Nhiệt độ nóng chảy như thế nào với nhiệt độ đông đặc

Đông đặc là một quá trình chuyển trạng thái khi một chất chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn khi nhiệt độ của nó giảm xuống dưới nhiệt độ đông đặc.

Đối với hầu hết các chất, quá trình nóng chảy và đông đặc xảy ra ở cùng một nhiệt độ; Tuy nhiên, một số chất có nhiệt độ chuyển trạng thái rắn-lỏng khác nhau. Ví dụ thạch cho thấy có độ trễ giữa nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc. Nó nóng chảy tại 85 °C [185 °F] và đông đặc từ 32 °C đến 40 °C [89.6 °F đến 104 °F].[1]

Khi đông đặc, nhiều chất cũng xảy ra kết tinh, trong đó chuyển động Brown của các phân tử bị giảm. Các phân tử do đó có ít năng lượng hơn trong trạng thái rắn so với trạng thái lỏng, điều này tương đuơng với một sự giải phóng năng lượng/nhiệt.[2]

Đông đặc trong hầu hết trường hợp là một quá trình tỏa nhiệt, tức là khi chất lỏng chuyển sang trạng thái rắn, nhiệt [và áp suất] được tỏa ra. Điều này có vẻ đi ngược với trực giác,[3] do nhiệt độ của vật liệu không tăng khi đông đặc, ngoại trừ khi nếu chất lỏng ở trạng thái siêu lạnh. Nhiệt phải được liên tục bị lấy khỏi chất lỏng đông đặc, nếu không quá trình đông đặc sẽ dừng lại. Năng lượng tỏa ra khi đông đặc là một loại ẩn nhiệt, còn gọi là nhiệt [entanpi] nóng chảy và đúng bằng năng lượng cần thiết để nóng chảy một lượng chất rắn tương đương.

Tuy nhiên, heli nhiệt độ thấp là ngoại lệ duy nhất.[4] Heli-3 có entanpi nóng chảy âm ở nhiệt độ dưới 0.3 K. Heli-4 cũng có entanpi nóng chảy khá âm khi nhiệt độ dưới 0.8 K. Điều này có nghĩa là, ở áp suất không đổi phù hợp, nhiệt lượng phải được thêm vào những chất này để có thể đông đặc.[5]

Một số chất, chẳng hạn nước và bismuth giãn nở về thể tích khi chúng đông đặc.

Nước và các dung dịch khác đóng băng khi chúng đông đặc sang trạng thái rắn.[6] Từ đông đá cũng thường được sử dụng để chỉ sự bảo quản thực phẩm bằng cách làm lạnh tới điểm đông đặc. Đối với các hợp kim và thủy tinh, sự đông đặc bắt đầu xảy ra ở nhiệt độ liquidus và hoàn thành ở nhiệt độ solidus.[7]

• Kết tinh
• Siêu lạnh [nhiệt động lực học]
• Sương muối
• Hiệu ứng Mpemba
• Nóng chảy
• Nhiệt nóng chảy

1. ^ “All About Agar”. Sciencebuddies.org. Lưu trữ bản gốc ngày 3 tháng 6 năm 2011. Truy cập ngày 27 tháng 4 năm 2011.
2. ^  Herbert Windisch: Thermodynamik Ein Lehrbuch für Ingenieure. De Gruyter, 2014, ISBN 978-3-486-85914-0, S. 125 [Đông đặc tại Google Books].
3. ^ What is an exothermic reaction? Scientific American, 1999
4. ^ Atkins P, Jones L [2008], Chemical Principles: The Quest for Insight [ấn bản 4], W. H. Freeman and Company, tr. 236, ISBN 978-0-7167-7355-9
5. ^ Ott JB, Boerio-Goates J [2000]. Chemical Thermodynamics: Advanced Applications. Academic Press. tr. 92–93. ISBN 0-12-530985-6.
6. ^  Ulrich Harten: Physik für Mediziner. Springer-Verlag, 2015, ISBN 978-3-642-55273-1, S. 156 [Đông đặc tại Google Books].
7. ^  Rau/Ströbel: Die Metalle - Werkstoffkunde mit ihren chemischen und physikalischen Grundlagen. Verlag Neuer Merkur GmbH, 1999, ISBN 978-3-929360-44-8, S. 95 [Đông đặc tại Google Books].

