Температура плавления и кипения. Температура плавления металлов

Теплофизические характеристики, которые необходимо учитывать при подборе стоматологических материалов

Теплофизические свойства материалов определяются следующими основными показателями :

§ температурой плавления;

§ температурой кипения;

§ коэффициентом теплопроводности;

§ коэффициентом температуропроводности;

§ коэффициентами линейного и объемного расширения.

Переход кристаллического вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением , а переход вещества из жидкого состояния в твердое отвердеванием иликристаллизацией . Эти переходы происходят при температуре, которая называется температурой плавления .

Количество теплоты Q , необходимое для превращения данной массы твердого тела в жидкость в процессе его плавления, или количество теплоты, которое она выделит в процессе кристаллизации можно определить по формуле:

где l –удельная теплота плавления.Удельная теплота плавления l численно равна количеству теплоты, необходимому для превращения единицы массы этого вещества из твердого состояния в жидкое при температуре плавления. Единица измерения l в СИ - Дж/кг .

Знание температуры плавления материалов, применяемых в стоматологии, позволяет подобрать нужный источник теплоты для плавления. Например, для плавления золота можно использовать бензиновую горелку, а для плавления нержавеющей стали нужна электрическая дуга или электропечь.

Для пайки деталей протезов припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем сплавы металлов, из которых изготавливают протез, чтобы он не подплавлялся. У сплавов металлов, как правило, более низкая температура плавления, чем у составляющих их компонентов.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, а переход вещества из газообразного состояния в жидкое - конденсацией . Парообразование, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой или вакуумом, называется испарением . Частным случаем испарения является кипение . Кипение – это процесс интенсивного парообразования не только со свободной поверхности, но и по всему объему жидкости, происходящий при одной, определенной для данной жидкости температуре, которая называется температурой кипения .

Количество теплоты Q , необходимое для превращения данной массы m жидкости в пар в процессе ее кипения, или количество теплоты, которое она выделит в процессе конденсации можно определить по формуле:

где r - удельная теплота парообразования. Удельная теплота парообразования r – величина, численно равная количеству теплоты, необходимому для превращения в пар в процессе кипения единицы массы жидкости при температуре кипения. Единица измерения r в СИ - Дж/кг.

Температуру кипения металлов необходимо учитывать при изготовлении протезов. Вследствие различия температур кипения может произойти улетучивание наиболее легкоплавких компонентов сплавов металлов, что приведет к изменению их свойств. Так, при изготовлении припоев, содержащих кадмий и цинк, имеющих температуру кипения, соответственно, 778 и 918°С, при перегревании может произойти частичная их утрата и припой окажется тугоплавким.

3. Теплоёмкость и удельная теплоёмкость материалов

Теплоемкостью тела называют отношение количества теплоты Q, необходимого для повышения его температуры от значения Т 1 до значения Т 2 , к разности этих температур DТ = Т 2 – T 1:

Теплоемкость характеризует то количество теплоты, которое нужно сообщить телу, чтобы нагреть его на 1 К (при охлаждении на 1 К тело выделяет то же количество теплоты, что и поглощает при нагревании).

Нагревая тела с одинаковыми массами, но состоящие из различных веществ, можно обнаружить, что для повышения их температуры на 1 К требуются различные количества теплоты; следовательно, теплоемкость тела зависит от его природы . Теплоемкость тела также пропорциональна его массе. Поэтому характеристикой тепловых свойств вещества является его удельная теплоемкостьс - величина, равная отношению теплоемкости тела к его массе:

. (4)

В СИ удельная теплоемкость вещества выражается в Дж/(кг × К).

Зная теплоемкость вещества, можно определить количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m от температуры T 1 до температуры Т 2:

Q = cmDT = cm(T 2 – T 1). (5)

Необходимость учёта теплоемкостей различных материалов в стоматологической практике связана с довольно значительным различием теплоемкостей тканей зуба и применяемых материалов. Наличие в ротовой полости материалов с различной теплоемкостью сопровождается неприятными ощущениями, и в ряде случаев может приводить к возникновению различных побочных эффектов (выкрашивание пломб, воспалительные процессы и т.д.).

