§ 16. График плавления и отвердевания кристаллических тел

наглядная графическая зависимость температуры кристаллического вещества от времени нагревания и охлаждения:

• Участок AB: нагревание твёрдого льда от −40 °C до температуры плавления 0 °C (вещество поглощает теплоту, кинетическая энергия колебаний молекул растёт).
• Участок BC («температурная полка»): процесс плавления льда при постоянной температуре 0 °C. В сосуде одновременно находятся две фазы — твёрдая (лёд) и жидкая (вода). Подводимая энергия расходуется на преодоление сил притяжения и разрушение кристаллической решётки.
• Участок CD: нагревание образовавшейся воды от 0 °C до 40 °C (точка D — нагревание прекращено).
• Участок DE: охлаждение жидкой воды от 40 °C до 0 °C (теплота отдаётся в окружающую среду).
• Участок EF («температурная полка» отвердевания): процесс кристаллизации воды при постоянной температуре 0 °C. Вся выделившаяся при образовании кристаллической решётки энергия отдаётся окружающей среде.
• Участок FK: дальнейшее охлаждение полученного твёрдого льда ниже 0 °C.

пока не расплавится весь объём кристаллического вещества или не отвердеет вся жидкость, температура смеси не изменяется, так как средняя кинетическая энергия теплового движения молекул остаётся постоянной.

в отличие от кристаллических тел, аморфные вещества (стекло, смола, воск) не имеют кристаллической решётки и не обладают строго определённой температурой плавления: при нагревании они непрерывно размягчаются и постепенно переходят в текучее жидкое состояние.

На графике зависимости температуры от времени (рис. 31) последовательно отображены следующие тепловые процессы:

• Участок AB — нагревание твёрдого льда от начальной температуры −40 °C до 0 °C.
• Участок BC — процесс плавления льда при постоянной температуре плавления 0 °C (в сосуде смесь льда и воды).
• Участок CD — нагревание полученной воды от 0 °C до 40 °C.
• Участок DE — охлаждение жидкой воды от 40 °C до 0 °C.
• Участок EF — процесс кристаллизации (отвердевания) воды при температуре 0 °C.
• Участок FK — дальнейшее охлаждение льда от 0 °C до более низких отрицательных температур.

Участки получения энергии (поглощения теплоты):

• Участки AB, BC и CD.

Нагревание льда (AB), плавление льда (BC) и последующее нагревание воды (CD) происходят за счёт подвода теплоты от нагревателя: на участках AB и CD температура растёт (увеличивается кинетическая энергия молекул), а на участке BC при постоянной температуре разрушается кристаллическая решётка (увеличивается потенциальная энергия взаимодействия молекул).

👉 Участки отдачи энергии (выделения теплоты):

• Участки DE, EF и FK.

Охлаждение воды (DE), её кристаллизация (EF) и охлаждение полученного льда (FK) сопровождаются передачей тепла в окружающую среду: на участках DE и FK температура снижается (уменьшается кинетическая энергия движения молекул), а на участке EF восстанавливается кристаллическая структура с выделением энергии в окружающую среду.

Температура тела определяется средней кинетической энергией движения его молекул.

При плавлении (участок BC) вся подводимая извне тепловая энергия расходуется на разрыв межмолекулярных связей и разрушение кристаллической решётки (на увеличение потенциальной энергии взаимодействия частиц), а средняя скорость движения молекул не меняется, поэтому температура остаётся постоянной до полного расплавления льда.

При отвердевании (участок EF) молекулы замедляются и силы притяжения выстраивают их в кристаллическую решётку. При этом выделяется энергия связи, которая в точности компенсирует отвод тепла в окружающую среду, благодаря чему температура также остаётся неизменной (0 °C) до полной кристаллизации всей массы воды.