# График плавления и отвердевания кристаллических тел

Физика · 8 класс · Тепловые процессы
Источник: https://razlozheno.ru/subject/fizika/8/grafik-plavleniya-i-otverdevaniya-kristallicheskih-tel

Как выглядит на графике плавление и отвердевание кристаллических тел, почему на графике появляется горизонтальная «полочка» и чем кристаллические тела отличаются от аморфных.

## Чему научишься

- Читать график нагревания и охлаждения кристаллического тела и называть процесс на каждом участке
- Объяснять, почему при плавлении и кристаллизации температура не меняется, и куда уходит подводимая энергия
- Отличать кристаллическое тело от аморфного по поведению при нагревании

## С чего начать

Ставишь кастрюлю со льдом на включённую плиту. Огонь работает на полную, а термометр в смеси льда и воды стоит как приклеенный. Тепло подводится, а температура не растёт. Куда оно девается?

## 1. Полочка на графике: как плавится кристалл

*Шесть участков одного графика*

Нагреваем кусок льда и каждую минуту записываем температуру. Строим график: по горизонтали время, по вертикали температура. Получается не плавная горка, а ломаная линия со **ступенькой**. Эта ступенька и есть главное, что надо уметь видеть.

*Рисунок: График температуры от времени: подъём, горизонтальный участок, снова подъём, затем спуск, горизонтальный участок и спуск*

Идём по графику слева направо, как по маршруту:

- **AB** — участок нагревания твёрдого тела (льда). Температура растёт.
- **BC** — участок плавления вещества (смесь льда и воды при постоянной температуре). Линия идёт горизонтально.
- **CD** — участок нагревания жидкости (воды). Температура снова растёт.
- **DE** — участок охлаждения жидкости (воды). Теперь тело остывает.
- **EF** — участок кристаллизации (отвердевания) жидкости (смесь воды и льда при постоянной температуре). Снова горизонталь.
- **FK** — участок охлаждения твёрдого тела (льда).

**Плавление и температура плавления**

**Плавление кристаллических веществ** — переход вещества из кристаллического (твёрдого) состояния в жидкое, происходящий при постоянной температуре (температуре плавления).

**Температура плавления** — постоянная температура, характерная для данного кристаллического вещества, при которой происходит его плавление.

**Кристаллизация (отвердевание)**

**Кристаллизация (отвердевание)** — процесс перехода вещества из жидкого состояния в кристаллическое (твёрдое), происходящий при постоянной температуре, равной температуре плавления.

Иными словами: температура кристаллизации кристаллического вещества равна его температуре плавления.

**Как запомнить**

**Аналогия.** Подъём по лестнице с площадкой. Ты идёшь вверх (нагревание), потом площадка: идёшь по ровному, высота не растёт, но ты при этом работаешь. Потом снова вверх. Спуск (остывание) устроен так же, только площадка встречается на обратном пути.

**Правило самопроверки.** Видишь на графике горизонтальный участок — значит, идёт плавление (если тело нагревается) или кристаллизация (если вещество остывает). Наклонный участок — вещество просто нагревается или остывает. Плавление и кристаллизация идут на одной и той же высоте: температура плавления равна температуре кристаллизации.

**Проверь себя:** На графике тебе показали горизонтальный участок на пути остывания жидкости. Какой это процесс и какой буквенный участок на рис. 31?
**Ответ:** Кристаллизация (отвердевание) — участок EF. Смесь воды и льда при постоянной температуре.

### Проверь себя

**Какому процессу соответствует участок $AB$ на графике плавления льда (рис. 31 в источнике)?**
- Охлаждение льда
- Плавление льда
- Нагревание льда — верно
- Нагревание воды
> На этом участке подводимая энергия увеличивает кинетическую энергию молекул льда, что приводит к росту его температуры от $-40^{\circ}\text{C}$ до $0^{\circ}\text{C}$.

**Что происходит с температурой вещества на участке $BC$ графика плавления льда?**
- Непрерывно колебается около точки плавления
- Линейно возрастает от $0^{\circ}\text{C}$ до $40^{\circ}\text{C}$
- Понижается до $-20^{\circ}\text{C}$
- Остаётся постоянной и равной $0^{\circ}\text{C}$ — верно
> Во время фазового перехода вся подводимая энергия расходуется на разрушение кристаллической решётки, поэтому температура не меняется.

