Topirea este un proces fizic care are ca rezultat tranziția de fază a unei substanțe de la un solid la un lichid. Aceasta se produce atunci când energia internă a solidului crește, de obicei prin aplicarea căldurii sau a presiunii, ceea ce mărește temperatura substanței până la punctul de topire. La punctul de topire, ordonarea ionilor sau a moleculelor în solid se descompune într-o stare mai puțin ordonată, iar solidul se topește pentru a deveni lichid.
Substanțele în stare topită au, în general, o vîscozitate redusă, pe măsură ce temperatura crește. O excepție de la acest principiu este elementul sulf, a cărui vâscozitate crește până într-un punct datorat polimerizării, și apoi scade cu creșterea temperaturii în starea sa topită.
Unii compuși organici se topesc prin mezofaze, stări de ordin parțial între solid și lichid.
Topirea ca o tranziție de fază de prim ordin
Din punct de vedere termodinamic, la punctul de topire, schimbarea energiei libere Gibbs ΔG a materialului este zero, dar există schimbări non-zero în entalpie (H) și în entropie (S), cunoscute ca entalpia de fuziune (sau căldură latentă de fuziune) și entropia fuziunii. Prin urmare, topirea este clasificată ca tranziție de fază de prim ordin. Topirea are loc atunci când energia liberă a lichidului Gibbs devine mai mică decât cea solidă pentru materialul respectiv. Temperatura la care se produce acest lucru depinde de presiunea ambiantă.
Criteriile de topire
Printre criteriile teoretice pentru topire, criteriile Lindemann și Born sunt cele mai frecvent utilizate ca bază pentru analiza condițiilor de topire. Criteriul Lindemann afirmă că topirea are loc din cauza instabilității vibraționale, de ex. cristalele se topesc atunci când amplitudinea medie a vibrațiilor termice ale atomilor este relativ mare comparativ cu distanțele interatomice, de ex. <δu2>1/2 > δLRs, unde δu este deplasarea atomică, parametrul Lindemann δL ≈ 0,20 … 0,25 și Rs este o jumătate din distanța inter-atomică. Criteriul de topire Lindemann este susținut de date experimentale atât pentru materialele cristaline, cât și pentru tranzițiile sticlă-lichid în materiale amorfe. Criteriul Born se bazează pe catastrofa de rigiditate cauzată de modulul de forfecare elastică, de ex. când cristalul nu mai are o rigiditate suficientă pentru a rezista mecanic la sarcină.
Suprarăcirea
În cadrul unui set standard de condiții, punctul de topire al unei substanțe este o proprietate caracteristică. Punctul de topire este adesea egal cu punctul de îngheț. Cu toate acestea, în condiții cu atenție create, poate apărea suprarăcirea sau supraîncălzirea dincolo de punctul de topire sau de îngheț. Apa pe o suprafață de sticlă foarte curată deseori se răcește cu mai multe grade sub punctul de îngheț fără îngheț. Emulsiile fine de apă pură au fost răcite la -38 grade Celsius fără nicotare pentru a forma gheață. Nucleația apare datorită fluctuațiilor proprietăților materialului. În cazul în care materialul este păstrat în continuare, în continuare nu există adesea nimic (precum o vibrație fizică) care să declanșeze această modificare, și poate apărea suprarăcirea (sau supraîncălzirea). Din punct de vedere termodinamic, lichidul suprarăcit este în stare metastabilă în raport cu faza cristalină și este posibil să cristalizeze brusc.
Topirea solidelor amorfe (sticle)
Sticlele sunt substanțe solide amorfe care sunt de obicei fabricate atunci când materialul topit se răcește foarte repede, sub temperatura de tranziție vitroasă, fără suficient timp pentru formarea unei rețele cristaline obișnuite. Solidele sunt caracterizate printr-un grad ridicat de conectivitate între moleculele lor, iar fluidele au conectivitate redusă a blocurilor lor structurale. Topirea unui material solid poate fi de asemenea considerată ca o percolare prin conexiuni între particule întrerupte, de ex. care țin legăturile. În această abordare, topirea unui material amorf are loc atunci când legăturile rupte formează un grup de percolare cu Tg dependent de parametrii termodinamici cvasi-echilibrați ai legăturilor, de ex. pe entalpie (Hd) și entropie (Sd) de formare a legăturilor într-un sistem dat în condiții date:
Tg = Hd/(Sd + R ln((1 – fc)/fc)),
unde fc este pragul de percolare și R este constanta gazului universal. Deși Hd și Sd nu sunt adevărați parametri termodinamici de echilibru și pot depinde de viteza de răcire a topiturii, pot fi găsiți din datele experimentale disponibile privind vâscozitatea materialelor amorfe.
Chiar și sub punctul de topire, filmele cvasi-lichide pot fi observate pe suprafețe cristaline. Grosimea filmului este dependentă de temperatură. Acest efect este comun tuturor materialelor cristaline. Pre-topirea își arată efectele în, de ex., înghețarea, creșterea fulgilor de zăpadă și luarea în considerare a interfețelor de graniță a cerealelor, poate chiar și în mișcarea ghețarilor.
Lasă un răspuns