5.3. Плавление и кристаллизация

Нет такого твердого тела, которое сколько угодно долго противостояло бы повышению температуры. Рано или поздно твердый кусочек превращается в жидкость. Почему?

По мере возрастания температуры молекулы движутся все интенсивнее. При нагревании возрастает не только молекулярно-кинетическая энергия тела, но и потенциальная энергия взаимодействия его атомов, поскольку при увеличении амплитуды колебаний атомы отходят друг от друга на большее расстояние и сближаются на меньшее расстояние, благодаря чему энергия взаимодействия их электрических зарядов возрастает. С повышением температуры наступает, наконец, такой момент, когда поддержание порядка среди сильно раскачивающихся атомов становится невозможным, и с этого момента начинается разрушение кристаллической решетки, в результате чего исчезает и дальний порядок. Твердое тело плавится. Ниже приводятся температуры плавления некоторых веществ (таблица 5.3).

Таблица 5.3

Вещество	Точка плавления, °С	Вещество	Точка плавления, °С
Лед	0
Вольфрам	3380	Цинк	419
Золото	1063	Свинец	327
Железо	1535	Олово	232
Медь	1083	Ртуть	–39

Пока плавление не началось, температура тела при нагревании растет. Как только температура плавления будет достигнута, начинается плавление, повышение температуры прекращается, и температура остается неизменной, пока процесс плавления не закончится полностью. При дальнейшем повышении температуры расплав нагревается как однородная жидкость. Описанные изменения температуры в процессе нагревания тела в зависимости от времени представлены на рис. 5.8.

Рис. 5.8

Как и при превращении жидкости в пар, превращение твердого тела в жидкость требует тепла. Количество теплоты, необходимое для перехода единицы массы кристалла в расплав той же температуры, называется теплотой плавления. Например, плавление одного килограмма льда требует 3,33 · 10⁵ Дж (80 ккал). Лед относится к числу тел, обладающих большой теплотой плавления. Плавление льда требует в 10 раз больше энергии, чем плавление той же массы свинца (имеется в виду расход энергии именно на плавление, а не нагревание до точки плавления). Из-за большой теплоты плавления льда замедляется таяние снега весной, что и спасает от разрушительных последствий весенних паводков.

Обратный переход вещества в твердое состояние возможен как из жидкого, так и из газообразного состояния. И в том и в другом случае такой переход осуществляется из состояния, лишенного симметрии, в состояние, в котором симметрия существует (это относится к дальнему порядку, который имеет место в кристаллах и которого нет ни в жидкостях, ни в газах). Поэтому переход в твердое состояние должен происходить скачком при определенной температуре, в отличие от перехода жидкость–пар, который может происходить непрерывно. Процесс образования твердого тела при охлаждении жидкости есть процесс образования кристалла (кристаллизация) и происходит он при определенной температуре – температуре кристаллизации. Так как при таком превращении энергия системы уменьшается, то такой переход должен сопровождаться выделением энергии в виде теплоты кристаллизации. Из закона сохранения энергии следует, что теплота плавления и теплота кристаллизации должны быть равны друг другу.

Процесс образования кристалла иллюстрируется на рис. 5.8 (кривая а). Участок 1 кривой а соответствует понижению температуры жидкости при отводе от нее тепла в процессе охлаждения. Горизонтальный участок 2 показывает, что при определенном значении температуры ее понижение прекращается, несмотря на то, что отвод тепла продолжается. Спустя некоторое время температура вновь начинает понижаться. Температура, соответствующая участку 2, и есть температура кристаллизации. Выделяющееся при кристаллизации тепло компенсирует отвод тепла от вещества, в результате чего понижение его температуры в процессе кристаллизации прекращается. После окончания процесса кристаллизации температура, теперь уже твердого тела, вновь начинает понижаться. Отметим еще, что для начала процесса кристаллизации большую роль играет присутствие в жидкой фазе центров кристаллизации.

Возможно образование кристалла непосредственно из пара. Такая возможность реализуется и в природе, когда мы любуемся деревьями, украшенными изморозью. При этом также выделяется скрытая теплота перехода, которая, однако, всегда больше скрытой теплоты плавления.

Проделайте опыт