Плаўленне

З пляцоўкі Вікіпедыя
Перайсці да: рух, знайсці

Плаўленне - гэта працэс пераходу цела з крышталічнага цвёрдага стану ў вадкі, гэта значыць пераход рэчыва з аднаго агрэгатнага стану ў іншае. Плаўленне адбываецца з паглынаннем удзельнай цеплыні плаўлення і з'яўляецца фазавым пераходам першага роду, якое суправаджаецца скачкападобным змяненнем цеплаёмістасці ў канкрэтным для кожнага рэчывы тэмпературным пункце ператварэння - тэмпературы плаўлення.

Здольнасць плавіцца ставіцца да фізічных уласцівасцях рэчывы [1]

Пры нармальным ціску, найбольшай тэмпературай плаўлення сярод металаў валодае вальфрам (3422 °C), сярод простых рэчываў - вуглярод (па розных дадзеных 3500 - 4500 °C[2]) а сярод адвольных рэчываў - карбід тантала-гафнія Ta4HfC5 (4216 °C) . Можна лічыць, што самай нізкай тэмпературай плаўлення валодае гелій: пры нармальным ціску ён застаецца вадкім пры як заўгодна нізкіх тэмпературах.

Шматлікія рэчывы пры нармальным ціску не маюць вадкай фазы. Пры награванні яны шляхам сублімацыі адразу пераходзяць у газападобны стан.

Плаўленне сумесяў і цвёрдых раствораў[правіць | правіць зыходнік]

У сплаваў, як правіла, няма пэўнай тэмпературы плаўлення; працэс іх плаўлення адбываецца ў канчатковым дыяпазоне тэмператур. На дыяграмах стану «тэмпература - адносная канцэнтрацыя» маецца канчатковая вобласць суіснавання вадкага і цвёрдага стану, абмежаваная крывымі ліквідуса і солідуса. Аналагічная сітуацыя мае месца і ў выпадку многіх цвёрдых раствораў.

Фіксаванай тэмпературы плаўлення няма таксама ў аморфных цел; яны пераходзяць у вадкі стан паступова, размягчаюцца пры павышэнні тэмпературы.

Melting icecubes.gif

Кінетыка плаўлення[правіць | правіць зыходнік]

Тэхнічна плаўленне рэчывы ажыццяўляецца з дапамогай падводу цеплавой энергіі звонку ўзору (вонкавы нагрэў, напрыклад, у тэрмічнай печы) або непасрэдна ва ўсім яго аб'ёме (ўнутраны нагрэў, напрыклад, рэзістыўны нагрэў пры прапусканні току праз ўзор, або індукцыйны нагрэў у высокачастотным электрамагнітным полі). Спосаб плаўлення не ўплывае на асноўныя характарыстыкі працэсу - тэмпературу і ўтоеную цеплыню плаўлення, але вызначае знешнюю карціну плаўлення, напрыклад, з'яўленне квазівадкага пласта на паверхні ўзору пры знешнім нагрэве.

Лічыцца, што плаўленне характарызуецца стратай далёкага арыентацыйнага міжатамнага парадку ў крышталі з пераходам да «вадкападобнага» або «газаўчыльнага» беспарадку.

Прырода плаўлення[правіць | правіць зыходнік]

Растлумачым спачатку, чаму пры некаторай тэмпературы цела аддае перавагу разарваць частку міжатамных сувязяў і з спарадкаванага стану (крышталь) перайсці ў неўпарадкаваны (вадкасць).

Як вядома з тэрмадынамікі, пры фіксаванай тэмпературы цела імкнецца мінімізаваць свабодную энергію F = E - TS. Пры нізкіх тэмпературах другі складнік (здабытак тэмпературы і энтрапіі) неістотны, і ў выніку ўсё зводзіцца да мінімізацыі звычайнай энергіі E. Стан з мінімальнай энергіяй - гэта крышталічнае цвёрдае цела. Пры павышэнні тэмпературы, другі складнік становіцца ўсё важней, і пры некаторай тэмпературы аказваецца больш выгадна разарваць некаторыя сувязі. Пры гэтым звычайная энергія E злёгку падвысіцца, але пры гэтым моцна ўзрасце і энтрапія, што ў выніку прывядзе да паніжэння свабоднай энергіі.

