# Плавление и отвердевание кристаллических тел

Физика · 8 класс · Тепловые процессы
Источник: https://razlozheno.ru/subject/fizika/8/plavlenie-i-otverdevanie-kristallicheskih-tel

Как плавятся и отвердевают кристаллические тела, что такое температура плавления и почему при плавлении температура не растёт. Ещё учимся читать «полочку» на графике и пользоваться таблицей температур плавления.

## Чему научишься

- Ты сможешь объяснить, что происходит с температурой кристаллического тела при нагревании, плавлении и остывании.
- Ты сможешь по таблице температур плавления определить, твёрдым или жидким будет вещество при заданной температуре.
- Ты сможешь найти на графике нагревания или остывания участок плавления (отвердевания) и объяснить, что на нём происходит.

## С чего начать

Ты опустил термометр в стакан с тающим льдом. В комнате тепло, лёд всё время получает тепло от воздуха, а термометр упрямо показывает 0 °C и не двигается. Куда девается тепло и почему температура стоит на месте?

## 1. Плавление: нагрели до нужной температуры и стоим на месте

*Что происходит с температурой, пока кристаллическое тело плавится*

Начнём с наблюдения. Берём кусок льда и греем. Сначала он просто нагревается. Потом на нём появляются капли воды, он начинает таять. А температура? Она **застывает** и стоит на одном значении, пока не растает последний кусочек. Только после этого вода начинает нагреваться дальше.

И это не особенность льда. Так ведут себя все вещества в кристаллическом состоянии: металлы, лёд, соли. Чтобы расплавить кристаллическое тело, его нужно **сначала** нагреть до определённой температуры. Дальше плавление идёт уже при ней.

*Рисунок: Стакан с тающим льдом, в него помещён термометр, рядом подписано 0 °C*

Представь это так. Тело получает тепло. До плавления это тепло «разгоняет» частицы, и температура растёт. Когда достигнута температура плавления, всё получаемое тепло уходит на сам переход из твёрдого состояния в жидкое. На «разгон» ничего не остаётся, поэтому термометр стоит. Это объяснение подачи: учебник фиксирует сам факт, что температура не изменяется.

**Плавление**

Переход вещества из твёрдого состояния в жидкое называют **плавлением**.

**Аналогия.** Как дверь между двумя комнатами: пока человек проходит через дверь, он меняет комнату. Здесь вещество тоже переходит из одного состояния в другое — из твёрдого в жидкое.

**Мнемоническая зацепка.** «ПЛАВление» → **ПЛАВает**: твёрдое вещество становится жидким и может плавать.

**Температура плавления**

Температуру, при которой вещество плавится, называют **температурой плавления вещества**. Обозначение: $t_{\text{пл}}$. Единица измерения: градус Цельсия, °C.

**Аналогия.** Это как установленная отметка на термометре: пока вещество не дошло до этой отметки, плавление ещё не начинается.

**Мнемоническая зацепка.** $t_{\text{пл}}$ → «ПЛ» = **ПЛавление**: индекс «пл» напоминает, с каким процессом связана температура.

**Как это держать в голове**

**Аналогия.** Человек копит деньги на покупку: пока копит, сумма растёт. В день покупки деньги тратятся на сам товар, и «накопленное» перестаёт расти, пока покупка не оформлена. Здесь так же: тепло, пришедшее на $t_{\text{пл}}$, тратится на плавление, а температура не растёт.

**Оговорка.** Это образ, а не определение. Канон один: во время плавления температура вещества не изменяется.

**Мнемоническая зацепка.** «Полочка» на графике = **ПЛ**авление: линия перестала расти и стала горизонтальной, пока идёт плавление.

