imported>Alex NB OT: замена имён и значений устаревшего неподдерживаемого InternetArchiveBot формата параметров доступности ссылок (1), замена устаревших имён параметров (2)

2025-07-16T10:11:15Z

замена имён и значений устаревшего неподдерживаемого InternetArchiveBot формата параметров доступности ссылок (1), замена устаревших имён параметров (2)

Новая страница

[[Файл:Фазовые переходы первого рода на фазовой диаграмме.svg|мини|360пкс|Фазовые переходы первого рода на фазовой диаграмме]]
[[Файл:Diag phase eau ru.svg|thumb|360px|[[Фазовая диаграмма]] воды. Плавлению (и кристаллизации) соответствует ветвь левее и выше [[Тройная точка|тройной точки]], [[Сублимация (физика)|сублимации]] — ветвь левее и ниже тройной точки]]
{{МехПрОтказов}}

'''Плавле́ние''' — процесс перехода тела из [[кристалл]]ического твёрдого состояния в жидкое, то есть переход вещества из одного [[агрегатное состояние|агрегатного состояния]] в другое. Плавление происходит с поглощением ''теплоты плавления'' и является [[Фазовый переход первого рода|фазовым переходом первого рода]], которое сопровождается скачкообразным изменением [[теплоёмкость|теплоёмкости]] в конкретной для каждого вещества температурной точке превращения — [[температура плавления]].

Способность плавиться относится к [[Физические свойства|физическим свойствам]] вещества<ref>{{Cite web |url=http://www.chem.msu.ru/rus/school/zhukov1/01.html |title=С. Т. Жуков Химия 8-9 класс, Глава 1. Основные представления и понятия химии |access-date=2010-01-18 |archive-date=2007-05-09 |archive-url=https://web.archive.org/web/20070509084446/http://www.chem.msu.ru/rus/school/zhukov1/01.html |url-status=live }}</ref>.

При нормальном давлении наибольшей температурой плавления среди [[металл]]ов обладает [[вольфрам]] (3422 °C), среди [[Простые вещества|простых веществ]] — [[углерод]] (по разным данным 3500 — 4500 °C<ref>Разброс экспериментальных данных связан, по видимому, с фазовым переходом графит-карбин и различной скоростью нагрева при измерениях. {{статья| автор = Климовский И. И., Марковец В. В.| заглавие = Влияние фазового перехода графит-карбин на излучательную способность графитовых образцов при их нагревании до температур 3000 K и более| ссылка = http://isjaee.hydrogen.ru/pdf/AEE0607/AEE06-07_Klimovsky.pdf| издание = International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology| год = 2007| номер = 6 (50)| страницы = 50—59| archive-url = https://web.archive.org/web/20151026180437/http://isjaee.hydrogen.ru/pdf/AEE0607/AEE06-07_Klimovsky.pdf| archive-date = 2015-10-26}}</ref>), а среди произвольных веществ — [[карбид тантала-гафния]] Ta4HfC5 (3942 °C). Можно считать, что самой низкой температурой плавления обладает [[гелий]]: при нормальном давлении он остаётся жидким при сколь угодно низких температурах.

Многие вещества при нормальном давлении не имеют жидкой фазы. При нагревании они путём [[Сублимация (физика)|сублимации]] сразу переходят в газообразное состояние.

== Плавление смесей и твёрдых растворов ==
У [[сплав]]ов, как правило, нет определённой температуры плавления; процесс их плавления происходит в конечном диапазоне температур. На диаграммах состояния «температура — относительная концентрация» имеется конечная область сосуществования жидкого и твёрдого состояния, ограниченная кривыми [[ликвидус]]а и [[солидус]]а. Аналогичная ситуация имеет место и в случае многих твёрдых [[раствор]]ов.

Фиксированной температуры плавления нет также у [[Аморфные тела|аморфных тел]]; они переходят в жидкое состояние постепенно, размягчаясь при повышении температуры.

== Кинетика плавления ==
[[Файл:Melting icecubes.gif|250px|right|thumb]]

Технически плавление вещества осуществляется с помощью подвода тепловой энергии снаружи образца (внешний нагрев, например, в термической печи) или непосредственно во всём его объёме (внутренний нагрев, например, резистивный нагрев при пропускании тока через образец, или индукционный нагрев в высокочастотном электромагнитном поле). Способ плавления не влияет на основные характеристики процесса — температуру и скрытую теплоту плавления, но определяет внешнюю картину плавления, например, появление квази-жидкого слоя на поверхности образца при внешнем нагреве.

Считается, что плавление характеризуется потерей дальнего ориентационного межатомного [[порядок (физика)|порядка]] в кристалле с переходом к «жидкоподобному» или «газоплотному» беспорядку.

