Властивості плавлення і кристалізації

1. Властиві тільки кристалічним тілам.

2. Відбуваються при однаковій температурі, яка не змінюється, поки разом існують тверда і рідка фаза речовини. Ця температура називається температурою плавлення t_пл.

3. У процесі плавлення і кристалізації речовини завжди існує різка межа між твердою і рідкою фазами.

4. У процесі плавлення об’єм значної більшості речовин збільшується, а в процесі кристалізації – зменшується, а їх густина при цьому змінюється навпаки. Це має велике значення у ливарній справі.

5. Якщо V речовини при плавленні зростає, збільшення зовнішнього тиску веде до підвищення t_пл, якщо V↓, – t_пл↓. Але лише велике підвищення тиску помітно змінює t_пл.

6. Сублімація – випаровування твердих тіл. Зворотній процес переходу речовини з газового стану у твердий, минаючи рідкий стан, називається десублімацією.

Теплота плавлення Q_пл – кількість теплоти, яка необхідна для перетворення твердого тіла на рідину при сталій температурі t_пл

, (55)

де (56)

– питома теплота плавлення – характеризує залежність зміни внутрішньої енергії речовини в процесі її плавлення або кристалізації від роду речовини та зовнішніх умов, і вимірюється кількістю теплоти, яку необхідно затрати для плавлення одиниці маси цієї речовини при температурі плавлення.

[λ] = Дж/кг.

 

*8. Діаграма станів і фазових переходів речовини – залежність стану і фазових перетворень речовини від зовнішніх умов, яка виражається залежністю тиску від температури, і дозволяє визначити, в якому стані буде знаходитись речовина.

Рис. 33

Кожна точка на діаграмі відповідає рівноважному стану речовини (тобто: в ньому речовина може перебувати як завгодно довго). При незмінних зовнішніх умовах (р і Т), які відповідають точкам на лініяхВС, КС, АС дві фази можуть перебувати у стані динамічної рівноваги (при якій з однієї фазу в іншу переходить однакова кількість молекул). Ця рівновага може зберігатися як завгодно довго, якщо енергію не підводять до речовини і не відбирають від неї.

КС – залежність тиску насиченої пари взятої речовини від температури і відповідає рівновазі рідкої і газової фаз;

АС – залежність від температури тиску насиченої пари, що перебуває над поверхнею твердого тіла і відповідає рівновазі твердої і газової фаз;

ВС – залежність температури плавлення від тиску і відповідає рівновазі рідкої і твердої фаз.

ВС, КС, АС – лінії фазових переходів:

· через ВС відбувається плавлення або кристалізація;

· через К – випаровування або конденсація;

· через АС – сублімація або десублімація.

К – критична точка, при якій відсутня різниця між рідиною і її парою;

С – потрійна точка, яка зображує рівновагу між усіма трьома фазами цієї речовини.

Теплове розширення тіл

Всі речовини при нагріванні розширюються, а при охолодженні стискаються.

Залежність розмірів речовин від температури пояснюється тим, що кінетична енергія частинок, з яких складається будь-яке тіло, залежить від температури, внаслідок чого змінюється відстань між ними.

У більшості своїй тверді тіла (полікристали; аморфні тіла) і рідини ізотропні, тому при нагріванні розширюються однаково за всіма напрямками. Проте у багатьох випадках на практиці доводиться враховувати розширення лише в одному напрямі. Наприклад, при прокладанні трубо- і електропроводів, рейок, будуванні залізничних мостів.

Лінійним розширенням (стисканням) – називають зміну одного певного розміру твердого тіла при змінах температури.

Залежність лінійних розмірів твердих тіл від температури має вигляд

l = l_o(1+ αt ) (57)

де l_o – довжина тіла при t = 0^оC; l – довжина тіла при t; α – коефіцієнт лінійного розширення – характеризує залежність лінійного розширенняпри нагріванні від роду речовини і зовнішніх умов і показує, на яку частину довжини тіла, взятого при 0^о C, змінюється його довжина при нагріванні на 1^оС (на 1К)

. (58)

Для металів [ α ] ~ 10^-5÷10^-3 К^-1.

* Об’ємним розширенням (стисканням) називають зміну об’єму тіла при його нагріванні.

Залежність об’єму твердих тіл від температури має вигляд

, (59)

де V_o – об’єм тіла при t = 0^oC, V – об’єм тіла при t, β – коефіцієнт об’ємного розширення – характеризує залежність об’ємного розширення від роду речовин і зовнішніх умов і показує, на яку частину об’єму тіла, взятого при 0^оС, змінюється об’єм цього тіла при нагріванні на 1^оС.

(60)

враховуючи, що V ~ l ³, маємо

(61)

Оскільки маса тіла (у припущенні класичної механіки), то . Враховуючи, що і (33), матимемо

, (62)

тобто густина тіл при нагріванні зменшується, а при охолодженні збільшується.

З досліду відомо, що рідина при нагріванні розширюється значно більше (в 10¹÷10² разів), ніж тверде тіло. Тому під час розрахунків, пов’язаних з нагріванням рідин, розширенням посудин, в яких міститься рідина, іноді нехтують.

У точніших розрахунках враховується, і розширення посудини при нагріванні ∆ V_n. Справжнє розширення рідини у посудині

(63)

де ∆V_p.п. – позірне розширення рідини при нагріванні, знайдене за зміною її рівня у посудині.

Нагадаємо, що серед рідин є виняток: вода при нагріванні від 0^o до 4^oC стискається, а при охолодженні від 4^o до 0^oC розширюється, що пояснюється особливістю ажурної конструкції молекулярної будови води.