Плавление и отвердевание

Что происходит с кристаллом

В твёрдом теле частицы стоят в узлах решётки и колеблются около своих мест. Нагревание раскачивает их сильнее.

При определённой температуре размах становится таким, что связи рвутся. Решётка разрушается, и вещество течёт.

Этот переход называют плавлением, а температуру, при которой он идёт, температурой плавления.

У каждого кристаллического вещества она своя и не меняется, пока давление обычное. Лёд плавится при нуле, олово при двухстах тридцати двух, вольфрам при трёх с лишним тысячах.

Куда девается энергия

Пока идёт плавление, энергия тратится не на разгон частиц, а на разрыв связей между ними.

Скорость частиц при этом не растёт, значит не растёт и температура. Термометр стоит на месте до последней крупинки льда.

Энергию, нужную для расплавления килограмма вещества при температуре плавления, называют удельной теплотой плавления.

У льда она велика: триста сорок тысяч джоулей на килограмм. Именно поэтому сугробы весной тают неделями, а не за один тёплый день.

Сравни сам. На нагрев килограмма воды на один градус уходит четыре тысячи двести джоулей, а на плавление килограмма льда в восемьдесят раз больше. Той же энергией можно было бы довести воду от нуля почти до кипения.

Отвердевание

Обратный переход называют отвердеванием или кристаллизацией. Идёт он при той же температуре, что и плавление.

Теперь вещество не забирает энергию, а отдаёт ровно столько же. Пока вода на морозе превращается в лёд, температура держится на нуле.

Этим пользуются садоводы. В теплицу перед заморозком ставят бочки с водой: замерзая, вода отдаёт тепло и спасает растения.

По той же причине первые морозы после дождливой осени переносятся легче: влажная земля отдаёт тепло, замерзая.

График нагревания льда

Возьмём лёд при минус двадцати и будем греть равномерно, отмечая температуру.

Сначала лёд нагревается до нуля, и линия на графике поднимается. Потом идёт плавление, и линия становится горизонтальной.

Когда весь лёд растаял, снова начинается подъём: греется уже вода. У ста градусов линия опять ложится: началось кипение.

Горизонтальные участки на графике всегда означают одно: вещество меняет состояние, а энергия уходит на этот переход.

Аморфные тела ведут себя иначе

У стекла, смолы и пластилина строгой решётки нет, и определённой температуры плавления у них тоже нет.

Они размягчаются постепенно: сначала становятся вязкими, потом текучими. Резкой границы между твёрдым и жидким не найти.

Поэтому стекло можно тянуть и выдувать, выбирая нужную вязкость. С кристаллическим веществом такого не сделаешь.

Пластик ведёт себя похоже, и это видно на кухне. Ложка из пластмассы в горячем супе сначала становится мягкой и только потом теряет форму.

Где это работает

Металлурги плавят руду и разливают металл по формам, зная температуры плавления каждого сплава.

Дорожники сыплют зимой соль: раствор соли замерзает не при нуле, а при более низкой температуре, и лёд тает.

Холодильные установки на катке отбирают у воды теплоту отвердевания и держат лёд твёрдым даже при плюсовой погоде на улице.

Пожарные знают, что вода тушит огонь и нагреванием, и испарением, но первый вклад даёт именно таяние льда в снеговой лавине или в ледяной крошке.

В быту этим пользуются каждый день. Кубик льда в стакане охлаждает напиток гораздо лучше, чем такая же по массе холодная вода, потому что забирает теплоту плавления.

Как считают теплоту нагревания, разобрано в уроке «Количество теплоты». Про переход воды в пар речь идёт в уроке «Испарение, кипение и влажность».