=== Природа плавления ===
Поясним вначале, почему при некоторой температуре тело предпочитает разорвать часть межатомных связей и из упорядоченного состояния (кристалл) перейти в неупорядоченное ([[жидкость]]).

Как известно из [[Классическая термодинамика|термодинамики]], при фиксированной температуре тело стремится минимизировать [[свободная энергия|свободную энергию]] <math>F = E - TS</math>. При низких температурах второе слагаемое (произведение [[температура|температуры]] и [[Термодинамическая энтропия|энтропии]]) несущественно, и в результате всё сводится к минимизации обычной энергии <math>E</math>. Состояние с минимальной энергией — это кристаллическое твёрдое тело. При повышении температуры, второе слагаемое становится всё важнее, и при некоторой температуре оказывается выгоднее разорвать некоторые связи. При этом обычная энергия <math>E</math> слегка повысится, но при этом сильно возрастет и энтропия, что в результате приведёт к понижению свободной энергии.

=== Динамика плавления ===
[[Файл:Колебания кристалла Melting 2.gif|thumb|right|230px|Тепловые колебания атомов в решетке кристалла: точки — атомы, соединяющие линейные отрезки — межатомные связи]]
[[Файл:Динамика плавления Melting 1.gif|thumb|right|230px|Поведение атомов жидкости после перехода кристалла через точку плавления, как в среднем постоянные для заданной температуры разрывы и восстановления межкластерных и внутрикластерных межатомных связей (короткие утолщенные отрезки — разорванные связи)<ref>{{книга|автор=[[Андреев, Валентин Дмитриевич|Андреев В. Д.]]|заглавие=Избранные проблемы теоретической физики.|издание=Киев: Аванпост-Прим,|тип=книга|год=2012|ссылка=http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm|archive-date=2013-12-03|archive-url=https://web.archive.org/web/20131203023306/http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm}}</ref>]]

Изначально, в умозрительном, то есть не количественном, представлении считалось, что в динамике плавление происходит следующим образом.
При повышении температуры тела увеличивается [[амплитуда]] тепловых колебаний его молекул, и время от времени возникают структурные [[дефект решётки|дефекты решётки]] в виде перескоков атомов, роста дислокаций и других нарушений кристаллической решетки<ref>Мейер К. Физико-химическая кристаллография, М., «Металлография», 1972</ref>. Каждый такой дефект, возникновение и перемещение дислокаций требуют определённого количества энергии, поскольку сопровождается разрывом некоторых межатомных связей. Стадия рождения и накопления дефектов называется стадией предплавления. Кроме того, на этой стадии, как правило, при внешнем нагреве возникает квази-жидкий слой на поверхности тела. Считается, что при некоторой температуре концентрация дефектов становится столь большой, что приводит к потере ориентационного [[порядок (физика)|порядка]] в образце, то есть плавлению.

Однако, в связи с тем, что механизм термодеструкции кристалла за счёт образования дефектов и роста дислокаций, протекающей в широком диапазоне температур, не приводит к фазовому превращению 1-го рода, то есть к скачку термодинамических характеристик вещества в конкретной, фиксированной для каждого вещества температурной точке, то Линдеман<ref>Lindemann F. A. // Phys.Z., 1910, v.11, p.609</ref> развил простые представления о ходе процесса плавления, согласно которым амплитуда колебания частиц в точке плавления увеличивается настолько, что становится сравнимой с межатомным расстоянием в кристаллической решётке и приводит к разрушению решётки и потере ориентационного межатомного порядка. Фактически этот «фактор плавления» является основой большинства моделей с определяющей ролью отталкивающей части потенциала парного взаимодействия и наложением условий перехода от порядка к «жидкоподобному» или «газоплотному» беспорядку, рассчитываемых методами Монте-Карло и молекулярной динамики<ref>{{статья|автор=Wood W. W., Jacobson J. D.|заглавие=Preliminary Results from a Recalculation of the Monte Carlo Equation of State of Hard Spheres|издание=[[Journal of Chemical Physics|J. Chem. Phys.]]|год=1957|номер=27|страницы=1207|doi=10.1063/1.1743956}}</ref><ref>{{статья|автор=[[Алдер, Берни|Alder B. J.]], Wainwright T. E.|заглавие=Phase Transition in Elastic Disks|издание=[[Physical Review|Phys. Rev.]]|год=1962|номер=127|страницы=359|doi=10.1103/PhysRev.127.359}}</ref><ref>{{статья|автор=Hoover W. G., Gray S. G., Johnson K. W. |заглавие=Thermodynamic Properties of the Fluid and Solid Phases for Inverse Power Potentials|издание=[[Journal of Chemical Physics|J. Chem. Phys.]]|год=1971|номер=55|страницы=1128|doi=10.1063/1.1676196}}</ref>. Однако, было установлено<ref>Пайнс Д. Элементарные возбуждения в твёрдых телах. М., Мир, 1965.</ref>, что в точке плавления среднеквадратичное смещение атомов из состояния равновесия составляет всего около 1/8 межатомного расстояния, что исключает модель Линдемана, то есть соударение атомов как «фактор плавления». При этом энергия атомов оказывается существенно ниже потенциальной энергии атомизации кристаллической решётки, т.е. вещество остаётся в конденсированном (связанном) состоянии.

