Плавление или слитый , представляет собой физический процесс , который приводит к фазовому переходу в виде вещества от а твердого вещества к жидкости . Это происходит, когда внутренняя энергия твердого тела увеличивается, обычно за счет приложения тепла или давления , которые повышают температуру вещества до точки плавления . В точке плавления упорядочение ионов или молекул в твердом теле нарушается до менее упорядоченного состояния, и твердое тело « плавится», превращаясь в жидкость.
Вещества в расплавленном состоянии обычно имеют пониженную вязкость при повышении температуры. Исключением из этого принципа является элементная сера , вязкость которой увеличивается в диапазоне от 160 ° C до 180 ° C из-за полимеризации . [1]
Некоторые органические соединения плавятся через мезофазы , состояния частичного порядка между твердым телом и жидкостью.
Фазовый переход первого рода [ править ]
С точки зрения термодинамики, в точке плавления изменение свободной энергии Гиббса ∆G веществ равно нулю, но есть ненулевые изменения энтальпии ( H ) и энтропии ( S ), известные соответственно как энтальпия плавления (или скрытой теплоты плавления) и энтропии плавления . Поэтому плавление классифицируется как фазовый переход первого рода . Плавление происходит, когда свободная энергия Гиббса жидкости становится ниже, чем у твердого вещества для этого материала. [2] [3] Температура, при которой это происходит, зависит от давления окружающей среды.
Низкотемпературный гелий - единственное известное исключение из общего правила. [4] Гелий-3 имеет отрицательную энтальпию плавления при температурах ниже 0,3 К. Гелий-4 также имеет очень незначительную отрицательную энтальпию плавления ниже 0,8 К. Это означает, что при соответствующих постоянных давлениях тепло должно отводиться от этих веществ. чтобы растопить их. [5]
Критерии [ править ]
Среди теоретических критериев плавления наиболее часто используются критерии Линдеманна [6] и Борна [7] в качестве основы для анализа условий плавления.
Критерий Линдемана утверждает, что плавление происходит из-за «колебательной нестабильности» , например, кристаллы плавятся; когда средняя амплитуда тепловых колебаний атомов относительно высока по сравнению с межатомными расстояниями, например < δu 2 > 1/2 > δ L R s , где δu - атомное смещение, параметр Линдемана δ L ≈ 0,20 ... 0,25 и R s составляет половину межатомного расстояния. [8] : 177 «Lindemann критерий плавления» подтверждается экспериментальными данными как для кристаллическогоматериалы и переходы стекло-жидкость в аморфных материалах.
Критерий Борна основан на катастрофе жесткости, вызванной исчезающим модулем упругости сдвига, т.е. когда кристалл больше не имеет достаточной жесткости, чтобы механически выдерживать нагрузку, он становится жидким. [9]
Переохлаждение [ править ]
При стандартном наборе условий температура плавления вещества является характерным свойством. Температура плавления часто равна температуре замерзания . Однако при тщательно созданных условиях может произойти переохлаждение или перегрев выше точки плавления или замерзания. Вода на очень чистой стеклянной поверхности часто переохлаждается на несколько градусов ниже точки замерзания, не замерзая. Мелкие эмульсии чистой воды охлаждались до -38 ° C без образования зародышей с образованием льда . [ необходима цитата ] Зарождение зародышей происходит из-за колебаний свойств материала. [ необходима цитата ]Если материал остается неподвижным, часто нет ничего (например, физической вибрации), чтобы вызвать это изменение, и может произойти переохлаждение (или перегрев). Термодинамически переохлажденная жидкость находится в метастабильном состоянии по отношению к кристаллической фазе и, вероятно, внезапно кристаллизуется.
Очки [ править ]
Стекла представляют собой аморфные твердые вещества , которые обычно изготавливаются, когда расплавленный материал очень быстро охлаждается до температуры ниже его температуры стеклования, без достаточного времени для образования регулярной кристаллической решетки. Твердые тела характеризуются высокой степенью связи между их молекулами, а жидкости имеют более низкую связность своих структурных блоков. Плавление твердого материала также можно рассматривать как просачивание через разорванные связи между частицами, например, соединительные связи. [10] В этом подходе плавление аморфного материала происходит, когда разорванные связи образуют перколяционный кластер с T g, зависящим от квазиравновесных термодинамических параметров связей, например, от энтальпии ( H d ) и энтропии (S г ) образования связей в данной системе при данных условиях: [11]
где f c - порог перколяции, R - универсальная газовая постоянная.
