Плавление и отвердевание кристаллических тел. График плавления и отвердевания

Введение

Вещества в природе могут находиться в разных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. Эти состояния называют агрегатными состояниями вещества. Переход вещества из одного состояния в другое происходит под действием изменения температуры или давления. Одним из важнейших таких переходов является плавление — превращение твёрдого тела в жидкость, и отвердевание (кристаллизация) — обратный процесс. Понимание этих явлений помогает объяснить множество природных и технических процессов — от таяния льда весной до работы литейных производств.

Агрегатные состояния веществ

Все вещества могут существовать в трёх основных агрегатных состояниях:

1. Твёрдом — частицы (атомы или молекулы) расположены близко друг к другу и колеблются около определённых положений. Твёрдые тела имеют собственную форму и объём.

2. Жидком — частицы расположены плотнее, чем в газе, но свободнее, чем в твёрдом теле, поэтому жидкости сохраняют объём, но не форму.

3. Газообразном — частицы находятся далеко друг от друга и движутся свободно, занимая весь доступный объём.

Переход из одного состояния в другое требует поглощения или выделения энергии, связанной с теплотой.

Твёрдые тела

Твёрдые вещества делятся на кристаллические и аморфные.

• Кристаллические тела имеют упорядоченное расположение частиц (например, лёд, соль, железо).

• Аморфные тела (например, стекло, воск) не имеют строгой структуры.

Кристаллические тела характеризуются определённой температурой плавления — температурой, при которой вещество начинает плавиться при постоянном нагревании.

Жидкости и газы

Жидкости способны течь, принимать форму сосуда, но сохраняют свой объём. При дальнейшем нагревании жидкость превращается в газ — этот процесс называется испарением или кипением.
Газы не имеют ни формы, ни постоянного объёма — они заполняют весь предоставленный объём.

Переходы между агрегатными состояниями

Существует несколько основных переходов:

• Плавление — твёрдое тело → жидкость;

• Отвердевание (кристаллизация) — жидкость → твёрдое тело;

• Испарение — жидкость → газ;

• Конденсация — газ → жидкость;

• Сублимация — твёрдое тело → газ (например, у сухого льда);

• Десублимация — газ → твёрдое тело (образование инея).

Все эти процессы сопровождаются либо поглощением, либо выделением теплоты.

Плавление льда и замерзание воды

Наиболее известный пример — плавление льда. Когда лёд нагревается, его температура повышается до 0 °C. При этой температуре начинается плавление — лёд превращается в воду. Несмотря на то, что продолжается подача тепла, температура в процессе плавления не изменяется, пока весь лёд не растает.

Это объясняется тем, что вся поступающая теплота расходуется не на повышение температуры, а на разрушение кристаллической решётки — на ослабление связей между молекулами.

При замерзании воды (обратный процесс) выделяется то же самое количество теплоты, которое поглотилось при плавлении. Этот процесс также происходит при постоянной температуре — 0 °C.

График плавления и кристаллизации

Если построить график зависимости температуры вещества от времени при нагревании льда, то получится кривая, состоящая из трёх участков:

1. Нагревание льда — температура растёт до 0 °C.

2. Плавление льда — температура остаётся постоянной, пока лёд полностью не растает.

3. Нагревание воды — после плавления температура снова начинает повышаться.

При охлаждении воды кривая будет обратной:

• сначала температура падает,

• затем при 0 °C вода начинает кристаллизоваться, температура не изменяется,

• после полного замерзания температура льда снова снижается.

Такой график помогает понять, что при переходах между агрегатными состояниями температура остаётся постоянной, а вся теплота идёт на изменение внутренней структуры вещества.

Примеры из природы и техники

• Весной лёд на реках и озёрах тает, поглощая тепло от солнечных лучей.

• В холодильниках и морозильниках процессы замерзания воды используются для охлаждения продуктов.

• В металлургии при плавлении металлов строго контролируют температуру, чтобы вещество приобрело нужную форму и свойства.

• При изготовлении свечей или пластмасс также используется знание процессов плавления и отвердевания.

Итог

Плавление и отвердевание — важные физические процессы, при которых происходит переход вещества из одного состояния в другое. Эти явления связаны с изменением внутренней энергии вещества и демонстрируют закон сохранения энергии: теплота, поглощённая при плавлении, равна теплоте, выделенной при кристаллизации. Понимание этих процессов помогает объяснить природные явления и разрабатывать современные технологии.

Вопросы для самопроверки

1. Какие существуют агрегатные состояния вещества?

2. Чем отличаются кристаллические и аморфные тела?

3. Что называется плавлением и при какой температуре плавится лёд?

4. Почему температура не изменяется во время плавления или кристаллизации?

5. Какие переходы между агрегатными состояниями сопровождаются поглощением теплоты, а какие — её выделением?

6. Что показывает график плавления и кристаллизации вещества?

7. Приведите примеры использования процессов плавления и отвердевания в технике и в природе.

8. Почему при таянии льда температура остаётся постоянной, хотя тепло продолжают подводить?