Плавление

Melting icecubes.gif

Плавление (топки) - переход тела из твердого состояния в жидкий. Обратный процесс - твердения ( кристаллизация). Плавление происходит с поглощением теплоты и является фазовым переходом первого рода.

При нормальном давления, наибольшей температурой плавления среди металлов имеет вольфрам (3422 ? C), а среди простых веществ - карбид гафния HfC (3890 ? C). Можно считать, что самую низкую температуру плавления имеет гелий : при нормальном давления он остается жидким при сколь угодно низких температурах.

Многие вещества при нормальном давлении не имеют жидкой фазы. При нагревании путем сублимации они сразу переходят в газообразные состояние.


1. Плавление сложных соединений

У сплавов, как правило, нет определенной температуры плавления; процесс их плавления происходит в конечном диапазоне температур. На диаграммах состояния "температура - относительная концентрация" есть конечная область сосуществования жидкого и твердого состояния, ограниченная кривыми ликвидуса и солидуса. Аналогичная ситуация имеет место и в случае многих твердых растворов.

Фиксированной температуры плавления нет также в аморфных тел, они переходят в жидкое состояние постепенно, мьякшачись при росте температуры.


2. Кинетика плавления

Поясним сначала, почему при некоторой температуре тело предпочитает разорвать часть межатомных связей и с упорядоченного состояния (кристалл) перейти в неупорядоченное ( жидкость).

Как известно из термодинамики, при фиксированной температуре тело стремится минимизировать свободную энергию F = E - TS. При низких температурах второе слагаемое (произведение температуры и энтропии) несущественно, и в итоге все сводится к минимизации обычной энергии E.

Состояние с минимальной энергией - это кристаллическое твердое тело. При повышении температуры, второе слагаемое становится все более важным, и при некоторой температуре оказывается выгоднее разорвать некоторые связи. При этом обычная энергия E несколько повысится, но при этом сильно возрастет и энтропия, в результате приведет к понижению свободной энергии.


3. Динамика плавления

В динамике, плавление происходит следующим образом. При повышении температуры тела растет амплитуда тепловых колебаний его молекул, и изредка возникают дефекты решеток. Каждый такой дефект требует определенного количества энергии, так как он сопровождается разрывом некоторых межатомных связей. Стадия рождения и накопления дефектов называется стадией передтоплення. Кроме того, на этой стадии, как правило, возникает квази-жидкий слой на поверхности тела. При определенной температуры концентрация дефектов становится так велика, что приводит к потере ориентационного порядка в образце.


4. Плавление в двумерных системах

В двумерных или квази-двумерных системах кристалл является неустойчивее объектом, чем в трехмерном случае, а именно в двумерного кристалла форуме дальнего позиционного порядка. (Для сравнения: в одномерном случае кристалл при конечной температуре вообще не может быть стабильным) Как выяснилось, это приводит к тому, что плавление двумерного кристалла происходит в два этапа. Сначала кристалл переходит в так называемую гексатичну фазу, в которой теряется ближний позиционный порядок, но сохраняется ориентационный, а затем происходит потеря и ориентационного порядка и тело становится жидким.


См.. также

Источники

  • Основы металлургического производства металлов и сплавов. - М.: Высшая школа., 2006. - 503с.;
  • Физико-химические и металлургические основы производства металлов. - М.: ИЗМН, 1996. - 392с.;
  • Бескоксовой металлургия железа. - М.: РОА "Днепр - ВАЛ?, 2002. - 338с.;
  • Конвертерное производство стали (теория, технология, качество стали, конструкция агрегатов, рециркуляция материалов и экология). - М.: РОА "Днепр - ВАЛ?, 2004. - 454с.;
  • Проектирование и оборудование электросталеплавильных и ферросплавных цехов. - М.: Системные технологии, 2004. - 692с.;
  • Автоматические системы управления процессами специальной электрометаллургии. - К.: Техника, 2002. - 211с.