Температура плавлення

Матеріал з Вікіпедії - вільної енциклопедії
Перейти до навігації Перейти до пошуку
плавлення льоду

Температура плавлення (зазвичай збігається з температурою кристалізації ) - температура твердого кристалічного тіла (речовини), при якій воно здійснює перехід в рідкий стан. При температурі плавлення речовина може перебувати як в рідкому, так і в твердому стані. При підведенні додаткового тепла речовина перейде в рідкий стан, а температура не змінюватиметься, поки все речовина в даній системі не розплавиться. При відведенні зайвого тепла (охолодженні) речовина буде переходити в твердий стан (застигати), і, поки воно не застигне повністю, його температура не зміниться.

Температура плавлення / твердіння і температура кипіння / конденсації вважаються важливими фізичними властивостями речовини. Температура затвердіння збігається з температурою плавлення тільки для чистого речовини. На цій властивості засновані спеціальні калібратори термометрів для високих температур. Так як температура затвердіння чистого речовини, наприклад олова, стабільна, досить розплавити і чекати, поки розплав не почнеться кристалізуватися. У цей час, за умови гарної теплоізоляції, температура застигаючого злитка не змінюється і в точності збігається з еталонної температурою, зазначеної в довідниках.

Суміші речовин не мають температури плавлення / твердіння зовсім і здійснюють перехід в деякому діапазоні температур (температура появи рідкої фази називається точкою солідусу , температура повного плавлення - точкою ліквідусу ). Оскільки точно виміряти температуру плавлення такого роду речовин не можна, застосовують спеціальні методи ( ГОСТ 20287 і ASTM D 97). Але деякі суміші ( евтектичного складу) володіють певною температурою плавлення, як чисті речовини.

Аморфні (некристалічні) речовини, як правило, не володіють точною температурою плавлення. З ростом температури в'язкість таких речовин знижується, і матеріал стає більш рідким.

Оскільки при плавленні обсяг тіла змінюється незначно, тиск мало впливає на температуру плавлення. Залежність температури фазового переходу (в тому числі і плавлення, і кипіння) від тиску для однокомпонентної системи дається рівнянням Клапейрона-Клаузіуса . Температуру плавлення при нормальному атмосферному тиску (101 325 Па , або 760 мм ртутного стовпа ) називають точкою плавлення.

Температури плавлення деяких речовин [1]
речовина температура
плавлення
( ° C )
гелій (при 2,5 МПа) -272,2
водень -259,2
кисень -219
азот -210,0
метан -182,5
спирт -114,5
хлор -101
аміак -77,7
ртуть[2] -38,83
водяний лід [3] 0
бензол +5,53
цезій +28,64
галій +29,8
сахароза +185
сахарин +225
олово +231,93
свинець +327,5
алюміній +660,1
срібло +960,8
золото +1063
мідь +1083,4
кремній +1415
залізо +1539
титан +1668
платина +1772
цирконій +1852
корунд +2050
рутеній +2334
молібден +2622
карбід кремнію +2730
карбід Вольфрама +2870
осмій +3054
оксид торію +3350
вольфрам[2] +3414
вуглець (сублімація) +3547
карбід гафнію +3890
карбід танталу-гафнію [4] +3990
карбонітриду гафнію [5] +4200

Передбачення температури плавлення (критерій Линдемана)

Спроба передбачити точку плавлення кристалічних матеріалів була зроблена в 1910 році Фредеріком Ліндеманн ( англ. ) [6] . Ідея полягала в спостереженні того, що середня амплітуда теплових коливань збільшується зі збільшенням температури. Плавлення починається тоді, коли амплітуда коливань стає досить великий для того, щоб сусідні атоми почали частково займати одне і те ж простір.

Критерій Линдемана стверджує, що плавлення очікується, коли середньоквадратичне значення амплітуди коливань перевищує порогову величину.

Температура плавлення кристалів досить добре описується формулою Линдемана [7] :

де - середній радіус елементарної комірки, - температура Дебая , а параметр для більшості матеріалів змінюється в інтервалі 0,15-0,3.

Температура плавлення - розрахунок

Формула Линдемана виконувала функцію теоретичного обґрунтування плавлення протягом майже ста років, але розвитку не мала через низьку точності.

Розрахунок температури плавлення металів

У 1999 році професором Володимирського державного університету І. В. Гавриліна було отримано новий вираз для розрахунку температури плавлення:

де - Температура плавлення, - прихована теплота плавлення, - число Авогадро, - константа Больцмана.

Вперше отримано виключно компактне вираз для розрахунку температури плавлення металів, що зв'язує цю температуру з відомими фізичними константами: прихованої теплотою плавлення , числом Авогадро і константою Больцмана .

Формула виведена як один з наслідків нової теорії плавлення та кристалізації, опублікованій в 2000 р [8] Точність розрахунків за формулою Гавриліна можна оцінити за даними таблиці.

Температура плавлення деяких металів
метал Прихована теплота плавлення , Ккал * моль -1 Температура плавлення , K
розрахункова експериментальна
2,58 876 933
5,51 1857 2180
3,50 +1179 1517
4,40 1428 1811
4,18 1406 тисяча сімсот двадцять вісім
3,12 1051 1357
1.73 583 692
1,72 529 505
8.74 2945 2890

За цими даними, точність розрахунків змінюється від 2 до 30%, що в розрахунках такого роду цілком прийнятно.

Див. також

Примітки

  1. Дріц М. Є., Будберг П. Б., Бурханов Г. С., Дріц А. М., Пановко В. М. Властивості елементів. - Металургія, 1985. - 672 с.
  2. 1 2 Haynes, 2011 , p. 4.122.
  3. Температура плавлення очищеної води була виміряна як 0,002519 ± 0,000002 ° C, см. Feistel, R .; Wagner, W. A New Equation of State for H 2 O Ice Ih (англ.) // J. Phys. Chem. Ref. Data (англ.) : Journal. - 2006. - Vol. 35, no. 2. - P. 1021-1047. - doi : 10.1063 / 1.2183324 . - Bibcode : 2006JPCRD..35.1021F .
  4. Andrievskii RA, Strel'nikova NS, Poltoratskii NI, Kharkhardin ED, Smirnov VS Melting point in systems ZrC-HfC, TaC-ZrC, TaC-HfC // Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. - 1967. - Т. 6, вип. 1. - С. 65-67. - ISSN 0038-5735 . - doi : 10.1007 / BF00773385 .
  5. Створено найтугоплавкіший на сьогодні матеріал indicator.ru. Дата звернення: 9 серпня 2020.
  6. Lindemann FA (англ.) . The calculation of molecular vibration frequencies (нім.) // Phys. Z. : magazin. - 1910. - Bd. 11. - S. 609-612.
  7. Жіріфалько Л. Статистична фізика твердого тіла. - М.: Мир, 1975. - С. 15.
  8. Гаврилін І. В. 3.7. Розрахунок температури плавлення металів // Плавлення і кристалізація металів і сплавів. - Володимир: Изд. ВлГУ, 2000. - С. 72. - 200 екз. - ISBN 5-89368-175-4 .

література

  • Haynes, William M. CRC Handbook of Chemistry and Physics (неопр.). - 92nd. - CRC Press , 2011. - ISBN 1439855110 .