Fusión
La fusión es un proceso físico que produce la transición de fase de una sustancia de sólido a líquido . Esto ocurre cuando la energía interna del sólido aumenta, normalmente por la aplicación de calor o presión , lo que aumenta la temperatura de la sustancia hasta el punto de fusión . En el punto de fusión, el orden de los iones o moléculas en el sólido se descompone a un estado menos ordenado y el sólido se funde para convertirse en líquido.
Las sustancias en estado fundido generalmente tienen una viscosidad reducida a medida que aumenta la temperatura. Una excepción a este principio es el azufre elemental , cuya viscosidad aumenta en el rango de 160 °C a 180 °C debido a la polimerización . [1]
Algunos compuestos orgánicos se funden a través de mesofases , estados de orden parcial entre sólido y líquido.
Transición de fase de primer orden
Desde un punto de vista termodinámico , en el punto de fusión el cambio en la energía libre de Gibbs ∆G de las sustancias es cero, pero hay cambios no nulos en la entalpía ( H ) y la entropía ( S ), conocidas respectivamente como la entalpía de fusión (o calor latente de fusión) y la entropía de fusión . Por lo tanto, la fusión se clasifica como una transición de fase de primer orden . La fusión ocurre cuando la energía libre de Gibbs del líquido se vuelve menor que la del sólido para ese material. La temperatura a la que esto ocurre depende de la presión ambiental.
El helio de baja temperatura es la única excepción conocida a la regla general. [2] El helio-3 tiene una entalpía de fusión negativa a temperaturas inferiores a 0,3 K. El helio-4 también tiene una entalpía de fusión ligeramente negativa por debajo de 0,8 K. Esto significa que, a presiones constantes apropiadas, se debe eliminar calor de estas sustancias para fundirlas. [3]
Criterios
Entre los criterios teóricos de fusión, los criterios de Lindemann [4] y Born [5] son los más frecuentemente utilizados como base para analizar las condiciones de fusión.
El criterio de Lindemann establece que la fusión se produce debido a la "inestabilidad vibracional", p. ej. los cristales se funden; cuando la amplitud promedio de las vibraciones térmicas de los átomos es relativamente alta en comparación con las distancias interatómicas, p. ej. < δu 2 > 1/2 > δ L R s , donde δu es el desplazamiento atómico, el parámetro de Lindemann δ L ≈ 0,20...0,25 y R s es la mitad de la distancia interatómica. [6] : 177 El "criterio de fusión de Lindemann" está respaldado por datos experimentales tanto para materiales cristalinos como para transiciones vidrio-líquido en materiales amorfos.
El criterio de Born se basa en una catástrofe de rigidez causada por la desaparición del módulo elástico de corte, es decir, cuando el cristal ya no tiene suficiente rigidez para soportar mecánicamente la carga, se vuelve líquido. [7]
Superenfriamiento
En un conjunto estándar de condiciones, el punto de fusión de una sustancia es una propiedad característica. El punto de fusión suele ser igual al punto de congelación . Sin embargo, en condiciones creadas cuidadosamente, puede producirse un sobreenfriamiento o sobrecalentamiento más allá del punto de fusión o congelación. El agua sobre una superficie de vidrio muy limpia a menudo se sobreenfriará varios grados por debajo del punto de congelación sin congelarse. Se han enfriado emulsiones finas de agua pura a −38 °C sin nucleación para formar hielo . [ cita requerida ] La nucleación se produce debido a fluctuaciones en las propiedades del material. [ cita requerida ] Si el material se mantiene quieto, a menudo no hay nada (como vibración física) que desencadene este cambio, y puede producirse un sobreenfriamiento (o sobrecalentamiento). Termodinámicamente, el líquido sobreenfriado está en el estado metaestable con respecto a la fase cristalina, y es probable que cristalice de repente.
Anteojos
Los vidrios son sólidos amorfos que se fabrican generalmente cuando el material fundido se enfría muy rápidamente por debajo de su temperatura de transición vítrea, sin tiempo suficiente para que se forme una red cristalina regular. Los sólidos se caracterizan por un alto grado de conectividad entre sus moléculas, y los fluidos tienen una conectividad menor de sus bloques estructurales. La fusión de un material sólido también se puede considerar como una percolación a través de conexiones rotas entre partículas, por ejemplo, enlaces de conexión. [8] En este enfoque, la fusión de un material amorfo ocurre cuando los enlaces rotos forman un grupo de percolación con T g dependiente de parámetros termodinámicos de cuasi-equilibrio de los enlaces, por ejemplo, entalpía ( H d ) y entropía ( S d ) de formación de enlaces en un sistema dado en condiciones dadas: [9]
donde f c es el umbral de percolación y R es la constante universal de los gases.
