Cosa si sta sciogliendo in fisica? Definizione, formula

Tutta la materia osservata in natura esiste in 3 stati: gassoso, liquido e solido. La presenza di una sostanza in uno stato particolare è determinata dalle sue proprietà fisico-chimiche e da condizioni esterne. L'articolo discute in dettaglio il processo di transizione della materia dal solido al liquido, ovvero fornisce una risposta dettagliata alla domanda: "Che cosa si sta sciogliendo?".

Caratteristiche della struttura di solidi e liquidi

Prima di rispondere alla domanda su cosa sia la fusione, è necessario considerare le caratteristiche strutturali di solidi e liquidi.

I primi sono caratterizzati dalla presenza di una forma permanente, qualsiasi resistenza di cui resistono. I solidi hanno elasticità, mancanza di fluidità. Le distanze tra le particelle che formano un solido sono piccole e le forze di legame tra queste particelle sono significative rispetto a quelle per liquidi e gas. Le forze leganti nei solidi possono avere una diversa natura chimica (van der Waals, metallico, covalente, ionico). Esistono due modi per organizzare i solidi:

• strutture cristalline quando atomi o molecole del corpo si trovano in certe posizioni nello spazio, ad esempio metalli;
• strutture amorfe in cui gli atomi o le molecole sono disposti in modo caotico, ad esempio il vetro.

Nei liquidi, gli atomi e le molecole si trovano più distanti tra loro che nei solidi, quindi sono più deboli. Il liquido mantiene il suo volume nelle condizioni date, ma non mantiene la sua forma e ha una buona fluidità. Le particelle fluide sono disposte casualmente l'una rispetto all'altra.

Un punto importante da notare è che gli atomi o le molecole di un solido si trovano in certe posizioni che cambiano molto lentamente (ad esempio nei processi di diffusione), ma le particelle fluide saltano costantemente da una posizione all'altra.

Energia cinetica e potenziale

Per capire quale sia il fondersi della fisica, è necessario comprendere chiaramente il rapporto tra energia cinetica e potenziale in solidi e liquidi.

L'energia potenziale caratterizza il lavoro che deve essere speso per irrorare un dato corpo nello spazio sulle sue particelle costituenti. Per descrivere questa quantità, viene introdotto il concetto di energia vincolante, il che significa il lavoro necessario per strappare un atomo o una molecola da un corpo e rimuoverlo all'infinito. Ad esempio, i valori tipici dell'energia di legame per i solidi sono diversi elettron-volt, gli stessi valori per i liquidi sono di un ordine di grandezza più piccoli.

L'energia cinetica caratterizza l'intensità del movimento di atomi e molecole. Nel caso di mezzi condensati, questa energia è direttamente proporzionale alla temperatura.

Nei solidi, l'energia cinetica a temperatura ambiente è di qualche centesimo di un elettron-volt, cioè 100 volte meno del potenziale. Gli atomi e le molecole nei solidi si trovano in un potenziale pozzo e oscillano attorno a certe posizioni stabili. Possono uscire da queste posizioni se le fluttuazioni dell'energia cinetica si rivelano significative, o se il potenziale pozzo stesso è piccolo, ad esempio, quando c'è qualche difetto nelle vicinanze.

L'energia cinetica di atomi e molecole in un liquido è approssimativamente uguale alla loro energia potenziale, cioè, è diversi decimi di elettronvolt a temperatura ambiente. Ciò significa che ogni particella che compone il fluido salta costantemente da un luogo all'altro. Una buona prova di questo fatto è il movimento browniano.

Determinazione del processo di fusione

Cosa si sta sciogliendo in fisica? La definizione di questo fenomeno può essere data come segue: la fusione è la transizione da uno stato solido a uno stato liquido di una sostanza come risultato di un aumento della sua temperatura. Cioè, se un solido viene costantemente riscaldato, le molecole o gli atomi che lo compongono iniziano ad aumentare la loro energia cinetica. E questo succede fino a questa energia non eguaglia l'energia del legame, dopo di che la frequenza di salto degli atomi (molecole) aumenta significativamente e il materiale solido inizia a fondere.