*Рисунок: Металлическая ложка с тёмным веществом, которую держат над пламенем горелки*

Эту установку ты увидишь на уроках: тело нагревают на горелке и следят за температурой. У разных веществ $t_{\text{пл}}$ **разная**. Это видно по таблице 3 (при нормальном атмосферном давлении):

- водород: $-259$ °C, кислород: $-219$ °C, азот: $-210$ °C;
- спирт: $-114$ °C, ртуть: $-39$ °C;
- лёд: $0$ °C, цезий: $29$ °C, калий: $63$ °C, натрий: $98$ °C;
- олово: $232$ °C, свинец: $327$ °C, цинк: $420$ °C, алюминий: $660$ °C;
- серебро: $962$ °C, латунь: $1000$ °C, золото: $1064$ °C, медь: $1085$ °C;
- чугун: $1200$ °C, кремний: $1414$ °C, сталь: $1500$ °C, железо: $1539$ °C;
- платина: $1772$ °C, осмий: $3045$ °C, вольфрам: $3387$ °C.

И ещё одно следствие: тела в жидком состоянии имеют температуру выше своей температуры плавления.

**Пример: Твёрдое или жидкое при комнатной температуре?**

1. Берём комнату с температурой $20$ °C и два вещества из таблицы: ртуть и свинец.
2. Ртуть: $t_{\text{пл}} = -39$ °C. Комнатные $20$ °C выше $-39$ °C, значит ртуть жидкая.
3. Свинец: $t_{\text{пл}} = 327$ °C. Комнатные $20$ °C ниже $327$ °C, значит свинец твёрдый.
4. Правило: выше $t_{\text{пл}}$ вещество жидкое, ниже — кристаллическое твёрдое. Сама $t_{\text{пл}}$ — это точка, где идёт плавление.

**Проверь себя:** Свинец нагрели до $327$ °C и продолжают греть. Что покажет термометр, пока свинец плавится?
**Ответ:** Те же $327$ °C. Во время плавления температура не изменяется. Она начнёт расти только после того, как весь свинец расплавится.

**Проверь себя:** Железо ($1539$ °C) и олово ($232$ °C): какое вещество нужно нагреть сильнее, чтобы оно начало плавиться?
**Ответ:** Железо: у него $t_{\text{пл}}$ выше. У разных веществ $t_{\text{пл}}$ разная.

### Проверь себя

**Что называют плавлением вещества согласно представленному материалу?**
- Процесс охлаждения вещества до образования кристаллической решётки
- Переход вещества из газообразного состояния в жидкое
- Переход вещества из жидкого состояния в газообразное
- Переход вещества из твёрдого состояния в жидкое — верно
> Плавление по определению представляет собой фазовый переход вещества из твёрдой фазы в жидкую.

**Какое условие необходимо выполнить, чтобы начался процесс плавления кристаллического тела?**
- Охладить тело до температуры ниже $0\ ^{\circ}\mathrm{C}$
- Быстро сжать тело до уменьшения его объёма
- Поместить тело в вакуум без изменения его температуры
- Нагреть тело до определённой температуры — температуры плавления — верно
> Кристаллические тела начинают плавиться только после того, как их температура достигнет строго определённого значения.

**Как изменяется температура льда в процессе его таяния при $0\ ^{\circ}\mathrm{C}$?**
- Температура остаётся неизменной до тех пор, пока весь лёд не растает — верно
- Температура непрерывно растёт по мере поглощения тепла
- Температура сначала понижается, а затем резко возрастает
- Температура скачкообразно поднимается до температуры окружающей среды
> Во время фазового перехода кристаллического вещества вся поступающая энергия идёт на разрушение кристаллической решётки, поэтому температура не меняется.

**Что называют температурой плавления вещества?**
- Температуру, при которой вещество начинает закипать
- Температуру, при которой вещество плавится — верно
- Максимальную температуру, до которой можно нагреть жидкую фазу
- Температуру окружающей среды, при которой прекращается теплообмен
> Это фиксированная температура, при которой кристаллическое вещество переходит из твёрдого состояния в жидкое.

**За счёт какого процесса повышается температура льда, оставленного в стакане на столе?**
- За счёт теплообмена с окружающей средой — верно
- За счёт внутренней энергии, выделяющейся при распаде кристаллов
- Из-за химической реакции льда с термометром
- За счёт трения между растолчёнными кусочками льда
> Воздух в комнате отдаёт тепло более холодному стакану со льдом, благодаря чему температура льда повышается.

