Diagrama que muestra la nomenclatura de los cambios de estado de acuerdo a laentalpía.El derretimiento de cubos de hielo ilustran el proceso de fusión.
Las sustancias en el estado fundido generalmente reducen suviscosidad con el aumento de temperatura. Una excepción a este principio es elazufre, cuyos aumentos de viscosidad son debidos a la polimerización, disminuyendo a temperaturas más altas en su estado fundido.[1]
Al calentar un trozo deplomo (por ejemplo, en un recipiente deacero), se puede observar que se derrite a cierta temperatura. Si se permite que el plomo fundido se enfríe, volverá a un estado de agregado sólido. Un cuerpo sólido se transforma en líquido al calentarse, y un líquido en sólido al enfriarse. Para cada sustancia química, existe una cierta temperatura a la cual la sustancia cambia de un estado sólido a líquido, es decir, de un estado líquido a un sólido agregado. En el primer caso se produce la fusión, y esta temperatura se denomina punto de fusión, y en el segundo caso se produce la solidificación. Los experimentos han demostrado que el punto de fusión y el punto de solidificación coinciden para materiales iguales a la misma presión. De los metales puros, elestaño, el plomo y elbismuto se funden a las temperaturas más bajas, mientras que elmercurio se encuentra en estado líquido a temperatura normal. Lasaleaciones (mezclas de dos o más metales) normalmente tienen un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los metales de los que se compone la aleación, por ejemplo, una aleación dezinc yplomo a partes iguales, utilizada para soldadura blanda, se funde a 200 °C, mientras que el punto de fusión del zinc es 420 °C y el del plomo es 327 °C.
El concepto de "fusión" ha evolucionado significativamente a lo largo del tiempo, desde las intuiciones antiguas sobre los estados de la materia hasta el entendimiento científico sofisticado que tenemos hoy. La historia de la fusión, un proceso en el que un sólido se convierte en líquido al ser calentado, está intrínsecamente relacionada con el desarrollo más amplio de latermodinámica, laciencia de materiales y lateoría atómica.
Las primeras referencias al proceso de fusión pueden rastrearse hasta las civilizaciones antiguas. Las personas observaban que sustancias como elhielo y losmetales podían cambiar de forma sólida a líquida bajo diferentes condiciones. Los antiguos griegos, comoAristóteles, tenían una comprensión rudimentaria del mundo natural, describiendo la materia como compuesta por cuatro elementos fundamentales: tierra, aire,fuego y agua. Aunque no contaban con un concepto formal de fusión, reconocían que las sustancias podían cambiar bajo ciertas circunstancias, como la solidificación del agua en hielo durante el clima frío y la licuación de los metales al ser calentados.
Durante elRenacimiento, los eruditos comenzaron a cuestionar las nociones previas sobre la materia, lo que llevó a la revolución científica en los siglosXVI yXVII. Una figura clave en esta transformación fueRobert Boyle, cuyo trabajo en los 1600 sentó las bases de la química moderna. Los estudios pioneros de Boyle sobre los gases, junto con su famosaLey de Boyle-Mariotte,[2] ayudaron en la comprensión de latemperatura y lapresión, cruciales para el estudio de la fusión. Boyle y otros comoIsaac Newton empezaron a considerar las propiedades de la materia en términos de observación y experimento científicos, preparando el terreno para un examen más riguroso de los cambios físicos que las sustancias experimentan, como la fusión.
El descubrimiento de loscambios de fase del agua también se convirtió en un área notable de estudio. En el siglo XVIII, científicos comoJoseph Black yJean-Pierre Méry[cita requerida] comenzaron a experimentar con el calor y el hielo. El descubrimiento de Black sobre elcalor latente,[3] que es la cantidad de calor necesario para cambiar la fase de una sustancia (por ejemplo, de sólido a líquido) sin cambiar su temperatura, fue fundamental para avanzar en la comprensión científica de la fusión. Black demostró que cuando el hielo se funde, absorbe calor sin un aumento en la temperatura, un fenómeno que más tarde se explicaría en términos demovimiento molecular y energía.
El siglo XIX marcó una era crucial en la comprensión de las transiciones de fase, incluida la fusión, con el desarrollo de la termodinámica como disciplina científica formal. El trabajo de científicos comoSadi Carnot,James Clerk Maxwell yRudolf Clausius condujo a la formulación de leyes que gobiernan laconservación de la energía y latransferencia de calor.[4] El desarrollo del concepto del "punto crítico", la temperatura y la presión en las que las fases distintas de la materia (como líquido y gas) se fusionan, fue crucial para entender no solo la fusión, sino el comportamiento más amplio de los materiales bajo diferentes condiciones.[5]
A mediados del siglo XIX, la conexión entre temperatura y el comportamiento de losátomos y lasmoléculas comenzó a tomar forma. La teoría cinética de la materia, desarrollada por científicos como James Clerk Maxwell yLudwig Boltzmann, explicó el comportamiento de las partículas en los diferentes estados de la materia.[6] Según esta teoría, a medida que aumenta la temperatura de un sólido, la energía vibracional de sus átomos o moléculas también aumenta, superando en algún punto las fuerzas que los mantienen unidos, lo que lleva a la fusión.