**Какие участки графика на рисунке 31 соответствуют процессам, в которых вода (в разных состояниях) отдаёт энергию окружающей среде?**
- $AB$, $BC$, $CD$
- Только участок $EF$
- $DE$, $EF$, $FK$ — верно
- Участки $BC$ и $EF$
> На этих участках происходит охлаждение воды ($DE$), её кристаллизация ($EF$) и охлаждение образовавшегося льда ($FK$), что сопровождается выделением теплоты.

**Какая точка на графике (рис. 31) соответствует моменту прекращения нагревания воды?**
- Точка $E$
- Точка $C$
- Точка $D$ — верно
- Точка $B$
> В точке $D$ температура воды достигает максимума ($40^{\circ}\text{C}$), после чего нагревание прекращают и начинается охлаждение.

## 2. Почему температура стоит: куда уходит энергия

*Плавление и отвердевание изнутри*

Вернёмся к кастрюле. На участке BC тепло к льду **подводится**, но температура не растёт. Значит, энергия не пропадает, она тратится на что-то другое, не на «разгон» молекул.

Представь танцпол, на котором люди стоят строем, плечом к плечу, как кристаллическая решётка. Каждый чуть покачивается на своём месте. Это колебания молекул, и от их энергии зависит температура. Ты подводишь энергию, и люди начинают качаться сильнее — это участок AB, температура растёт. Дальше строй начинает рассыпаться. Теперь вся добавленная энергия уходит не на то, чтобы качаться сильнее, а на то, чтобы **выбраться из строя**. Покачивание не усиливается, поэтому температура стоит. Строй всё равно рассыпается, и лёд превращается в воду.

На языке физики это звучит так. В процессе плавления кристаллического тела кинетическая энергия молекул не меняется (температура остаётся постоянной), а вся подводимая энергия идёт на увеличение потенциальной энергии молекул, то есть на разрушение кристаллической решётки.

При кристаллизации всё идёт в обратную сторону. Потенциальная энергия молекул уменьшается, кинетическая энергия не меняется (температура остаётся постоянной), и происходит выделение (передача) количества теплоты окружающим телам. Молекулы выстраиваются в решётку и отдают лишнюю энергию.

**Как запомнить**

**Аналогия.** Рассыпающийся строй на танцполе: энергия тратится на разрыв «связей» между людьми, а не на раскачивание. Оговорка: в настоящем веществе это не люди, а молекулы, и «связи» — это силы взаимодействия между ними.

**Правило самопроверки.** При плавлении энергия идёт на потенциальную часть (решётка разрушается), кинетическая постоянна. При кристаллизации потенциальная энергия уменьшается и тепло отдаётся окружающим. Если температура на графике не меняется, это не значит, что энергии нет: она идёт на перестройку вещества.

**Неправильно:** На участке плавления BC тело не получает тепло, поэтому температура и не меняется.
**Правильно:** Тепло подводится всё время. Оно идёт на разрушение кристаллической решётки (рост потенциальной энергии молекул), а не на рост температуры.

**Неправильно:** Когда вещество кристаллизуется, оно ничего не отдаёт и ничего не получает: температура же постоянна.
**Правильно:** При кристаллизации потенциальная энергия молекул уменьшается, и вещество передаёт количество теплоты окружающим телам.

**Плавление и кристаллизация: соседние процессы**

| Признак | Плавление | Кристаллизация |
| --- | --- | --- |
| Переход | из твёрдого в жидкое | из жидкого в твёрдое |
| Температура | постоянна, равна температуре плавления | постоянна, равна температуре плавления |
| Потенциальная энергия молекул | увеличивается | уменьшается |
| Кинетическая энергия молекул | не меняется | не меняется |
| Теплота | подводится к телу | передаётся окружающим телам |
| Участок на рис. 31 | BC | EF |

**Плотность.** Плавление большинства кристаллических тел сопровождается уменьшением плотности: например, жидкое олово менее плотное, чем твёрдое. Исключения — лёд и висмут: при их плавлении плотность увеличивается. Плотность воды $1$ г/см³, а льда $0{,}9$ г/см³.

