Какво е топенето във физиката? Определение, формула

Всички наблюдавани в природата материи съществуват в три състояния: газообразно, течно и твърдо. Наличието на вещество в определено състояние се определя от неговите физикохимични свойства, както и от външни условия. В статията се разглежда в детайли процеса на преход на материята от твърдо към течно, т.е. дава подробен отговор на въпроса: "Какво е топенето?".

Характеристики на структурата на твърдите вещества и течности

Преди да отговорим на въпроса какво е топенето, е необходимо да се вземат предвид структурните характеристики на твърдите вещества и течностите.

Първите се характеризират с наличието на постоянна форма, всяка съпротива на която те се противопоставят. Твърдите вещества имат еластичност, липса на течливост. Разстоянията между частиците, образуващи твърдо вещество, са малки, а свързващите сили между тези частици са значителни в сравнение с тези за течности и газове. Силите на залепване в твърдите вещества могат да имат различна химична природа (ван дер Ваалс, метален, ковалентен, йонни). Има два начина за организиране на твърди:

• кристални структури, когато атоми или молекули на тялото са разположени в определени позиции в пространството, например метали;
• аморфни структури, в които атоми или молекули са подредени по хаотичен начин, например стъкло.

В течностите, атомите и молекулите са разположени по-далеч един от друг, отколкото в твърдите вещества, така че са по-слаби. Течността запазва обема си при дадените условия, но не запазва формата си и има добра течливост. Флуидните частици са разположени произволно един спрямо друг.

Важно е да се отбележи, че атомите или молекулите в едно твърдо вещество са в определени позиции, които много бавно се променят (например в процесите на дифузия), но течните частици непрекъснато скачат от една позиция на друга.

Кинетична и потенциална енергия

За да се разбере какво е топенето във физиката, е необходимо ясно да се разбере съотношението на кинетичната и потенциалната енергия в твърдите вещества и течностите.

Потенциалната енергия характеризира работата, която трябва да бъде изразходвана за пръскане на дадено тяло в пространството върху съставните му частици. За да опише това количество, се въвежда понятието за свързваща енергия, което означава работата, необходима за разкъсване на един атом или молекула от тялото и премахване на нея до безкрайност. Например, типичните стойности на енергията на свързване за твърди вещества са няколко електронаволта, като същите стойности за течности са с порядък по-малки.

Кинетичната енергия характеризира интензивността на движението на атоми и молекули. В случай на кондензирани среди, тази енергия е пряко пропорционална на температурата.

В твърдите вещества кинетичната енергия при стайна температура е няколко стотни от електронен волт, т.е. тя е 100 пъти по-малка от потенциала. Атомите и молекулите в твърдите вещества се намират в потенциална яма и се колебаят около стабилни определени позиции. Те могат да излязат от тези позиции, ако флуктуациите на кинетичната енергия се окажат значителни, или ако самата потенциална яма е малка, например, когато наблизо има някакъв дефект.

Кинетичната енергия на атомите и молекулите в течността е приблизително равна на тяхната потенциална енергия, т.е. тя е няколко десети от електрон-волт при стайна температура. Това означава, че всяка частица, която съставлява течността, непрекъснато скача от едно място на друго. Добро доказателство за този факт е брауново движение.

Определяне на процеса на топене

Какво е топенето във физиката? Определението на това явление може да се даде, както следва: топенето е преход от твърдо към течно състояние на вещество в резултат на повишаване на неговата температура. Това означава, че ако едно твърдо вещество се нагрява постоянно, тогава молекулите или атомите, които го правят, започват да увеличават своята кинетична енергия. И това се случва до тази енергия не е равна на енергията на връзката, след което честотата на скачане на атоми (молекули) се увеличава значително и твърдият материал започва да се топи.

Ярки примери за топене са процесите на топене на леда или прехода към стопено състояние на метал или сплав.

Топене - фазов преход от първи вид

Според неговото определение топенето е преход от първия вид, тъй като абсорбира топлината. В този случай температурата на цялата система не се променя по време на процеса на топене и е постоянна стойност. Този факт се обяснява с факта, че топлината, доставяна на тялото, се изразходва не за увеличаване на кинетичната енергия на атомите и молекулите, а на счупването на силни химически връзки между тях. Едва след като се разрушат всички връзки в твърдо вещество, по-нататъшното подаване на топлина на вече течно вещество ще доведе до повишаване на температурата му.

Самият процес на топене не възниква спонтанно, а се развива в определен период от време, когато течните и твърдите фази съжителстват в равновесие помежду си.

Така топенето е ендотермичен процес, което означава, че той идва с абсорбция на топлина. Обратният процес, при който течност се втвърдява, се нарича кристализация.

Точка на топене

Както бе споменато по-горе, топенето става при определена температура, която се нарича точка на топене. От какво зависи тази физическа величина? Първо, от свързващата енергия на частиците, които образуват твърдо вещество, колкото по-висока е тази енергия, толкова по-голяма е точката на топене. Например, огнеупорен метален ниобий се топи при температура 2742 К и енергията на свързване на атом от този метал е 7.6 eV, друг огнеупорен метал е волфрам, има енергия на свързване от 8.9 eV и се топи при значително по-висока температура от 3695 K.

Второ, точката на топене се определя от външни условия. По-специално, с увеличаване на натиска, той също се увеличава.

Трето, тази стойност за това вещество е силно повлияна от примесите. Като правило, примесите водят до по-ниска точка на топене.

Топлина на синтез

Сега се обръщаме от определението за топене към формула, която количествено описва този процес. Когато се случи топене, външното топлоснабдяване се изразходва за скъсване на връзките в твърдо вещество и прехвърлянето му в течно състояние. Енергията, която трябва да се изразходва, така че определено количество твърдо вещество в точката на топене се превръща в течно състояние, наречено топлина на сливане. Формулата в този случай се записва по следния начин: λ = Q / m, където Q е количеството топлина, m е масата на тялото.

Стойността на топлината на сливане λ зависи от физикохимичните свойства на материала. Например, за лед, тази стойност е 333.55 J / g или 6.02 kJ / mol, а за желязо - 13.81 kJ / mol. Стойностите са дадени при налягане от 1 атмосфера.

Кристално топене

Тези твърди вещества представляват специфично пространствено разположение на частиците, които ги образуват. Той е известен като кристална решетка. Има много различни кристални решетки, всяка от които е реализирана в определен клас вещества. Например, металите, като правило, съществуват под формата на ОЦК (кубична центрирана кубична) и ГЦК (лицево-центрирана кубична) решетка. Понятието точка на топене е валидно само за кристали.

Топене на аморфни тела

Тъй като атомите (молекулите) са случайно подредени в аморфни материали, енергиите на свързване между тях ще бъдат различни. Този факт обяснява защо няма определена точка на топене на аморфните материали, а самият процес на топене става в температурния диапазон, който по правило е няколко десетки градуса.