Nhiệt độ nóng chảy

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
(đổi hướng từ Điểm nóng chảy)
Một biển cảnh báo giao thông tại Québec với ghi chú rằng nhiệt độ đóng băng của nước là 0 °C .

Nhiệt độ nóng chảy hay điểm nóng chảy/nhiệt độ hóa lỏng của một chất rắnnhiệt 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.

Nhiệt độ của thay đổi ngược lại (tức là từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn) gọi là nhiệt độ đông đặc hay điểm đông đặc. Thông thường điểm nóng chảy trùng với điểm đông đặc.

Không giống như điểm sôi, điểm nóng chảy là tương đối không nhạy cảm với áp suất.

Có một số chất, như thủy tinh, có thể làm cứng lại không qua giai đoạn kết tinh được gọi là chất rắn vô định hình. Các chất rắn vô định hình không có điểm nóng chảy cố định. Với các chất này, nhiệt độ solidus là nhiệt độ mà ở dưới đó chất hoàn toàn ở trạng thái rắn, trong đó nhiệt độ liquidus là nhiệt độ mà ở trên đó chất hoàn toàn ở trạng thái lỏng.

Lý thuyết[sửa | sửa mã nguồn]

Hầu hết các chất nóng chảyđông đặc ở cùng một nhiệt độ. Chẳng hạn, đối với thủy ngân, điểm nóng chảy và đông đặc là 234.32 K (−38.82 °C). Tuy nhiên một số chất có tính chất có thể bước vào trạng thái siêu lạnh và do đó có thể đông đặc ở nhiệt độ bên dưới điểm đông đặc lý thuyết. Nước là một ví dụ cho điều này bởi vì áp suất căng bề mặt của nước tinh khiết khó bị loại bỏ và các giọt nước lạnh tới −42 °C có thể được tìm thấy trong các đám mây nếu chúng không chứa hạt nhân kích thích sự đông đặc.[1]

Nhiệt động lực học[sửa | sửa mã nguồn]

Khi một khối chất rắn tinh khiết được làm nóng, nhiệt độ của nó tăng tới khi nó đạt tới điểm nóng chảy. Tại điểm này, nhiệt độ của nó giữ nguyên tới khi vật đã chuyển hoàn toàn sang trạng thái lỏng. Năng lượng cần thiết để gây ra sự nóng chảy hoàn toàn của chất tinh khiết do đó không chỉ gồm nhiệt lượng cần cấp để tới nhiệt độ nóng chảy, mà còn gồm ẩn nhiệt để chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng.

Theo nhiệt động lực học, khi nóng chảy entanpi () và entropy () của khối vật liệu m do đó sẽ tăng () tại nhiệt độ nóng chảy sao cho chúng có thể được biểu diễn theo các công thức sau:

suy ra:

trong đó:

  • : ẩn nhiệt nóng chảy riêng [J/kg] ;
  • : biến thiên entanpi [J] ;
  • : biến thiên entropy [J/K] ;
  • : khối lượng [kg] ;
  • : nhiệt độ [K].

Sự phụ thuộc áp suất[sửa | sửa mã nguồn]

Đồ thị sự phụ thuộc vào áp suất của nhiệt độ nóng chảy của nước (MPa/K).

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 HMentanpi 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.

Ví dụ[sửa | sửa mã nguồn]

Sắt nóng chảy ở nhiệt độ 1538 °C dưới áp suất tiêu chuẩn

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.

Danh sách các hóa chất phổ biến
Chất [I] Khối lượng riêng (g/cm³) Nhiệt độ nóng chảy (K) [3] Nhiệt độ sôi (K)
Nước 1 273 373
Hydro 0.00008988 14.01 20.28
Heli 0.0001785 0.95[II] 4.22
Berylli 1.85 1560 2742
Carbon 2.267 [III][4] 4000[III][4]
Nitro 0.0012506 63.15 77.36
Oxy 0.001429 54.36 90.20
Natri 0.971 370.87 1156
Magiê 1.738 923 1363
Nhôm 2.698 933.47 2792
Lưu huỳnh 2.067 388.36 717.87
Clo 0.003214 171.6 239.11
Kali 0.862 336.53 1032
Titan 4.54 1941 3560
Sắt 7.874 1811 3134
Niken 8.912 1728 3186
Đồng 8.96 1357.77 2835
Kẽm 7.134 692.88 1180
Gali 5.907 302.9146 2673
Bạc 10.501 1234.93 2435
Cadmi 8.69 594.22 1040
Indi 7.31 429.75 2345
Iod 4.93 386.85 457.4
Tantan 16.654 3290 5731
Tungsten 19.25 3695 5828
Platin 21.46 2041.4 4098
Vàng 19.282 1337.33 3129
Thủy ngân 13.5336 234.43 629.88
Chì 11.342 600.61 2022
Bismuth 9.807 544.7 1837

Ghi chú

  1. ^ Z là ký hiệu tiêu chuẩn của số hiệu nguyên tử; C là ký hiệu tiêu chuẩn của nhiệt dung; và χ là ký hiệu tiêu chuẩn cho độ âm điện trên thang đo Pauling.
  2. ^ Heli không hóa rắn ở áp suất 1 atm. Heli chỉ có thể hóa rắn ở áp suất lớn hơn 25 atm, tương ứng với nhiệt độ nóng chảy ở không độ tuyệt đối.
  3. ^ a b Cacbon không nóng chảy ở nhiệt độ bất kỳ dưới áp suất tiêu chuẩn, thay vào đó nó thăng hoa ở gần 4100K


Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  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. JSTOR 20020628.
  4. ^ a b “Carbon”. rsc.org.