Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Изменение фазы материала
Material phase change
Плавление, или слияние, — это физический процесс, приводящий к фазовому переходу вещества из твердого состояния в жидкое. Это происходит, когда внутренняя энергия твердого тела возрастает, обычно в результате приложения тепла или давления, что повышает температуру вещества до температуры плавления. При достижении температуры плавления упорядоченность ионов или молекул в твердом теле нарушается, переходя в менее упорядоченное состояние, и твердое тело плавится, превращаясь в жидкость. Вещества в расплавленном состоянии обычно демонстрируют снижение вязкости с повышением температуры. Исключением является элементарная сера, у которой вязкость возрастает в диапазоне от 160 °C до 180 °C из-за полимеризации. Некоторые органические соединения плавятся, проходя через мезофазы — состояния частичного порядка между твердым и жидким состояниями.
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.
Переход к фазе первого порядка
С термодинамической точки зрения, в точке плавления изменение свободной энергии Гиббса ∆G веществ равно нулю, но существуют ненулевые изменения энтальпии (H) и энтропии (S), известные как энтальпия плавления (или скрытая теплота плавления) и энтропия плавления соответственно. Поэтому плавление классифицируется как фазовый переход первого рода. Плавление происходит, когда свободная энергия Гиббса жидкой фазы становится ниже, чем у твердой фазы для данного материала. Температура, при которой это происходит, зависит от внешнего давления. Низкотемпературный гелий является единственным известным исключением из этого общего правила. Гелий-3 имеет отрицательную энтальпию плавления при температурах ниже 0,3 К. Гелий-4 также имеет очень незначительную отрицательную энтальпию плавления ниже 0,8 К. Это означает, что при определенных постоянных давлениях для плавления этих веществ необходимо отводить тепло.
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.
Критерии
Среди теоретических критериев плавления критерии Линдемана и Борна наиболее часто используются в качестве основы для анализа условий плавления. Критерий Линдемана утверждает, что плавление происходит из-за "вибрационной неустойчивости", например, при плавлении кристаллов; когда средняя амплитуда тепловых колебаний атомов становится относительно большой по сравнению с межатомными расстояниями, например, <δu2>1/2 > δLRs, где δu – смещение атома, параметр Линдемана δL ≈ 0,20–0,25, а Rs – половина межатомного расстояния. "Критерий плавления Линдемана" подтверждается экспериментальными данными как для кристаллических материалов, так и для стеклообразных переходов в аморфных материалах. Критерий Борна основан на катастрофическом снижении жесткости, вызванном исчезновением модуля сдвига, то есть когда кристалл теряет достаточную жесткость, чтобы механически выдерживать нагрузку, и переходит в жидкое состояние.
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.
Суперохлаждение
При стандартных условиях температура плавления вещества является характерным свойством. Точка плавления часто равна точке замерзания. Однако при тщательно подобранных условиях может возникнуть переохлаждение или перегрев за точкой плавления или замерзания. Вода на очень чистой стеклянной поверхности часто переохлаждается на несколько градусов ниже точки замерзания, не замерзая. Мелкие эмульсии чистой воды охлаждались до −38 °C без зародышеобразования льда. Зародышеобразование происходит из-за флуктуаций в свойствах материала. Если материал остается неподвижным, часто отсутствует какое-либо внешнее воздействие (например, физическая вибрация), способное вызвать это изменение, и может возникнуть переохлаждение (или перегрев). Термодинамически переохлажденная жидкость находится в метастабильном состоянии относительно кристаллической фазы и может внезапно кристаллизоваться.
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.
Очки
Стекло – это аморфные твердые вещества, которые обычно формируются при очень быстром охлаждении расплавленного материала до температуры ниже температуры стеклования, без достаточного времени для образования упорядоченной кристаллической решетки. Твердые тела характеризуются высокой степенью связанности между своими молекулами, а жидкости – меньшей связанностью своих структурных элементов. Плавление твердого материала также можно рассматривать как перколяцию через разрыв связей между частицами, например, ковалентных связей. В рамках этого подхода плавление аморфного материала происходит, когда разорванные связи формируют перколяционный кластер с Tg, зависящим от квазиравновесных термодинамических параметров связей, таких как энтальпия (Hd) и энтропия (Sd) образования связей в данной системе при заданных условиях:
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:
где fc – порог перколяции, а R – универсальная газовая постоянная. Хотя Hd и Sd не являются строго равновесными термодинамическими параметрами и могут зависеть от скорости охлаждения расплава, их можно определить на основе имеющихся экспериментальных данных о вязкости аморфных материалов. Даже ниже температуры плавления на кристаллических поверхностях можно наблюдать квазижидкие пленки, толщина которых зависит от температуры. Этот эффект характерен для всех кристаллических материалов. Предварительное плавление проявляется в таких явлениях, как, например, морозное пучение грунта, рост снежинок и, с учетом межзерновых границ, возможно, даже в движении ледников.
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.
Связанное понятие
В физике ультракоротких импульсов может происходить так называемое нетермическое плавление. Оно возникает не из-за увеличения атомной кинетической энергии, а из-за изменения межатомного потенциала вследствие возбуждения электронов. Поскольку электроны действуют как связующее вещество, удерживающее атомы вместе, нагрев электронов фемтосекундным лазером изменяет свойства этого "связующего вещества", что может приводить к разрыву связей между атомами и плавлению материала даже без повышения атомной температуры. В генетике под "плавлением" ДНК понимают разделение двухцепочечной ДНК на две одноцепочечные нити посредством нагрева или использования химических агентов, таких как полимеразная цепная реакция.
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.