Derritiendo

Derribar cubos de hielo ilustran el proceso de fusión.

La fusión, o fusión, es un proceso físico que resulta en la transición de fase de una sustancia de sólida a líquida. Esto ocurre cuando la energía interna del sólido aumenta, generalmente por la aplicación de calor o presión, lo que aumenta la temperatura de la sustancia hasta el punto de fusión. En el punto de fusión, el orden de los iones o moléculas en el sólido se descompone en un estado menos ordenado, y el sólido "se funde" para convertirse en líquido.

Las sustancias en estado fundido generalmente tienen una viscosidad reducida a medida que aumenta la temperatura. Una excepción a este principio es el elemento azufre, cuya viscosidad aumenta en el rango de 160 °C a 180 °C debido a la polimerización.

Algunos compuestos orgánicos se funden a través de mesofases, estados de orden parcial entre sólido y líquido.

Transición de fase de primer orden

Desde el punto de vista de la termodinámica, en el punto de fusión el cambio en la energía libre de Gibbs ∆G de las sustancias es cero, pero hay cambios distintos de cero en la entalpía (H ) y la entropía (S), conocidas respectivamente como entalpía de fusión (o calor latente de fusión) y entropía de fusión. Por lo tanto, la fusión se clasifica como una transición de fase de primer orden. La fusión ocurre cuando la energía libre de Gibbs del líquido se vuelve más baja que la del sólido para ese material. La temperatura a la que esto ocurre depende de la presión ambiental.

El helio a baja temperatura es la única excepción conocida a la regla general. El helio-3 tiene una entalpía de fusión negativa a temperaturas inferiores a 0,3 K. El helio-4 también tiene una entalpía de fusión ligeramente negativa por debajo de 0,8 K. Esto significa que, a presiones constantes apropiadas, se debe eliminar el calor de estas sustancias para fundirlas.

Criterios

Entre los criterios teóricos de fusión, los criterios de Lindemann y Born son los más utilizados como base para analizar las condiciones de fusión.

El criterio de Lindemann establece que la fusión se produce debido a la "inestabilidad vibratoria", p. los cristales se derriten; cuando la amplitud promedio de las vibraciones térmicas de los átomos es relativamente alta en comparación con las distancias interatómicas, p. <δu²>^1/2 > δ_LR_s, donde δu es el desplazamiento atómico, el parámetro de Lindemann δ _L ≈ 0,20...0,25 y R_s es la mitad de la distancia interatómica. El "criterio de fusión de Lindemann" está respaldado por datos experimentales tanto para materiales cristalinos como para transiciones vidrio-líquido en materiales amorfos.

El criterio de Born se basa en una catástrofe de rigidez causada por la desaparición del módulo de corte elástico, es decir, cuando el cristal ya no tiene la rigidez suficiente para soportar mecánicamente la carga, se vuelve líquido.

Superenfriamiento

Bajo un conjunto estándar de condiciones, el punto de fusión de una sustancia es una propiedad característica. El punto de fusión suele ser igual al punto de congelación. Sin embargo, bajo condiciones cuidadosamente creadas, puede ocurrir sobreenfriamiento o sobrecalentamiento más allá del punto de fusión o congelación. El agua sobre una superficie de vidrio muy limpia a menudo se sobreenfriará varios grados por debajo del punto de congelación sin congelarse. Se han enfriado emulsiones finas de agua pura a -38 °C sin nucleación para formar hielo. La nucleación se produce debido a fluctuaciones en las propiedades del material. Si el material se mantiene quieto, a menudo no hay nada (como una vibración física) que desencadene este cambio, y puede ocurrir un sobreenfriamiento (o sobrecalentamiento). Termodinámicamente, el líquido sobreenfriado se encuentra en un estado metaestable con respecto a la fase cristalina y es probable que cristalice repentinamente.

Gafas

Los vidrios son sólidos amorfos, que generalmente se fabrican cuando el material fundido se enfría muy rápidamente por debajo de su temperatura de transición vítrea, sin tiempo suficiente para que se forme una red cristalina regular. Los sólidos se caracterizan por un alto grado de conectividad entre sus moléculas, y los fluidos tienen una menor conectividad de sus bloques estructurales. La fusión de un material sólido también se puede considerar como una percolación a través de conexiones rotas entre partículas, p. lazos de conexión. En este enfoque, se produce la fusión de un material amorfo, cuando los enlaces rotos forman un grupo de percolación con T_g que depende de los parámetros termodinámicos de cuasiequilibrio de los enlaces, p. sobre la entalpía (H_d) y la entropía (S_d) de formación de enlaces en un sistema dado en condiciones:

Tg=HdSd+RIn⁡ ⁡ ()1− − fcfc),{displaystyle T_{g}={frac {H_{d}{S_}+Rln({frac} {1-f_{c}}}}}}}}}

donde f_c es el umbral de percolación y R es la constante universal de los gases.

Aunque H_d y S_d no son verdaderos parámetros termodinámicos de equilibrio y pueden depender de la velocidad de enfriamiento de una fusión, se pueden encontrar a partir de los datos experimentales disponibles sobre la viscosidad de los materiales amorfos.

Incluso por debajo de su punto de fusión, se pueden observar películas casi líquidas en superficies cristalinas. El grosor de la película depende de la temperatura. Este efecto es común para todos los materiales cristalinos. La prefusión muestra sus efectos en p. el levantamiento de las heladas, el crecimiento de los copos de nieve y, teniendo en cuenta las interfaces de los límites de los granos, tal vez incluso en el movimiento de los glaciares.

Concepto relacionado

En la física de pulsos ultracortos, puede tener lugar una fusión no térmica. Ocurre no por el aumento de la energía cinética atómica, sino por los cambios del potencial interatómico debido a la excitación de los electrones. Dado que los electrones actúan como un pegamento que une los átomos, el calentamiento de los electrones con un láser de femtosegundo altera las propiedades de este "pegamento", que puede romper los enlaces entre los átomos y derretir un material incluso sin un aumento de la atómica. la temperatura.

En genética, la fusión del ADN significa separar el ADN de doble cadena en dos cadenas sencillas mediante calentamiento o el uso de agentes químicos, reacción en cadena de la polimerasa.

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