5. Изменение агрегатного состояния вещества

   1. Плавление. Кристаллизация

Мы изучили некоторые свойства вещества в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Теперь рассмотрим переходы между этими состояниями.

Переход вещества из твердого в жидкое состояние – плавление. Напомним, что твердым телом мы назвали тело кристаллическое. Обратный переход из жидкого состояния в твердое – кристаллизация (отвердевание).

Поместим пробирку с нафталином в сосуд с водой и начнем подогревать, измеряя температуру нафталина. График зависимости температуры от времени нагревания, затем охлаждения изображен на рисунке 2.16.

Сначала температура увеличивается до значения Т₀, после чего перестает расти, хотя некоторое количество теплоты передается извне нафталину. В это время нафталин плавится, т.е. из кристаллического порошка превращается в бесцветную жидкость. При этом разрушается кристаллическая решетка, увеличивается потенциальная энергия взаиморасположения молекул. Кинетическая энергия молекул, в среднем пропорциональная температуре, при плавлении не изменяется. Внутренняя энергия возрастает на теплоту плавления Q₁. После того как все вещество расплавится, температура жидкости вновь станет увеличиваться.

Таким образом, плавление происходит при такой температуре плавления, которая соответствует минимальной кинетической энергии хаотического движения молекул жидкости.

Прекратим подачу энергии – начнется процесс остывания, при котором определенное количество теплоты будет передаваться окружающим телам и рассеиваться. Температура понизится до Т₀ и не изменится в течение всего времени кристаллизации, хотя при этом определенное количество теплоты Q₂ будет рассеяно и передано окружающим телам. В процессе отвердевания образуется кристаллическая решетка, расположение частиц снова становится упорядоченным, что связано с минимальным значением потенциальной и, следовательно, внутренней энергии. Вообще, при переходе от некристаллического (в частности, аморфного) состояния к кристаллическому внутренняя энергия уменьшается, чем объясняется устойчивость кристаллической структуры.

После того как все вещество закристаллизовалось, снова понижается температура теперь уже твердого тела. В процессе плавления энергия затрачивается на разрушение кристаллической решетки и переходит во внутреннюю. Эта энергия измеряется теплотой плавления Q₁; при отвердевании выделяется такая же энергия, измеряемая теплотой отвердевания Q₂, причем Q₁= Q₂. Мерой энергетических затрат при плавлении является удельная теплота плавления

 величина, равная отношению количества теплоты³⁵, необходимого для изотермического превращения определенной массы твердого вещества в жидкое состояние, к этой массе. Здесь  количество теплоты, необходимое для плавления массы dm твердого тела при температуре плавления. Оно равно

.

Чтобы найти теплоту плавления или отвердевания конечной массы вещества, надо сложить все такие выражения. Если считать неизменной, то

где m₁ и m₂  массы жидкости до и после процесса.

В частности, если плавится тело массы m, то перед процессом плавления масса жидкости была m₁=0, после плавления m₂= m. Теплота плавления

Перед отвердеванием вся масса вещества была жидкой, m₁= m, а после кристаллизации масса жидкости m₂=0. Тогда теплота отвердевания

Это соответствует тому, что при плавлении количество теплоты сообщается телу , а при отвердевании – отнимается у него .

В подразделе 2.3.4 мы говорили, что достаточно «твердыми», кроме кристаллических, бывают аморфные тела. Аморфное состояние вещества можно получить из вязкой жидкости, если быстро ее охладить, не отнимая теплоты отвердевания. Тогда может получиться переохлажденная жидкость, достаточно твердая в обыденном смысле этого слова, но с неупорядоченным расположением частиц (стекло, аморфная сера и т.п.).

При нагревании аморфных тел температура постепенно увеличивается, вещество размягчается и становится жидким (без определенной температуры плавления).

Если такие вещества надолго предоставить самим себе, то теплота отвердевания постепенно выделится, структура вещества станет упорядоченной, и вещество кристаллизуется. При этом уменьшается потенциальная энергия взаимного расположения частиц и, следовательно, внутренняя энергия тела.