плавление

Плавление , или , представляет собой физический процесс, приводящий к фазовому переходу вещества плавление из твердого состояния в жидкость . Это происходит, когда внутренняя энергия твердого тела увеличивается, обычно за счет применения тепла или давления вещества , что повышает температуру 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. Температура, при которой это происходит, зависит от давления окружающей среды.

Низкотемпературный гелий — единственное известное исключение из общего правила. ^{[ 2 ]} Гелий-3 имеет отрицательную энтальпию плавления при температуре ниже 0,3 К. Гелий-4 также имеет весьма незначительно отрицательную энтальпию плавления ниже 0,8 К. Это означает, что при соответствующих постоянных давлениях от этих веществ необходимо отводить тепло , чтобы расплавить их. ^{[ 3 ]}

Критерии

Среди теоретических критериев плавления Линдеманн ^{[ 4 ]} и родился ^{[ 5 ]} Критерии – это те, которые чаще всего используются в качестве основы для анализа условий плавления.

Критерий Линдеманна утверждает, что плавление происходит из-за «колебательной нестабильности», например, кристаллов плавление ; когда средняя амплитуда тепловых колебаний атомов относительно 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. ^{[ 6 ]}^: 177 «Критерий плавления Линдеманна» 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. ^{[ 7 ]}

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 ссылка ]} Зародышеобразование происходит из-за колебаний свойств материала. ^{[ нужна ссылка ]} Если материал остается неподвижным, 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. ^{[ 8 ]} 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 заданном диапазоне. система в данных условиях: ^{[ 9 ]}

T_{g}={\frac {H_{d}}{S_{d}+R\ln({\frac {1-f_{c}}{f_{c}}})}},

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, нагрев электронов фемтосекундным лазером меняет свойства этого «клея», который может разорвать связи между атомами и расплавить материал даже без повышения атомной температуры. ^{[ 10 ]}

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

Стол

Фазовые переходы вещества (
v
т
и
)
К От	Твердый	Жидкость	Газ	Плазма
Твердый		плавление	Сублимация
Жидкость	Замораживание		Испарение
Газ	Депонирование	Конденсат		Ионизация
Плазма			Рекомбинация

См. также

Список химических элементов, обеспечивающих температуру плавления
Фазовая диаграмма
Зона плавления

Ссылки

^ Софекун, Габриэль О.; Эвой, Эрин; Лесаж, Кевин Л.; Чоу, Нэнси; Марриотт, Роберт А. (2018). «Реология жидкой элементарной серы при λ-переходе» . Журнал реологии . 62 (2). Общество реологии: 469–476. Бибкод : 2018JRheo..62..469S . дои : 10.1122/1.5001523 . ISSN 0148-6055 .
^ Аткинс, Питер; Джонс, Лоретта (2008), Химические принципы: поиски понимания (4-е изд.), WH Freeman and Company, стр. 236, ISBN 978-0-7167-7355-9
^ Отт, Дж. Беван; Боэрио-Гоутс, Джулиана (2000), Химическая термодинамика: перспективные приложения , Academic Press, стр. 92–93, ISBN 978-0-12-530985-1
^ Линдеманн, Ф.А. (1910). «О расчете собственных частот молекул» . Физический журнал (на немецком языке). 11 (14): 609–614.
^ Родился Макс (1939). «Термодинамика кристаллов и плавление». Журнал химической физики . 7 (8). Издательство AIP: 591–603. Бибкод : 1939ЖЧФ...7..591Б . дои : 10.1063/1.1750497 . ISSN 0021-9606 .
^ Стюарт А. Райс (15 февраля 2008 г.). Достижения химической физики . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-470-23807-3 .
^ Роберт В. Кан (2001) Материаловедение: плавление изнутри , Nature 413 (# 6856)
^ Пак Сон Ён; Страуд, Д. (11 июня 2003 г.). «Теория плавления и оптические свойства нанокомпозитов золото/ДНК». Физический обзор B . 67 (21). Американское физическое общество (APS): 212202. arXiv : cond-mat/0305230 . Бибкод : 2003PhRvB..67u2202P . дои : 10.1103/physrevb.67.212202 . ISSN 0163-1829 . S2CID 14718724 .
^ Оджован, Майкл I; Ли, Уильям (Билл) Э (2010). «Связность и стеклование в неупорядоченных оксидных системах». Журнал некристаллических твердых тел . 356 (44–49). Эльзевир Б.В.: 2534–2540. Бибкод : 2010JNCS..356.2534O . дои : 10.1016/j.jnoncrysol.2010.05.012 . ISSN 0022-3093 .
^ 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 . дои : 10.1103/PhysRevB.91.054113 . S2CID 49258288 .

