Шта је топљење у физици? Дефиниција, формула

Сва материја која се посматра у природи постоји у 3 стања: гасовита, течна и чврста. Присуство неке супстанце у одређеном стању одређено је њеним физичко-хемијским својствима, као и спољашњим условима. У чланку се детаљно разматра процес преласка материје из чврстог у течни, тј. Даје детаљан одговор на питање: "Шта је топљење?".

Карактеристике структуре чврстих материја и течности

Пре него што одговоримо на питање шта је топљење, потребно је узети у обзир структурне карактеристике чврстих материја и течности.

Први се одликује присуством сталног облика, чији отпор се одупире. Чврсте материје имају еластичност, недостатак флуидности. Размаци између честица које творе крутину су мале, а силе везивања између ових честица су значајне у односу на оне за течности и гасове. Силе везивања у чврстим материјама могу имати различиту хемијску природу (ван дер Ваалс, металик, ковалентни, ионски). Постоје два начина за организовање чврстих материјала:

• кристалне структуре када се атоми или молекули тела налазе у одређеним положајима у простору, на пример, метали;
• аморфне структуре у којима су атоми или молекули распоређени на хаотичан начин, на пример, стакло.

У течностима су атоми и молекули удаљенији један од другог него у чврстом стању, тако да су они слабији. Течност задржава своју запремину у датим условима, али не задржава свој облик и има добру флуидност. Честице течности су распоређене насумице у односу једна на другу.

Важно је напоменути да су атоми или молекули у чврстом стању у одређеним положајима који се веома полако мијењају (на примјер, у процесима дифузије), али честице текућине непрестано скачу из једне у другу позицију.

Кинетичка и потенцијална енергија

Да би се разумело шта је топљење у физици, неопходно је јасно разумети однос кинетичке и потенцијалне енергије у чврстим материјама и течностима.

Потенцијална енергија карактерише рад који треба потрошити за распршивање датог тела у простору на његове саставне честице. Да би се описала та количина, уводи се концепт енергије везивања, што значи рад који је потребан да би се одвојио један атом или молекул из тијела и уклонио га у бесконачност. На пример, типичне вредности енергије везивања за чврсте материје су неколико електрон-волти, исте вредности за течности су за ред величине мања.

Кинетичка енергија карактерише интензитет кретања атома и молекула. У случају кондензованих медија ова енергија је директно пропорционална температури.

Код чврстих материја, кинетичка енергија на собној температури је неколико стотинки електрон-волта, односно 100 пута је мања од потенцијала. Атоми и молекули у чврстим материјама налазе се у потенцијалном бунару и осцилирају око стабилних одређених положаја. Они се могу извући из ових позиција ако се испостави да су флуктуације кинетичке енергије значајне, или ако је сама потенцијална бушотина мала, на примјер, када постоји неки дефект у близини.

Кинетичка енергија атома и молекула у течности је приближно једнака њиховој потенцијалној енергији, то јест, она је неколико десетина електрон волта на собној температури. То значи да свака честица која чини флуид стално скаче с једног мјеста на друго. Добар доказ ове чињенице је Бровновски покрет.

Одређивање процеса топљења

Шта је топљење у физици? Дефиниција овог феномена може се дати на следећи начин: топљење је прелаз из чврстог у течно стање супстанце као резултат повећања његове температуре. То јест, ако се чврста супстанца константно загрева, тада молекули или атоми који га формирају почињу да повећавају своју кинетичку енергију. И то се дешава до Ова енергија не изједначава енергију везе, након чега се учесталост скакања атома (молекула) значајно повећава, а чврсти материјал почиње да се топи.

Живописни примери топљења су процеси топљења леда или прелазак у растопљено стање метала или легуре.

Прелаз са фазом топљења прве врсте

Према његовој дефиницији, топљење је прелаз прве врсте, пошто апсорбује топлоту. У овом случају, температура цијелог сустава се не мијења тијеком процеса таљења и константна је вриједност. Ова чињеница се објашњава чињеницом да се топлота која се доводи у тело троши не на повећање кинетичке енергије атома и молекула, већ на разбијање јаких хемијских веза између њих. Тек након што се униште све везе у чврстом материјалу, даље снабдевање топлотом већ текућој супстанци доводи до повећања његове температуре.

Сам процес топљења се не дешава спонтано, већ се развија у одређеном временском периоду, када течне и чврсте фазе коегзистирају у равнотежи једна са другом.

Дакле, топљење је ендотермни процес, што значи да долази са апсорпцијом топлоте. Реверзни процес у коме се течност очвршћава назива се кристализација.

Тачка топљења

Као што је горе поменуто, топљење се одвија на одређеној температури, која се назива тачка топљења. Од чега зависи ова физичка величина? Прво, од енергије везивања честица које сачињавају чврсту, то је та енергија већа, то је тачка топљења већа. На пример, ватростални метални ниобијум се топи на температури од 2742 К, а енергија везивања по атому овог метала је 7.6 еВ, други ватростални метал је волфрам, има енергију везивања од 8.9 еВ и топи се на знатно вишој температури од 3695 К.

Друго, тачка топљења је одређена спољним условима. Конкретно, са повећањем притиска, такође се повећава.

Треће, на ову вредност за ову супстанцу снажно утичу нечистоће. По правилу, нечистоће доводе до ниже тачке топљења.

Топлина спајања

Сада ћемо се окренути од дефиниције таљења до формуле која квантитативно описује тај процес. Када дође до топљења, спољно снабдевање топлотом се троши на ломљење веза у чврстом стању и његов пренос у течно стање. Енергија коју треба потрошити тако да се одређена количина чврстог материјала на тачки топљења претвара у течно стање које се назива топлота фузије. Формула у овом случају се пише на следећи начин: λ = К / м, где је К количина топлоте, м је маса тела.

Вредност топлоте фузије λ зависи од физичко-хемијских особина материјала. На пример, за лед, ова вредност је 333,55 Ј / г или 6,02 кЈ / мол, а за гвожђе 13,81 кЈ / мол. Вредности су дате под притиском од 1 атмосфере.

Цристал Мелтинг

Ове чврсте материје представљају специфичан просторни распоред честица које их формирају. Познат је као кристална решетка. Постоји много различитих кристалних решетки, од којих се свака остварује у одређеној класи супстанци. На пример, метали, по правилу, постоје у облику бцц (боди-центеред цубиц) и фцц (фаце-центеред цубиц) решетке. Концепт тачке топљења важи само за кристале.

Топљење аморфних тела

Пошто су атоми (молекули) распоређени насумично у аморфним материјалима, енергија везивања између њих ће бити различита. Ова чињеница објашњава зашто не постоји одређена тачка топљења аморфних материјала, а сам процес топљења одвија се у температурном опсегу, који је по правилу неколико десетина степени.