Самое удивительное и благостное для живой природы свойство воды - это ее способность при "нормальных" условиях быть жидкостью. Молекулы очень похожих на воду соединений (например, молекулы H2S или H2Se) намного тяжелее, а образуют при тех же условиях газ. Тем самым вода как будто противоречит закономерностям таблицы Менделеева, которая, как известно, предсказывает, когда, где и какие свойства веществ будут близки. В нашем случае из таблицы следует, что свойства водородных соединений элементов (называемых гидридами), расположенных в одних и тех же вертикальных столбцах, с ростом массы атомов должны изменяться монотонно. Кислород - элемент шестой группы этой таблицы. В этой же группе находятся сера S (с атомным весом 32), селен Se (с атомным весом 79), теллур Te (с атомным весом 128) и поллоний Po (с атомным весом 209). Следовательно, свойства гидридов этих элементов должны меняться монотонно при переходе от тяжелых элементов к более легким, т.е. в последовательности H2Po > H2Te > H2Se > H2S > H2O. Что и происходит, но только с первыми четырьмя гидридами. Например, температуры кипения и плавления растут при увеличении атомного веса элементов. На рисунке крестиками отмечены температуры кипения этих гидридов, а кружочками - температуры плавления.

Как видно, при уменьшении атомного веса температуры снижаются совершенно линейно. Область существования жидкой фазы гидридов становится все более "холодной", и если бы гидрид кислорода Н2О был нормальным соединением, похожим на своих соседей по шестой группе, то жидкая вода существовала бы в диапазоне от -80° С до -95° С. При более высоких температурах Н2О всегда была бы газом. К счастью для нас и всего живого на Земле, вода аномальна, она не признает периодической закономерности а следует своим законам.

Объясняется это довольно просто - большая часть молекул воды соединена водородными связями. Именно этими связями отличается вода от жидких гидридов H2S, H2Se и H2Te. Если бы их не было, то вода кипела бы уже при минус 95 °C. Энергия водородных связей достаточно велика, и разорвать их можно лишь при значительно более высокой температуре. Даже в газообразном состоянии большое число молекул H2O сохраняет свои водородные связи, объединяясь в димеры (H2O)2. Полностью водородные связи исчезают только при температуре водяного пара 600 °C.

Напомним, что кипение заключается в том, что пузыри пара образуются внутри кипящей жидкости. При нормальном давлении чистая вода кипит при 100 "С. В случае подведения тепла через свободную поверхность будет ускоряться процесс поверхностного испарения, но объёмного парообразования, характерного для кипения, не возникает. Кипение может быть осуществлено и понижением внешнего давления, так как в этом случае давление пара, равное внешнему давлению, достигается при более низкой температуре. На вершине очень высокой горы давление и соответственно точка кипения настолько понижаются, что вода становится непригодной для варки пищи - не достигается требуемая температуры воды. При достаточно высоком давлении воду можно нагреть настолько, что в ней может расплавиться свинец (327 °С), и все же она не будет кипеть.

Помимо сверхбольших температур кипения плавления (причем последний процесс требует слишком большой для такой простой жидкости теплоты плавления), аномален сам диапазон существования воды - сто градусов, на которые разнятся эти температуры, - довольно большой диапазон для такой низкомолекулярной жидкости, как вода. Необычайно велики пределы допустимых значении переохлаждения и перегрева воды - при аккуратном нагревании или охлаждении вода остается жидкой от -40 °C до +200 °C. Тем самым температурный диапазон, в котором вода может оставаться жидкой, расширяется до 240 °C.

При нагревании льда сначала температура его повышается, но с момента образования смеси воды со льдом температура будет оставаться неизменной до того момента, пока не расплавится весь лёд. Это объясняется тем, что тепло, подводимое к тающему льду, прежде всего расходуется только на разрушение кристаллов. Температура тающего льда остаётся неизменной до тех пор, пока не произойдёт разрушение всех кристаллов (см. скрытую теплоту плавления).

Температура плавления, наряду с плотностью, относится к физическим характеристикам металлов . Температура плавления металла - температура, при которой металл переходит из твердого состояния, в котором находится в нормальном состоянии (кроме ртути), в жидкое состояние при нагревании. При плавлении объем металла практически не изменяется, поэтому на температуру плавления нормальное атмосферное давление не влияет .

Температура плавления металлов находится в диапазоне от -39 градусов Цельсия до +3410 градусов . Для большинства металлов температура плавления высокая, однако, некоторые металлы можно расплавить в домашних условиях при нагревании на обычной горелке (олово, свинец).