**При какой температуре начинает таять лёд в описанном опыте?**
- При любой температуре выше $-50\ ^{\circ}\mathrm{C}$
- $100\ ^{\circ}\mathrm{C}$
- $-10\ ^{\circ}\mathrm{C}$
- $0\ ^{\circ}\mathrm{C}$ — верно
> Для льда при нормальных условиях температура плавления составляет $0\ ^{\circ}\mathrm{C}$.

**В какое агрегатное состояние переходит весь лёд через некоторое время после начала таяния?**
- В жидкое состояние — верно
- В газообразное состояние
- В аморфное состояние
- В плазменное состояние
> Результатом процесса плавления твёрдого тела является его полный переход в жидкую фазу.

**Остаётся ли температура льда неизменной, если продолжить подводить к нему тепло во время плавления?**
- Да, температура неизменна до полного завершения плавления — верно
- Нет, температура снизится до абсолютного нуля
- Нет, температура начнёт быстро расти с первой секунды плавления
- Да, температура останется постоянной навсегда, даже после превращения в воду
> Пока в сосуде остается хотя бы часть твёрдого кристаллического вещества, температура смеси не меняется.

## 2. Отвердевание и график: то же самое, но в обратную сторону

*Сравнение плавления и отвердевания и чтение «полочки» на графике*

Теперь пустим процесс назад. Расплавленное тело остывает: сначала температура падает, потом тело начинает затвердевать, и опять температура застывает на одном значении. Отвердевание начинается при определённой температуре, до которой расплавленное тело нужно охладить.

**Отвердевание (кристаллизация)**

Переход вещества из жидкого состояния в твёрдое называют **отвердеванием** или **кристаллизацией**.

**Аналогия.** Как растаявший воск снова становится твёрдой свечой: жидкое состояние постепенно переходит обратно в твёрдое.

**Мнемоническая зацепка.** «КРИСТАЛЛизация» → **КРИСТАЛЛ**: жидкое вещество превращается в твёрдое, образуя кристаллическую структуру.

**Температура отвердевания**

Температуру, при которой вещество отвердевает (кристаллизуется), называют **температурой отвердевания** или **кристаллизации**. Обозначение: $t_{\text{отв}}$. Единица измерения: °C.

**Аналогия.** Это как обратная отметка на термометре: расплавленное вещество охлаждают до этой температуры, и начинается его переход в твёрдое состояние.

**Мнемоническая зацепка.** $t_{\text{отв}}$ → «ОТВ» = **ОТВердевание**: обозначение напоминает название процесса.

**Как это держать в голове**

**Аналогия.** Отвердевание — это тот же путь между двумя состояниями, но в обратную сторону: при плавлении твёрдое становится жидким, при отвердевании жидкое становится твёрдым.

**Оговорка.** Это образ, а не определение. Канон один: отвердевание (кристаллизация) — переход из жидкого состояния в твёрдое.

**Мнемоническая зацепка.** «ОТВ» → **ОТВердение**: при остывании жидкое вещество возвращается в твёрдое состояние.

**Главное: температуры совпадают**

При неизменном внешнем давлении вещества отвердевают при той же температуре, при которой плавятся: $t_{\text{отв}} = t_{\text{пл}}$. Поэтому отдельной таблицы для отвердевания нет. Берём ту же таблицу 3.

**Плавление и отвердевание: две стороны одного процесса**

| Признак | Плавление | Отвердевание |
| --- | --- | --- |
| Переход | твёрдое → жидкое | жидкое → твёрдое |
| Как ещё называют | — | кристаллизация |
| Температура | $t_{\text{пл}}$ | $t_{\text{отв}} = t_{\text{пл}}$ |
| Во время процесса | температура не изменяется | температура не изменяется |
| Что нужно сделать с телом | нагреть до $t_{\text{пл}}$ | охладить до $t_{\text{отв}}$ |

**Как это выглядит на графике.** На графике по горизонтали откладывают время (или отданное и полученное тепло), по вертикали — температуру.

- При нагревании твёрдого тела линия идёт вверх.
- Когда начинается плавление, линия ложится на **горизонтальную «полочку»**: температура не меняется. Высота полочки — это $t_{\text{пл}}$.
- Когда всё расплавилось, линия снова идёт вверх.

