Fusión (cambio de estado)

Derretimiento, o fusión, es un proceso físico que resulta en la transición de fase de una sustancia de un sólido a un líquido. Esto ocurre cuando aumenta la energía interna de los sólidos, típicamente por la aplicación de calor o presión, el cual aumenta la temperatura de la sustancia al punto de fusión. En el punto de fusión, el orden de iones o moléculas en los sólidos se devienen a un estado menos ordenado, y el sólido se convierte en un líquido.

Diagrama que muestra la nomenclatura de los cambios de estado de acuerdo a la entalpía.

El derretimiento de cubos de hielo ilustran el proceso de fusión.

Las sustancias en el estado fundido generalmente reducen su viscosidad con el aumento de temperatura. Una excepción a este principio es el azufre, cuyos aumentos de viscosidad son debidos a la polimerización, disminuyendo a temperaturas más altas en su estado fundido.^[1]​

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

Fusión como una transición de fase de primer orden

De un punto de vista de termodinámica, en el punto de fusión el cambio en la energía libre de Gibbs ∆G de las sustancias es cero, pero hay cambios en la entalpía (H) y la entropía (S), conocidos respectivamente como la entalpía de fusión (o calor latente de fusión) y la entropía de fusión. La fusión por tanto es clasificado como transición de fase de primer orden. La fusión ocurre cuando la energía libre de Gibbs del líquido es más baja que la del sólido para el material. La temperatura a la que esto ocurre es dependiente de la presión ambiental.

El helio a baja temperatura es la única excepción conocida a la regla general.^[2]​ El Helio-3 tiene una entalpía negativa de fusión en temperaturas menores a 0.3 K. El Helio-4 también tiene una entalpía ligeramente negativa de fusión abajo 0.8 K. Esto significa que, en presiones constantes apropiadas, el calor tiene que ser sacado de estas sustancias para fundirlas.^[3]​

Criterios de fusión

Entre los criterios teóricos para la fusión, los criterios de Lindemann^[4]​ y Born^[5]​ son los más frecuentemente utilizados como base para analizar las condiciones de fundir . El criterio de Lindemann declara que la fusión ocurre debido a una inestabilidad vibracional, por ejemplo, los cristales se funden cuando la amplitud media de las vibraciones térmicas de átomos es relativamente alta comparada con distancias interatómicas, p. ej. <δu2>1/2 > δLRs, donde δu es el desplazamiento atómico, el parámetro Lindemann δL ≈ 0.20...0.25 y Rs es un medio de la distancia interatómica.^[6]​^:177 El criterio de Lindemann de fusión esta basado en datos experimentales para materiales cristalinos y para transiciones líquidas en materiales amorfos. El criterio de Born está basado en la catástrofe de rigidez causado por el desaparición módulo de esfuerzo elástico, p. ej. cuándo el cristal ya no tiene rigidez suficiente para resistir una carga mecánica.^[7]​

Sobreenfriamiento

Artículo principal: Sobrefusión

Bajo condiciones estándar, el punto de fusión de una sustancia es una propiedad característica. El punto de fusión es a menudo igual al punto de congelación. Aun así, bajo ciertas condiciones puede ocurrir superenfriamiento o supercalentamiento pasando el punto de fusión o el punto de congelación puede ocurrir. Agua en un vaso con una superficie muy limpia  a menudo se superenfría varios grados bajo el punto de congelación sin congelarse. Emulsiones finas de agua pura han sido enfriadas a −38 grados Celsius sin nucleación para formar hielo. La nucleación ocurre debido a fluctuaciones en las propiedades del material. Si el material es conservado sin una interacción (una vibración física) que provoque este cambio, el superenfriamiento (o supercalentamiento) puede ocurrir. Termodinámicamente, el líquido superenfriado está en el estado metaestable con respecto a la fase cristalina, y probablemente puede cristalizarse de repente.

Fundido de sólidos amorfos (vidrios)

Los vidrios son sólidos amorfos los que normalmente son fabricados cuando el material fundido se enfría muy rápidamente por debajo de su temperatura de transición vítrea, sin tiempo suficiente para un enrejado de cristal regular para formar. Los sólidos están caracterizados por un grado alto de conectividad entre sus moléculas, y los fluidos tienen una conectividad más baja de sus bloques estructurales. Fundir un material sólido también puede considerarse como una filtración a través de las conexiones rotas entre partículas.^[8]​ En esta aproximación la fundición de un material amorfo ocurre cuándo los vínculos rotos forman un grupo de filtración con Tg (Temperatura de transición vítrea) dependiente de parámetros en quasi-equilibrio termodinámico de vinculación (entalpía (Hd) y entropía (Sd) de formación de vínculos en un sistema dado en condiciones dadas):^[9]​

${\displaystyle T_{g}={\tfrac {H_{d}}{S_{d}+Rln\left({\frac {1-f_{c}}{f_{c}}}\right)}}}$ 

Donde f_c es el umbral de filtración y R es la constante universal de los gases. A pesar de que H_d y S_d no son verdaderos parámetros termodinámicos del equilibrio y pueden depender del índice de enfriamiento de un fusión pueden ser encontrados desde los dato experimental disponibles sobre la viscosidad de materiales amorfos.

Incluso bajo su punto de fusión, las películas quasi-líquidas pueden ser observadas en superficies cristalinas. El grosor de la película es función de la temperatura. Este efecto es común para todos los materiales cristalinos. La pre-fusión muestra sus efectos en por ejemplo durante las heladas, el crecimiento de los copos de nieve y quizás incluso en el movimiento de glaciares.

Conceptos relacionados

En genética, fundir ADN significa separar la doble-hélice ADN a dos hebras individuales por calentamiento o el uso de agentes químicos, conocido como reacción en cadena de la polimerasa.

Véase también

• Lista de los elementos químicos que proporcionan los puntos de fusión
• Diagramas de fase

Referencias

1. C. Michael Hogan (2011) Sulfure, Encyclopedia of Earth, eds. A.Jorgensen and C.J.Cleveland, National Council for Science and the environment, Washington DC.
2. Atkins, Peter; Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4th edición), W. H. Freeman and Company, p. 236, ISBN 0-7167-7355-4 .
3. Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana (2000), Chemical Thermodynamics: Advanced Applications, Academic Press, pp. 92-93, ISBN 0-12-530985-6 .
4. F.A. Lindemann, Phys. Z. 11 (1910) 609–614.
5. M. Born, J. Chem. Phys. 7 (1939) 591–601.
6. Stuart A. Rice (15 de febrero de 2008). Advances in Chemical Physics. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-23807-3. 
7. Robert W. Cahn (2001) Materials science: Melting from Within, Nature 413 (#6856)
8. S.Y. Park and D. Stroud, Phys. Rev. B 67, 212202 (2003).
9. M.I. Ojovan, W.E. Lee. J. Non-Cryst. Solids, 356, 2534–2540 (2010).

•   Datos: Q106080
•   Multimedia: Melting