Классификация металлов по температуре плавления

1. Легкоплавкие металлы , температура плавления которых колеблется до 600 градусов Цельсия, например цинк, олово, висмут .
2. Среднеплавкие металлы , которые плавятся при температуре от 600 до 1600 градусов Цельсия: такие как алюминий, медь, олово, железо .
3. Тугоплавкие металлы , температура плавления которых достигает более 1600 градусов Цельсия - вольфрам, титан, хром и др.
4. - единственный металл, находящийся при обычных условиях (нормальное атмосферное давление, средняя температура окружающей среды) в жидком состоянии. Температура плавления ртути составляет порядка -39 градусов по Цельсию.

Таблица температур плавления металлов и сплавов

При плавлении металла для изготовления металлических изделий-отливок от температуры плавления зависит выбор оборудования, материала для формовки металла и др. Следует также помнить, что при легировании металла другими элементами температура плавления чаще всего снижается .

Интересный факт

Не стоит путать понятия "температура плавления металла" и "температура кипения металла" - для многих металлов эти характеристики существенно отличаются: так, серебро плавится при температуре 961 градус по Цельсию, а закипает только при достижении нагрева до 2180 градусов.

Кипит – вода, плавится – металл, в крайнем случае – стекло… такие представления привычны с детства. Но, оказывается, и вода может плавиться, и металл кипеть – словом эти понятия могут быть применены к любому веществу.

Как все мы помним из школьного курса физики, любое вещество может пребывать в одном из трёх агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном (правда, выделяют еще и другие состояния вещества – плазма, жидкие кристаллы – но в контексте рассматриваемого вопроса они нас интересовать не будет).

В каком бы состоянии ни пребывало вещество, оно будет состоять из одних и тех молекул, разница лишь в том, как они расположены и как «себя ведут». В твердом теле они совершают лишь небольшие колебания, благодаря чему твердое тело сохраняет форму и объем. Твердые тела подразделяются на кристаллические и аморфные. В кристаллических телах молекулы располагаются в строгом порядке и периодично, образуя кристаллическую решетку в виде многогранника. Аморфное тело граничит с жидкостью, но вязкость этой «жидкости» очень велика, поэтому такое тело все же обладает свойствами твердого.

В жидкости молекулы не имеют определенного расположения, но и свободы передвижения лишены, притяжение удерживает их вместе, поэтому жидкое тело сохраняет объем, но не форму. В газообразном веществе молекулы хаотично движутся, слабо взаимодействуют, и такое вещество ни объема, ни формы не может сохранить.

Как уже говорилось, в любом из трех этих состояний может находиться любое вещество – все зависит лишь от двух факторов: давления и температуры. Например, в условиях Марса нет жидкой воды, на Земле достаточно сложно получить жидкий кислород, но все-таки возможно, а вот металлический водород не получится сделать ни в одной земной лаборатории – зато на Юпитере он есть. Переходы между этими состояниями – т.н. фазовые переходы – именуются кипением и плавлением.

Кипение – это переход от жидкого состояния к газообразному. Такой переход происходит всегда за счет того, что молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, подвергаются воздействию не только «собратьев» из жидкости, но и молекул воздуха. У некоторых молекул жидкости кинетической энергии больше, чем у других, и они покидают жидкость, а у оставшихся молекул энергии в целом меньше, поэтому жидкость становится холоднее. Так постепенно может «уйти» вся жидкость, это называется испарением. При кипении же испарение происходит не только с поверхности жидкости, но и во всем ее объеме – благодаря образующимся в жидкости пузырькам пара. Такой фазовый переход происходит намного быстрее любая хозяйка знает, что воде нужно больше времени на высыхание, чем на выкипание). Если испарение происходит при любой температуре, то кипение – только при повышении температуры до определенного уровня (у каждого вещества температура своя).

Переход вещества из кристаллического твердого тела в жидкое состояние называется плавлением. Следует подчеркнуть: именно из кристаллического, к аморфным телам это понятие не применяется. Так что выражение «плавленый сыр» с точки зрения физики лишена смысла, поскольку сыр – как раз аморфное тело, а вот лёд плавиться может (что не очевидно для многих далеких от физики людей).

Как и кипение, плавление происходит при повышении температуры до определенного уровня. При нормальном давлении самая высокая температуры плавления у углерода (4500 градусов), из металлов – у вольфрама (3422 градуса). Самой низкой температурой плавления при нормальном давлении обладает гелий. Она настолько низкая, что ее… вообще нет! Даже при температуре, близкой к абсолютному нулю, он остается жидким, не переходя в твердое состояние – для этого нужно давление более 25 атмосфер.

Не все вещества при нормальном давлении проходят все эти три состояния и фазовых перехода. Некоторые из них переходят из твердого состояния в газообразное, минуя стадию жидкости – этот процесс называется возгонкой, или сублимацией.

