Fusió (canvi d'estat)

Seqüència d'imatges accelerada per a visualitzar el procés de fusió de glaçons dins d'un got

La fusió és un procés físic que consisteix en el canvi d'estat de la matèria de l'estat sòlid a l'estat líquid.^[1] És el procés invers a la solidificació. La temperatura que permet fondre un sòlid s'anomena temperatura de fusió o punt de fusió.^[2][1] Per tal d'aconseguir arribar a la temperatura que marca el punt de fusió és necessari aportar una certa quantitat de calor, directament proporcional a la massa i a la calor latent del sòlid a fondre, o augmentar la pressió del sistema.

La fusió és una tècnica utilitzada per a l'obtenció de metalls. Els sòlids cristal·lins es fonen bruscament a una temperatura determinada, constant durant el canvi de fase si la pressió és constant. D'altra banda els sòlids no cristal·lins o sòlids amorfs es van estovant gradualment durant la fusió a mesura que va augmentant la temperatura.

La fusibilitat és la facilitat amb què un material pot desfer-se o fondre's.^[1] Materials com la soldadura requereixen un baix punt de fusió de manera que quan la calor s'hi aplica, es desfaci abans que els altres materials sent soldats (sent això una alta fusibilitat). Per altra banda, existeixen altres materials que són utilitzats en instruments (com alguns forns especials) que se'ls hi aprofita la seva baixa fusibilitat. Els materials que només es desfan a temperatures molt altes se'ls anomena materials refractaris.

Transició de fase de primer ordre

Des del punt de vista de la termodinàmica, en el punt de fusió el canvi en l'energia lliure de Gibbs ∆G de les substàncies és zero, però hi ha canvis diferents de zero en l'entalpia (H ) i l'entropia (S ), coneguts respectivament com a entalpia o calor de fusió (o calor latent de fusió) i l'entropia de fusió. Per tant, la fusió es classifica com una transició de fase de primer ordre. La fusió es produeix quan l'energia lliure de Gibbs del líquid és menor que la del sòlid d'aquest material.^[3][4] La temperatura a la qual es produeix això depèn de la pressió ambiental.

L'heli a baixa temperatura és l'única excepció coneguda a la regla general.^[5] L'heli-3 té una entalpia de fusió negativa a temperatures inferiors a 0,3 K. L'heli-4 també té una entalpia de fusió negativa per sota de 0,8 K. Això vol dir que, a pressions constants adequades, cal eliminar calor d'aquestes substàncies per tal de fondre-les.^[6]

Criteris teòrics

Entre els criteris teòrics de fusió, els criteris de Lindemann^[7] i Born^[8] són els més utilitzats com a base per analitzar les condicions de fusió.

El criteri de Lindemann afirma que la fusió es produeix a causa de la "inestabilitat vibracional", p. ex. es fonen els cristalls; quan l'amplitud mitjana de les vibracions tèrmiques dels àtoms és relativament alta en comparació amb les distàncies interatòmiques, per exemple < δu ² > ^1/2 > δ _L R _s, on δu és el desplaçament atòmic, el paràmetre de Lindemann δ _L ≈ 0,20...0,25 i R _s és la meitat de la distància interatòmica.^{[9] :177} El "criteri de fusió de Lindemann" està recolzat per dades experimentals tant per a materials cristal·lins com per a transicions vidre-líquid en materials amorfs.

El criteri de Born es basa en una catàstrofe de rigidesa provocada pel mòdul de cisalla elàstic en desaparició, és a dir, quan el cristall ja no té prou rigidesa per suportar mecànicament la càrrega, es torna líquid.^[10]

Superrefrigeració

En un conjunt estàndard de condicions, el punt de fusió d'una substància és una propietat característica. El punt de fusió sovint és igual al punt de congelació. Tanmateix, en condicions creades amb cura, es pot produir un sobrerefrigeració o un sobreescalfament més enllà del punt de fusió o congelació. L'aigua sobre una superfície de vidre molt neta sovint es refredarà diversos graus per sota del punt de congelació sense congelar-se. Si el material es manté quiet, sovint no hi ha res (com una vibració física) que desencadeni aquest canvi, i es pot produir una sobrerefrigeració (o sobreescalfament). Termodinàmicament, el líquid superrefrigerat es troba en estat metaestable respecte a la fase cristal·lina, i és probable que cristal·litzi sobtadament.

Vidres

Els vidres són sòlids amorfs, que normalment es fabriquen quan el material fos es refreda molt ràpidament per sota de la seva temperatura de transició, sense temps suficient perquè es formi una xarxa cristal·lina regular. Els sòlids es caracteritzen per un alt grau de connectivitat entre les seves molècules, i els fluids tenen menor connectivitat dels seus blocs estructurals. La fusió d'un material sòlid també es pot considerar com una percolació mitjançant connexions trencades entre partícules, per exemple, enllaços de connexió.^[11] En aquest enfocament es produeix la fusió d'un material amorf, quan els enllaços trencats formen un cúmul de percolació amb T _g que depèn de paràmetres termodinàmics quasi d'equilibri dels enllaços, per exemple, de l'entalpia (_Hd ) i l'entropia (_Sd ) de formació d'enllaços en un determinat enllaç en un sistema amb aquestes condicions donades:^[12]

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

on f _c és el llindar de percolació i R és la constant universal del gas.