Внешние ссылки

Словарное определение плавления в Викисловаре

[Sofekun_Evoy_Lesage_Chou_2018_pp._469–476-1] Софекун, Габриэль О.; Эвой, Эрин; Лесаж, Кевин Л.; Чоу, Нэнси; Марриотт, Роберт А. (2018). «Реология жидкой элементарной серы при λ-переходе» . Журнал реологии . 62 (2). Общество реологии: 469–476. Бибкод : 2018JRheo..62..469S . дои : 10.1122/1.5001523 . ISSN 0148-6055 .

[2] Аткинс, Питер; Джонс, Лоретта (2008), Химические принципы: поиски понимания (4-е изд.), WH Freeman and Company, стр. 236, ISBN 978-0-7167-7355-9

[3] Отт, Дж. Беван; Боэрио-Гоутс, Джулиана (2000), Химическая термодинамика: перспективные приложения , Academic Press, стр. 92–93, ISBN 978-0-12-530985-1

[4] Линдеманн, Ф.А. (1910). «О расчете собственных частот молекул» . Физический журнал (на немецком языке). 11 (14): 609–614.

[5] Родился Макс (1939). «Термодинамика кристаллов и плавление». Журнал химической физики . 7 (8). Издательство AIP: 591–603. Бибкод : 1939ЖЧФ...7..591Б . дои : 10.1063/1.1750497 . ISSN 0021-9606 .

[Rice2008-6] Стюарт А. Райс (15 февраля 2008 г.). Достижения химической физики . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-470-23807-3 .

[7] Роберт В. Кан (2001) Материаловедение: плавление изнутри , Nature 413 (# 6856)

[8] Пак Сон Ён; Страуд, Д. (11 июня 2003 г.). «Теория плавления и оптические свойства нанокомпозитов золото/ДНК». Физический обзор B . 67 (21). Американское физическое общество (APS): 212202. arXiv : cond-mat/0305230 . Бибкод : 2003PhRvB..67u2202P . дои : 10.1103/physrevb.67.212202 . ISSN 0163-1829 . S2CID 14718724 .

[9] Оджован, Майкл I; Ли, Уильям (Билл) Э (2010). «Связность и стеклование в неупорядоченных оксидных системах». Журнал некристаллических твердых тел . 356 (44–49). Эльзевир Б.В.: 2534–2540. Бибкод : 2010JNCS..356.2534O . дои : 10.1016/j.jnoncrysol.2010.05.012 . ISSN 0022-3093 .

[Medvedev2015-10] 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 . дои : 10.1103/PhysRevB.91.054113 . S2CID 49258288 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

v т и Состояния материи ( список )
Состояние	Твердый Жидкость Газ / Пар Сверхкритическая жидкость Плазма
Низкая энергия	Конденсат Бозе – Эйнштейна Фермионный конденсат Вырожденная материя Квантовый зал дело Ридберга Странное дело сверхтекучий Супертвердый Фотонная молекула
Высокая энергия	КХД имеет значение Кварк-глюонная плазма Конденсат цветного стекла
Другие штаты	Коллоид Кристалл Жидкий кристалл Кристалл времени Квантовая спиновая жидкость Экзотическая материя Программируемая материя Темная материя Антивещество Магнитно упорядоченный Антиферромагнетик Ферримагнетик Ферромагнетик Струнная сетка жидкость Суперстекло
Фазовые переходы	Кипение Точка кипения Конденсат Критическая линия Критическая точка Кристаллизация Депонирование Испарение Мгновенное испарение Замораживание Химическая ионизация Ионизация Лямбда-точка плавление Температура плавления Рекомбинация Регулирование Насыщенная жидкость Сублимация Переохлаждение Тройная точка Испарение Витрификация
Количества	Энтальпия плавления Энтальпия сублимации Энтальпия испарения Скрытое тепло Скрытая внутренняя энергия Правило Траутона Волатильность
Концепции	Барионная материя Бинодал Сжатая жидкость Кривая охлаждения Уравнение состояния Эффект Лейденфроста Макроскопические квантовые явления Эффект Мпембы Порядок и беспорядок (физика) Спинодаль Сверхпроводимость Перегретый пар Перегрев Термодиэлектрический эффект