося(кристаллизующегося) вещества.
/>
Плавление металлов
При плавлении металловнеобходимо соблюдать известные правила. Положим, что собираются плавить свинеци цинк. Свинец быстро расплавится, имея температуру плавления 327°; цинк же ещедолго будет оставаться твердым, так как его температура плавления выше 419°.Что произойдет со свинцом при таком перегреве? Он начнет покрываться пленкойрадужного цвета, а потом его поверхность окажется скрытой под слоемнеплавящегося порошка. Свинец угорел от перегрева, окислился, соединившись скислородом воздуха. Этот процесс, как известно, происходит и при обычнойтемпературе, но при нагревании он идет гораздо быстрее. Таким образом, к томувремени, когда начнет плавиться цинк, останется очень мало металлическогосвинца. Сплав получится совсем не того состава, как предполагался, и потеряетсябольшое количество свинца в виде угара. Ясно, что надо сначала плавить болеетугоплавкий цинк и затем класть в него свинец. То же самое произойдет, еслисплавлять цинк с медью или латунью, разогревая сначала цинк. Цинк угорит кмоменту расплавления меди. Значит, надо всегда сначала плавить металл с болеевысокой температурой плавления.
Но одним этим угара неизбежать. Если правильно разогретый сплав долго держать на огне, опятьобразуется на поверхности жидкого металла пленка как следствие угара. Ясно, чтоопять обратится в окись более легкоплавкий металл и состав сплага изменится;значит, нельзя металл долго перегревать без надобности. Поэтому стараютсявсячески уменьшить угар металла, укладывая его компактной массой; мелкие куски,опилки, стружки сначала „пакетируют”, плавят куски более или менее одинаковойвеличины, ведут нагрев при достаточной температуре, оберегают поверхностьметалла от соприкосновения с воздухом. Для этой цели мастер может брать буруили просто прикрывать поверхность металла слоем золы, которая всегда будетплавать наверху (благодаря своему меньшему удельному весу) и при выливанииметалла не помешает. При застывании металла происходит еще одно явление,вероятно также знакомое юным мастерам. Металл, застывая, уменьшается в объеме,причем это уменьшение происходит за счет внутренних, еще не застывших частицметалла. На поверхности отливки или внутри нее образуется более или менеезначительное воронкообразное углубление, так называемая усадочная раковина.Обычно форму делают так, чтобы усадочные раковины получились в тех местахотливки, которые впоследствии удаляются, стараясь по возможности предохранитьсамое изделие. Понятно, что усадочные раковины портят отливку и иногда могутсделать ее негодной. После расплавления металл несколько перегревают, чтобы онбыл жиже и горячее и поэтому лучше заполнил бы детали формы и не застыл быпреждевременно от соприкосновения с более холодной формой.
Так как температураплавления сплавов обычно ниже температуры плавления наиболее тугоплавкого изсоставляющих сплав металлов, то иногда выгодно поступать наоборот: сперварасплавить более легкоплавкий металл, а затем — более тугоплавкий. Однако этодопустимо лишь для металлов, не сильно окисляющихся, или при условиипредохранения этих металлов от излишнего окисления. Металла надо брать больше,чем требуется для самой вещи, чтобы он заполнил не только форму, но илитниковый канал. Ясно, что надо сначала рассчитать необходимое количествометалла.
Температура плавления икипения воды
Самое удивительное иблагостное для живой природы свойство воды — это ее способность при«нормальных» условиях быть жидкостью. Молекулы очень похожих на водусоединений (например, молекулы H2S или H2Se) намного тяжелее, а образуют притех же условиях газ. Тем самым вода как будто противоречит закономерностямтаблицы Менделеева, которая, как известно, предсказывает, когда, где и какиесвойства веществ будут близки. В нашем случае из таблицы следует, что свойстваводородных соединений элементов (называемых гидридами), расположенных в одних итех же вертикальных столбцах, с ростом массы атомов должны изменятьсямонотонно. Кислород — элемент шестой группы этой таблицы. В этой же группенаходятся сера S (с атомным весом 32), селен Se (с атомным весом 79), теллур Te(с атомным весом 128) и поллоний Po (с атомным весом 209). Следовательно,свойства гидридов этих элементов должны меняться монотонно при переходе оттяжелых элементов к более легким, т.е. в последовательности H2Po → H2Te →H2Se → H2S → H2O. Что и происходит, но только с первыми четырьмягидридами. Например, температуры кипения и плавления растут при увеличенииатомного веса элементов. На рисунке крестиками отмечены температуры кипенияэтих гидридов, а кружочками — температуры плавления.
