1. Плавлення сумішей і твердих розчинів [ правити | правити код ]
2. Природа плавлення [ правити | правити код ]
3. Динаміка плавлення [ правити | правити код ]
4. Плавлення в двовимірних системах [ правити | правити код ]

Плавлення - це процес переходу тіла з кристалічного твердого стану в рідке, тобто перехід речовини з одного агрегатного стану в інше. Плавлення відбувається з поглинанням теплоти плавлення і є фазовим переходом першого роду , Яке супроводжується стрибкоподібним зміною теплоємності в конкретній для кожної речовини температурної точці перетворення - Температура плавлення .

Здатність плавитися відноситься до фізичними властивостями речовини [1]

При нормальному тиску, найбільшою температурою плавлення серед металів володіє вольфрам (3422 ° C), серед простих речовин - вуглець (За різними даними 3500 - 4500 ° C [2] ) А серед довільних речовин - карбід танталу-гафнію Ta4HfC5 (3942 ° C). Можна вважати, що найнижчою температурою плавлення має гелій : При нормальному тиску він залишається рідким при скільки завгодно низьких температурах.

Плавлення сумішей і твердих розчинів [ правити | правити код ]

У сплавів , Як правило, немає певної температури плавлення; процес їх плавлення відбувається в кінцевому діапазоні температур. На діаграмах стану «температура - відносна концентрація» є кінцева область співіснування рідкого і твердого стану, обмежена кривими ликвидуса і солідусу . Аналогічна ситуація має місце і в разі багатьох твердих розчинів .

Фіксованої температури плавлення немає також у аморфних тіл ; вони переходять в рідкий стан поступово, розм'якшуючись при підвищенні температури.

Технічно плавлення речовини здійснюється за допомогою підведення теплової енергії зовні зразка (зовнішній нагрів, наприклад, в термічній печі) або безпосередньо у всьому його обсязі (внутрішній нагрів, наприклад, резистивний нагрів при пропущенні струму через зразок, або індукційний нагрів в високочастотному електромагнітному полі). Спосіб плавлення не впливає на основні характеристики процесу - температуру і приховану теплоту плавлення, але визначає зовнішню картину плавлення, наприклад, поява квазі-рідкого шару на поверхні зразка при зовнішньому нагріванні.

Вважається, що плавлення характеризується втратою далекого орієнтаційної межатомного порядку в кристалі з переходом до «жідкоподобному» або «газощільних» безладу.

Природа плавлення [ правити | правити код ]

Пояснимо спочатку, чому при деякій температурі тіло воліє розірвати частину міжатомних зв'язків і з упорядкованого стану (кристал) перейти в неврегульоване ( рідина ).

Як відомо з термодинаміки , При фіксованій температурі тіло прагне мінімізувати вільну енергію F = E - T S {\ displaystyle F = E-TS} . При низьких температурах другий доданок (твір температури і ентропії ) Несуттєво, і в результаті все зводиться до мінімізації звичайної енергії E {\ displaystyle E} . Стан з мінімальною енергією - це кристалічна тверде тіло. При підвищенні температури, другий доданок стає все важливішим, і при деякій температурі виявляється вигідніше розірвати деякі зв'язку. При цьому звичайна енергія E {\ displaystyle E} злегка підвищиться, але при цьому сильно зросте і ентропія, що в результаті призведе до зниження вільної енергії.

Динаміка плавлення [ правити | правити код ]

Спочатку, в умоглядному, тобто не кількісному, поданні вважалося, що в динаміці плавлення відбувається наступним чином. При підвищенні температури тіла збільшується амплітуда теплових коливань його молекул, і час від часу виникають структурні дефекти решітки у вигляді перескоків атомів, зростання дислокацій та інших порушень кристалічної решітки [4] . Кожен такий дефект, виникнення і переміщення дислокацій вимагають певної кількості енергії, оскільки супроводжується розривом деяких міжатомних зв'язків. Стадія народження і накопичення дефектів називається стадією передплавлення. Крім того, на цій стадії, як правило, при зовнішньому нагріванні виникає квазі-рідкий шар на поверхні тіла. Вважається, що при деякій температурі концентрація дефектів стає настільки великою, що призводить до втрати орієнтаційної порядку в зразку, тобто плавлення.