**Проверь себя:** Лёд плавится. Как меняется кинетическая энергия его молекул, а как потенциальная?
**Ответ:** Кинетическая не меняется (температура постоянна), потенциальная увеличивается — идёт разрушение кристаллической решётки.

### Проверь себя

**Как изменяется кинетическая энергия молекул вещества в процессе плавления кристалла?**
- Уменьшается до нуля к моменту завершения плавления
- Не изменяется, так как температура остаётся постоянной — верно
- Увеличивается пропорционально полученному количеству теплоты
- Сначала растёт, а затем резко падает
> Кинетическая энергия теплового движения молекул напрямую связана с температурой, которая во время плавления не меняется.

**На что расходуется подводимая энергия при плавлении льда?**
- На охладительные процессы внутри кристалла
- Исключительно на увеличение скорости хаотического движения молекул
- На увеличение потенциальной энергии молекул и разрушение кристаллической решётки — верно
- На уменьшение расстояния между молекулами
> Подводимое количество теплоты идет на разрыв связей между молекулами кристалла и увеличение их потенциальной энергии.

**Как изменяются кинетическая и потенциальная энергии молекул при кристаллизации (отвердевании) воды?**
- Обе энергии уменьшаются
- Обе энергии увеличиваются
- Кинетическая энергия не меняется, а потенциальная уменьшается — верно
- Кинетическая энергия уменьшается, а потенциальная растёт
> Поскольку температура при кристаллизации постоянна, кинетическая энергия не изменяется, а выделение теплоты происходит за счёт уменьшения потенциальной энергии молекул при восстановлении связей.

**Как, согласно источнику, изменяется плотность большинства кристаллических тел при плавлении, и какие вещества являются исключением?**
- Плотность уменьшается; исключения — лёд и висмут — верно
- Плотность не изменяется ни у каких веществ
- Плотность увеличивается; исключения — олово и свинец
- Плотность уменьшается; исключением является только жидкое олово
> У большинства веществ при плавлении плотность падает (например, олово), но у льда и висмута благодаря их внутреннему строению плотность при плавлении увеличивается.

**Каковы значения плотности воды и льда, приведённые в тексте?**
- Плотность воды — $0{,}9\text{ г/см}^3$, льда — $1\text{ г/см}^3$
- Плотность воды — $1000\text{ г/см}^3$, льда — $900\text{ г/см}^3$
- Плотности воды и льда равны $1\text{ г/см}^3$
- Плотность воды — $1\text{ г/см}^3$, льда — $0{,}9\text{ г/см}^3$ — верно
> Текст явно указывает, что плотность воды равна $1\text{ г/см}^3$, а льда — $0{,}9\text{ г/см}^3$.

**Как влияет повышение давления на температуру плавления льда?**
- Повышение давления повышает температуру плавления льда
- Повышение давления понижает температуру плавления льда — верно
- Давление никак не влияет на температуру плавления льда
- При повышенном давлении лёд перестаёт плавиться вообще
> При увеличении давления температура плавления льда становится несколько меньше $0^{\circ}\text{C}$.

**Почему в опыте с бруском льда и проволокой с грузом брусок после прохождения проволоки остаётся целым?**
- Лёд не плавится, а проволока проходит сквозь пустоты в его кристаллической решётке
- Проволока нагревается от трения и разрезает лёд без его плавления
- Из-за давления лёд под проволокой плавится при температуре ниже $0^{\circ}\text{C}$, а над проволокой давление падает и вода снова смерзается — верно
- Молекулы льда мгновенно восстанавливают кристаллическую решётку под действием силы тяжести груза
> Возрастание давления под проволокой понижает температуру плавления льда, вызывая его таяние, а выше проволоки давление нормализуется и вода замерзает.

**Как добавление соли влияет на температуру отвердевания (замерзания) воды?**
- Понижает температуру отвердевания — верно
- Не оказывает никакого влияния
- Повышает температуру отвердевания до $+5^{\circ}\text{C}$
- Заставляет воду замерзать мгновенно при любой температуре
> Наличие примесей, таких как соль, снижает температуру замерзания раствора по сравнению с чистой водой.