/>
Как видно, приуменьшении атомного веса температуры снижаются совершенно линейно. Областьсуществования жидкой фазы гидридов становится все более «холодной», иесли бы гидрид кислорода Н2О был нормальным соединением, похожим на своихсоседей по шестой группе, то жидкая вода существовала бы в диапазоне от -80° Сдо -95° С. При более высоких температурах Н2О всегда была бы газом. К счастьюдля нас и всего живого на Земле, вода аномальна, она не признает периодическойзакономерности а следует своим законам.
Объясняется этодовольно просто — большая часть молекул воды соединена водородными связями.Именно этими связями отличается вода от жидких гидридов H2S, H2Se и H2Te. Еслибы их не было, то вода кипела бы уже при минус 95 °C. Энергия водородных связейдостаточно велика, и разорвать их можно лишь при значительно более высокойтемпературе. Даже в газообразном состоянии большое число молекул H2O сохраняетсвои водородные связи, объединяясь в димеры (H2O)2. Полностью водородные связиисчезают только при температуре водяного пара 600 °C.
Напомним, что кипениезаключается в том, что пузыри пара образуются внутри кипящей жидкости. Принормальном давлении чистая вода кипит при 100 'С. В случае подведения теплачерез свободную поверхность будет ускоряться процесс поверхностного испарения,но объёмного парообразования, характерного для кипения, не возникает. Кипениеможет быть осуществлено и понижением внешнего давления, так как в этом случаедавление пара, равное внешнему давлению, достигается при более низкойтемпературе. На вершине очень высокой горы давление и соответственно точкакипения настолько понижаются, что вода становится непригодной для варки пищи — не достигается требуемая температуры воды. При достаточно высоком давлении водуможно нагреть настолько, что в ней может расплавиться свинец (327 °С), и все жеона не будет кипеть.
Помимо сверхбольшихтемператур кипения плавления (причем последний процесс требует слишком большойдля такой простой жидкости теплоты плавления), аномален сам диапазонсуществования воды — сто градусов, на которые разнятся эти температуры, — довольно большой диапазон для такой низкомолекулярной жидкости, как вода.Необычайно велики пределы допустимых значении переохлаждения и перегрева воды — при аккуратном нагревании или охлаждении вода остается жидкой от -40 °C до +200°C. Тем самым температурный диапазон, в котором вода может оставаться жидкой,расширяется до 240 °C.
При нагревании льдасначала температура его повышается, но с момента образования смеси воды сольдом температура будет оставаться неизменной до того момента, пока нерасплавится весь лёд. Это объясняется тем, что тепло, подводимое к тающемульду, прежде всего расходуется только на разрушение кристаллов. Температуратающего льда остаётся неизменной до тех пор, пока не произойдёт разрушение всехкристаллов (см. скрытую теплоту плавления).
Расплавы
Расплавы — жидкоерасплавленное состояние веществ при температурах, в определённых границахудалённых от критической точки плавления и расположенных ближе к температуреплавления. Природа расплавов по своей сути определяется видом химических связейэлементов в расплавленном веществе.
Расплавы находятширокое применение в металлургии, стекловарении и других областях техники.Обычно расплавы имеют сложный состав и содержат различные взаимодействующиекомпоненты (см. фазовая диаграмма).
Расплавы бывают
1.Металлические (Мета́ллы(название происходит от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов,обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокая тепло- иэлектропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления,высокая пластичность и металлический блеск);
2.Ионные (Ио́н(др.-греч. ἰόν— идущее) — одноатомная или многоатомная электрически заряженная частица,образующаяся в результате потери или присоединения одного или несколькихэлектронов атомом или молекулой. Ионизация (процесс образования ионов) можетпроисходить при высоких температурах, под воздействием электрического поля);
3.Полупроводниковые сковалентными связями между атомами (Полупроводники́ — материалы, которыепо своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводникамии диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельнойпроводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения.Основным свойством этих материалов является увеличение электрическойпроводимости с ростом температуры);
4.Органические расплавыс ван-дер-ваальсовыми связями;
5.Высокополимерные(Полимеры (греч. πολύ- — много; μέρος— часть) — неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества,получаемые путём многократного повторения различных групп атомов, называемых«мономерными звеньями», соединённых в длинные макромолекулы химическими иликоординационными связями)
Расплавы по типухимических соединений бывают:
1.Солевые;
2.Оксидные;
3.Оксидно-силикатные(шлаковые) и др.
Расплавы с особымисвойствами:
1.Эвтектические
Интересное о плавлении
Ледяные зёрна и звезды.
