Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Материалдық фазалық өзгеріс
Material phase change
Балқу немесе қорыту – заттың қатты күйден сұйық күйге өтуіне әкелетін физикалық процесс. Бұл қатты заттың ішкі энергиясының, әдетте жылу немесе қысым қолдану арқылы, артуынан болады, бұл заттың температурасын балқу нүктесіне дейін көтереді. Балқу нүктесінде қатты заттағы иондар мен молекулалардың реттелген құрылымы бұзылып, нашар реттелген күйге өтеді, соның салдарынан қатты зат сұйықтыққа айналады. Еріген күйдегі заттардың тұтқырлығы температураның жоғарылауымен көбінесе төмендейді. Алайда, элементтік күкірт бұл қағидадан өзгеше, оның тұтқырлығы полимерлену салдарынан 160 °C-тан 180 °C-қа дейінгі аралықта артады. Кейбір органикалық қосылыстар қатты және сұйық күйлер арасындағы жартылай реттелген мезофазалар арқылы балқиды.
Melting, or fusion, is a physical process that results in the phase transition of a substance from a solid to a liquid. This occurs when the internal energy of the solid increases, typically by the application of heat or pressure, which increases the substance's temperature to the melting point. At the melting point, the ordering of ions or molecules in the solid breaks down to a less ordered state, and the solid melts to become a liquid. Substances in the molten state generally have reduced viscosity as the temperature increases. An exception to this principle is elemental sulfur, whose viscosity increases in the range of 160 °C to 180 °C due to polymerization. Some organic compounds melt through mesophases, states of partial order between solid and liquid.
Бірінші кезеңге ауысу
Термодинамикалық тұрғысынан алғанда, балқу нүктесінде заттардың Гиббс еркін энергиясының ∆G өзгеруі нөлге тең, бірақ энтальпияда (H) және энтропияда (S) нөлдік емес өзгерістер болады, олар тиісінше балқу энтальпиясы (немесе балқудың жасырын жылуы) және балқу энтропиясы деп аталады. Сондықтан балқу бірінші реттік фазалық өту ретінде жіктеледі. Балқу, сұйықтың Гиббс еркін энергиясы сол материал үшін қатты күйдегіден төмен болғанда жүзеге асады. Бұл температура сыртқы қысымға байланысты. Төмен температурадағы гелий жалпы ережеден белгілі жалғыз ерекшелік. Гелий-3 0,3 К-тан төмен температурада теріс балқу энтальпиясына ие. Гелий-4 де 0,8 К-тан төмен теріс балқу энтальпиясына ие. Бұл, тиісті тұрақты қысымда, оларды балқыту үшін осы заттардан жылу алынып тасталуы керек екенін білдіреді.
From a thermodynamics point of view, at the melting point the change in Gibbs free energy ∆G of the substances is zero, but there are non zero changes in the enthalpy (H) and the entropy (S), known respectively as the enthalpy of fusion (or latent heat of fusion) and the entropy of fusion. Melting is therefore classified as a first order phase transition. Melting occurs when the Gibbs free energy of the liquid becomes lower than the solid for that material. The temperature at which this occurs is dependent on the ambient pressure. Low temperature helium is the only known exception to the general rule. Helium 3 has a negative enthalpy of fusion at temperatures below 0.3 K. Helium 4 also has a very slightly negative enthalpy of fusion below 0.8 K. This means that, at appropriate constant pressures, heat must be removed from these substances in order to melt them.
Критерийлер
Балқытудың теориялық критерийлерінің ішінде Линдеманн мен Борн критерийлері балқыту шарттарын талдау үшін ең көп қолданылатын негіз болып табылады. Линдеманн критерийі балқудың "вибрациялық тұрақсыздық" нәтижесінде болатынын көрсетеді, мысалы, кристалдар балқығанда; атомдардың жылулық тербелісінің орташа амплитудасы атомдар арасындағы қашықтыққа қарағанда салыстырмалы түрде жоғары болғанда, мысалы, <δu2>1/2 > δLRs, мұнда δu – атомның орын ауыстыруы, Линдеманн параметрі δL ≈ 0,20–0,25 және Rs – атомдар арасындағы қашықтықтың жартысы. "Линдеманнның балқу критерийі" кристалдық материалдар және аморфты материалдардағы шыны-сұйық өтулер үшін де тәжірибелік деректермен қолдау тапқан. Борн критерийі эластикалық серпімді модульдің жоғалуынан туындайтын қаттылықтың күйреуіне негізделген, яғни, кристал механикалық жүктемеге төзуге жеткілікті қаттылыққа ие болмағанда сұйыққа айналады.
Among the theoretical criteria for melting, the Lindemann and Born criteria are those most frequently used as a basis to analyse the melting conditions. The Lindemann criterion states that melting occurs because of "vibrational instability", e. g. crystals melt; when the average amplitude of thermal vibrations of atoms is relatively high compared with interatomic distances, e. g. <δu2>1/2 > δLRs, where δu is the atomic displacement, the Lindemann parameter δL ≈ 0.20 0.25 and Rs is one half of the inter atomic distance. The "Lindemann melting criterion" is supported by experimental data both for crystalline materials and for glass liquid transitions in amorphous materials. The Born criterion is based on a rigidity catastrophe caused by the vanishing elastic shear modulus, i. e. when the crystal no longer has sufficient rigidity to mechanically withstand the load, it becomes liquid.