Почти все металлы при нормальных условиях представляют собой твердые вещества. Но при определенных температурах они могут изменять свое агрегатное состояние и становиться жидкими. Давайте узнаем, какая температура плавления металла самая высокая? Какая самая низкая?

Температура плавления металлов

Большая часть элементов периодической таблицы относится к металлам. В настоящее время их насчитывается примерно 96. Всем им необходимы разные условия, чтобы превратиться в жидкость.

Порог нагревания твердых кристаллических веществ, превысив который они становятся жидкими, называется температурой плавления. У металлов она колеблется в пределах нескольких тысяч градусов. Многие из них переходят в жидкость при относительно большом нагревании. Благодаря этому они являются распространенным материалом для производства кастрюль, сковородок и других кухонных приборов.

Средние температуры плавления имеют серебро (962 °С), алюминий (660,32 °С), золото (1064,18 °С), никель (1455 °С), платина (1772 °С) и т.д. Выделяют также группу тугоплавких и легкоплавких металлов. Первым, чтобы превратиться в жидкость, нужно больше 2000 градусов Цельсия, вторым - меньше 500 градусов.

К легкоплавким металлам обычно относят олово (232 °C), цинк (419 °C), свинец (327 °C). Однако у некоторых из них температуры могут быть еще ниже. Например, франций и галлий плавятся уже в руке, а цезий можно греть только в ампуле, ведь от кислорода он воспламеняется.

Самые низкие и высокие температуры плавления металлов представлены в таблице:

Вольфрам

Самая высокая температура плавления - у металла вольфрама. Выше него по этому показателю стоит только неметалл углерод. Вольфрам представляет собой светло-серое блестящее вещество, очень плотное и тяжелое. Он кипит при 5555 °C, что почти приравнивается к температуре фотосферы Солнца.

При комнатных условиях он слабо реагирует с кислородом и не подвергается коррозии. Несмотря на свою тугоплавкость, он довольно пластичен и поддается ковке уже при нагревании до 1600 °C. Эти свойства вольфрама используют для нитей накаливания в лампах и кинескопах электродов для сварки. Большую часть добытого металла сплавляют со сталью, чтобы повысить ее прочность и твердость.

Широкое применение вольфрам имеет в военной сфере и технике. Он незаменим для изготовления боеприпасов, брони, двигателей и наиболее важных частей военного транспорта и самолетов. Из него также делают хирургические инструменты, ящики для хранения радиоактивных веществ.

Ртуть

Ртуть - единственный металл, температура плавления которого имеет минусовое значение. К тому же это один из двух химических элементов, простые вещества которых при нормальных условиях, существуют в виде жидкостей. Интересно, что кипит металл при нагревании до 356,73 °C, а это намного выше температуры его плавления.

Имеет серебристо-белый цвет и ярко выраженный блеск. Она испаряется уже при комнатных условиях, конденсируясь в небольшие шарики. Металл очень токсичен. Он способен накапливается во внутренних органах человека, вызывая болезни головного мозга, селезенки, почек и печени.

Ртуть - один из семи первых металлов, о которых узнал человек. В Средние века она считалась главным алхимическим элементом. Несмотря на ядовитость, когда-то ее применяли в медицине в составе зубных пломб, а также как лекарство от сифилиса. Сейчас ртуть почти полностью исключили из медицинских препаратов, но широко используют ее в измерительных приборах (барометрах, манометрах), для изготовления ламп, переключателей, дверных звонков.

Сплавы

Чтобы изменить свойства того или иного металла, его сплавляют с другими веществами. Так, он может не только приобрести большую плотность, прочность, но и снизить или повысить температуру плавления.

Сплав может состоять из двух или больше химических элементов, но хотя бы один из них должен быть металлом. Такие «смеси» очень часто используют в промышленности, ведь они позволяют получить именно те качества материалов, которые необходимы.

Температура плавления металлов и сплавов зависит от чистоты первых, а также от пропорций и состава вторых. Для получения легкоплавких сплавов чаще всего используют свинец, ртуть, таллий, олово, кадмий, индий. Те, в составе которых находится ртуть, называются амальгамами. Соединение натрия, калия и цезия в соотношении 12%/47%/41% становится жидкостью уже при минус 78 °C , амальгама ртути и таллия - при минус 61°C. Самым тугоплавким материалом является сплав тантала и карбидов гафния в пропорциях 1:1 с температурой плавления 4115 °C.