Процессы плавления и кристаллизации металлов. Все металлы могут находиться в твердом, жидком или в газообразном состояниях

Все металлы могут находиться в твердом, жидком или в газообразном состояниях. Переход из твердого состояния в жидкое происходит при определенной температуре плавления, переход из жидкого состояния в газообразное происходит при температуре кипения. Эти температуры зависят от давления. Температура плавления является одной из важнейших характеристик металла.

Кристаллизация – процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое с образованием кристаллов.

Плавление твердого тела при его нагревании и обратный процесс кристаллизации жидкости при ее охлаждении относятся к явлениям, называемым фазовыми переходами 1 рода. Для фазового перехода 1 рода характерно изменение скачком термодинамических параметров вещества (плотность, теплоемкость, вязкость и т. п.). При этом выделяется или поглощается определенное для данного вещества количество теплоты, называемое теплотой фазового перехода. Рассмотрим, как изменяется температура вещества при его плавлении и кристаллизации. Пусть к твердому телу подводится тепло с такой постоянной

скоростью, что температура во всем объеме образца успевает выравниваться и ее можно считать одинаковой для всех точек тела. Примерный график зависимости температуры тела от времени при нагреве изображен на рис. 1.а.В силу постоянства теплового потока ось времени есть одновременно и ось"тепла, поглощенного веществом". На участке 1'−1 тепло подвод приводит к монотонному росту температуры. На участке 1−2 температура неизменна, несмотря на то, что подвод тепла продолжается. Затем температура тела снова начинает повышаться (участок 2−2'). Температура, соответствующая участку 1−2, есть

температура плавления.

Поглощенное телом на этом участке тепло называют теплотой плавления.

Происходит разрушение кристаллической решетки твердого тела и внутренняя

энергия образца увеличивается − совершается переход в жидкое состояние.

Обратный процесс − процесс кристаллизации жидкости − изображен на рис. 1.б.

Здесь тепло отводится, тепловой поток, следовательно, отрицателен (по-прежнему

полагается постоянным). Из-за теплоотвода температура жидкости на участке 1'−1

монотонно снижается. На участке 1–2 температура неизменна (температура кристаллизации). Теплоотвод на этом участке компенсируется выделяющейся теплотой кристаллизации. После завершения кристаллизации температура тела(теперь уже твердого) начинает вновь понижаться (участок 2−2').Процессы плавления и кристаллизации идут практически при одной и той же температуре, а теплоты плавления и кристаллизации одинаковы. Жидкое и твердое состояния называют двумя разными фазами вещества, а процессы плавления и кристаллизации − фазовыми переходами. Новая фазане возникает сразу во всем объеме; сначала образуются зародыши новой фазы, которые затем растут, распространяясь на весь объем. При этом обе фазы могут сосуществовать длительное время (например, лед может плавать в воде, не плавясь). Указанные особенности плавления и кристаллизации(выделение и поглощение энергии, возможность сосуществования фаз) и являются отличительными признаками фазового перехода первого рода. Диаграммы, подобные изображенным на рис.1, можно использовать для измерения температуры и теплоты плавления (кристаллизации). Для снятия диаграммы тонкостенный сосуд (тигель) с исследуемым веществом(образцом) помещают в печь и, нагревая его, измеряют температуру образца через определенные промежутки времени. Можно снимать и диаграмму остывания и кристаллизации образца. В этом случае проще обеспечить постоянство теплового потока, отводимого от тела. Тепловой поток можно вычислить по изменению внутренней энергии тела (образец + тигель) на участках 1'−1 и 2'−2.