Co se tání ve fyzice? Definice, vzorec

Veškerá pozorovaná látka v přírodě existuje ve 3 stavech: plynná, kapalná a pevná. Přítomnost látky v určitém stavu je dána jejími fyzikálně-chemickými vlastnostmi, jakož i vnějšími podmínkami. Článek podrobně popisuje proces přechodu hmoty z pevného na tekutý, tj. Dává podrobnou odpověď na otázku: "Co se tání?".

Vlastnosti struktury pevných látek a kapalin

Předtím, než zodpovíme otázku tavby, je třeba zvážit strukturální vlastnosti pevných látek a kapalin.

První jsou charakterizovány přítomností stálé formy, jakéhokoli odporu, kterému odolávají. Pevné látky mají pružnost, nedostatečnou tekutost. Vzdálenosti mezi částicemi tvořícími pevnou látku jsou malé a vazebné síly mezi těmito částicemi jsou významné ve srovnání s těmi, které jsou pro kapaliny a plyny. Spojovací síly v pevných látkách mohou mít jinou chemickou povahu (van der Waalsová, kovová, kovalentní, iontová). Existují dva způsoby uspořádání pevných látek:

• krystalické struktury, kdy jsou atomy nebo molekuly těla umístěny v určitých polohách v prostoru, například kovy;
• amorfní struktury, ve kterých jsou atomy nebo molekuly uspořádány chaoticky, například sklem.

V kapalinách jsou atomy a molekuly umístěny dále od sebe než od pevných látek, takže jsou slabší. Kapalina zachovává svůj objem za daných podmínek, ale nezachovává svůj tvar a má dobrou tekutost. Částice tekutiny jsou uspořádány náhodně relativně vůči sobě.

Důležité je poznamenat, že atomy nebo molekuly v pevné látce jsou v určitých pozicích, které se velmi pomalu mění (například v difuzních procesech), ale částice tekutiny neustále skočí z jedné polohy do druhé.

Kinetická a potenciální energie

Abychom pochopili, co se tání ve fyzice, je nutné jasně pochopit poměr kinetické a potenciální energie v tuhých a kapalných látkách.

Potenciální energie charakterizuje práci, kterou je potřeba vynaložit na postřikování daného tělesa ve vesmíru na jeho částice. K popisu tohoto množství se zavádí pojem vazebné energie, což znamená práci, která je nezbytná k tomu, aby se z těla trhlo jeden atom nebo molekula a odstranilo se to do nekonečna. Například typické hodnoty vazebné energie pro tuhé látky jsou několik elektronových voltů, stejné hodnoty pro kapaliny jsou řádově menší.

Kinetická energie charakterizuje intenzitu pohybu atomů a molekul. V případě kondenzovaných médií je tato energie přímo úměrná teplotě.

V pevné látce je kinetická energie při pokojové teplotě několik setin elektronového napětí, to znamená, že je 100krát menší než potenciál. Atomy a molekuly v pevné látce jsou umístěny v potenciální jamce a oscilají kolem stabilních jistých poloh. Mohou se dostat z těchto pozic, pokud se výkyvy kinetické energie ukáží jako významné, nebo pokud je potenciální vrstva sama o sobě malá, například když je v blízkosti nějaká vada.

Kinetická energie atomů a molekul v kapalině je přibližně rovna jejich potenciální energii, to znamená, že je několik desetin elektronových voltů při pokojové teplotě. To znamená, že každá částicová složka tekutiny neustále skočí z jednoho místa na druhé. Dobrým důkazem této skutečnosti je Brownian hnutí.

Stanovení procesu tání

Co se tání ve fyzice? Definice tohoto jevu lze uvést následovně: tavením je přechod z pevného na kapalný stav látky v důsledku zvýšení teploty. To znamená, že pokud se pevná látka neustále ohřívá, molekuly nebo atomy, které ji tvoří, začínají zvyšovat svou kinetickou energii. A to se stane až této energie se nerovná energii vazby, po níž se frekvence skoku atomů (molekul) výrazně zvětší a pevný materiál se začne tát.

Živými příklady tavení jsou procesy roztavení ledu nebo přechod k roztavenému stavu kovu nebo slitiny.

Tavení - fázový přechod prvního druhu

Podle jeho definice je tavení přechodem prvního druhu, protože absorbuje teplo. V tomto případě se teplota celého systému nemění během procesu tavení a je konstantní. Tento fakt je vysvětlen skutečností, že teplo přiváděné do těla se nevyužívá na zvyšování kinetické energie atomů a molekul, ale na rozbití silných chemických vazeb mezi nimi. Teprve po zničení všech vazeb v pevné látce bude další dodávka tepla do již kapalné látky vést ke zvýšení teploty.

Samotný proces tavení se nevyskytuje spontánně, ale rozvíjí se v určité době, kdy kapalné a pevné fáze koexistují ve vzájemné rovnováze.

Tavení je tedy endotermický proces, což znamená, že přichází s absorpcí tepla. Reverzní proces, při kterém kapalina ztuhne, se nazývá krystalizace.

Bod tání

Jak bylo zmíněno výše, tání nastává při určité teplotě, která se nazývá bod tání. Na čem závisí tato fyzická veličina? Za prvé, od vazebné energie částic, které tvoří pevnou látku, čím je tato energie vyšší, tím vyšší je teplota tání. Například žáruvzdorný kovový niob se taví při teplotě 2742 K a vazebná energie na atom tohoto kovu je 7,6 eV, další žáruvzdorný kov je wolfram, má vazebnou energii 8,9 eV a taví při významně vyšší teplotě 3695 K.

Za druhé, teplota tání je určena vnějšími podmínkami. Zejména s rostoucím tlakem se také zvyšuje.

Zatřetí, tato hodnota pro tuto látku je silně ovlivněna nečistotami. Zpravidla nečistoty vedou k nižšímu bodu tání.

Teplo fúze

Nyní se od definice roztavení k formulaci, která kvantitativně popisuje tento proces. Když dojde k tavení, externí přívod tepla se spotřebuje na rozbití vazeb v pevné fázi a jeho přemístění do kapalného stavu. Energie, kterou je třeba vynaložit, aby se určité množství pevné látky v bodě tání změnilo na kapalný stav nazývaný teplo fúze. Vzorec v tomto případě je napsán takto: λ = Q / m, kde Q je množství tepla, m je tělesná hmotnost.

Hodnota tepla fúze λ závisí na fyzikálně-chemických vlastnostech materiálu. Například u ledu je tato hodnota 333,55 J / g nebo 6,02 kJ / mol a u železa 13,81 kJ / mol. Hodnoty jsou uvedeny při tlaku 1 atmosféru.

Tavení krystalů

Tyto pevné látky představují specifické prostorové uspořádání částic, které je tvoří. Je známá jako krystalová mřížka. Existuje mnoho různých krystalových mřížek, z nichž každá je realizována v určité třídě látek. Například kovy zpravidla existují ve formě bcc (tělo-centrovaná krychlička) a fcc (obličejová středová krychle). Pojem bod tání je platný pouze pro krystaly.

Tavení amorfních těles

Vzhledem k tomu, že atomy (molekuly) jsou náhodně uspořádány v amorfních materiálech, vazebné energie mezi nimi budou jiné. Tato skutečnost vysvětluje, proč neexistuje žádný konkrétní bod tavení pro amorfní materiály, a samotný proces tavení probíhá v teplotním rozsahu, který je zpravidla několik desítek stupňů.