**При какой температуре замерзает водный раствор, если концентрация соли в нём составляет 30%?**
- При $-40^{\circ}\text{C}$
- При $-10^{\circ}\text{C}$
- При $0^{\circ}\text{C}$
- При $-21^{\circ}\text{C}$ — верно
> В тексте источника прямо указано: если количество соли составляет 30%, такой раствор замерзает при $-21^{\circ}\text{C}$.

**Что называют «переохлаждённой жидкостью»?**
- Жидкость, превратившуюся в лёд при температуре выше $0^{\circ}\text{C}$
- Жидкость, охлаждённую ниже температуры отвердевания без начала кристаллизации — верно
- Раствор соли, находящийся при температуре кипения
- Смесь воды и льда при температуре $0^{\circ}\text{C}$
> Если в жидкости отсутствуют центры кристаллизации, её удаётся охладить на несколько градусов ниже температуры отвердевания с сохранением жидкого состояния.

**Что необходимо для начала процесса кристаллизации в жидкости при достижении температуры отвердевания?**
- Непрерывное перемешивание и сильное освещение
- Резкое повышение внешнего атмосферного давления
- Полная изоляция жидкости от любого взаимодействия с окружающей средой
- «Центры кристаллизации» (пылинки, частички дыма, мелкие кристаллики) — верно
> Молекулы начинают группироваться и образуют кристаллическую решётку вокруг мелких частичек или кристалликов, выполняющих роль центров.

**До какой температуры могут не замерзать капельки тумана из достаточно чистой воды, находясь в переохлаждённом состоянии?**
- До $-30^{\circ}\text{C}$ — верно
- До $-5^{\circ}\text{C}$
- До $0^{\circ}\text{C}$
- До $-100^{\circ}\text{C}$
> В источнике указано, что при отсутствии центров кристаллизации чистые капельки тумана могут оставаться жидкими даже при $-30^{\circ}\text{C}$.

**Почему туманы из переохлаждённых капель представляют опасность для самолётов?**
- Капли оседают на корпусе и крыльях, мгновенно замерзая и образуя корку льда (обледенение) — верно
- Переохлаждённые капли разъедают металлическую обшивку самолёта
- Капли мгновенно испаряются, создавая мощные воздушные потоки
- Они вызывают возгорание в двигателях из-за резкого выделения энергии
> При столкновении с самолётом переохлаждённые капли мгновенно кристаллизуются, утяжеляя самолёт и меняя форму крыла.

**Какая разработка российских учёных упоминается в тексте для борьбы с обледенением самолётов?**
- Обработка крыльев концентрированным раствором соли перед каждым вылетом
- Установка мощных обогревателей по всей поверхности крыла
- Использование ультразвуковых излучателей высокой мощности
- Создание гидрофобных нанопокрытий — верно
> Гидрофобные нанопокрытия предотвращают нарастание льда на крыльях и корпусе самолёта.

**Что произойдёт с диаметром сосульки, если опустить её в раствор поваренной соли той же температуры, что и замерзающая вода?**
- Диаметр сосульки заметно увеличится
- Диаметр сосульки уменьшится — верно
- Диаметр сосульки останется абсолютно неизменным
- Сосулька мгновенно мгновенно расколется на мелкие частицы
> В соляном растворе температура замерзания ниже, поэтому при данной температуре лёд сосульки начинает таять, уменьшая её диаметр.

**Какова температура плавления олова согласно графику на рисунке 32?**
- $0^{\circ}\text{C}$
- $100^{\circ}\text{C}$
- $232^{\circ}\text{C}$ — верно
- $220^{\circ}\text{C}$
> На шкале температур рисунка 32 горизонтальный участок фазового перехода олова соответствует отметке $232^{\circ}\text{C}$.

