Palitra21.ru

Домашний уют — журнал
10 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Сайт для сварщиков

Каждый металл и их сплавы имеют различные свойства. Одно из таких свойств — температура плавления. Каждый металл плавится при разной температуре. Все что нужно для перевода вещества из твёрдого состояния в жидкое — источник тепла, который будет разогревать металл до определенной температуры.

Так как у каждого металла температура плавления различная, можно определить менее устойчивый металл к температуре и более. Так самый легкоплавкий металл — ртуть, он готов перейти в жидкое состоянии при температуре равно 39 градусов по цельсию. А вот вольфрам( из чего собственно и сделаны вольфрамовые электроды для аргоновой сварки), расплавится только по достижению температуры в 3422 градусов цельсии.

Что касается сплавов, таких как сталь и прочих, определить температуру, при которой те будут плавиться, довольно сложно. Вся сложность в их составе… Так как состав разный, то и температура плавления различная. Как правило, для сплавов указывается диапазон температур, при которых он будет плавиться. Вообще, температура плавления металлов интересная тема.

Что такое отвердевание

Наблюдения показывают, что если расплавленное вещество охладить, то при достижении температуры Tотв (температура отвердевания) начинается обратный процесс перехода из жидкого состояния в твердое. Этот фазовый переход называется отвердеванием или кристаллизацией. Экспериментально доказано, что для кристаллических тел Tпл = Tотв. “Горячие” молекулы”, при охлаждении теряют скорость и отдают тепло в окружающую среду. Внутренняя энергия уменьшается, частицы под воздействием сил молекулярного взаимодействия начинают “занимать” постоянные места, восстанавливая структуру решетки.

Процессы плавления и отвердевания происходят не скачкообразно, а постепенно, так, что одновременно могут соседствовать твердая и жидкая компоненты. Эксперименты показывают, что до окончания плавления (или отвердевания) всей массы вещества, его температура остается постоянной.

Металлы, температура плавления которых больше 1650 0 С, называют тугоплавкими. Например, температура плавления вольфрама равна 3370 0 С. Поэтому из него делают долговечные нити накаливания для ламп. Тугоплавкие металлы и их сплавы незаменимы в ракетостроении, атомной энергетике, металлургии, космической технике — везде, где необходимы высокие жаропрочные свойства.

Послесловие

Первым делом надо четко сказать, что наша модель, безусловно, очень упрощенная и даже искусственная. Она не учитывает ни реальный вид решетки, ни реальное взаимодействие молекул, ни квантовых эффектов, ни блуждание молекул сверху поверхности, ни то, как потеря кристаллического порядка проникает вглубь кристалла. Но она ничего этого и не должна была учитывать. Главная задача этой модели — преодолеть страх, который возникает у многих людей, интересующихся современной физикой, когда им предлагают перейти от словесных описаний к минимальным вычислениям. Обычно считается, что любой вопрос про современную физику будет обязательно очень сложным, и разобраться с ним «простому гражданину» нереально. Вовсе нет! — многие численные оценки по порядку величины можно делать самому. Согласитесь, у этой задачи короткое решение и понятный ответ; он моментально превращает общие словесные рассуждения в четко осязаемое число. Это решение не требует никаких сложных формул, не использует никакие сокровенные знания из физики, оно вполне по силам человеку, который внимательно прочтет вступление и подумает над предложенной моделью. Надо просто не бояться делать таких попыток.

Рис. 4. Компиляция экспериментальных данных по измерению толщины квазижидкого слоя (в нанометрах) в зависимости от температуры. Все точки и линии показывают экспериментальные данные разных групп. Phys. Today 56, 50 (2005)

Возвращаясь к физике, заметим, что полученный нами ответ может показаться слишком экстремальным. На основе повседневного опыта человек обычно готов допустить, что какое-то предплавление может происходить при температурах порядка –1°C или около того. Но уж в морозилке-то (–18°C) никакого плавления не должно быть, разве не так? Опасность упования на повседневный опыт состоит в том, что мы можем непосредственно пощупать только то, что происходит с приповерхностным слоем толщиной в десятки и сотни микрон. Но в задаче речь идет про одноатомный слой! И потому, когда квазижидким остается только этот слой, повседневный опыт нам ничем не поможет, мы предплавление просто не заметим, для этого нужны тонкие методы экспериментальной физики.

Поскольку изучение льда представляет огромную ценность (как чисто научную, так и прикладную), были проведены многочисленные исследования того, что же действительно происходит на поверхности льда при понижении температуры. Самые первые опыты, косвенно демонстрирующие наличие квазижидкого поверхностного слоя, ставил еще Майкл Фарадей в 1850-е годы. Правда, его интерпретация экспериментов встретила жесткие возражения коллег, поэтому в течение целого столетия этот вопрос оставался в тени. К нему физики всерьез вернулись только во второй половине XX века, и самыми разными методами доказали наличие этого слоя и изучили разнообразные его характеристики. Состояние этой науки на конец 1970-х годов отражено в прекрасной научно-популярной книжке японского физика Н. Маэно «Наука о льде», переведенной в 1988 году на русский язык.