Tot i que H _d i S _d no són veritables paràmetres termodinàmics d'equilibri i poden dependre de la velocitat de refredament d'una fosa, es poden trobar a partir de les dades experimentals disponibles sobre la viscositat dels materials amorfs.

Fins i tot per sota del seu punt de fusió, es poden observar pel·lícules quasi líquides a les superfícies cristal·lines. El gruix de la pel·lícula depèn de la temperatura. Aquest efecte és comú per a tots els materials cristal·lins. Aquesta fusió prèvia o prefusió mostra els seus efectes, per exemple, en l'elevació de gelades, el creixement de flocs de neu i, tenint en compte les interfícies de límit de gra, potser fins i tot en el moviment de les glaceres.

Conceptes relacionats

En la física del pols ultracurt, hi pot haver una fusió no tèrmica. Es produeix no per l'augment de l'energia cinètica atòmica, sinó per canvis del potencial interatòmic deguts a l'excitació dels electrons. Com que els electrons actuen com una cola que uneix els àtoms, l'escalfament d'electrons mitjançant un làser femtosegon altera les propietats d'aquesta "cola", que pot trencar els enllaços entre els àtoms i fondre un material fins i tot sense augmentar la temperatura atòmica.^[13]

Depenent del punt de fusió del material, la temperatura que s’haurà d’aplicar serà més elevada o menys. (Pérez,2024)

En genètica, fondre l'ADN significa separar l'ADN de doble cadena en dues cadenes simples mitjançant l'escalfament o l'ús d'agents químics, la reacció en cadena de la polimerasa.

Taula

Aquesta taula mostra les transicions de fase de la matèria, indicant com s'anomena el canvi d'estat en cada cas.

	Sòlid	Líquid	Gas	Plasma
Sòlid		Fusió	Sublimació
Líquid	Solidificació		Vaporització
Gas	Sublimació inversa	Condensació		Ionització
Plasma			Recombinació

Referències

1. «Fusió (canvi d'estat)». Gran Enciclopèdia Catalana. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
2. «Melting | Phase Change, Heat Transfer & Temperature | Britannica» (en anglès). [Consulta: 19 juliol 2023].
3. Atkins, P. W. (Peter William), 1940- author.. Elements of physical chemistry, 2017. ISBN 978-0-19-879670-1. OCLC 982685277. 
4. Pedersen, Ulf R.; Costigliola, Lorenzo; Bailey, Nicholas P.; Schrøder, Thomas B.; Dyre, Jeppe C. (en anglès) Nature Communications, 7, 1, 2016, pàg. 12386. Bibcode: 2016NatCo...712386P. DOI: 10.1038/ncomms12386. ISSN: 2041-1723. PMC: 4992064. PMID: 27530064.
5. Atkins, Peter; Jones, Loretta. Chemical Principles: The Quest for Insight. 4th. W. H. Freeman and Company, 2008, p. 236. ISBN 978-0-7167-7355-9. 
6. Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana. Chemical Thermodynamics: Advanced Applications. Academic Press, 2000. ISBN 978-0-12-530985-1. 
7. Lindemann, F.A. (en alemany) Physikalische Zeitschrift, 11, 14, 1910, pàg. 609–614.
8. Born, Max The Journal of Chemical Physics, 7, 8, 1939, pàg. 591–603. Bibcode: 1939JChPh...7..591B. DOI: 10.1063/1.1750497. ISSN: 0021-9606.
9. Stuart A. Rice. Advances in Chemical Physics. John Wiley & Sons, 15 febrer 2008. ISBN 978-0-470-23807-3. 
10. Robert W. Cahn (2001) Materials science: Melting from Within, Nature 413 (#6856)
11. Park, Sung Yong; Stroud, D. Physical Review B, 67, 21, 11-06-2003, pàg. 212202. arXiv: cond-mat/0305230. Bibcode: 2003PhRvB..67u2202P. DOI: 10.1103/physrevb.67.212202. ISSN: 0163-1829.
12. Ojovan, Michael I; Lee, William (Bill) E Journal of Non-Crystalline Solids, 356, 44–49, 2010, pàg. 2534–2540. Bibcode: 2010JNCS..356.2534O. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2010.05.012. ISSN: 0022-3093.
13. Medvedev, Nikita; Li, Zheng; Ziaja, Beata Physical Review B, 91, 5, 2015, pàg. 054113. arXiv: 1504.05053. Bibcode: 2015PhRvB..91e4113M. DOI: 10.1103/PhysRevB.91.054113.

Vegeu també

• Soldadura plàstica