5.3. Плавлення і кристалізація
Немає такого твердого тіла, яке скільки завгодно довго протистояло б підвищенню температури. Рано чи пізно твердий шматочок перетворюється в рідину. Чому?
У міру зростання температури молекули рухаються все інтенсивніше. При нагріванні зростає не тільки молекулярно-кінетична енергія тіла, але і потенційна енергія взаємодії його атомів, оскільки при збільшенні амплітуди коливань атоми відходять один від одного на більшу відстань і зближуються на меншу відстань, завдяки чому енергія взаємодії їх електричних зарядів зростає. З підвищенням температури настає, нарешті, такий момент, коли підтримання порядку серед сильно розгойдуються атомів стає неможливим, і з цього моменту починається руйнування кристалічної решітки, в результаті чого зникає і дальній порядок. Тверде тіло плавиться. Нижче наводяться температури плавлення деяких речовин (таблиця 5.3).
Точка плавлення, ° С
Точка плавлення, ° С
Поки плавлення не розпочалося, температура тіла при нагріванні зростає. Як тільки температура плавлення буде досягнута, починається плавлення, підвищення температури припиняється, і температура залишається незмінною, поки процес плавлення не закінчиться повністю. При подальшому підвищенні температури розплав нагрівається як однорідна рідина. Описані зміни температури в процесі нагрівання тіла в залежності від часу представлені на рис. 5.8.
Як і при перетворенні рідини в пар, перетворення твердого тіла в рідину вимагає тепла. Кількість теплоти, необхідне для переходу одиниці маси кристала в розплав тієї ж температури, називається теплотою плавлення. Наприклад, плавлення одного кілограма льоду вимагає 3,33 х 10 5 Дж (80 ккал). Лід відноситься до числа тіл, які мають великий теплотою плавлення. Плавлення льоду вимагає в 10 разів більше енергії, ніж плавлення тієї ж маси свинцю (мається на увазі витрата енергії саме на плавлення, а не нагрівання до точки плавлення). Через велику теплоти плавлення льоду сповільнюється танення снігу навесні, що і рятує від руйнівних наслідків весняних паводків.
Зворотний перехід речовини в твердий стан можливий як з рідкого, так і з газоподібного стану. І в тому і в іншому випадку такий перехід здійснюється зі стану, позбавленого симетрії, в стан, в якому симетрія існує (це відноситься до дальнього порядку, який має місце в кристалах і якого немає ні в рідинах, ні в газах). Тому перехід в твердий стан повинен відбуватися стрибком при певній температурі, на відміну від переходу рідина-пар, який може відбуватися безперервно. Процес утворення твердого тіла при охолодженні рідини є процес утворення кристала (кристалізація) і відбувається він при певній температурі - температурі кристалізації. Так як при такому перетворенні енергія системи зменшується, то такий перехід повинен супроводжуватися виділенням енергії у вигляді теплоти кристалізації. Із закону збереження енергії випливає, що теплота плавлення і теплота кристалізації повинні бути рівні один одному.
Процес утворення кристала ілюструється на рис. 5.8 (крива а). Ділянка 1 кривої а відповідає зниженню температури рідини при відведенні від неї тепла в процесі охолодження. Горизонтальний ділянку 2 показує, що при певному значенні температури її зниження припиняється, незважаючи на те, що відведення тепла триває. Через деякий час температура знову починає знижуватися. Температура, що відповідає ділянці 2, і є температура кристалізації. Виділяється при кристалізації тепло компенсує відведення тепла від речовини, в результаті чого зниження його температури в процесі кристалізації припиняється. Після закінчення процесу кристалізації температура, тепер уже твердого тіла, знову починає знижуватися. Відзначимо ще, що для початку процесу кристалізації велику роль відіграє присутність в рідкій фазі центрів кристалізації.
Можливе утворення кристала безпосередньо з пара. Така можливість реалізується і в природі, коли ми милуємося деревами, прикрашеними памороззю. При цьому також виділяється прихована теплота переходу, яка, однак, завжди більше прихованої теплоти плавлення.