En el siglo XX, con el advenimiento de lamecánica cuántica y lateoría atómica, la comprensión de la fusión se volvió más precisa. Ahora se sabía que las sustancias se fundían a una temperatura característica, conocida como elpunto de fusión, que dependía de la estructura molecular del material y de las fuerzas entre los átomos. Por ejemplo, los metales suelen tener puntos de fusión elevados debido a que los enlaces entre sus átomos son fuertes, mientras que sustancias como el hielo se funden a temperaturas más bajas debido a los relativamente débiles enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua.[7]
En la ciencia moderna de materiales, el proceso de fusión se entiende en términos del comportamiento microscópico de las moléculas y los átomos, y los puntos de fusión se utilizan como una propiedad clave para identificar y caracterizar sustancias. El estudio de la fusión también se ha expandido a los campos de la cristalografía, donde la disposición de los átomos en un sólido juega un papel importante en su comportamiento de fusión, y al estudio de los líquidos sobreenfriados y las transiciones de vidrio.
La fusión como una transición de fase de primer orden
Elhelio de baja temperatura es la única excepción conocida a la regla general.[11]Helio-3 tiene una entalpía de fusión negativa a temperaturas inferiores a 0,3 K.Helio-4 también tiene una entalpía de fusión muy ligeramente negativa por debajo de 0,8 K. Esto significa que, a presiones constantes adecuadas, se debeextraer calor de estas sustancias para fundirlas.[12]
Entre los criterios teóricos para la fusión, los criterios de Lindemann[13] y Max Born[14] son los más frecuentemente utilizados como base para analizar las condiciones de fusión. El criterio de Lindemann declara que la fusión ocurre debido a una inestabilidad vibracional, por ejemplo, loscristales 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 desplazamientoatómico, el parámetro Lindemann δL ≈ 0.20...0.25 y Rs es un medio de la distancia interatómica.[15]: 177 El criterio de Lindemann de fusión está basado en datos experimentales para materialescristalinos y para transiciones líquidas en materiales amorfos. El criterio de Born se basa en una catástrofe de rigidez causada por la desaparición delmódulo de cizalladura, es decir, cuando un cristal ya no tiene suficiente rigidez para soportar mecánicamente la carga, se vuelve líquido.[16]
Bajo condiciones estándar, el punto de fusión de una sustancia es una propiedad característica.[17] El punto de fusión es a menudo igual alpunto 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 sinnucleación para formarhielo. 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 estadometaestable con respecto a la fase cristalina, y probablemente puede cristalizarse de repente.
Los vidrios sonsólidos amorfos que, normalmente se fabrican cuando el material fundido se enfría muy rápidamente por debajo de su temperatura de transición vítrea, sin tiempo suficiente para formar una red regular de cristal. Los sólidos están caracterizados por un alto grado de conectividad entre sus moléculas, mientras que 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.[18] 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):[19]
Donde fc es el umbral de filtración y R es laconstante universal de los gases. A pesar de que Hd y Sd 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 deglaciares.
↑La recombinación de plasma es un proceso mediante el cual los iones positivos de un plasma capturan un electrón libre (energético) y se combinan con electrones o iones negativos para formar nuevos átomos neutros (gas). El proceso de recombinación puede describirse como el inverso de la ionización, donde las condiciones permiten que el plasma se transforme en gas.(«Learn the Phase Changes of Matter».ThoughtCo(en inglés). Consultado el 10 de febrero de 2023.)
↑C. Michael Hogan (2011)Sulfure, Encyclopedia of Earth, eds. A.Jorgensen and C.J.Cleveland, National Council for Science and the environment, Washington DC.
↑Black, Joseph. Experiments upon Magnesia Alba, Quicklime, and Some Other Alcaline Substances (1756) Printed by W. & C. Spilsbury
↑Maxwell, James Clerk. Theory of Heat (1871) Macmillan and Co. ISBN: 978-1406719919
↑Clausius, Rudolf. The Mechanical Theory of Heat with Its Applications to the Steam Engine and to the Physical Properties of Bodies (1879) John van Voorst ISBN: 978-1478370803
↑Atkins, Peter; Jones, Loretta (2008),Chemical Principles: The Quest for Insight (4ª edición), W. H. Freeman and Company, p. 236,ISBN978-0-7167-7355-9.
↑Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana (2000),Termodinámica Química: Aplicaciones avanzadas, Academic Press, pp. 92-93,ISBN978-0-12-530985-1.
Frank H. Herbstein: Some applications of thermodynamics in crystal chemistry. In: Journal of Molecular Structure. Vol. 374, Nr. 1/3, January 1996, ISSN 0022-2860, S. 111–128,