**Меняется ли кинетическая энергия частиц цинка при его плавлении?**
- Не меняется, так как температура цинка в процессе плавления остается постоянной — верно
- Уменьшается до нуля
- Увеличивается, потому что цинк получает теплоту
- Непрерывно возрастает во всём объёме
> Плавление кристаллического цинка проходит при постоянной температуре, следовательно, средняя кинетическая энергия его частиц неизменна.

**Меняется ли потенциальная энергия частиц цинка при его плавлении?**
- Уменьшается, так как цинк теряет форму
- Не меняется, поскольку температура постоянна
- Увеличивается, так как подводимая энергия расходуется на разрушение связей между частицами — верно
- Сначала уменьшается, а затем увеличивается
> Вся энергия, получаемая цинком во время плавления при постоянной температуре, идет на увеличение потенциальной энергии частиц и разрушение кристаллической решётки.

**Почему весной во время ледохода около реки холоднее, чем вдали от неё?**
- Лед отражает весь солнечный свет, поэтому воздух возле реки вообще не нагревается
- Скорость течения реки увеличивает кинетическую энергию воздуха
- Плавление льда требует поглощения большого количества теплоты из окружающего воздуха — верно
- Речная вода при движении выделяет холодный газ
> Тающий лёд активно забирает энергию из воздуха на разрушение кристаллической решётки, охлаждая окружающую среду.

**Почему при проведении опыта с ледяным бруском стальная проволока режет лёд лучше, чем капроновая нить того же диаметра?**
- Плотность капрона меньше плотности льда, поэтому он не может давить на лёд
- Капроновая нить растворяется в талой воде
- Стальная проволока создаёт электрический ток, нагревающий лёд
- Сталь обладает высокой теплопроводностью и эффективнее передаёт тепло к месту плавления под давлением — верно
> Высокая теплопроводность стали обеспечивает быструю передачу теплоты от окружающей среды к зоне повышенного давления под проволокой.

**Какое утверждение о процессе кристаллизации является верным?**
- Температура кристаллизации всегда на $10^{\circ}\text{C}$ ниже температуры плавления
- Температура плавления вещества равна температуре его кристаллизации — верно
- Кристаллизация аморфных тел происходит при строго фиксированной температуре
- В процессе кристаллизации происходит поглощение количества теплоты из внешней среды
> Кристаллические вещества затвердевают при той же самой температуре, при которой плавятся.

## 3. Кристаллические и аморфные тела: читаем график

*Сравнение плавления и размягчения*

Не у всех тел на графике нагревания появляется ступенька. У кристаллических тел она есть: у них есть определённая температура плавления. А вот тела в аморфном состоянии ведут себя по-другому.

**Аморфные тела**

**Тела в аморфном состоянии** — тела, которые, в отличие от кристаллических тел, не имеют определённой температуры плавления: при нагревании они непрерывно повышают температуру, постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние.

**Кристаллическое и аморфное тело при нагревании**

| Признак | Кристаллическое тело | Аморфное тело |
| --- | --- | --- |
| Температура плавления | определённая, характерная для вещества | определённой нет |
| Температура при переходе | постоянна, пока всё не расплавится | непрерывно повышается |
| График нагревания | есть горизонтальный участок | плавный подъём без полочки |
| Что происходит | переход твёрдое — жидкое при постоянной температуре | постепенное размягчение |

**Как запомнить**

**Аналогия.** Кристалл — это строй: пока он держится, температура стоит, а потом он рассыпается. Аморфное тело — толпа без строя: рассыпаться нечему, поэтому оно размягчается понемногу, без «момента рассыпания».

**Правило самопроверки.** Есть полочка на графике — кристалл. Нет полочки, температура растёт всё время — аморфное тело.

Потренируемся читать такой график. На рисунке ниже вещество нагревают от $20$ °C до $232$ °C, а дальше линия идёт горизонтально.

*Рисунок: График температуры от времени: подъём от 20 до 232 градусов Цельсия, затем горизонтальный участок*

**Пример: Читаем график: что это за участок?**

1. Смотрим на левую часть: температура растёт от $20$ °C до $232$ °C. Вещество нагревается в твёрдом состоянии.
2. Дальше линия идёт горизонтально. Температура не меняется, хотя нагревание продолжается.
3. Горизонтальный участок на графике нагревания — признак плавления. Значит, $232$ °C — температура плавления этого вещества.
4. Вывод: перед нами кристаллическое тело. У аморфного не было бы горизонтального участка.

