stringtranslate.com

плавление

Тающие кубики льда иллюстрируют процесс плавления.

Плавление , или плавление , представляет собой физический процесс, приводящий к фазовому переходу вещества из твердого состояния в жидкость . Это происходит, когда внутренняя энергия твердого тела увеличивается, обычно за счет применения тепла или давления , что повышает температуру вещества до точки плавления . При температуре плавления упорядоченность ионов или молекул в твердом теле нарушается до менее упорядоченного состояния, и твердое вещество плавится, превращаясь в жидкость.

Вещества в расплавленном состоянии обычно имеют пониженную вязкость при повышении температуры. Исключением из этого принципа является элементарная сера , вязкость которой увеличивается в диапазоне от 160°С до 180°С вследствие полимеризации . [1]

Некоторые органические соединения плавятся через мезофазы — состояния частичного порядка между твердым телом и жидкостью.

Фазовый переход первого рода

С точки зрения термодинамики , при температуре плавления изменение свободной энергии Гиббса ∆G веществ равно нулю, но существуют ненулевые изменения энтальпии ( H ) и энтропии ( S ), известных 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 тела 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 незначительно отрицательную энтальпию плавления ниже 0,8 К. Это означает, что при соответствующих постоянных давлениях от этих веществ необходимо отводить тепло. чтобы их расплавить. [5]

Критерии

Среди теоретических критериев плавления наиболее часто в качестве основы для анализа условий плавления используются критерии Линдеманна [6] и Борна [7] .

Критерий Линдеманна утверждает, что плавление происходит из-за «колебательной нестабильности», например, плавление кристаллов ; когда средняя амплитуда тепловых колебаний атомов сравнительно велика по сравнению с межатомными расстояниями, например < δu 2 > 1/2 > δ L R s , где δu — смещение атома, параметр Линдемана δ L ≈ 0,20...0,25 и R s — половина межатомного расстояния. [8] : 177  «Критерий плавления Линдемана» подтверждается экспериментальными данными как для кристаллических материалов, так и для переходов стекло-жидкость в аморфных материалах.

Критерий Борна основан на катастрофе жесткости, вызванной исчезновением модуля упругого сдвига, т.е. когда кристалл больше не имеет достаточной жесткости, чтобы механически выдерживать нагрузку, он становится жидким. [9]

Переохлаждение

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, превышающий точку плавления или замерзания. Вода на очень чистой стеклянной поверхности часто переохлаждается на несколько градусов ниже точки замерзания, не замерзая. Мелкодисперсные эмульсии чистой воды охлаждаются до −38 °C без образования зародышей с образованием льда . [ нужна цитация ] Зародышеобразование происходит из-за колебаний свойств материала. [ нужна цитата ] Если материал хранится неподвижно, часто нет ничего (например, физической вибрации), которое могло бы 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

Стекла представляют собой аморфные твердые вещества , которые обычно изготавливаются, когда расплавленный материал очень быстро охлаждается до температуры ниже температуры стеклования, без достаточного времени для формирования регулярной кристаллической решетки. Твердые тела характеризуются высокой степенью связности между их молекулами, а жидкости – меньшей связностью 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 d ) образования связей. в данной системе при данных условиях: [11]

где f c — порог перколяции, а R — универсальная газовая постоянная.

Хотя H d и S d не являются истинно равновесными термодинамическими параметрами и могут зависеть от скорости охлаждения расплава, их можно найти из имеющихся экспериментальных данных по вязкости аморфных материалов .

Даже ниже температуры плавления на кристаллических поверхностях можно наблюдать квазижидкие пленки. Толщина пленки зависит от температуры. Этот эффект является общим для всех кристаллических материалов. Это предварительное таяние проявляется, например, в морозном пучении, росте снежинок и, принимая во внимание границы раздела зерен, возможно, даже в движении ледников .

