Fusión

La fusión es un proceso físico que produce la transición de fase de una sustancia de sólido a líquido . Esto ocurre cuando la energía interna del sólido aumenta, generalmente mediante la aplicación de calor o presión , lo que eleva su temperatura hasta el punto de fusión . En este punto, el ordenamiento de los iones o moléculas del sólido se descompone, dando lugar a un estado menos ordenado, y el sólido se funde para convertirse en líquido.

Las sustancias en estado fundido generalmente presentan una viscosidad reducida a medida que aumenta la temperatura. Una excepción a este principio es el azufre elemental , cuya viscosidad aumenta en el rango de 130  °C a 190  °C debido a la polimerización . ^{[ 1 ]}

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

Desde el punto de vista termodinámico , en el punto de fusión, el cambio en la energía libre de Gibbs ∆G de las sustancias es cero, pero existen cambios no nulos 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 menor que la del sólido para ese material. La temperatura a la que esto ocurre depende de la presión ambiente.

El helio a baja temperatura es la única excepción conocida a la regla general. ^{[ 2 ]} 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 adecuadas, se debe extraer calor de estas sustancias para fundirlas. ^{[ 3 ]}

Entre los criterios teóricos para la fusión, los criterios de Lindemann ^{[ 4 ]} y Born ^{[ 5 ]} son ​​los que se utilizan con mayor frecuencia como base para analizar las condiciones de fusión.

El criterio de Lindemann establece que la fusión ocurre debido a la "inestabilidad vibracional", por ejemplo, los cristales se funden; cuando la amplitud promedio de las vibraciones térmicas de los átomos es relativamente alta en comparación con las distancias interatómicas, por ejemplo < δu ² > ^1/2 > δ _L R _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. ^{[ 6 ] : 177} El "criterio de fusión de Lindemann" está respaldado por datos experimentales tanto para materiales cristalinos como para transiciones vítreo-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 suficiente rigidez para soportar mecánicamente la carga, se convierte en líquido. ^{[ 7 ]}

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 superenfriamiento o sobrecalentamiento más allá del punto de fusión o congelación. El agua sobre una superficie de vidrio muy limpia a menudo se superenfría varios grados por debajo del punto de congelación sin congelarse. Emulsiones finas de agua pura se han enfriado a −38  °C sin nucleación para formar hielo . ^{[ 8 ]} La nucleación ocurre 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 superenfriamiento (o sobrecalentamiento). Termodinámicamente, el líquido superenfriado está en el estado metaestable con respecto a la fase cristalina, y es probable que cristalice repentinamente.

Los vidrios son sólidos amorfos que se fabrican generalmente 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, mientras que los fluidos tienen una menor conectividad de sus bloques estructurales. La fusión de un material sólido también puede considerarse como una percolación a través de conexiones rotas entre partículas, por ejemplo, enlaces de conexión. ^{[ 9 ]} En este enfoque, la fusión de un material amorfo ocurre cuando los enlaces rotos forman un cúmulo de percolación con T _g que depende de parámetros termodinámicos de cuasiequilibrio de los enlaces, por ejemplo, de la entalpía ( H _d ) y la entropía ( S _d ) de formación de enlaces en un sistema dado bajo ciertas condiciones: ^{[ 10 ]}

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

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 un fundido, se pueden encontrar a partir de datos experimentales disponibles sobre la viscosidad de materiales amorfos .

Incluso por debajo de su punto de fusión, se pueden observar películas cuasi-líquidas en superficies cristalinas. El espesor de la película depende de la temperatura. Este efecto es común a todos los materiales cristalinos. Esta fusión previa se manifiesta, por ejemplo, en la elevación del terreno por helada, el crecimiento de los copos de nieve y, teniendo en cuenta las interfaces de los límites de grano, posiblemente incluso en el movimiento de los glaciares .

En la física de pulsos ultracortos , puede producirse una fusión no térmica. Esta no se debe al aumento de la energía cinética atómica, sino a cambios en el potencial interatómico causados ​​por la excitación de los electrones. Dado que los electrones actúan como un pegamento que mantiene unidos a los átomos, calentarlos con un láser de femtosegundos altera las propiedades de este "pegamento", lo que puede romper los enlaces entre los átomos y fundir un material incluso sin un aumento de la temperatura atómica. ^{[ 11 ]}

En genética , desnaturalizar el ADN significa separar el ADN de doble cadena en dos cadenas simples mediante calentamiento o el uso de agentes químicos, como la reacción en cadena de la polimerasa .

• Lista de elementos químicos que proporcionan puntos de fusión
• Diagrama de fases
• Fusión de zonas

• Definición de derretimiento en el diccionario Wikcionario