Любой элемент может пребывать в нескольких разных состояниях при соблюдении некоторых внешних условий. Плавление и отвердевание кристаллических тел – основные изменения в структуре материалов. Хорошим примером является вода, которая может пребывать в жидком, газообразном и твердом состояниях. Эти разные формы называют агрегатными (от греч. связываю) состояниями. Агрегатное состояние – это формы одного элемента, отличающиеся по характеру расположения частиц (атомов), которые не меняют своего строения….
Как происходят изменения
Существует несколько процессов, характеризующие изменение форм разных веществ:
- отвердевание,
- кипение,
- сублимация (из твердой формы сразу в газообразную),
- испарение,
- плавка,
- конденсация,
- десублимация (обратный переход из сублимации).
Каждое превращение характеризуется определенными условиями, которые должны быть соблюдены для удачного перехода.
Формулы
Какой процесс называют тепловым? Любой, при котором происходит смена агрегатных состояний материалов, поскольку в них большую роль играет температура. Любое тепловое изменение имеет ей обратное: из жидкого в твердое и наоборот, из твердого в пар и наоборот.
Важно! Почти все тепловые процессы обратимы.
Существуют формулы, по которым можно определить, какова будет удельная теплота, то есть тепло, требующееся для изменения 1 кг твердого вещества.
Например, формула отвердевания и плавки: Q=λm, где λ это удельная теплота.
А вот формула для отображения процесса охлаждения и нагревания Q=cmt, где с – удельная теплоемкость объем тепла для нагревания 1 кг материала на один градус, m -это масса, а t – разница температур.
Формула для конденсации и парообразования: Q=Lm, где удельная теплота -L, а m – масса.
Описание процессов
Плавлением называют один из способов деформации структуры, перевода из твёрдого состояния в жидкое. Протекает практически одинаково во всех случаях, но двумя разными способами:
- элемент нагревают внешне,
- нагрев происходит изнутри.
Эти два способа отличаются инструментами: в первом случае вещества нагревают в специальной печи, а во втором – пропускают ток сквозь предмет или индукционно нагревают его, помещая в электромагнитное поле с высокими частотами.
Важно! Разрушение кристаллической структуры материала и возникновение изменений в ней приводит к жидкому состоянию элемента.
С помощью разных инструментов можно добиться одного и того же процесса:
- повышается температура,
- кристаллическая решетка изменяется,
- частицы отдаляются друг от друга,
- появляются прочие нарушения кристаллической решетки,
- межатомные связи разрываются,
- образовывается квазижидкий слой.
Как уже стало понятно, температура – основной фактор, из-за которого состояние элемента изменяется. По температура плавления металлы делят на:
- легкие не более 600°С,
- средние 600-1600°С,
- тугие –свыше 1600°С.
Инструмент для этой работы выбирают по принадлежности к той или иной группе: чем больше необходимо нагреть материал, тем мощнее должен быть механизм.
Однако, стоит быть внимательным и сверять данные с системой координат, например, критичная температура твердой ртути – это -39°С, а твёрдого спирта -114°С, но большая из них будет -39°С, поскольку по системе координат это число ближе к нулю.
Не менее важным показателем является и температура кипения, при которой жидкость закипает. Данная величина равна теплоте паров, образующихся над поверхностью. Этот показатель прямо пропорционален давлению: при повышении давления — повышается температура плавления и наоборот.
Вспомогательные материалы
У каждого материала свои температурные показатели, при которых его форма изменяется, причем для каждого из них можно составить свой график плавления и отвердевания. В зависимости от кристаллической решетки, показатели будут изменяться. Например, график плавления льда показывает, что для него нужна крайне мало тепла, что показано ниже:
На графике изображено соотношение количества тепла (вертикально) и времени (горизонтально), необходимое для плавки льда.
Таблица показывает, какое количество теплоты необходимо для плавления самых распространенных металлов.
График плавления и прочие вспомогательные материалы крайне необходимы во время опытов, чтобы проследить изменения положение частиц и заметить начало изменения формы элементов.
Отвердевание тел
Отвердевание — это изменение жидкой формы элемента в твёрдую. Необходимым условием является понижение температуры ниже точки замерзания. Во время данной процедуры может образовываться кристаллическая структура молекул, и тогда изменение состояния называют кристаллизацией. При этом элемент в жидкой форме должен остыть до температуры отвердевания или кристаллизации.
Плавление и отвердевание кристаллических тел осуществляется при одинаковых условиях внешней среды: вода кристаллизуется при 0 °С, и при этом же показателе тает лед.
А в случае с металлами: железу необходимо 1539°С для плавления и кристаллизации.
Опыт доказывает, что для отвердевания вещество должно выделить равное количество тепла, как и при обратном превращении.
Молекулы при этом притягиваются друг к другу, образовывая кристаллическую решетку, не в силах сопротивляться, поскольку они теряют свою энергию. Таким образом, удельная теплота определяет, как много необходимо энергии для превращения тела в жидкое состояние и сколько ее выделиться при отвердевании.
Формула отвердевания – это Q = λ*m. При кристаллизации к знаку Q добавляется знак минуса, поскольку тело в таком случае энергию выделяет или теряет.
Изучаем физику графики плавления и отвердевания веществ
Процессы плавления и отвердевания кристаллов
Вывод
Все эти показатели тепловых процессов необходимо знать для глубинного постижения физики и понимания примитивных природных процессов. Нужно как можно раньше объяснять их ученикам, используя в качестве примеров подручные средства.
Это интересно! Каково содержание кислорода в воздухе: процентный состав и норма