Što je topljenje u fizici? Definicija, formula

Sve što se promatra u prirodi postoji u 3 stanja: plinovitom, tekućem i krutom. Prisutnost tvari u određenom stanju određena je njezinim fizičko-kemijskim svojstvima, kao i vanjskim uvjetima. U članku se detaljno raspravlja o procesu prijelaza tvari iz krutog u tekuće, odnosno daje detaljan odgovor na pitanje: "Što je topljenje?".

Značajke strukture krutina i tekućina

Prije odgovora na pitanje što je topljenje, potrebno je uzeti u obzir strukturne značajke krutih tvari i tekućina.

Prve karakterizira prisutnost stalnog oblika, čiji se otpor opire. Krute tvari imaju elastičnost, nedostatak fluidnosti. Udaljenost između čestica koje tvore krutinu su male, a sile između tih čestica su značajne u usporedbi s onima za tekućine i plinove. Snage vezanja u krutim tvarima mogu imati različitu kemijsku prirodu (van der Waals, metalik, kovalentni, ionski). Dva su načina organiziranja čvrstih tijela:

• kristalne strukture kada se atomi ili molekule tijela nalaze u određenim položajima u prostoru, na primjer, metali;
• amorfne strukture u kojima su atomi ili molekule raspoređeni na kaotičan način, na primjer, staklo.

U tekućinama su atomi i molekule udaljeniji jedan od drugoga nego u krutim tvarima, pa su oni slabiji. Tekućina zadržava svoj volumen pod danim uvjetima, ali ne zadržava svoj oblik i ima dobru fluidnost. Čestice tekućine raspoređene su slučajno u odnosu jedna na drugu.

Važno je napomenuti da su atomi ili molekule u krutini u određenim pozicijama koje se vrlo sporo mijenjaju (na primjer, u procesima difuzije), ali čestice tekućine neprestano skaču iz jednog položaja u drugo.

Kinetička i potencijalna energija

Da bismo razumjeli što je taljenje u fizici, potrebno je jasno razumjeti omjer kinetičke i potencijalne energije u krutim tvarima i tekućinama.

Potencijalna energija karakterizira rad koji treba potrošiti za raspršivanje danog tijela u prostoru na njegove sastavne čestice. Da bi se opisala ta količina, uvodi se pojam vezivne energije, što znači rad koji je potreban da bi se odvojio jedan atom ili molekula iz tijela i uklonio ga u beskonačnost. Na primjer, tipične vrijednosti energije vezanja za krute tvari su nekoliko elektron-volti, iste vrijednosti za tekućine su za red veličine manje.

Kinetička energija karakterizira intenzitet kretanja atoma i molekula. U slučaju kondenziranih medija ova energija je izravno proporcionalna temperaturi.

U krutim tvarima, kinetička energija na sobnoj temperaturi je nekoliko stotinki elektron-volta, tj. 100 puta je manja od potencijala. Atomi i molekule u krutim tvarima nalaze se u potencijalnoj jažici i osciliraju oko stabilnih određenih položaja. Oni se mogu izvući iz tih položaja ako se ispostavi da su fluktuacije kinetičke energije značajne, ili ako je sama potencijalna bušotina mala, na primjer, kada u blizini postoji neki nedostatak.

Kinetička energija atoma i molekula u tekućini približno je jednaka njihovoj potencijalnoj energiji, to jest, ona je nekoliko desetina elektron volta na sobnoj temperaturi. To znači da svaka čestica koja čini tekućinu neprestano skače s jednog mjesta na drugo. Dobar dokaz za tu činjenicu je Brownov pokret.

Određivanje procesa taljenja

Što je topljenje u fizici? Definicija ovog fenomena može se dati na sljedeći način: taljenje je prijelaz iz krutog u tekuće stanje tvari kao rezultat povećanja njegove temperature. To jest, ako se krutina konstantno zagrijava, tada molekule ili atomi koji ga stvaraju počinju povećavati svoju kinetičku energiju. A to se događa do ovu energiju ne izjednačava energiju veze, nakon čega se značajno povećava učestalost skakanja atoma (molekula), a kruti materijal počinje da se topi.

Živopisni primjeri taljenja su procesi taljenja leda ili prijelaz u rastaljeno stanje metala ili legure.

Prijelaz topljenja - faza prve vrste

Prema njegovoj definiciji, topljenje je prijelaz prve vrste, budući da apsorbira toplinu. U tom slučaju, temperatura cijelog sustava se ne mijenja tijekom procesa taljenja i konstantna je vrijednost. To se objašnjava činjenicom da se toplina koja se dovodi u tijelo troši ne na povećanje kinetičke energije atoma i molekula, već na razbijanje jakih kemijskih veza između njih. Tek nakon uništenja svih veza u krutom stanju, daljnja opskrba toplinom već tekuće tvari će dovesti do povećanja njegove temperature.

Sam proces taljenja ne događa se spontano, već se razvija u određenom vremenskom razdoblju, kada tekuće i čvrste faze koegzistiraju u ravnoteži jedna s drugom.

Stoga je topljenje endotermni proces, što znači da dolazi s apsorpcijom topline. Reverzni proces u kojem se tekućina skrutne naziva se kristalizacija.

Točka taljenja

Kao što je gore spomenuto, taljenje se događa na određenoj temperaturi, koja se naziva točka taljenja. Na što ovisi ova fizička veličina? Prvo, od energije vezanja čestica koje tvore krutinu, što je ta energija viša, to je točka taljenja veća. Na primjer, vatrostalni metalni niobij se topi na temperaturi od 2742 K, a energija vezanja po atomu tog metala je 7,6 eV, drugi vatrostalni metal je volfram, ima energiju vezanja od 8,9 eV i tali se na znatno višoj temperaturi od 3695 K.

Drugo, točka taljenja određena je vanjskim uvjetima. Konkretno, s povećanjem tlaka, također se povećava.

Treće, na ovu vrijednost za ovu tvar snažno utječe nečistoća. U pravilu nečistoće dovode do niže točke taljenja.

Toplina spajanja

Sada ćemo se okrenuti od definicije taljenja do formule koja kvantitativno opisuje taj proces. Kada dođe do taljenja, vanjska opskrba toplinom troši se na lomljenje veza u krutini i njezin prijenos u tekuće stanje. Energija koju treba potrošiti tako da se određena količina krutine na talištu pretvara u tekuće stanje naziva se toplina fuzije. Formula je u ovom slučaju zapisana na sljedeći način: λ = Q / m, gdje je Q količina topline, m je masa tijela.

Vrijednost topline fuzije λ ovisi o fizikalno-kemijskim svojstvima materijala. Na primjer, za led, ova vrijednost je 333,55 J / g ili 6,02 kJ / mol, a za željezo 13,81 kJ / mol. Vrijednosti su dane pod tlakom od 1 atmosfere.

Topljenje kristala

Te krutine predstavljaju specifičan prostorni raspored čestica koje ih tvore. Poznat je kao kristalna rešetka. Postoji mnogo različitih kristalnih rešetki, od kojih je svaka realizirana u određenoj klasi tvari. Na primjer, metali, u pravilu, postoje u obliku bcc (tjelesno centrirane kubične) i fcc (face-centered cubic) rešetke. Pojam tališta vrijedi samo za kristale.

Taljenje amorfnih tijela

Budući da su atomi (molekule) nasumce raspoređeni u amorfnim materijalima, energija spajanja između njih bit će različita. Ta činjenica objašnjava zašto ne postoji određena točka taljenja za amorfne materijale, a sam proces taljenja odvija se u temperaturnom rasponu, koji je, u pravilu, nekoliko desetaka stupnjeva.