**Пример: Как это спрашивают на ОГЭ: выбор верных утверждений**

1. В заданиях ОГЭ дают график температуры и просят выбрать верные утверждения про участки. Так это спрашивают на ОГЭ, и решается всё просто: наклонный участок — нагревание или остывание, горизонтальный — плавление или кристаллизация.
2. Возьмём рис. 31 и утверждение «Участок BC соответствует процессу плавления». Это верно: BC — горизонтальный участок при нагревании.
3. Утверждение «На участке EF температура льда растёт» неверно: EF — это кристаллизация, температура постоянна.
4. Утверждение «Участок CD — нагревание воды» верно: наклонный участок после плавления идёт вверх.

**Проверь себя:** Кусок воска нагревают, и его температура всё время растёт, а сам он постепенно мягчеет. Кристаллическое это тело или аморфное?
**Ответ:** Аморфное: нет определённой температуры плавления, температура растёт непрерывно, тело постепенно размягчается.

### Проверь себя

**В чём заключается главное отличие аморфных тел от кристаллических при нагревании и плавлении?**
- Аморфные тела плавятся при строго постоянной температуре, как и кристаллы
- У аморфных тел кинетическая энергия молекул не изменяется при нагревании
- Аморфные тела не имеют определённой температуры плавления и размягчаются постепенно — верно
- Аморфные тела при нагревании сначала затвердевают, а потом расширяются
> У аморфных тел нет строгой температуры плавления: при нагревании их температура непрерывно растёт, а вещество постепенно переходит в жидкое состояние.

## Ключевые термины

- **Температура плавления** — Постоянная температура, характерная для данного кристаллического вещества, при которой происходит его плавление.
- **Плавление кристаллических веществ** — Переход вещества из кристаллического (твёрдого) состояния в жидкое, происходящий при постоянной температуре (температуре плавления).
- **Кристаллизация (отвердевание)** — Процесс перехода вещества из жидкого состояния в кристаллическое (твёрдое), происходящий при постоянной температуре, равной температуре плавления.
- **Тела в аморфном состоянии** — Тела, которые, в отличие от кристаллических тел, не имеют определённой температуры плавления: при нагревании они непрерывно повышают температуру, постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние.

## Итог

- Плавление и кристаллизация кристаллического тела идут при постоянной температуре, и эти температуры равны.
- На графике они выглядят как горизонтальные участки: BC (плавление) и EF (кристаллизация).
- При плавлении энергия идёт на увеличение потенциальной энергии молекул (разрушение решётки), кинетическая энергия не меняется.
- При кристаллизации потенциальная энергия уменьшается, тепло передаётся окружающим телам.
- У аморфных тел нет температуры плавления: они размягчаются постепенно, температура растёт непрерывно.

## Шпаргалка

### Участки графика (рис. 31)

- **AB** — нагревание твёрдого тела (льда)
- **BC** — плавление, смесь льда и воды, температура постоянна
- **CD** — нагревание жидкости (воды)
- **DE** — охлаждение жидкости (воды)
- **EF** — кристаллизация, смесь воды и льда, температура постоянна
- **FK** — охлаждение твёрдого тела (льда)

### Энергия при переходах

- **Плавление** — потенциальная энергия растёт, кинетическая постоянна
- **Кристаллизация** — потенциальная энергия падает, теплота уходит наружу
- **Горизонтальный участок** — температура постоянна, идёт смена состояния

### Кристалл и аморфное тело

| Признак | Кристаллическое | Аморфное |
| --- | --- | --- |
| Температура плавления | определённая | нет |
| Температура при плавлении | постоянна | растёт непрерывно |
| График нагревания | есть полочка | плавный подъём |

## Любопытное

- Лёд и висмут — исключения: при их плавлении плотность увеличивается. Плотность воды $1$ г/см³, плотность льда $0{,}9$ г/см³.
- У большинства кристаллических тел всё наоборот: например, жидкое олово менее плотное, чем твёрдое.