В то время как химически чистые материалы имеют единую температуру плавления, химические смеси часто частично плавятся при температуре солидуса (TS или Tsol), и полностью плавятся при более высокой температуре ликвидуса (TL или Tliq). Солидус всегда меньше или равен ликвидусу, но они не обязательно совпадают. Если между солидусом и ликвидусом существует зазор, он называется интервалом замерзания, и внутри этого зазора вещество состоит из смеси твердой и жидкой фаз (как суспензия). Так обстоит дело, например, с системой оливин (форстерит-фаялит), которая распространена в мантии Земли.
Определения
В химии, материаловедении и физике температура ликвидуса определяет температуру, выше которой материал становится полностью жидким, и максимальную температуру, при которой кристаллы могут сосуществовать с расплавом в термодинамическом равновесии. Солидус — это точка температур (кривая на фазовой диаграмме), ниже которой данное вещество становится полностью твердым (кристаллизуется). Температура солидуса определяет температуру, ниже которой материал становится полностью твердым, и минимальную температуру, при которой расплав может сосуществовать с кристаллами в термодинамическом равновесии.
Ликвидус и солидус в основном используются для нечистых веществ (смесей), таких как стекла, сплавы металлов, керамика, горные породы и минералы. Линии ликвидуса и солидуса появляются на фазовых диаграммах бинарных твердых растворов, а также в эвтектических системах вдали от инвариантной точки.
Когда различие не имеет значения
Для чистых элементов или соединений, например, чистой меди, чистой воды и т. д., ликвидус и солидус находятся при одной и той же температуре, и можно использовать термин «температура плавления».
Существуют также некоторые смеси, которые плавятся при определенной температуре, известной как конгруэнтное плавление. Одним из примеров является эвтектическая смесь. В эвтектической системе существует определенное соотношение смешивания, при котором температуры солидуса и ликвидуса совпадают в точке, известной как инвариантная точка. В инвариантной точке смесь претерпевает эвтектическую реакцию, при которой оба твердых вещества плавятся при одной и той же температуре.
Моделирование и измерение
Существует несколько моделей, используемых для прогнозирования кривых ликвидуса и солидуса для различных систем.
Подробные измерения солидуса и ликвидуса можно выполнить с помощью таких методов, как дифференциальная сканирующая калориметрия и дифференциальный термический анализ.
Последствия
Для нечистых веществ, например, сплавов, меда, безалкогольных напитков, мороженого и т. д., точка плавления расширяется до интервала плавления. Если температура находится в пределах интервала плавления, можно увидеть «суспензии» в равновесии, т. е. суспензия не будет полностью затвердевать или плавиться. Вот почему новый снег высокой чистоты на горных вершинах либо тает, либо остается твердым, в то время как грязный снег на земле в городах имеет тенденцию становиться скользким при определенных температурах. Сварочные ванны расплава, содержащие высокие уровни серы, либо из расплавленных примесей основного металла, либо из сварочного электрода, обычно имеют очень широкие интервалы плавления, что приводит к повышенному риску образования горячих трещин.
Поведение при охлаждении
Выше температуры ликвидуса материал однороден и жидок в равновесии. По мере охлаждения системы ниже температуры ликвидуса в расплаве будет образовываться все больше кристаллов, если подождать достаточно долго, в зависимости от материала. Альтернативно, однородные стекла могут быть получены путем достаточно быстрого охлаждения, т. е. путем кинетического ингибирования процесса кристаллизации.
Кристаллическая фаза, которая кристаллизуется первой при охлаждении вещества до температуры ликвидуса, называется первичной кристаллической фазой или первичной фазой. Диапазон состава, в пределах которого первичная фаза остается постоянной, называется полем первичной кристаллической фазы.
Температура ликвидуса важна в стекольной промышленности, поскольку кристаллизация может вызвать серьезные проблемы в процессе плавки и формования стекла, а также привести к отказу продукта.