Супер салқындату
Стандартты жағдайларда заттың балқу температурасы ерекше қасиет болып табылады. Балқу температурасы көбінесе қату температурасына тең. Дегенмен, мұқият құрылған жағдайларда балқу немесе қату температурасынан асып кетіп қызу немесе суыну құбылысы болуы мүмкін. Өте таза шыны бетіндегі су көбінесе қатып қалмай, қату температурасынан бірнеше градусқа төмен суытылады. Таза судың майда эмульсиялары мұз пайда болу үшін ядро пайдаланбастан -38 °C дейін салқындатылған. Ядро пайда болуы материалдың қасиеттеріндегі ауытқуларға байланысты болады. Егер материал қозғалмай тұрса, бұл өзгерісті тудыратын ешбір фактор (мысалы, физикалық діріл) болмайды және суыну (немесе қызу) процесі жүруі мүмкін. Термодинамикалық тұрғыдан алғанда, суытылған сұйықтық кристалдық фазаға қатысты тұрақсыз жағдайда болады және кенеттен кристалдануы мүмкін.
Under a standard set of conditions, the melting point of a substance is a characteristic property. The melting point is often equal to the freezing point. However, under carefully created conditions, supercooling, or superheating past the melting or freezing point can occur. Water on a very clean glass surface will often supercool several degrees below the freezing point without freezing. Fine emulsions of pure water have been cooled to −38 °C without nucleation to form ice. Nucleation occurs due to fluctuations in the properties of the material. If the material is kept still there is often nothing (such as physical vibration) to trigger this change, and supercooling (or superheating) may occur. Thermodynamically, the supercooled liquid is in the metastable state with respect to the crystalline phase, and it is likely to crystallize suddenly.
Көшелектер
Шыны – аморфты қатты денелер, олар көбінесе балқыған материалдың шыны өту температурасынан (glass transition temperature) төменге өте жылдам салқындағанда, тұрақты кристалл торының қалыптасуына жеткілікті уақыт болмай жасалады. Қатты денелер молекулалары арасындағы жоғары байланыс деңгейімен сипатталады, ал сұйықтықтардың құрылымдық элементтерінің байланысы төмен. Қатты материалдың балқуын бөлшектер арасындағы үзілген байланыстар арқылы сіңіру (percolation) деп қарастыруға болады, мысалы, байланысқан байланыстар арқылы. Осы көзқарас бойынша, аморфты материалдың балқуы үзілген байланыстардың Tg-ге тәуелді квази-тепе-теңдік термодинамикалық параметрлеріне байланысты, мысалы, белгілі бір жүйедегі белгілі жағдайларда байланыстардың энталпиясы (Hd) және энтропиясы (Sd) арқылы жүзеге асады:
Glasses are amorphous solids, which are usually fabricated when the molten material cools very rapidly to below its glass transition temperature, without sufficient time for a regular crystal lattice to form. Solids are characterised by a high degree of connectivity between their molecules, and fluids have lower connectivity of their structural blocks. Melting of a solid material can also be considered as a percolation via broken connections between particles e. g. connecting bonds. In this approach melting of an amorphous material occurs, when the broken bonds form a percolation cluster with Tg dependent on quasi equilibrium thermodynamic parameters of bonds e. g. on enthalpy (Hd) and entropy (Sd) of formation of bonds in a given system at given conditions:
мұнда fc – сіңіру шегі, ал R – әмбебап газ тұрақтысы. Hd және Sd нақты тепе-теңдік термодинамикалық параметрлер болмаса да және балқыманың салқындату жылдамдығына байланысты бола алса да, оларды аморфты материалдардың тұтқырлығы туралы қолжетімді тәжірибелік деректерден табуға болады. Балқу температурасының өзінен төмен болса да, кристалл беттерінде квази-сұйық қабаттарды байқауға болады. Қабаттың қалыңдығы температураға тәуелді. Бұл эффект барлық кристалл материалдарға тән. Бұл алдын ала балқу эффектісі, мысалы, тоңудың көтерілуі, қар кристалдарының өсуі және, дән шекаралық интерфейстерді ескере отырып, тіпті мұздықтардың қозғалысында да көрінеді.
where fc is the percolation threshold and R is the universal gas constant. Although Hd and Sd are not true equilibrium thermodynamic parameters and can depend on the cooling rate of a melt, they can be found from available experimental data on viscosity of amorphous materials. Even below its melting point, quasi liquid films can be observed on crystalline surfaces. The thickness of the film is temperature dependent. This effect is common for all crystalline materials. This pre melting shows its effects in e. g. frost heave, the growth of snowflakes, and, taking grain boundary interfaces into account, maybe even in the movement of glaciers.
Қатынасты түсінік
Ультрақысқа импульстік физикада, термиялық емес балқу деп аталатын құбылыс жүзеге асуы мүмкін. Ол атомдық кинетикалық энергияның артуынан емес, электрондардың қозуынан туындаған атомдар аралық потенциалдың өзгеруінен болады. Электрондар атомдарды байланыстыратын жабысқыштай жұмыс істейтіндіктен, фемтосекундтық лазермен электрондарды қыздыру осы "жабысқыштың" қасиеттерін өзгертеді, бұл атомдар арасындағы байланыстарды үзеді және атом температурасының жоғарыламауына қарамастан материалды балқыта алады. Генетикада ДНҚ-ны балқыту – екі тізбекті ДНҚ-ны жылу немесе химиялық заттардың көмегімен, полимераза тізбектік реакциясы арқылы екі жеке тізбекке бөлуді білдіреді.
In ultrashort pulse physics, a so called nonthermal melting may take place. It occurs not because of the increase of the atomic kinetic energy, but because of changes of the interatomic potential due to excitation of electrons. Since electrons are acting like a glue sticking atoms together, heating electrons by a femtosecond laser alters the properties of this "glue", which may break the bonds between the atoms and melt a material even without an increase of the atomic temperature. In genetics, melting DNA means to separate the double stranded DNA into two single strands by heating or the use of chemical agents, polymerase chain reaction.