Читать еще:  Какие свойства придает вольфрам стали. Значение «вольфрамовая сталь

Правда, по мере накопления данных ситуация с экспериментальными результатами, казалось, только запутывается. Например, разные методики измерения толщины слоя в зависимости от температуры давали результаты, порой отличающиеся друг от друга на целый порядок (рис. 4). Но для нас важно одно: все эти эксперименты действительно видят тончайший водный слой вплоть до температур, сравнимых с той, что мы получили в рамках простейшей модели. Так что найденный ответ оказался не так уж и далек от истины!

Что касается данных, то спустя какое-то время было понято, что все эксперименты проводились в разных условиях (вакуум или атмосфера, наличие водяных паров или сухой воздух), а кроме того, на толщину квазижидкого слоя сильно влияли даже небольшие примеси посторонних веществ, растворенных во льду. Поэтому корректного сравнения пока достичь не удается, но в будущем такое «воссоединение методик» нужно будет провести.

Если же обратить внимание именно на самый-самый поверхностный слой молекул в кристалле льда, то здесь самые аккуратные данные были получены в 2001 году (статья в журнале Phys.Rev.Lett., новость на scientific.ru). С помощью спектроскопического и поляризационного анализа авторы смогли выделить сигнал от «торчащих наружу» OH-связей и измерили их ориентационную упорядоченность. Результаты (см. рис. 5) показали, что постепенная потеря упорядоченности начинается аж при –70°C! Кстати, результаты численного моделирования поведения микрокусочка льда методом молекулярной динамики тоже дают примерно такие числа.

Рис. 5. Ориентационные свойства свободных OH-связей на поверхности льда в зависимости от температуры. Черные точки (шкала слева) показывают ориентационный порядок (1 — идеальный порядок, 0 — полный беспорядок), белые точки (шкала справа) показывают средний угол наклона OH-связей относительно перпендикуляра к поверхности. Изображение из статьи PRL 86, 1554 (2001)

Ну и напоследок скажем, что мы только по верхам коснулись одной лишь темы в этом большом разделе физики. Более подробно о структуре поверхности льда, а также о геофизических, климатических, астрофизических и повседневных последствиях этой структуры можно узнать из упомянутой уже книжки Н. Маэно «Наука о льде», а также англоязычных статей: R. Rosenberg. Why Is Ice Slippery? // Physics Today 56, 50 (2005) и J. G. Dash, A. W. Rempel, J. S. Wettlaufer. The physics of premelted ice and its geophysical consequences // Reviews of Modern Physics 78, 695–741 (2006).

Разница между температурой плавления и кипения

Точкой фазового перехода вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое нередко называют температуру плавления металла. В расплаве молекулы не имеют определенного расположения, но притяжение удерживает их вместе, в жидком состоянии кристаллическое тело сохраняет объем, но теряет форму.

При кипении теряется объем, молекулы слабо взаимодействуют, хаотично движутся во всех направлениях, отрываются от поверхности. Температура кипения – это когда давление металлических паров достигает давления внешней среды.

Для наглядности разницу между критическими точками нагрева лучше представить в виде таблицы:

СвойстваТемпература плавкиТемпература кипения
Физическое состояниеСплав превращается в расплав, кристаллическая структура разрушается, исчезает зернистостьПереход в газообразное состояние, отдельные молекулы улетают за пределы расплава
Фазовый переходРавновесие между жидкой и твердой фазамиРавновесие между давлением паров металла и внешним давлением воздуха
Влияние внешнего давленияНе меняетсяИзменяется, падает при разряжении

Фазовый переход в твердом веществе между двумя кристаллическими состояниями

Иначе ведет себя углерод. У него несколько фазовых переходов. Из жидкой формы, при отводе тепла, он переходит в кристаллическую фазу – графит; при высоком давлении более 120 000 атм. жидкий углерод кристаллизуется в алмаз. Кроме того, есть фазовый переход между двумя твердыми кристаллическими фазами: графитом и алмазом.

На рисунке красной линией показана диаграмма фазового перехода между алмазом и графитом. Температура фазового перехода зависит от давления, процессы, происходящие в твердом теле, аналогичны кристаллизации воды: если тепло подводить, то алмаз переходит в графит; если тепло отводить при соответствующем высоком давлении, то происходит переход, кристаллизация графита в алмаз. Можно видеть, что переходы между алмазом и графитом совершаются при высоких температурах и давлениях, а при нормальном давлении и температуре алмаза вроде бы и не должно быть. Действительно, при низком давлении графит нельзя превратить в алмаз. Но если алмаз образовался под воздействием высокого давления, при охлаждении и уменьшении давления он сохраняет свою структуру: это метастабильное состояние. Действительно, из всех кристаллов алмаз самый нестойкий: при нагревании до 1400°С он превращается в графит – устойчивую при нормальном давлении фазу.

