Температура плавления

Температу́ра плавле́ния (обычно совпадает с температурой кристаллизации) — температура твёрдого кристаллического тела (вещества), при которой оно совершает переход в жидкое состояние. При температуре плавления вещество может находиться как в жидком, так и в твёрдом состоянии. При подведении дополнительного тепла вещество перейдёт в жидкое состояние, а температура не будет изменяться, пока всё вещество в рассматриваемой системе не расплавится. При отведении лишнего тепла (охлаждении) вещество будет переходить в твёрдое состояние (застывать), и, пока оно не застынет полностью, его температура не изменится.

Плавление льда

Температура плавления/отвердевания и температура кипения/конденсации считаются важными физическими свойствами вещества. Температура отвердевания совпадает с температурой плавления только для чистого вещества. На этом свойстве основаны специальные калибраторы термометров для высоких температур. Так как температура отвердевания чистого вещества, например олова, стабильна, достаточно расплавить и ждать, пока расплав не начнёт кристаллизоваться. В это время, при условии хорошей теплоизоляции, температура застывающего слитка не изменяется и в точности совпадает с эталонной температурой, указанной в справочниках.

Смеси веществ не имеют температуры плавления/отвердевания вовсе и совершают переход в некотором диапазоне температур (температура появления жидкой фазы называется точкой солидуса, температура полного плавления — точкой ликвидуса). Поскольку точно измерить температуру плавления такого рода веществ нельзя, применяют специальные методы (ГОСТ 20287 и ASTM D 97). Но некоторые смеси (эвтектического состава) обладают определённой температурой плавления, как чистые вещества.

Аморфные (некристаллические) вещества, как правило, не обладают чёткой температурой плавления. С ростом температуры вязкость таких веществ снижается, и материал становится более жидким.

Поскольку при плавлении объём тела изменяется незначительно, давление мало влияет на температуру плавления. Зависимость температуры фазового перехода (в том числе и плавления, и кипения) от давления для однокомпонентной системы даётся уравнением Клапейрона-Клаузиуса. Температуру плавления при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па, или 760 мм ртутного столба) называют точкой плавления.

Температуры плавления некоторых веществ

вещество	температура плавления (°C)
гелий (при 2,5 МПа)	−272,2
водород	−259,2
кислород	−219
азот	−210,0
метан	−182,5
спирт	−114,5
хлор	−101
аммиак	−77,7
ртуть	−38,83
водяной лёд	0
бензол	+5,53
цезий	+28,64
галлий	+29,8
сахароза	+185
сахарин	+225
олово	+231,93
свинец	+327,5
алюминий	+660,1
серебро	+960,8
золото	+1063
медь	+1083,4
кремний	+1415
железо	+1539
титан	+1668
платина	+1772
цирконий	+1852
корунд	+2050
рутений	+2334
молибден	+2622
карбид кремния	+2730
карбид вольфрама	+2870
осмий	+3054
оксид тория	+3350
вольфрам	+3414
углерод (сублимация)	+3547
карбид гафния	+3890
карбид тантала-гафния	+3990
карбонитрид гафния	+4200

Предсказание температуры плавления (критерий Линдемана)Править

Попытка предсказать точку плавления кристаллических материалов была предпринята в 1910 году Фредериком Линдеманом (англ.). Идея заключалась в наблюдении того, что средняя амплитуда тепловых колебаний увеличивается с увеличением температуры. Плавление начинается тогда, когда амплитуда колебаний становится достаточно большой для того, чтобы соседние атомы начали частично занимать одно и то же пространство.

Критерий Линдемана утверждает, что плавление ожидается, когда среднеквадратическое значение амплитуды колебаний превышает пороговую величину.

Температура плавления кристаллов достаточно хорошо описывается формулой Линдемана:

$T_{\mathrm{\lambda <!--\; \lambda \; -->}}=\frac{x_m^2}{9{\mathrm{\hslash <!--\; \hslash \; -->}}^2}M{k}_B\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}{r}_s^2$$T_{\lambda }={\frac {x_{m}^{2}}{9\hbar ^{2}}}Mk_{B}\theta r_{s}^{2}$ 

где $r_s$$r_{s}$  — средний радиус элементарной ячейки, $\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}$$\theta$  — температура Дебая, а параметр $x_m$$x_{m}$  для большинства материалов меняется в интервале 0,15-0,3.

Температура плавления — расчёт

Формула Линдемана выполняла функцию теоретического обоснования плавления в течение почти ста лет, но развития не имела из-за низкой точности.

Расчёт температуры плавления металловПравить

В 1999 году профессором Владимирского государственного университета И. В. Гаврилиным было получено новое выражение для расчёта температуры плавления:

${\mathrm{T}}_{\text{пл}}=\frac{\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}{\mathrm{H}}_{\text{пл}}}{1,5{\mathrm{N}}_{0}k}$$\mathrm {T} _{\text{пл}}={\frac {\Delta \mathrm {H} _{\text{пл}}}{1,5\mathrm {N} _{0}k}}$ 

где ${\mathrm{T}}_{\text{пл}}$$\mathrm {T} _{\text{пл}}$  — температура плавления, $\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}{\mathrm{H}}_{\text{пл}}$$\Delta \mathrm {H} _{\text{пл}}$  — скрытая теплота плавления, ${\mathrm{N}}_0$$\mathrm {N} _{0}$  — число Авогадро, $k$$k$  — константа Больцмана.

Впервые получено исключительно компактное выражение для расчёта температуры плавления металлов, связывающее эту температуру с известными физическими константами: скрытой теплотой плавления, числом Авогадро и константой Больцмана.

Формула выведена как одно из следствий новой теории плавления и кристаллизации, опубликованной в 2000 году. Точность расчетов по формуле Гаврилина можно оценить по данным таблицы.

Температура плавления некоторых металлов

Металл	Скрытая теплота плавления $\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}{\mathrm{H}}_{\text{пл}}$$\Delta \mathrm {H} _{\text{пл}}$ , ккал*моль−1	Температура плавления ${\mathrm{T}}_{\text{пл}}$$\mathrm {T} _{\text{пл}}$ , K
расчётная	экспериментальная
Алюминий $\text{Al}$${\ce {Al}}$	2,58	876	933
Ванадий $\text{V}$${\ce {V}}$	5,51	1857	2180
Марганец $\text{Mn}$${\ce {Mn}}$	3,50	1179	1517
Железо $\text{Fe}$${\ce {Fe}}$	4,40	1428	1811
Никель $\text{Ni}$${\ce {Ni}}$	4,18	1406	1728
Медь $\text{Cu}$${\ce {Cu}}$	3,12	1051	1357
Цинк $\text{Zn}$${\ce {Zn}}$	1.73	583	692
Олово $\text{Sn}$${\ce {Sn}}$	1,72	529	505
Молибден $\text{Mo}$${\ce {Mo}}$	8.74	2945	2890

По этим данным, точность расчетов ${\mathrm{T}}_{\text{пл}}$$\mathrm {T} _{\text{пл}}$  меняется от 2 до 30 %, что в расчетах такого рода вполне приемлемо.

См. такжеПравить

• Температура застывания

ЛитератураПравить

• Haynes, William M. CRC Handbook of Chemistry and Physics (неопр.). — 92nd. — CRC Press, 2011. — ISBN 1439855110.