Температура плавления это какое свойство

Температура плавления и кристаллизации — температура, при которой твёрдое кристаллическое тело совершает переход в жидкое состояние и наоборот. При температуре плавления вещество может находиться как в жидком, так и в твёрдом состоянии. При подведении дополнительного тепла вещество перейдёт в жидкое состояние, а температура не будет изменяться, пока всё вещество в рассматриваемой системе не расплавится. При отведении лишнего тепла (охлаждении) вещество будет переходить в твёрдое состояние (застывать) и, пока оно не застынет полностью, его температура не изменится.

Температура плавления/отвердевания и температура кипения/конденсации считаются важными физическими свойствами вещества. Температура отвердевания совпадает с температурой плавления только для чистого вещества. На этом свойстве основаны специальные калибраторы термометров для высоких температур. Так как температура застывания чистого вещества, например олова, стабильна, достаточно расплавить и ждать, пока расплав не начнёт кристаллизоваться. В это время, при условии хорошей теплоизоляции, температура застывающего слитка не изменяется и в точности совпадает с эталонной температурой, указанной в справочниках.

Смеси веществ не имеют температуры плавления/отвердевания вовсе и совершают переход в некотором диапазоне температур (температура появления жидкой фазы называется точкой солидуса, температура полного плавления — точкой ликвидуса). Поскольку точно измерить температуру плавления такого рода веществ нельзя, применяют специальные методы (ГОСТ 20287 и ASTM D 97). Но некоторые смеси (эвтектического состава) обладают определенной температурой плавления, как чистые вещества.

Аморфные (некристаллические) вещества, как правило, не обладают чёткой температурой плавления. С ростом температуры вязкость таких веществ снижается, и материал становится более жидким.

Поскольку при плавлении объём тела изменяется незначительно, давление мало влияет на температуру плавления. Зависимость температуры фазового перехода (в том числе и плавления, и кипения) от давления для однокомпонентной системы даётся уравнением Клапейрона-Клаузиуса. Температуру плавления при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па, или 760 мм ртутного столба) называют точкой плавления.

Предсказание температуры плавления (критерий Линдемана)

Попытка предсказать точку плавления кристаллических материалов была предпринята в 1910 году Фредериком Линдеманом (англ.). Идея заключалась в наблюдении того, что средняя амплитуда тепловых колебаний увеличивается с увеличением температуры. Плавление начинается тогда, когда амплитуда колебаний становится достаточно большой для того, чтобы соседние атомы начали частично занимать одно и то же пространство.

Критерий Линдемана утверждает, что плавление ожидается, когда среднеквадратическое значение амплитуды колебаний превышает пороговую величину.

Температура плавления кристаллов достаточно хорошо описывается формулой Линдемана[1]:

где  — средний радиус элементарной ячейки,  — температура Дебая, а параметр для большинства материалов меняется в интервале 0,15-0,3.

Температура плавления – Расчет

Формула Линдемана выполняла функцию теоретического обоснования плавления в течение почти ста лет, но развития не имела из-за низкой точности.

В 1999г. И.В. Гаврилиным было получено новое выражение для расчёта температуры плавления:

Тпл = DHпл / 1,5 N0 k,                                    (1)

где Тпл – температура плавления; DHпл – скрытая теплота плавления; N0 – скрытая теплота плавления; k – константа Больцмана.   

Впервые получено исключительно компактное выражение (1) для расчёта температуры плавления металлов, связывающее эту температуру с известными физическими константами: скрытой теплотой плавления, числом Авогадро и константой Больцмана.

Точность расчетов по (1) можно оценить по данным таблицы.

Таблица.                                                          

Температура плавления некоторых металлов. Расчет по (1)

По этим данным, точность расчетов Тпл меняется от 2 до 30%, что в расчетах такого рода вполне приемлемо.             

Формула (1) выведена как одно из следствий новой теории плавления и кристаллизации, опубликованной в 2000г.[1].

[1]- Гаврилин И.В. Плавление и кристаллизация металлов и сплавов. Изд. ВлГУ. Владимир. 2000. 256 с.                                  

Температуры плавления некоторых веществ[2]

Примечания

При термическом воздействии на детали в процессе сварки важно учитывать температуру плавления металлов. От этого показателя зависят токовые параметры. Необходимо создать электрической дугу или пламя в газовой горелке такой тепловой мощности, чтобы разрушить молекулярные связи. Параметр, при котором сталь или цветной сплав плавится, учитывают при выборе конструкционных материалов для узлов, испытывающих силу трения или металлоконструкций, испытывающих термическое воздействие.

Процесс плавления

При термовоздействии на деталь изменение внутренней структуры происходит за счет накопления энергии молекулами. Скорость их движения возрастает. В критической точке нагрева начинается разрушение кристаллической структуры, межмолекулярные связи уже не могут удержать молекулы в узлах решетки. Взамен колебательным движениям в пределах узла происходит хаотическое движение, образуется ванна расплава в месте нагрева. Точку начала расплавления вещества в лабораторных условиях определяют до сотых долей градуса, причем этот показатель не зависит от внешнего давления на заготовку. В вакууме и под давлением металлические заготовки начинают плавиться при одной и той же температуре, это объясняется процессом накопления внутренней энергии, необходимой для разрушения межмолекулярных связей.

Классификация металлов по температуре плавления

В физике переход твердого тела в жидкое состояние характерен только для веществ кристаллической структуры. Температуру плавления металлов чаще обозначают диапазоном значений, для сплавов точно определить нагрев до пограничного фазового состояния сложно. Для чистых элементов каждый градус имеет значение, особенно, если это легкоплавкие элементы,

значения не имеет. Сводная таблица показателей t обычно делится на 3 группы. Помимо легкоплавких элементов, которые максимально нагревают до +600°С, указывают тугоплавкие, выдерживающие нагрев свыше +1600°С, и среднеплавкие. В этой группе сплавы, образующие ванну расплава при температуре от +600 до 1600°С.

Разница между температурой плавления и кипения

Точкой фазового перехода вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое нередко называют температуру плавления металла. В расплаве молекулы не имеют определенного расположения, но притяжение удерживает их вместе, в жидком состоянии кристаллическое тело сохраняет объем, но теряет форму.

При кипении теряется объем, молекулы слабо взаимодействуют, хаотично движутся во всех направлениях, отрываются от поверхности. Температура кипения – это когда давление металлических паров достигает давления внешней среды.

Для наглядности разницу между критическими точками нагрева лучше представить в виде таблицы:

Таблицы температур плавления металлов и сплавов

Для удобства границы фазового перехода указаны по группам в порядке возрастания t фазового перехода из твердого в жидкое состояние. Из всех элементов выбраны часто встречающиеся.

Таблица плавления легкоплавких металлов и сплавов (расплавляются до +600°С).

Таблица плавления среднеплавких металлов и сплавов, диапазон фазового перехода от +600 до 1600°С.

Таблица плавления тугоплавких металлов и сплавов (свыше +1600°С).