Плавление аморфных веществ .

Наличие определенной точки плавления — это важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их можно легко отличить от аморфных тел, которые также относят к твердым телам. К ним, в частности, относятся стекла, очень вязкие смолы, пластмассы.

Аморфные вещества (в отличие от кристаллических) не имеют определенной температуры плавления — они не плавятся, а размягчаются. При нагревании кусок стекла, например, снача­ла становится из твердого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает менять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса принимает форму того сосуда, в котором лежит. Эта масса сначала густая, как мед, затем — как сметана и, наконец, становится почти такой же маловязкой жидкостью, как вода. Однако указать определенную температуру перехода твердого тела в жидкое здесь невозможно, поскольку ее нет.

Причины этого лежат в коренном отличии строения аморфных тел от строения кристаллических. Атомы в аморфных телах расположены беспорядочно. Аморфные тела по своему строению напоминают жидкости. Уже в твердом стекле атомы расположены беспорядочно. Значит, повы­шение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, дает им постепенно все большую и большую свободу перемещения. Поэтому стекло размягчается постепенно и не обнаруживает резкого перехода «твердое—жидкое», характерного для перехода от расположения молекул в строгом порядке к беспорядочному.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. В процессе плавления кристаллическое твёрдое тело становится жидкостью. При этом

1) уменьшается внутренняя энергия тела
2) увеличивается средняя кинетическая энергия молекул
3) увеличивается внутренняя энергия тела
4) уменьшается средняя кинетическая энергия молекул

2. В одном сосуде находится лёд при температуре 0 °С, в другом — такая же масса воды при температуре 0 °С. Внутренняя энергия льда

1) равна внутренней энергии воды
2) больше внутренней энергии воды
3) меньше внутренней энергии воды
4) равна нулю

3. На рисунке представлен график зависимости температуры от времени для процесса нагревания льда. Процессу плавления льда соответствует участок графика

1) AB
2) BC
3) CD
4) DE

4. На рисунке приведён график зависимости температуры некоторого вещества от времени. Первоначально вещество находилось в жидком состоянии. Какая точка графика соответствует началу процесса отвердевания вещества?

5. На рисунке приведён график зависимости температуры некоторого вещества от времени. Первоначально вещество находилось в жидком состоянии. Какая точка графика соответствует окончанию процесса отвердевания вещества?

6. На рисунке изображён график зависимости температуры тела от времени. Первоначально тело находилось в жидком состоянии. Какой процесс характеризует отрезок БВ?

1) нагревание
2) охлаждение
3) плавление
4) кристаллизацию

7. На рисунке представлен график зависимости температуры ​ ( t ) ​ от времени ​ ( tau ) ​ при непрерывном нагревании и последующем непрерывном охлаждении вещества, первоначально находящегося в твёрдом состоянии. В каком состоянии находится вещество в точке Е?

1) только в жидком
2) только в твёрдом
3) только в газообразном
4) часть — в жидком, часть — в твёрдом

8. Удельную теплоту плавления можно рассчитать по формуле

9. Чему равно количество теплоты, которое необходимо затратить на полное превращение 2 кг свинца в жидкое состояние, если его начальная температура 27 °С?

1) 50 кДж
2) 78 кДж
3) 128 кДж
4) 15000 кДж

10. Какое количество теплоты выделяется при превращении 500 г воды, взятой при 0 °С, в лёд при температуре -10 °С? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь.

1) 10500 Дж
2) 175 500 Дж
3) 165 000 Дж
4) 10500 Дж

11. На рисунке представлен график зависимости температуры некоторого вещества от полученного количества теплоты. Первоначально вещество находилось в твёрдом состоянии.

Используя данные графика, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) Удельная теплоёмкость вещества в твёрдом состоянии равна удельной теплоёмкости вещества в жидком состоянии.
2) Температура кипения вещества равна tx.
3) В точке В вещество находится в твёрдом состоянии.
4) В процессе перехода из состояния Б в состояние В внутренняя энергия вещества увеличивается.
5) Участок графика ГД соответствует процессу плавления вещества.

12. На рисунке представлены графики зависимости температуры от полученного количества теплоты для двух веществ одинаковой массы. Первоначально каждое из веществ находилось в твёрдом состоянии.

