§ 15. Плавление и отвердевание кристаллических тел

ПЛАВЛЕНИЕ КАК ПЕРЕХОД ИЗ ТВЁРДОГО СОСТОЯНИЯ В ЖИДКОЕ

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с переходами вещества из одного агрегатного состояния в другое. Зимой реки и озёра покрываются льдом, а весной под лучами солнца снег и сосульки превращаются обратно в жидкую воду. Для подробного и строгого изучения этого процесса обратимся к классическому лабораторному опыту.

В стеклянный стакан помещают около 80 граммов растолчённого чистого льда, опускают термометр и оставляют прибор на столе в тёплом помещении. За счёт теплообмена с окружающим воздухом внутренняя энергия льда начинает возрастать, и столбик термометра медленно поднимается вверх. Однако как только температура льда достигает ровно 0 °C, нагревание внезапно прекращается: лёд начинает активно таять, превращаясь в воду, но показания термометра остаются абсолютно неизменными. Сколько бы тепла ни поступало из комнаты, температура смеси будет строго удерживаться на отметке 0 °C до тех пор, пока в стакане не расплавится самый последний кристаллик льда. Только после этого полученная вода снова начнёт нагреваться.

• Плавление — это физический процесс перехода вещества из твёрдого агрегатного состояния в жидкое.

Опыт со льдом демонстрирует важнейшую физическую закономерность: чтобы перевести кристаллическое тело в жидкое состояние, недостаточно просто подводить к нему теплоту. Тело необходимо предварительно нагреть до строго определённого температурного рубежа.

ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Температура, при достижении которой кристаллическое вещество начинает переходить в жидкое состояние, называется температурой плавления.

Каждое кристаллическое вещество обладает своей строго индивидуальной температурой плавления, которая напрямую определяется прочностью связей между атомами или молекулами в его кристаллической решётке. Диапазон этих температур в природе колоссален:

• Легкоплавкие вещества и отвердевшие газы: водород переходит в жидкую фазу при экстремально низкой температуре -259 °C, кислород плавится при -219 °C, азот при -210 °C, а чистый этиловый спирт — при -114 °C. Ртуть представляет собой единственный металл, остающийся жидким при обычных комнатных условиях: её температура плавления составляет -39 °C. Лёд переходит в воду при 0 °C.
• Металлы умеренной плавкости: щелочной металл цезий плавится буквально от тепла человеческих рук при температуре 29 °C, калий переходит в жидкое состояние при 63 °C, а натрий — при 98 °C. Кусочек олова можно легко расплавить на обычной лабораторной спиртовке в стальной ложке, поскольку температура плавления олова составляет 232 °C. Свинец плавится при 327 °C, цинк — при 420 °C, а алюминий — при 660 °C.
• Тугоплавкие металлы и сплавы: благородные металлы серебро и золото плавятся соответственно при 962 °C и 1064 °C, медь требует нагрева до 1085 °C, чугун плавится при 1200 °C, а чистое железо переходит в жидкое состояние лишь при 1539 °C. Для плавки таких металлов строят гигантские металлургические печи. Абсолютным природным рекордсменом среди металлов выступает вольфрам с температурой плавления 3387 °C, благодаря чему тончайшие вольфрамовые спирали могут работать раскалёнными добела в лампах накаливания, не расплавляясь.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И РАВЕНСТВО ТЕМПЕРАТУР ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ

В природе наряду с плавлением существует строго противоположный, зеркальный процесс — переход вещества из жидкого состояния обратно в кристаллическое твёрдое.

• Отвердевание (или кристаллизация) — это физический процесс перехода вещества из жидкого агрегатного состояния в твёрдое кристаллическое.

Любое тело в жидком состоянии обладает температурой выше своей температуры плавления. Чтобы запустить процесс отвердевания, жидкость необходимо непрерывно охлаждать, забирая у неё внутреннюю энергию и передавая её окружающим телам. Температура, при которой жидкое вещество переходит в твёрдое состояние, называется температурой отвердевания (или температурой кристаллизации).

Многочисленные точные эксперименты позволили физикам сформулировать фундаментальный закон фазовых превращений: при неизменном внешнем давлении любое кристаллическое вещество отвердевает строго при той же самой температуре, при которой оно плавится.

Так, при нормальном атмосферном давлении чистый лёд плавится при 0 °C, и ровно при 0 °C происходит кристаллизация жидкой воды в лёд. Расплавленный свинец отвердевает в твёрдый слиток ровно при температуре своего плавления — 327 °C. На протяжении всего периода кристаллизации температура смеси жидкой и твёрдой фаз остаётся неизменной, пока всё вещество полностью не затвердеет.