Smelting - Melting

Smeltende isbiter illustrerer fusjonsprosessen.

Smelting eller fusjon er en fysisk prosess som resulterer i faseovergangen til et stoff fra et fast stoff til en væske . Dette skjer når den indre energien til det faste stoffet øker, vanligvis ved påføring av varme eller trykk , noe som øker stoffets temperatur til smeltepunktet . Ved smeltepunktet brytes rekkefølgen av ioner eller molekyler i det faste stoffet ned til en mindre ordnet tilstand, og det faste " smelter" for å bli en væske.

Stoffer i smeltet tilstand har generelt redusert viskositet når temperaturen øker. Et unntak fra dette prinsippet er elementet svovel , hvis viskositet øker i området 160 ° C til 180 ° C på grunn av polymerisering .

Noen organiske forbindelser smelter gjennom mesofaser , tilstander av delvis orden mellom faststoff og væske.

Overgang fra første ordre

Fra et termodynamisk synspunkt, ved smeltepunktet er endringen i stoffene i Gibbs fri energi ∆G null, men det er endringer uten null i entalpien ( H ) og entropien ( S ), kjent som henholdsvis entalpien av fusjon (eller latent fusjonsvarme) og fusjonens entropi . Smelting er derfor klassifisert som en førsteordens faseovergang . Smelting oppstår når Gibbs frie energi til væsken blir lavere enn det faste stoffet for det materialet. Temperaturen der dette skjer er avhengig av omgivelsestrykket.

Lavtemperatur helium er det eneste kjente unntaket fra hovedregelen. Helium-3 har en negativ smelteentalpi ved temperaturer under 0,3 K. Helium-4 har også en meget svakt negativ smelteentalpi under 0,8 K. Dette betyr at, ved passende konstante trykk, må varme vil bli fjernet fra disse stoffene for å kunne smelte dem.

Kriterier

Blant de teoretiske kriteriene for smelting er Lindemann- og Born -kriteriene de som oftest brukes som grunnlag for å analysere smelteforholdene.

Lindemann -kriteriet sier at smelting skjer på grunn av "vibrasjonsstabilitet" , f.eks. Krystaller smelter; når gjennomsnittlig amplitude av termiske vibrasjoner av atomer er relativt høy sammenlignet med interatomiske avstander, f.eks. < δu ² > ^1/2 > δ _L R _s , hvor δu er atomforskyvningen, er Lindemann -parameteren δ _L ≈ 0,20 ... 0,25 og R _s er halvparten av inter-atomavstanden. Den "Lindemann smelter kriteriet" understøttes av forsøksdata for både krystallinske materialer og for glass-væske-overganger i amorfe materialer.

Born -kriteriet er basert på en stivhetskatastrofe forårsaket av den forsvinnende elastiske skjærmodulen, dvs. når krystallet ikke lenger har tilstrekkelig stivhet til å tåle belastningen mekanisk, blir det flytende.

Superkjøling

Under et standard sett med betingelser er smeltepunktet til et stoff en karakteristisk egenskap. Smeltepunktet er ofte lik frysepunktet . Under nøye opprettede forhold kan det imidlertid oppstå superkjøling eller overoppheting forbi smelte- eller frysepunktet. Vann på en veldig ren glassoverflate vil ofte avkjøle flere grader under frysepunktet uten å fryse. Fine emulsjoner av rent vann har blitt avkjølt til -38 ° C uten kjerneforming for å danne is . Nukleatjon oppstår på grunn av svingninger i materialets egenskaper. Hvis materialet holdes i ro, er det ofte ingenting (for eksempel fysisk vibrasjon) som kan utløse denne endringen, og overkjøling (eller overoppheting) kan forekomme. Termodynamisk er den avkjølte væsken i metastabil tilstand med hensyn til den krystallinske fasen, og den vil sannsynligvis krystallisere plutselig.

Briller

Briller er amorfe faste stoffer , som vanligvis produseres når det smeltede materialet avkjøles veldig raskt til under glassovergangstemperaturen, uten tilstrekkelig tid til at det dannes et vanlig krystallgitter. Tørrstoffer er preget av en høy grad av tilkobling mellom molekylene, og væsker har lavere tilkobling av strukturblokkene. Smelting av et fast materiale kan også betraktes som en perkolasjon via ødelagte forbindelser mellom partikler, f.eks. Forbindelsesbindinger. I denne tilnærmingen smelting av et amorft materiale som oppstår, når det brytes bindinger danner en perkolering klynge med T _g avhengig av kvasi-likevektstermodynamiske parametre for bindinger f.eks på entalpi ( H _d ) og entropi ( S _d ) for dannelse av bindinger i en gitt system på gitte betingelser:

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

hvor f _c er perkolasjonsterskelen og R er den universelle gasskonstanten.

Selv om H _d og S _d er ikke sanne likevektstermodynamiske parametre og kan være avhengig av kjølehastigheten for en smelte, kan de bli funnet fra tilgjengelige forsøksdata på viskositeten av amorfe materialer .

Selv under smeltepunktet kan kvasi-flytende filmer observeres på krystallinske overflater. Tykkelsen på filmen er temperaturavhengig. Denne effekten er vanlig for alle krystallinske materialer. Forsmelting viser effektene i f.eks. Frostheving, vekst av snøfnugg og, med tanke på korngrensegrensesnitt, kanskje til og med ved bevegelse av isbreer .

Relatert konsept

I ultrakortpulsfysikk kan en såkalt ikke-termisk smelting finne sted. Det skjer ikke på grunn av økningen i atomenergi, men på grunn av endringer i det interatomiske potensialet på grunn av eksitasjon av elektroner. Siden elektroner virker som et lim som klistrer atomer sammen, endrer varmeelektroner med en femtosekundlaser egenskapene til dette "limet", som kan bryte bindingene mellom atomene og smelte et materiale selv uten at atomtemperaturen øker.

I genetikk betyr smeltende DNA å skille det dobbeltstrengede DNA i to enkelttråder ved oppvarming eller bruk av kjemiske midler, polymerasekjedereaksjon .

Bord

Se også

• Liste over kjemiske elementer som gir smeltepunkter
• Fasediagram
• Sone som smelter

Referanser

Eksterne linker

• Ordbokdefinisjonen for smelting i Wiktionary