Хотя H d и S d не являются термодинамическими параметрами истинного равновесия и могут зависеть от скорости охлаждения расплава, их можно найти из имеющихся экспериментальных данных по вязкости аморфных материалов .
Даже ниже точки плавления квазижидкие пленки можно наблюдать на кристаллических поверхностях. Толщина пленки зависит от температуры. Этот эффект характерен для всех кристаллических материалов. Эффект предварительного таяния проявляется, например, в морозном пучение, росте снежинок и, с учетом границ раздела зерен, возможно, даже в движении ледников .
Связанное понятие [ править ]
В генетике плавление ДНК означает разделение двухцепочечной ДНК на две одинарные цепи путем нагревания или использования химических агентов, полимеразной цепной реакции .
Таблица [ править ]
 | К | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Твердый | Жидкость | Газ | Плазма | ||
| Из | Твердый | Плавление | Сублимация | ||
| Жидкость | Замораживание | Испарение | |||
| Газ | Осаждение | Конденсация | Ионизация | ||
| Плазма | Рекомбинация | ||||
См. Также [ править ]
- Список химических элементов, обеспечивающих точки плавления
- Фазовая диаграмма
- Зона плавления
Ссылки [ править ]
- ^ Sofekun, Габриэль O .; Эвой, Эрин; Лесаж, Кевин Л .; Чоу, Нэнси; Марриотт, Роберт А. (2018). «Реология жидкой элементарной серы через λ-переход» . Журнал реологии . Общество реологии. 62 (2): 469–476. Bibcode : 2018JRheo..62..469S . DOI : 10.1122 / 1.5001523 . ISSN 0148-6055 .
- ↑ Аткинс, П. У. (Питер Уильям), 1940 - автор. (2017). Элементы физической химии . ISBN 978-0-19-879670-1. OCLC 982685277 .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
- ^ Педерсен, Ульф Р .; Костильола, Лоренцо; Бейли, Николас П .; Schrøder, Thomas B .; Дайр, Джепп К. (2016). «Термодинамика замерзания и плавления» . Nature Communications . 7 (1): 12386. Bibcode : 2016NatCo ... 712386P . DOI : 10.1038 / ncomms12386 . ISSN 2041-1723 . PMC 4992064 . PMID 27530064 .
- ^ Аткинс, Питер; Джонс, Лоретта (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4-е изд.), WH Freeman and Company, p. 236, ISBN 978-0-7167-7355-9
- ^ Отт, Дж. Беван; Берио-Гоутс, Джулиана (2000), Химическая термодинамика: передовые приложения , Academic Press, стр. 92–93, ISBN 978-0-12-530985-1
- Перейти ↑ Lindemann, FA (1910). "Über die Berechnung molkularer Eigenfrequenzen" . Physikalische Zeitschrift (на немецком языке). 11 (14): 609–614.
- ^ Родился, Макс (1939). «Термодинамика кристаллов и плавления». Журнал химической физики . Издательство AIP. 7 (8): 591–603. Полномочный код : 1939JChPh ... 7..591B . DOI : 10.1063 / 1.1750497 . ISSN 0021-9606 .
- ↑ Стюарт А. Райс (15 февраля 2008 г.). Успехи химической физики . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-470-23807-3.
- ^ Роберт В. Кан (2001) Материаловедение: плавление изнутри , природа 413 (# 6856)
- ^ Пак, Сон Юн; Страуд, Д. (11 июня 2003 г.). «Теория плавления и оптические свойства нанокомпозитов золото / ДНК». Physical Review B . Американское физическое общество (APS). 67 (21): 212202. arXiv : cond-mat / 0305230 . Bibcode : 2003PhRvB..67u2202P . DOI : 10.1103 / Physrevb.67.212202 . ISSN 0163-1829 . S2CID 14718724 .
- ^ Охован, Майкл I; Ли, Уильям (Билл) Э (2010). «Связность и стеклование в неупорядоченных оксидных системах». Журнал некристаллических твердых тел . Elsevier BV. 356 (44–49): 2534–2540. Bibcode : 2010JNCS..356.2534O . DOI : 10.1016 / j.jnoncrysol.2010.05.012 . ISSN 0022-3093 .
Внешние ссылки [ править ]
- Словарное определение плавления в Викисловаре
