Schmelzen

Schmelzen , auch Fusion genannt , ist ein physikalischer Prozess, der den Phasenübergang eines Stoffes vom festen in den flüssigen Zustand bewirkt . Dies geschieht, wenn die innere Energie des Feststoffs zunimmt, typischerweise durch Wärmezufuhr oder Druck , wodurch die Temperatur des Stoffes bis zum Schmelzpunkt ansteigt . Am Schmelzpunkt bricht die Ordnung der Ionen oder Moleküle im Feststoff zusammen, und der Feststoff schmilzt zu einer Flüssigkeit.

Stoffe im geschmolzenen Zustand weisen im Allgemeinen mit steigender Temperatur eine abnehmende Viskosität auf. Eine Ausnahme von diesem Prinzip bildet elementarer Schwefel , dessen Viskosität im Bereich von 130 °C bis 190 °C aufgrund von Polymerisation zunimmt . ^{[ 1 ]}

Manche organische Verbindungen durchlaufen beim Schmelzen Mesophasen , Zustände partieller Ordnung zwischen fest und flüssig.

Aus thermodynamischer Sicht ist die Änderung der freien Gibbs-Energie ∆G der Substanzen am Schmelzpunkt null, jedoch treten Änderungen der Enthalpie ( H ) und der Entropie ( S ) auf, die als Schmelzenthalpie (oder Schmelzwärme ) bzw. Schmelzentropie bezeichnet werden. Schmelzen wird daher als Phasenübergang erster Ordnung klassifiziert . Schmelzen tritt ein, wenn die freie Gibbs-Energie der Flüssigkeit niedriger ist als die des Feststoffs. Die Temperatur, bei der dies geschieht, hängt vom Umgebungsdruck ab.

Tieftemperaturhelium ist die einzige bekannte Ausnahme von der allgemeinen Regel. ^{[ 2 ]} Helium -3 besitzt bei Temperaturen unter 0,3 K eine negative Schmelzenthalpie. Helium-4 weist ebenfalls eine leicht negative Schmelzenthalpie unterhalb von 0,8 K auf. Dies bedeutet, dass diesen Substanzen bei geeignetem konstantem Druck Wärme entzogen werden muss , um sie zu schmelzen. ^{[ 3 ]}

Unter den theoretischen Kriterien für das Schmelzen sind die Lindemann-Kriterien ^{[ 4 ]} und Born -Kriterien ^{[ 5 ]} diejenigen, die am häufigsten als Grundlage für die Analyse der Schmelzbedingungen verwendet werden.

Das Lindemann-Kriterium besagt, dass Schmelzen aufgrund von Schwingungsinstabilität auftritt, z. B. wenn die mittlere Amplitude der thermischen Schwingungen der Atome im Vergleich zu den interatomaren Abständen relativ hoch ist, z. B. < δu ² > ^1/2 > δ _L R _s , wobei δu die atomare Auslenkung, der Lindemann-Parameter δ _L ≈ 0,20…0,25 und R _s die Hälfte des interatomaren Abstands ist. ^{[ 6 ] : 177} Das „Lindemann-Schmelzkriterium“ wird durch experimentelle Daten sowohl für kristalline Materialien als auch für Glas-Flüssigkeits-Übergänge in amorphen Materialien gestützt .

Das Born-Kriterium basiert auf einer Starrheitskatastrophe, die durch das Verschwinden des elastischen Schermoduls verursacht wird; d. h. wenn der Kristall nicht mehr über genügend Steifigkeit verfügt, um der Belastung mechanisch standzuhalten, wird er flüssig. ^{[ 7 ]}

