Kaj je taljenje v fiziki? Definicija, formula

Vsa narava, ki jo opazimo v naravi, obstaja v 3 državah: plinasto, tekoče in trdno. Prisotnost snovi v določenem stanju je določena z njenimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi in zunanjimi pogoji. V članku je podrobno opisan proces prehoda snovi iz trdnega v tekoče stanje, to je podroben odgovor na vprašanje: "Kaj je taljenje?".

Značilnosti strukture trdnih snovi in ​​tekočin

Preden odgovorimo na vprašanje, kaj je taljenje, je treba upoštevati strukturne značilnosti trdnih snovi in ​​tekočin.

Za prve je značilna prisotnost stalne oblike, katere odpor se upre. Trdne snovi imajo elastičnost, pomanjkanje fluidnosti. Razdalje med delci, ki tvorijo trdno snov, so majhna in sile med temi delci so pomembne v primerjavi s snovmi za tekočine in pline. Vezalne sile v trdnih snoveh imajo lahko drugačno kemijsko naravo (van der Waals, kovinsko, kovalentno, ionsko). Obstajata lahko dva načina za organiziranje:

• kristalne strukture, kadar se atomi ali molekule telesa nahajajo v določenih položajih v prostoru, na primer kovine;
• amorfne strukture, v katerih so atomi ali molekule razporejeni na kaotičen način, npr. steklo.

V tekočinah se atomi in molekule nahajajo bolj oddaljeni drug od drugega kot v trdnih delih, zato so šibkejši. Tekočina ohranja svojo prostornino pod danimi pogoji, vendar ne ohranja svoje oblike in ima dobro fluidnost. Delci tekočine so razporejeni naključno glede na drug drugega.

Pomembno je poudariti, da so atomi ali molekule v trdnem stanju v določenih položajih, ki se zelo počasi spreminjajo (npr. V difuzijskih procesih), vendar pa tekočinski delci nenehno skočijo iz enega položaja v drugega.

Kinetična in potencialna energija

Da bi razumeli, kaj je taljenje v fiziki, je treba jasno razumeti razmerje med kinetično in potencialno energijo v trdnih snoveh in tekočinah.

Potencialna energija označuje delo, ki ga je treba porabiti za razprševanje danega telesa v prostor na njegove sestavne delce. Da bi opisali to količino, se uvede koncept zavezujoče energije, kar pomeni delo, ki je potrebno za raztrganje enega atoma ali molekule iz telesa in ga odstraniti v neskončnost. Tipične vrednosti vezne energije za trdne snovi so na primer več elektronskih voltov, enake vrednosti za tekočine pa so za velikost manjše.

Kinetična energija označuje intenzivnost gibanja atomov in molekul. Pri kondenziranih medijih je ta energija neposredno sorazmerna s temperaturo.

V trdnih snoveh je kinetična energija pri sobni temperaturi nekaj stotin elektron-volta, kar pomeni, da je 100-krat manjša od potenciala. Atomi in molekule v trdnih snoveh se nahajajo v potencialni vrtini in nihajo okoli stabilnih določenih položajev. Iz teh položajev lahko izstopijo, če se izkaže, da so nihanja kinetične energije pomembna ali če je potencialna vrtina majhna, na primer, če je v bližini nekaj napake.

Kinetična energija atomov in molekul v tekočini je približno enaka njihovi potencialni energiji, to je več desetink elektronskih voltov pri sobni temperaturi. To pomeni, da vsak delček, ki sestavlja tekočino, nenehno skoči iz enega kraja v drugega. Dober dokaz tega dejstva je Brownovo gibanje.

Določanje procesa taljenja

Kaj je taljenje v fiziki? Opredelitev tega pojava lahko navedemo takole: taljenje je prehod iz trdnega v tekoče stanje snovi zaradi povečanja njegove temperature. Če se trdna snov nenehno segreva, potem molekule ali atomi, ki ga tvorijo, začnejo povečevati svojo kinetično energijo. In to se zgodi do to energijo ne ustreza energiji vezave, po kateri se frekvenca skakanja atomov (molekul) znatno poveča in se trdna snov začne tali.

Živahni primeri taljenja so procesi taljenja ledu ali prehod v staljeno stanje kovine ali zlitine.

Prehod s fazo taljenja prve vrste

Po definiciji je taljenje prehod prve vrste, saj absorbira toploto. V tem primeru se temperatura celotnega sistema med taljenjem ne spreminja in je konstantna vrednost. To dejstvo je mogoče pojasniti z dejstvom, da se toplota, ki jo damo v telo, porabi ne za povečanje kinetične energije atomov in molekul, temveč za prekinitev močnih kemičnih vezi med njimi. Šele potem, ko se uničijo vse vezi v trdni snovi, bo nadaljnja dobava toplote že tekoči snovi povzročila povečanje njene temperature.

Sam proces taljenja se ne dogaja spontano, temveč se razvija v določenem časovnem obdobju, ko tekoča in trdna faza sobivata v ravnovesju med seboj.

Taljenje je torej endotermni proces, kar pomeni, da prihaja z absorpcijo toplote. Obratni proces, pri katerem se tekočina strdi, se imenuje kristalizacija.

Tališče

Kot je navedeno zgoraj, taljenje poteka pri določeni temperaturi, ki se imenuje tališče. Od česa je odvisna ta fizična količina? Prvič, od vezivne energije delcev, ki sestavljajo trdno snov, večja je ta energija, večja je točka tališča. Na primer, ognjevarni kovinski niobij se tali pri temperaturi 2742 K in vezna energija na atom te kovine je 7,6 eV, druga ognjevarna kovina je volfram, ima energijo vezanja 8,9 eV in se tali pri bistveno višji temperaturi 3695 K.

Drugič, tališče je določeno z zunanjimi pogoji. Z naraščajočim pritiskom se še zlasti povečuje.

Tretjič, na to vrednost za to snov močno vplivajo nečistoče. Praviloma nečistoče vodijo do nižjega tališča.

Toplota zlitja

Zdaj se iz opredelitve taljenja obrnemo na formulo, ki kvantitativno opisuje ta proces. Ko pride do taljenja, se zunanja oskrba s toploto porabi za razbijanje vezi v trdni snovi in ​​prenos v tekoče stanje. Energijo, ki jo je treba porabiti tako, da se določena količina trdne snovi pri tališču spremeni v tekoče stanje, imenujemo toplota fuzije. Formula v tem primeru je napisana takole: λ = Q / m, kjer je Q količina toplote, m je masa telesa.

Vrednost toplote fuzije λ je odvisna od fizikalno-kemijskih lastnosti materiala. Na primer, pri ledu je ta vrednost 333,55 J / g ali 6,02 kJ / mol, za železo pa 13,81 kJ / mol. Vrednosti so podane pri tlaku 1 atmosfere.

Taljenje kristalov

Te trdne snovi predstavljajo specifično prostorsko razporeditev delcev, ki jih tvorijo. Znan je kot kristalna rešetka. Obstaja veliko različnih kristalnih mrež, od katerih je vsaka realizirana v določenem razredu snovi. Na primer, kovine praviloma obstajajo v obliki bcc (telesno centrirane kubične) in fcc (obrazno centrirane kubične) rešetke. Koncept tališča velja samo za kristale.

Taljenje amorfnih teles

Ker so atomi (molekule) naključno razporejeni v amorfnih materialih, bodo energija vezave med njimi različna. To dejstvo pojasnjuje, zakaj ni določenega tališča za amorfne materiale, sam proces taljenja pa poteka v temperaturnem območju, ki je praviloma nekaj deset stopinj.