Esempi vividi di fusione sono i processi di fusione del ghiaccio o la transizione allo stato fuso di un metallo o di una lega.

Transizione di fase di fusione del primo tipo

Secondo la sua definizione, la fusione è una transizione del primo tipo, poiché assorbe calore. In questo caso, la temperatura dell'intero sistema non cambia durante il processo di fusione ed è un valore costante. Questo fatto è spiegato dal fatto che il calore fornito al corpo non viene speso per aumentare l'energia cinetica di atomi e molecole, ma per rompere forti legami chimici tra di loro. Solo dopo che tutti i legami in un solido sono stati distrutti, l'ulteriore apporto di calore a una sostanza già liquida porterà ad un aumento della sua temperatura.

Il processo di fusione in sé non avviene spontaneamente, ma si sviluppa in un certo periodo di tempo, quando le fasi liquida e solida coesistono in equilibrio l'una con l'altra.

Quindi, la fusione è un processo endotermico, il che significa che viene fornito con l'assorbimento del calore. Il processo inverso in cui un liquido solidifica è chiamato cristallizzazione.

Punto di fusione

Come accennato in precedenza, la fusione avviene ad una certa temperatura, che è chiamata il punto di fusione. Da cosa dipende questa quantità fisica? In primo luogo, dall'energia legante delle particelle che costituiscono un solido, maggiore è questa energia, maggiore è il punto di fusione. Ad esempio, il niobio di metallo refrattario si scioglie a una temperatura di 2742 K, e l'energia di legame per atomo di questo metallo è 7,6 eV, un altro metallo refrattario è tungsteno, ha un'energia legante di 8,9 eV e fonde a una temperatura significativamente superiore di 3695 K.

In secondo luogo, il punto di fusione è determinato da condizioni esterne. In particolare, con l'aumentare della pressione, aumenta anche.

In terzo luogo, questo valore per questa sostanza è fortemente influenzato dalle impurità. Di norma, le impurità portano a un punto di fusione più basso.

Calore di fusione

Passiamo ora dalla definizione di fusione a una formula che descrive quantitativamente questo processo. Quando si verifica la fusione, l'apporto di calore esterno viene speso per rompere i legami in un solido e il suo trasferimento allo stato liquido. L'energia che deve essere spesa in modo che una certa quantità di solido nel punto di fusione si trasformi in uno stato liquido chiamato calore di fusione. La formula in questo caso è scritta come segue: λ = Q / m, dove Q è la quantità di calore, m è la massa corporea.

Il valore del calore di fusione λ dipende dalle proprietà fisico-chimiche del materiale. Ad esempio, per il ghiaccio, questo valore è 333,55 J / g o 6,02 kJ / mol, e per il ferro, 13,81 kJ / mol. I valori sono dati ad una pressione di 1 atmosfera.

Fusione di cristallo

Questi solidi rappresentano una disposizione spaziale specifica delle particelle che li formano. È conosciuto come il reticolo cristallino. Ci sono molti diversi reticoli cristallini, ognuno dei quali è realizzato in una certa classe di sostanze. Ad esempio, i metalli, di regola, esistono nella forma dei reticoli bcc (cubico centrato sul corpo) e fcc (cubico centrato sul volto). Il concetto di punto di fusione è valido solo per i cristalli.

Fusione di corpi amorfi

Poiché gli atomi (molecole) sono disposti casualmente in materiali amorfi, le energie di legame tra loro saranno diverse. Questo fatto spiega perché non ci sia un preciso punto di fusione per i materiali amorfi, e il processo di fusione stesso ha luogo nell'intervallo di temperatura, che, di regola, è di diverse decine di gradi.