La fusión , o fusión , es un proceso físico que resulta en la transición de fase de una sustancia de sólido a líquido . Esto ocurre cuando la energía interna del sólido aumenta, típicamente 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 rompe a 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 azufre elemental , cuya viscosidad aumenta en el rango de 160 °C a 180 °C debido a la polimerización . [1]
Algunos compuestos orgánicos se funden mediante mesofases , estados de orden parcial entre sólido y líquido.
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 la entropía de fusión . Por 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 de ese material. [2] [3] 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. [4] 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 derretirlos. [5]
Entre los criterios teóricos de fusión, los criterios de Lindemann [6] y Born [7] son los más utilizados como base para analizar las condiciones de fusión.
El criterio de Lindemann establece que la fusión se produce debido a una "inestabilidad vibratoria", 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. [8] : 177 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 suficiente rigidez para soportar mecánicamente la carga, se vuelve líquido. [9]
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 sobreenfría 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 . [ cita necesaria ] La nucleación se produce debido a fluctuaciones en las propiedades del material. [ cita necesaria ] Si el material se mantiene quieto, a menudo no hay nada (como una vibración física) que desencadene este cambio, y puede ocurrir sobreenfriamiento (o sobrecalentamiento). Termodinámicamente, el líquido sobreenfriado se encuentra en estado metaestable con respecto a la fase cristalina y es probable que cristalice repentinamente.
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, por ejemplo, enlaces de conexión. [10] En este enfoque, la fusión de un material amorfo se produce cuando los enlaces rotos forman un grupo de percolación con T g dependiente de parámetros termodinámicos de cuasi equilibrio de los enlaces, por ejemplo, de la entalpía ( H d ) y la entropía ( S d ) de formación de enlaces. en un sistema dado en condiciones dadas: [11]
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 masa fundida, 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 sobre superficies cristalinas. El espesor de la película depende de la temperatura. Este efecto es común a todos los materiales cristalinos. Este derretimiento previo muestra sus efectos, por ejemplo, en 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 .
En la física de pulsos ultracortos puede producirse la llamada fusión no térmica. Ocurre no por el aumento de la energía cinética atómica, sino por cambios del potencial interatómico debido a la excitación de los electrones. Dado que los electrones actúan como un pegamento que une los átomos, calentar los electrones con un láser de femtosegundo altera las propiedades de este "pegamento", que puede romper los enlaces entre los átomos y fundir un material incluso sin un aumento de la temperatura atómica. [12]
En genética , fundir ADN significa separar el ADN bicatenario en dos hebras simples mediante calentamiento o el uso de agentes químicos, reacción en cadena de la polimerasa .
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La definición del diccionario de derretimiento en Wikcionario