•   Phương tiện liên quan tới Freezing tại Wikimedia Commons
• Video của một hợp chất liên kim loại đông đặc
  Lưu trữ 2015-12-10 tại Wayback Machine

Nhiệt độ nóng chảy hay điểm nóng chảy/nhiệt độ hóa lỏng của một chất rắn là nhiệt độ mà khi đạt tới ngưỡng đó thì quá trình nóng chảy của một chất xảy ra, tức là chất đó chuyển trạng thái từ rắn sang lỏng.

để chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng.

Theo nhiệt động lực học, khi nóng chảy entanpi [ H {\displaystyle H} ] và entropy [ S {\displaystyle S} ] của khối vật liệu m do đó sẽ tăng [ Δ H , Δ S > 0 {\displaystyle \Delta H,\Delta S>0} ] tại nhiệt độ nóng chảy T {\displaystyle T} sao cho chúng có thể được biểu diễn theo các công thức sau:

suy ra:

trong đó:

• L f {\displaystyle L_{f}} : ẩn nhiệt nóng chảy riêng [J/kg];
• Δ H {\displaystyle \Delta H} : biến thiên entanpi [J];
• Δ S {\displaystyle \Delta S} : biến thiên entropy [J/K];
• m {\displaystyle m} : khối lượng [kg];
• T {\displaystyle T} : nhiệt độ [K].

Sự phụ thuộc áp suấtSửa đổi

Không giống nhiệt độ hóa hơi [điểm sôi], nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc rất ít vào thay đổi áp suất, bởi vì thể tích mol của pha rắn và pha lỏng gần bằng nhau. Để thay đổi nhiệt độ nóng chảy tới 1 K, áp suất phải tăng trung bình cỡ 100 bar. Do đó, thay đổi trong áp suất khí quyển – có thể gây biến động dễ nhận thấy trong điểm sôi – trên thực tế không có tác động đến điểm nóng chảy.

Đối với sự nóng chảy, cũng như hầu hết sự chuyển pha khác, quan hệ cụ thể được biểu diễn trong phương trình Clausius-Clapeyron, đưa ra công thức xấp xỉ biến thiên nhiệt độ ΔT nóng chảy ở các áp suất khác nhau:[2]

Ở đây, TM là nhiệt độ nóng chảy, ΔV là biến thiên thể tích riêng khi nóng chảy, Δp là sự chênh lệch áp suất đang xét, và HM là entanpi nóng chảy. Tuy nhiên, do biến thiên thể tích ΔV khi nóng chảy là rất nhỏ, sự phụ thuộc vào áp suất của điểm nóng chảy cũng cực kỳ nhỏ. Lấy ví dụ, nếu áp suất tăng lên 100 bar, nhiệt độ nóng chảy của băng chỉ thay đổi giảm tới −0.76 K. Do đó băng tan dễ dàng hơn khi có áp suất lớn tác động, trong khi đó điểm nóng chảy của cacbon tetrachloride tăng lên +3.7 K. Nhận xét rằng do điểm nóng chảy của băng, hay chẳng hạn bismuth, giảm khi áp suất tăng, suy ra thể tích của các chất này giảm đi khi nóng chảy: do đó ở phương trình trên dấu của ΔV và ΔT là âm.

Điểm nóng chảy của nguyên tố thủy ngân là 234,32 K [−38.83 °C hay −37.89 °F]. Chất có điểm nóng chảy [dưới áp suất khí quyển] cao nhất hiện nay được biết là than chì [hay còn gọi là graphit], có điểm nóng chảy 3.948 K. Heli có điểm nóng chảy ở nhiệt độ 0.95 K.

• Các pha của vật chất
• Điểm sôi
• Điểm ba trạng thái
• Sự suy giảm điểm đóng băng
• Hiện tượng tái đóng băng

1. ^ R. Feistel and W. Wagner [2006]. “A New Equation of State for H2O Ice Ih”. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 35: 1021–1047. doi:10.1063/1.2183324.
2. ^ “Change of aggregate state of substances through change of heat content: Change of aggregate state of substances and the equation of Clapeyron-Clausius”. Lưu trữ bản gốc ngày 19 tháng 2 năm 2008.
3. ^ Holman, S. W.; Lawrence, R. R.; Barr, L. [ngày 1 tháng 1 năm 1895]. “Melting Points of Aluminum, Silver, Gold, Copper, and Platinum”. Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences. 31: 218–233. doi:10.2307/20020628. JSTOR20020628.
4. ^ a b “Carbon”. rsc.org.