Тэмпературныя ваганні атамаў ў рашотцы крышталя
Паводзіны вадкасці пасля пераходу крышталя праз пункт плаўлення, як у сярэднім пастаянныя для зададзенай тэмпературы разрывы і аднаўленні міжкластерных і унутрыкластерных міжатамных сувязяў (кароткія патоўшчаныя адрэзкі - разарваныя сувязі)

Дынаміка плаўлення[правіць | правіць зыходнік]

У дынаміцы, плаўленне адбываецца наступным чынам. Пры павышэнні тэмпературы цела павялічваецца амплітуда цеплавых ваганняў яго малекул, і час ад часу ўзнікаюць структурныя дэфекты рашоткі ў выглядзе пераскокаў атамаў, росту дыслакацый і іншых парушэнняў крышталічнай рашоткі[3]. Кожны такі дэфект, ўзнікненне і перамяшчэнне дыслакацый патрабуюць пэўнай колькасці энергіі, паколькі суправаджаецца разрывам некаторых міжатамных сувязяў. Стадыя нараджэння і назапашвання дэфектаў называецца стадыяй предплаўлення. Акрамя таго, на гэтай стадыі, як правіла, пры знешнім нагрэве ўзнікае квазівадкі пласт на паверхні цела. Лічыцца, што пры некаторай тэмпературы канцэнтрацыя дэфектаў становіцца гэтак вялікай, што прыводзіць да страты арыентацыйнага парадку ва ўзоры.

У сувязі з тым, што механізм тэрмадэструкцыі крышталя за кошт утварэння дэфектаў і росту дыслакацый, якая працякае ў шырокім дыяпазоне тэмператур, не прыводзіць да фазавага ператварэння 1-га роду, гэта значыць да скачка тэрмадынамічных характарыстык рэчывы ў канкрэтнаму для кожнага рэчывы тэмпературнаму пункце, то Ліндэман[4] развіў простыя ўяўленні аб ходзе працэсу плаўлення, згодна з якімі амплітуда ваганняў часціц у пункце плаўлення павялічваецца настолькі, што становіцца параўнальнай з міжатамнай адлегласцю ў крышталічнай рашотцы і прыводзіць да разбурэння рашоткі і страты арыентацыйнага міжатамнага парадку. Фактычна гэты «фактар ​​плаўлення» з'яўляецца асновай большасці мадэляў з вызначальнай роляй адштурхвалай часткі патэнцыялу парнага ўзаемадзеяння і накладаннем умоў пераходу ад парадку да «вадкападобнага» або «газашчыльнага» беспарадку, разлічвае метадамі Монтэ-Карла і малекулярнай дынамікі[5][6][7]. Аднак, было ўстаноўлена [8], што ў пункце плаўлення сярэднеквадратовае зрушэнне атамаў са стану раўнавагі складае ўсяго каля 18 міжатамнай адлегласці, што выключае мадэль Ліндэмана, г. зн. сутыкненняў атамаў, як «фактар ​​плаўлення». Пры гэтым энергія атамаў істотна ніжэй патэнцыйнай энергіі атамізацыі крышталічнай рашоткі.

Далейшыя даследаванні паказалі, што дынаміка плаўлення крышталічнага цела, як фазавага ператварэння 1-га роду, вызначаецца (у адрозненне ад мадэлі назапашвання дэфектаў і дыслакацый) «катастрафічным» канформацыйным пераўтварэннем структуры групы атамаў, суправаджаецца разбурэннем міжатамнай сувязі пры пераадоленні патэнцыйнага бар'ера з выдаткам пастаяннай велічыні энергіі, ніжэй энергіі атамізацыі рашоткі, і роўнай удзельнай цеплыня плаўлення.

З ростам тэмпературы колькасць атамаў ў кластарах памяншаецца і пры тэмпературы кіпення рэчыва пераходзіць у монаатамны (монамалекулярны) газападобны стан.

Гл. таксама[правіць | правіць зыходнік]

Зноскі

  1. С. Т. Жуков Химия 8-9 класс, Глава 1. Основные представления и понятия химии
  2. Роскід эксперыментальных дадзеных звязаны, па відаць, з фазавым пераходам графіт-карбін і рознай хуткасцю нагрэву пры вымярэннях.
    Климовский И. И., Марковец В. В. Влияние фазового перехода графит-карбин на излучательную способность графитовых образцов при их нагревании до температур 3000 K и более // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. — 2007. — № 6 (50). — С. 50-59.
  3. Мейер К. Физико-химическая кристаллография, М., «Металлография», 1972
  4. LindemannF.A. // Phys.Z., 1910, v.11, p.609
  5. Wood W. W., Jacobson J. D. 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
  6. Alder B. J.[en], Wainwright T. E. Phase Transition in Elastic Disks // Phys. Rev.. — 1962. — № 127. — С. 359. — DOI:10.1103/PhysRev.127.359
  7. Hoover W. G., Gray S. G., Johnson K. W. Thermodynamic Properties of the Fluid and Solid Phases for Inverse Power Potentials // J. Chem. Phys.. — 1971. — № 55. — С. 1128. — DOI:10.1063/1.1676196
  8. Пайнс Д. Элементарные возбуждения в твёрдых телах. М., Мир, 1965.

Спасылкі[правіць | правіць зыходнік]