Однак, у зв'язку з тим, що механізм термодеструкции кристала за рахунок утворення дефектів і зростання дислокацій, що протікає в широкому діапазоні температур, не приводить до фазового перетворення 1-го роду, тобто до стрибка термодинамічних характеристик речовини в конкретній, фіксованою для кожного речовини температурної точці, то Ліндеман [5] розвинув прості уявлення про хід процесу плавлення, згідно з якими амплітуда коливання частинок в точці плавлення збільшується настільки, що стає порівнянної з міжатомних відстанню в кристалічній решітці і призводить до руйнування решітки і втрати орієнтаційної межатомного порядку. Фактично цей «фактор плавлення» є основою більшості моделей з визначальною роллю відразливою частини потенціалу парного взаємодії і накладенням умов переходу від порядку до «жідкоподобному» або «газощільних» безладу, що розраховуються методами Монте-Карло та молекулярної динаміки [6] [7] [8] . Однак, було встановлено [9] , Що в точці плавлення середньоквадратичне зміщення атомів зі стану рівноваги становить всього близько 1/8 межатомного відстані, що виключає модель Линдемана, тобто зіткнення атомів як «фактор плавлення». При цьому енергія атомів виявляється істотно нижче потенційної енергії атомізації кристалічної решітки.

теоретичні дослідження В. Андрєєва [10] [11] показали, що динаміка плавлення кристалічного тіла, як фазового перетворення 1-го роду, визначається (на відміну від моделі накопичення дефектів і дислокацій і моделі Линдемана) «Катастрофічекім» (crash - [креш]) конформаційним перетворенням (інвертуванням) структури групи атомів при їх теплових коливаннях з амплітудами, меншими міжатомних відстаней в решітці, що супроводжується руйнуванням межатомной зв'язку при подоланні потенційного бар'єру инвертирования у фіксованій температурної точці з витратою постійної величини енергії, нижче енергії атомізації решітки, і рівної питомої теплоті плавлення. Цей механізм призводить до підтверджена експериментально кластерної структурі пов'язаного (конденсованого) рідкого стану з постійним (для заданої температури) середнім числом розриваються і відновлюються межкластерних і внутрікластерних міжатомних зв'язків, що забезпечують збереження обсягу і визначають рухливість (плинність) і хімічну активність рідини . З ростом температури кількість атомів в кластерах зменшується за рахунок збільшення розірваних зв'язків. Утворені вільні атоми (молекули) випаровуються з поверхні рідини або залишаються в межкластерном просторі в якості розчиненого газу (пара). При температурі кипіння речовина переходить в моноатомной (мономолекулярної) газоподібне (парообразное) стан.

Плавлення в двовимірних системах [ правити | правити код ]

В двовимірних або квазі-двовимірних системах кристал є набагато більш хистким об'єктом, ніж в тривимірному випадку, а саме у двовимірного кристала немає дальнього позиційного порядку. Для порівняння, в одновимірному випадку кристал при кінцевій температурі взагалі не може бути стабільним.

Як з'ясувалося, це призводить до того, що плавлення двовимірного кристала відбувається в два етапи. Спочатку кристал переходить в так звану гексатіческую фазу, в якій втрачається ближній позиційний порядок, але зберігається орієнтаційний, а потім відбувається втрата і орієнтаційної порядку і тіло стає рідким.

1. ↑ С. Т. Жуков Хімія 8-9 клас, Глава 1. Основні уявлення та поняття хімії
2. ↑ Розкид експериментальних даних пов'язаний, по видимому, з фазовим переходом графіт-карбін і різною швидкістю нагріву при вимірах. Климовський І. І., Марковець В. В. Вплив фазового переходу графіт-карбін на радіаційну здатність графітових зразків при їх нагріванні до температур 3000 K і більше // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. - 2007. - № 6 (50). - С. 50-59. Читальний зал 26 жовтня 2015 року.
3. ↑ Андрєєв В. Д. Вибрані проблеми теоретичної фізики. . - Київ: Аванпост-Прим ,. - 2012.
4. ↑ Мейер К. Фізико-хімічна кристалографія, М., «Металографія», 1972
5. ↑ Lindemann FA // Phys.Z., 1910, v.11, p.609
6. ↑ Wood WW, Jacobson JD Preliminary Results from a Recalculation of the Monte Carlo Equation of State of Hard Spheres // J. Chem. Phys. . - 1957. - № 27. - С. 1207. - DOI : 10.1063 / 1.1743956 .
7. ↑ Alder BJ , Wainwright TE Phase Transition in Elastic Disks // Phys. Rev. . - 1962. - № 127. - С. 359. - DOI : 10.1103 / PhysRev.127.359 .
8. ↑ Hoover WG, Gray SG, Johnson KW Thermodynamic Properties of the Fluid and Solid Phases for Inverse Power Potentials // J. Chem. Phys. . - 1971. - № 55. - С. 1 128. - DOI : 10.1063 / 1.1676196 .
9. ↑ Пайнс Д. Елементарні збудження в твердих тілах. М., Мир, 1965.
10. ↑ Андрєєв В. Д. Креш (crash) -конформаціонная кінематика ковалентного решітки алмаза при плавленні. // Журнал структурної хімії . - 2001. - № 3. - С. 486-495.
11. ↑ Андрєєв В. Д. «Фактор плавлення» при міжатомних взаємодіях в алмазної решітці. // Хімічна фізика . - 2002. - № 8, т.21. - С. 35-40.