Внесите кусок чистогольда в тёплую комнату и понаблюдайте за тем, как он тает. Довольно быстровыяснится, что лёд, казавшийся монолитным и однородным, распадается намножество мелких зёрен — отдельных кристаллов. В объёме льда они расположеныхаотично. Не менее интересную картину можно увидеть, когда лёд плавится споверхности.
Поднесите к лампегладкий кусок льда и подождите, пока он начнёт плавиться. Когда плавлениезатронет внутренние зёрна, там начнут появляться очень мелкие узоры. В сильнуюлупу видно, что они имеют форму шестиугольных снежинок. На самом же деле этопротаявшие впадинки, заполненные водой. Форма и направление их лучейсоответствуют ориентации монокристаллов льда. Эти узоры называются „звёздочкамиТиндаля“ в честь английского физика, открывшего и описавшего их в 1855 году. «ЗвездочкиТиндаля», похожие на снежинки, на самом деле — впадинки на поверхностиподтаявшего льда размером около 1,5 мм, заполненные водой. В их центре виднывоздушные пузырьки, возникшие из-за разности объемов растаявшего льда и талойводы.
ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Существут металл, такназываемый, сплав Вуда, который можно запросто расплавить даже в теплой воде (+68 градусов Цельсия). Так при размешивании сахара в стакане металлическаяложка из этого сплава растает быстрее сахара!
Самое тугоплавкоевещество — карбид тантала ТаС0-88 плавится при температуре 3990°С.
В 1987 году немецкиеисследователи смогли переохладить воду до температуры –700С, сохраняя ее вжидком состоянии.
Иногда, чтобы снег натротуарах быстрее таял, их посыпают солью. Плавление льда происходит потому,что образуется раствор соли в воде, температура замерзания которого нижетемпературы воздуха. Раствор просто стекает с тротуара.
Интересно, что ногистынут больше на мокром тротуаре, так как температура раствора соли и воды нижетемпературы чистого снега.
Если из чайника налитьчай в две кружки: с сахаром и без сахара, то чай в кружке с сахаром будетхолоднее, т.к. на растворение сахара (на разрушение его кристаллическойрешетки) тоже расходуется энергия.
При сильных морозах длявосстановления гладкости льда поливку катка производят горячей водой… Горячаявода расплавляет тонкий верхний слой льда, не так быстро замерзает, успеваетрастечься, и поверхность льда получается очень гладкой.
Заключение (выводы)
Плавление — переходвещества из твердого состояния в жидкое.
При нагреванииувеличивается температура вещества, и возрастает скорость теплового движениячастиц, при этом увеличивается внутренняя энергия тела.
Когда температуратвердого тело достигает температуры плавления, кристаллическая решеткатвердого вещества начинает разрушаться. Таким образом, основная часть энергиянагревателя, проводимая к твердому телу, идет на уменьшение связей междучастицами вещества, т. е. на разрушение кристаллической решетки. При этомвозрастает энергия взаимодействия между частицами.
Расплавленное веществообладает большим запасом внутренней энергии, чем в твердом состоянии.Оставшаяся часть теплоты плавления расходуется на совершение работы поизменению объема тела при его плавлении.
При плавлении объембольшинства кристаллических тел увеличивается (на 3-6%), а при отвердеванииуменьшается. Но, существуют вещества, у которых при плавлении объемуменьшается, а при отвердевании — увеличивается. К ним относятся, например,вода и чугун, кремний и некоторые другие… Именно поэтому лёд плавает наповерхности воды, а твердый чугун — в собственном расплаве.
Твердые тела,называемые аморфными ( янтарь, смола, стекло) не имеют определенной температурыплавления.
Количество теплоты,необходимой для плавления вещества, равно произведению удельной теплотыплавления на массу данного вещества.
Удельная теплотаплавления показывает, какое кол теплоты необходимо для полного превращения 1 кгвещества из твердого состояния в жидкое, взятого при темп плавления.
Единицей удельной теплотыплавления в СИ служит 1Дж/кг.
В процессе плавлениятемпература кристалла остается постоянной. Эта температура называетсятемпературой плавления. У каждого вещества своя температура плавления.
Температура плавлениядля данного вещества зависит от атмосферного давления.
Списокиспользованной литературы
1) Данныеэлектронной свободной энциклопедии «Викпедия»
ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница
2) Сайт«Класс! ная физика для любознательных» class-fizika.narod.ru/8_11.htm
3) Сайт«Физические свойства воды»
all-about-water.ru/boiling-temperature.php
4) Сайт«Металлы и конструкции»
metaloconstruction.ru/osnovy-plavleniya-metallov/
и др.