Aunque H d y S d no son parámetros termodinámicos de equilibrio verdaderos y pueden depender de la velocidad de enfriamiento de una masa fundida, se pueden encontrar a partir de datos experimentales disponibles sobre la viscosidad de materiales amorfos .
Incluso por debajo de su punto de fusión, se pueden observar películas cuasi líquidas en las superficies cristalinas. El espesor de la película depende de la temperatura. Este efecto es común a todos los materiales cristalinos. Esta prefusión muestra sus efectos, por ejemplo, en el levantamiento por congelación, el crecimiento de copos de nieve y, teniendo en cuenta las interfaces de los límites de grano, tal vez incluso en el movimiento de los glaciares .
Concepto relacionado
En la física de pulsos ultracortos , puede producirse una fusión no térmica, que no se produce por el aumento de la energía cinética atómica, sino por los cambios del potencial interatómico debido a la excitación de los electrones. Como los electrones actúan como un pegamento que une los átomos, el calentamiento de los electrones mediante un láser de femtosegundos altera las propiedades de este "pegamento", lo que puede romper los enlaces entre los átomos y fundir un material incluso sin un aumento de la temperatura atómica. [10]
En genética , fundir ADN significa separar el ADN bicatenario en dos hebras simples mediante calor o mediante el uso de agentes químicos, la reacción en cadena de la polimerasa .
Mesa
A De | Sólido | Líquido | Gas | Plasma |
|---|---|---|---|---|
| Sólido | Fusión | Sublimación | ||
| Líquido | Congelación | Vaporización | ||
| Gas | Declaración | Condensación | Ionización | |
| Plasma | Recombinación |
Véase también
- Lista de elementos químicos que proporcionan puntos de fusión
- Diagrama de fases
- Zona de fusión
Referencias
- ^ Sofekun, Gabriel O.; Evoy, Erin; Lesage, Kevin L.; Chou, Nancy; Marriott, Robert A. (2018). "La reología del azufre elemental líquido a lo largo de la transición λ". Revista de reología . 62 (2). Sociedad de reología: 469–476. Código Bibliográfico :2018JRheo..62..469S. doi : 10.1122/1.5001523 . ISSN 0148-6055.
- ^ Atkins, Peter; Jones, Loretta (2008), Principios químicos: la búsqueda de conocimiento (4.ª ed.), WH Freeman and Company, pág. 236, ISBN 978-0-7167-7355-9
- ^ Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana (2000), Termodinámica química: aplicaciones avanzadas , Academic Press, págs. 92-93, ISBN 978-0-12-530985-1
- ^ Lindemann, FA (1910). "Über die Berechnung molekularer Eigenfrequenzen". Physikalische Zeitschrift (en alemán). 11 (14): 609–614.
- ^ Born, Max (1939). "Termodinámica de cristales y fusión". The Journal of Chemical Physics . 7 (8). AIP Publishing: 591–603. Bibcode :1939JChPh...7..591B. doi :10.1063/1.1750497. ISSN 0021-9606.
- ^ Stuart A. Rice (15 de febrero de 2008). Avances en física química . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-23807-3.
- ^ Robert W. Cahn (2001) Ciencia de los materiales: fusión desde dentro, Nature 413 (#6856)
- ^ Park, Sung Yong; Stroud, D. (11 de junio de 2003). "Teoría de la fusión y propiedades ópticas de nanocompuestos de oro/ADN". Physical Review B . 67 (21). American Physical Society (APS): 212202. arXiv : cond-mat/0305230 . Bibcode :2003PhRvB..67u2202P. doi :10.1103/physrevb.67.212202. ISSN 0163-1829. S2CID 14718724.
- ^ Ojovan, Michael I; Lee, William (Bill) E (2010). "Conectividad y transición vítrea en sistemas de óxido desordenados". Journal of Non-Crystalline Solids . 356 (44–49). Elsevier BV: 2534–2540. Bibcode :2010JNCS..356.2534O. doi :10.1016/j.jnoncrysol.2010.05.012. ISSN 0022-3093.
- ^ Medvedev, Nikita; Li, Zheng; Ziaja, Beata (2015). "Fusión térmica y no térmica de silicio bajo irradiación de rayos X de femtosegundos". Physical Review B . 91 (5): 054113. arXiv : 1504.05053 . Código Bibliográfico :2015PhRvB..91e4113M. doi :10.1103/PhysRevB.91.054113. S2CID 49258288.
Enlaces externos