Unter Standardbedingungen ist der Schmelzpunkt einer Substanz eine charakteristische Eigenschaft. Schmelzpunkt und Gefrierpunkt entsprechen häufig einander . Unter gezielt erzeugten Bedingungen kann es jedoch zu Unterkühlung oder Überhitzung über den Schmelz- bzw. Gefrierpunkt hinaus kommen. Wasser auf einer sehr sauberen Glasoberfläche unterkühlt sich oft um mehrere Grad unter den Gefrierpunkt, ohne zu gefrieren. Feine Emulsionen aus reinem Wasser wurden auf −38 °C abgekühlt, ohne dass sich Eis bildete . ^{[ 8 ]} Die Kristallisation erfolgt aufgrund von Schwankungen der Materialeigenschaften. Wird das Material nicht bewegt, fehlt oft ein Auslöser (wie z. B. physikalische Vibrationen), und es kann zu Unterkühlung (oder Überhitzung) kommen. Thermodynamisch befindet sich die unterkühlte Flüssigkeit in einem metastabilen Zustand gegenüber der kristallinen Phase und kristallisiert wahrscheinlich plötzlich.

Gläser sind amorphe Feststoffe , die üblicherweise entstehen, wenn geschmolzenes Material sehr schnell unter seine Glasübergangstemperatur abkühlt, ohne dass sich ein regelmäßiges Kristallgitter ausbilden kann. Feststoffe zeichnen sich durch einen hohen Vernetzungsgrad ihrer Moleküle aus, während Flüssigkeiten eine geringere Vernetzung ihrer Strukturbausteine ​​aufweisen. Das Schmelzen eines Feststoffs kann auch als Perkolation über gebrochene Verbindungen zwischen Partikeln, z. B. Bindungen, betrachtet werden. ^{[ 9 ]} Nach diesem Ansatz tritt das Schmelzen eines amorphen Materials ein, wenn die gebrochenen Bindungen einen Perkolationscluster mit einer Glasübergangstemperatur ( T_{_g}) bilden, die von thermodynamischen Quasi-Gleichgewichtsparametern der Bindungen, z. B. der Bildungsenthalpie ( H _{_d} ) und -entropie ( S_{_d} ) der Bindungen in einem gegebenen System unter gegebenen Bedingungen, abhängt: ^{[ 10 ]}

${\displaystyle T_{g}={\frac {H_{d}}{S_{d}+R\ln({\frac {1-f_{c}}{f_{c}}})}},}$

wobei f _c die Perkolationsschwelle und R die universelle Gaskonstante ist.

Obwohl H _d und S _d keine echten thermodynamischen Gleichgewichtsparameter sind und von der Abkühlgeschwindigkeit einer Schmelze abhängen können, lassen sie sich aus verfügbaren experimentellen Daten zur Viskosität amorpher Materialien bestimmen .

Selbst unterhalb des Schmelzpunktes lassen sich auf kristallinen Oberflächen quasi-flüssige Filme beobachten. Die Dicke dieser Filme ist temperaturabhängig. Dieser Effekt tritt bei allen kristallinen Materialien auf. Dieses Vorschmelzen zeigt sich beispielsweise bei Frosthebungen, dem Wachstum von Schneeflocken und, unter Berücksichtigung von Korngrenzen, möglicherweise sogar bei der Bewegung von Gletschern .

In der Physik ultrakurzer Pulse kann es zu einem sogenannten nichtthermischen Schmelzen kommen. Dieses tritt nicht aufgrund einer Erhöhung der atomaren kinetischen Energie auf, sondern aufgrund von Änderungen des interatomaren Potentials infolge der Anregung von Elektronen. Da Elektronen wie ein Klebstoff wirken, der Atome zusammenhält, verändert die Erhitzung von Elektronen durch einen Femtosekundenlaser die Eigenschaften dieses „Klebstoffs“. Dies kann die Bindungen zwischen den Atomen aufbrechen und ein Material sogar ohne Erhöhung der atomaren Temperatur zum Schmelzen bringen. ^{[ 11 ]}

In der Genetik bedeutet DNA- Schmelzen, die doppelsträngige DNA durch Erhitzen oder mithilfe chemischer Mittel, der Polymerase-Kettenreaktion , in zwei Einzelstränge zu trennen .

• Liste der chemischen Elemente mit Schmelzpunkten
• Phasendiagramm
• Zonenschmelzen

• Die Wörterbuchdefinition von „schmelzen“ bei Wiktionary