Используя данные графиков, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) Удельная теплоёмкость первого вещества в твёрдом состоянии меньше удельной теплоёмкости второго вещества в твёрдом состоянии.
2) В процессе плавления первого вещества было израсходовано большее количество теплоты, чем в процессе плавления второго вещества.
3) Представленные графики не позволяют сравнить температуры кипения двух веществ.
4) Температура плавления второго вещества выше.
5) Удельная теплота плавления у второго вещества больше.

Часть 2

13. Зависимость температуры 1 л воды от времени при непрерывном охлаждении представлена на графике. Какое количество теплоты выделилось при кристаллизации воды и охлаждении льда?

Нюансы переработки платинового сырья

От примесей металл очищается сначала механическим способом, затем с применением химических веществ. Последний позволяет улучшить качество сплава и повысить его свойства.

Платиновые слитки нагреваются в специальных емкостях. Туда же добавляется царская водка. Таким образом, отделяются и растворяются ненужные неблагородные металлы и осадок с содержанием других элементов, который не поддается растворению.

Осадки необходимо отфильтровать и обработать царской водкой. Такие вещества как осмий и иридий идут на промышленные нужды, поэтому их после обработки сплава извлекают из котлов.

Образовавшиеся в процессе обработки осмий, палладий и иридий необходимо преобразовать. Это необходимо для того чтобы хлористый аммоний, добавляемый в состав, не мог на них влиять, и они не выпали в осадок. Для этого раствор изменяется прогревом с серной и щавелевой кислотами.

После ввода хлор-аммония платина выпадет в осадок в виде золотистых гранул. Ее извлекают и очищают нашатырем. Готовый продукт просушивают и используют по назначению.


Промышленная плавка платины

Способы плавления

При плавке благородных металлов и сплавов необходимо создать такие условия, при которых минимизируются их потери.

Плавят платину и ее сплавы в тигельных индукционных печах из оксида кальция, магнезита или оксида циркония. Емкости для плавки изготовляют из огнеупорных материалов. Если нужно получить изделие без примесей кальция или магния, можно использовать тигли из оксидов тория или циркония.

В качестве сырья для плавления используют разную платину: губчатую, спрессованную и в брикетах. Можно использовать также скрап. Дополнительные компоненты вводят в расплавленную платину при температуре 1850-1900 градусов по Цельсию. Несмотря на слабое взаимодействие платины с печными газами, плавку нужно вести очень быстро, не допуская раскисления металла.


Плавление платины в домашних условиях

Прочность металлов

Помимо способности перехода из твердого в жидкое состояние, одним из важных свойств материала является его прочность — возможность твердого тела сопротивлению разрушению и необратимым изменениям формы. Основным показателем прочности считается сопротивление возникающее при разрыве заготовки, предварительно отожженной. Понятие прочности не применимо к ртути, поскольку она находится в жидком состоянии. Обозначение прочности принято в МПа — Мега Паскалях.

Существуют следующие группы прочности металлов:

  • Непрочные. Их сопротивление не превышает 50МПа. К ним относят олово, свинец, мягкощелочные металлы
  • Прочные, 50−500МПа. Медь, алюминий, железо, титан. Материалы этой группы являются основой многих конструкционных сплавов.
  • Высокопрочные, свыше 500МПа. Например, молибден и вольфрам.

Таблица прочности металлов

МеталлСопротивление, МПа
Медь200−250
Серебро150
Олово27
Золото120
Свинец18
Цинк120−140
Магний120−200
Железо200−300
Алюминий120
Титан580

Наиболее распространенные в быту сплавы

Как видно из таблицы, точки плавления элементов сильно разнятся даже у часто встречающихся в быту материалов.

Так, минимальная температура плавления у ртути -38,9 °C, поэтому в условиях комнатной температуры она уже в жидком состоянии. Именно этим объясняется то, что бытовые термометры имеют нижнюю отметку в -39 градусов Цельсия: ниже этого показателя ртуть переходит в твердое состояние.

Припои, наиболее распространенные в бытовом применении, имеют в своем составе значительный процент содержания олова, имеющего точку плавления 231.9 °C, поэтому большая часть припоев плавится при рабочей температуре паяльника 250−400°C.

Помимо этого, существуют легкоплавкие припои с более низкой границей расплава, до 30 °C и применяются тогда, когда опасен перегрев спаиваемых материалов. Для этих целей существуют припои с висмутом, и плавка данных материалов лежит в интервале от 29,7 — 120 °C.

Расплавление высокоуглеродистых материалов в зависимости от легирующих компонентов лежит в границах от 1100 до 1500 °C.

Точки плавления металлов и их сплавов находятся в очень широком температурном диапазоне, от очень низких температур (ртуть) до границы в несколько тысяч градусов. Знание этих показателей, а так же других физических свойств очень важно для людей, которые работают в металлургической сфере. Например, знание того, при какой температуре плавится золото и другие металлы пригодятся ювелирам, литейщикам и плавильщикам.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector