Плавление

Определение "Плавление" в Большой Советской Энциклопедии

Состояние чистого вещества (диаграмма)

Плавление, переход вещества из кристаллического (твёрдого) состояния в жидкое; происходит с поглощением теплоты (фазовый переход I рода). Главными характеристиками Плавление чистых веществ являются температура плавления (Т_пл) и теплота, которая необходима для осуществления процесса Плавление (теплота плавления Q_пл).

Температура плавления кристаллического тела

Температура Плавление зависит от внешнего давления р; на диаграмме состояния чистого вещества эта зависимость изображается кривой плавления (кривой сосуществования твёрдой и жидкой фаз, AD или AD" на рис. 1). Плавление сплавов и твёрдых растворов происходит, как правило, в интервале температур (исключение составляют эвтектики с постоянной Т_пл). Зависимость температуры начала и окончания Плавление сплава от его состава при данном давлении изображается на диаграммах состояния специальными линиями (кривые ликвидуса и солидуса, см. Двойные системы). У ряда высокомолекулярных соединений (например, у веществ, способных образовывать жидкие кристаллы) переход из твёрдого кристаллического состояния в изотропное жидкое происходит постадийно (в некотором температурном интервале), каждая стадия характеризует определённый этап разрушения кристаллической структуры.

Температура плавления щелочных металлов

Наличие определённой температуры Плавление— важный признак правильного кристаллического строения твёрдых тел. По этому признаку их легко отличить от аморфных твёрдых тел, которые не имеют фиксированной Т_пл. Аморфные твёрдые тела переходят в жидкое состояние постепенно, размягчаясь при повышении температуры (см. Аморфное состояние).

  Самую высокую температуру Плавление среди чистых металлов имеет вольфрам (3410 °С), самую низкую — 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. Как правило, для веществ с высокой Т_пл характерны более высокие значения Q_пл. Примеси, присутствующие в кристаллических веществах, снижают их Т_пл. Этим пользуются на практике для получения сплавов с низкой Т_пл (см., например, Вуда сплав с Т_пл = 68 °С) и охлаждающих смесей.

  Плавление начинается при достижении кристаллическим веществом Т_пл. С начала Плавление до его завершения температура вещества остаётся постоянной и равной Т_пл, несмотря на сообщение веществу теплоты (рис. 2). Нагреть кристалл до Т > Т_пл в обычных условиях не удаётся (см. Перегрев), тогда как при кристаллизации сравнительно легко достигается значительное переохлаждение расплава.

Характер зависимости Т_пл от давления р определяется направлением объёмных изменений (DV_пл) при Плавление (см. Клапейрона — Клаузиуса уравнение). В большинстве случаев Плавление вещества сопровождается увеличением их объёма (обычно на несколько %). Если это имеет место, то возрастание давления приводит к повышению Т_пл (рис. 3). Однако у некоторых веществ (воды, ряда металлов и металлидов, см. рис. 1) при Плавление происходит уменьшение объёма. Температура Плавление этих веществ при увеличении давления снижается.

Плавление сопровождается изменением физических свойств вещества: увеличением энтропии, что отражает разупорядочение кристаллической структуры вещества; ростом теплоёмкости, электрического сопротивления [исключение составляют некоторые полуметаллы (Bi, Sb) и полупроводники (Ge), в жидком состоянии обладающие более высокой электропроводностью]. Практически до нуля падает при Плавление сопротивление сдвигу (в расплаве не могут распространяться поперечные упругие волны, см. Жидкость), уменьшается скорость распространения звука (продольных волн) и т.д.

Согласно молекулярно-кинетическим представлениям, Плавление осуществляется следующим образом. При подведении к кристаллическому телу теплоты увеличивается энергия колебаний (амплитуда колебаний) его атомов, что приводит к повышению температуры тела и способствует образованию в кристалле различного рода дефектов (незаполненных узлов кристаллической решётки — вакансий; нарушений периодичности решётки атомами, внедрившимися между её узлами, и др., см. Дефекты в кристаллах). В молекулярных кристаллах может происходить частичное разупорядочение взаимной ориентации осей молекул, если молекулы не обладают сферической формой. Постепенный рост числа дефектов и их объединение характеризуют стадию предплавления. С достижением Т_пл в кристалле создаётся критическая концентрация дефектов, начинается Плавление— кристаллическая решётка распадается на легкоподвижные субмикроскопические области. Подводимая при Плавление 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 областях ближний порядок в расположении атомов при Плавление существенно не меняется (координационное число расплава при Т_пл в большинстве случаев остаётся тем же, что и у кристалла). Этим объясняются меньшие значения теплот плавления Q_пл по сравнению с теплотами парообразования и сравнительно небольшое изменение ряда физических свойств веществ при их Плавление

Процесс Плавление играет важную роль в природе (Плавление снега и льда на поверхности Земли, Плавление минералов в её недрах и т.д.) и в технике (производство металлов и сплавов, литьё в формы и др.).

Лит.: Френкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей, Собр. избр. трудов, т. 3, М. —Л., 1959; Данилов В. И., Строение и кристаллизация жидкости, К., 1956; Глазов В. М., Чижевская С. Н., Глаголева Н. Н., Жидкие полупроводники, М., 1967; Уббелоде А., Плавление и кристаллическая структура, пер. с англ., М., 1969; Любов Б. Я., Теория кристаллизации в больших объемах, М. (в печати).
Б. Я. Любов.

Cs указывает на существование у него при высоких давлениях двух полиморфных превращений (а и в)." href="/a_pictures/18/10/297594972.jpg">Cs указывает на существование у него при высоких давлениях двух полиморфных превращений (а и в)."http://caesium.atomistry.com/">Cs указывает на существование у него при высоких давлениях двух полиморфных превращений (а и в)." src="a_pictures/18/10/th_297594972.jpg">
Рис. 3. Изменение температуры плавления Тпл (°С) щелочных металлов с увеличением давления p (кбар). Кривая плавления Cs указывает на существование у него при высоких давлениях двух полиморфных превращений (а и в).


Рис. 1. Диаграмма состояния чистого вещества. Линии AD и AD" — кривые плавления, по линии AD" плавятся вещества с аномальным изменением объёма при плавлении.