Теоретические исследования [[Андреев, Валентин Дмитриевич|В. Андреева]]<ref>{{статья|автор=[[Андреев, Валентин Дмитриевич|Андреев В. Д.]]|заглавие=Крэш (crash)-конформационная кинематика ковалентной решетки алмаза при плавлении.|издание=[[Журнал структурной химии]]|год=2001|номер=3|страницы=486—495}}</ref><ref>{{статья|автор=[[Андреев, Валентин Дмитриевич|Андреев В. Д.]]|заглавие=«Фактор плавления» при межатомных взаимодействиях в алмазной решетке. |издание=[[Химическая физика]]|год=2002|номер=8,т.21|страницы=35—40}}</ref> показали, что динамика плавления [[кристалл]]ического тела, как фазового превращения 1-го рода, определяется (в отличие от модели накопления дефектов и дислокаций и модели Линдемана) [[конформация|«катастрофическим» (crash — [крэш]) конформационным]] преобразованием (инвертированием) структуры группы атомов при их тепловых колебаниях с амплитудами, меньшими межатомных расстояний в решетке, сопровождаемым разрушением межатомной связи при преодолении потенциального барьера инвертирования в фиксированной температурной точке с затратой постоянной величины энергии, ниже энергии атомизации решетки, и равной удельной теплоте плавления. Этот механизм приводит к подтверждаемой экспериментально [[жидкость|кластерной структуре]] связанного (конденсированного) жидкого состояния с постоянным (для заданной температуры) средним числом разрывающихся и восстанавливающихся межкластерных и внутрикластерных межатомных связей, обеспечивающих сохранение объёма и определяющих подвижность (текучесть) и химическую активность [[жидкость|жидкости]]. С ростом температуры количество атомов в кластерах уменьшается за счет увеличения разорванных связей. Образующиеся свободные атомы (молекулы) испаряются с поверхности жидкости или остаются в межкластерном пространстве в качестве растворённого газа (пара). При температуре кипения вещество переходит в моноатомное (мономолекулярное) газообразное (парообразное) состояние.

=== Плавление в двумерных системах ===
В [[двумерный кристалл|двумерных]] или квази-двумерных системах кристалл является гораздо более шатким объектом, чем в трёхмерном случае, а именно у двумерного кристалла нет дальнего позиционного порядка. Для сравнения, в одномерном случае кристалл при конечной температуре вообще не может быть стабильным.

Как выяснилось, это приводит к тому, что плавление двумерного кристалла происходит в два этапа. Вначале кристалл переходит в так называемую гексатическую фазу, в которой теряется ближний позиционный порядок, но сохраняется ориентационный, а затем происходит потеря и ориентационного порядка и тело становится жидким.

=== Нетермическое плавление ===
В случае сверхбыстрого облучения ковалентных материалов [[Фемтосекундные лазеры|фемтосекундными лазерными]] импульсами может наблюдаться так называемое «нетермическое плавление». Так как [[фотон]]ы лазерного импульса поглощаются [[электрон]]ами твёрдого тела, это приводит к короткоживущему двухтемпературному состоянию, в котором электронная подсистема материала может иметь сверхвысокие температуры, тогда как атомная подсистема ещё не успевает нагреться. В таком случае электронные связи, образующие межатомный потенциал, удерживающий атомы в своих положениях равновесия, могут изменяться или полностью разрываться, приводя к плавлению даже при комнатной температуре атомов<ref name="Medvedev2015">{{cite journal|last1=Medvedev|first1=Nikita|last2=Li|first2=Zheng|last3=Ziaja|first3=Beata|title=Thermal and nonthermal melting of silicon under femtosecond x-ray irradiation|journal=Physical Review B|volume=91|year=2015|pages=054113|doi=10.1103/PhysRevB.91.054113}}</ref>.

== Примечания ==
{{примечания|2}}

== Ссылки ==
* [http://www.scientific.ru/journal/news/n240201.html Поверхностное предплавление льда]
* [http://rc.nsu.ru/text/news/Physics/117.html Плавление двумерных кристаллов]
{{ВС}}
{{Состояния материи}}

[[Категория:Фазовые переходы]]
[[Категория:Физические процессы]]

Плавление - История изменений

imported>Alex NB OT: замена имён и значений устаревшего неподдерживаемого InternetArchiveBot формата параметров доступности ссылок (1), замена устаревших имён параметров (2)