Связанное понятие

В физике ультракоротких импульсов может иметь место так называемое нетепловое плавление. Это происходит не из-за увеличения кинетической энергии атомов, а из-за изменения межатомного потенциала вследствие возбуждения электронов. Поскольку электроны действуют как клей, склеивающий атомы вместе, нагрев электронов фемтосекундным лазером изменяет свойства этого «клея», который может разорвать связи между атомами и расплавить материал даже без повышения атомной температуры. [12]

В генетике плавление ДНК означает разделение двухцепочечной ДНК на две одиночные нити путем нагревания или использования химических агентов, полимеразной цепной реакции .

Стол

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Софекун, Габриэль О.; Эвой, Эрин; Лесаж, Кевин Л.; Чоу, Нэнси; Марриотт, Роберт А. (2018). «Реология жидкой элементарной серы при λ-переходе». Журнал реологии . Общество реологии. 62 (2): 469–476. Бибкод : 2018JRheo..62..469S. дои : 10.1122/1.5001523 . ISSN  0148-6055.
  2. ^ Аткинс, PW (Питер Уильям), 1940- автор. (2017). Элементы физической химии . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-879670-1. ОКЛК  982685277. {{cite book}}: |last=имеет общее имя ( справка )CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
  3. ^ Педерсен, Ульф Р.; Костильола, Лоренцо; Бейли, Николас П.; Шредер, Томас Б.; Дайр, Йеппе К. (2016). «Термодинамика замерзания и плавления». Природные коммуникации . 7 (1): 12386. Бибкод : 2016NatCo...712386P. doi : 10.1038/ncomms12386. ISSN  2041-1723. ПМК 4992064 . ПМИД  27530064. 
  4. ^ Аткинс, Питер; Джонс, Лоретта (2008), Химические принципы: поиски понимания (4-е изд.), WH Freeman and Company, стр. 236, ISBN 978-0-7167-7355-9
  5. ^ Отт, Дж. Беван; Боэрио-Гоутс, Джулиана (2000), Химическая термодинамика: перспективные приложения , Academic Press, стр. 92–93, ISBN 978-0-12-530985-1
  6. ^ Линдеманн, Ф.А. (1910). «Über die Berechnung molekularer Eigenfrequenzen». Physikalische Zeitschrift (на немецком языке). 11 (14): 609–614.
  7. ^ Борн, Макс (1939). «Термодинамика кристаллов и плавление». Журнал химической физики . Издательство АИП. 7 (8): 591–603. Бибкод : 1939JChPh...7..591B. дои : 10.1063/1.1750497. ISSN  0021-9606.
  8. ↑ Стюарт А. Райс (15 февраля 2008 г.). Достижения химической физики . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-470-23807-3.
  9. ^ Роберт В. Кан (2001) Материаловедение: плавление изнутри, Nature 413 (# 6856)
  10. ^ Пак, Сон Ён; Страуд, Д. (11 июня 2003 г.). «Теория плавления и оптические свойства нанокомпозитов золото/ДНК». Физический обзор B . Американское физическое общество (APS). 67 (21): 212202. arXiv : cond-mat/0305230 . Бибкод : 2003PhRvB..67u2202P. doi : 10.1103/physrevb.67.212202. ISSN  0163-1829. S2CID  14718724.
  11. ^ Оджован, Майкл I; Ли, Уильям (Билл) Э (2010). «Связность и стеклование в неупорядоченных оксидных системах». Журнал некристаллических твердых тел . Эльзевир Б.В. 356 (44–49): 2534–2540. Бибкод : 2010JNCS..356.2534O. doi : 10.1016/j.jnoncrysol.2010.05.012. ISSN  0022-3093.
  12. ^ Медведев, Никита; Ли, Чжэн; Зиая, Беата (2015). «Тепловое и нетермическое плавление кремния под действием фемтосекундного рентгеновского излучения». Физический обзор B . 91 (5): 054113. arXiv : 1504.05053 . Бибкод : 2015PhRvB..91e4113M. doi : 10.1103/PhysRevB.91.054113. S2CID  49258288.

Внешние ссылки