При остывании картина зеркальная. Линия идёт вниз, потом «полочка» на уровне $t_{\text{отв}}$, потом снова вниз. Горизонтальный участок — всегда признак плавления или отвердевания. Именно такие задания дают на ОГЭ: нужно показать, какой участок графика что описывает. Приём один: ищи полочку.

**Пример: Расплавленный свинец остывает**

1. Свинец в жидком состоянии, его температура выше $327$ °C. Его начинают охлаждать.
2. Температура падает до $327$ °C. Это $t_{\text{отв}}$ свинца: она равна $t_{\text{пл}} = 327$ °C.
3. Дальше свинец отвердевает, и температура остаётся $327$ °C, пока не затвердеет весь.
4. Только после этого твёрдый свинец остывает ниже $327$ °C. На графике это линия вниз, полочка и снова линия вниз.

**Неправильно:** Пока тело плавится, его температура растёт, ведь тепло продолжают подводить.
**Правильно:** Во время плавления температура вещества не изменяется. Тепло идёт на переход в жидкое состояние. Температура снова растёт только после того, как всё вещество расплавилось.

**Проверь себя:** На графике остывания видна горизонтальная полочка на уровне $0$ °C. Какое вещество и какой процесс?
**Ответ:** Вода в лёд. Идёт отвердевание, $t_{\text{отв}} = t_{\text{пл}} = 0$ °C. Для льда $t_{\text{пл}}$ равна $0$ °C.

**Сравнение с аморфными телами**

Требуемое программой сравнение плавления кристаллических тел и размягчения аморфных тел в приложенном первоисточнике явно не раскрыто. Поэтому отдельного канонического сравнения по этому вопросу в уроке нет.

## Ключевые термины

- **Плавление** — Переход вещества из твёрдого состояния в жидкое.
- **Температура плавления** — Температура, при которой вещество плавится.
- **Отвердевание (кристаллизация)** — Переход вещества из жидкого состояния в твёрдое.
- **Температура отвердевания (кристаллизации)** — Температура, при которой вещество отвердевает (кристаллизуется).

## Итог

- Плавление — переход из твёрдого состояния в жидкое, отвердевание (кристаллизация) — из жидкого в твёрдое.
- Чтобы расплавить кристаллическое тело, его сначала нагревают до $t_{\text{пл}}$. Во время плавления температура не изменяется.
- У разных веществ $t_{\text{пл}}$ разная, её берут из таблицы.
- При неизменном давлении $t_{\text{отв}} = t_{\text{пл}}$.
- На графике плавление и отвердевание — горизонтальная полочка.

## Шпаргалка

### Термины и обозначения

- **Плавление** — переход из твёрдого состояния в жидкое
- **Отвердевание (кристаллизация)** — переход из жидкого состояния в твёрдое
- **$t_{\text{пл}}$** — температура, при которой вещество плавится, °C
- **$t_{\text{отв}}$** — температура отвердевания (кристаллизации), °C
- **$t_{\text{отв}} = t_{\text{пл}}$** — при неизменном внешнем давлении

### Плавление и отвердевание

|  | Плавление | Отвердевание |
| --- | --- | --- |
| Переход | твёрдое → жидкое | жидкое → твёрдое |
| Температура | $t_{\text{пл}}$ | $t_{\text{отв}} = t_{\text{пл}}$ |
| Во время процесса | не изменяется | не изменяется |
| Тело нужно | нагреть до $t_{\text{пл}}$ | охладить до $t_{\text{отв}}$ |

### Читаем график температуры

1. **Найди полочку** — горизонтальный участок — плавление или отвердевание
2. **Определи уровень** — высота полочки — это $t_{\text{пл}}$ вещества
3. **Выбери процесс** — линия шла вверх — плавление, вниз — отвердевание
4. **Сравни с таблицей** — по $t_{\text{пл}}$ определи вещество

## Любопытное

- Самый тугоплавкий металл в таблице — вольфрам: он плавится при $3387$ °C. Именно поэтому из него делают спирали ламп накаливания.
- Ртуть плавится при $-39$ °C, поэтому при комнатной температуре она жидкая.
- Цезий плавится уже при $29$ °C. Это ниже температуры человеческого тела, так что кусочек цезия в руке начал бы таять.