Топљење

Коцке леда које се топе илуструју процес топљења.

Lijevanje u pješčani kalup za jednokratnu upotrebu.

Топљење је физички процес у коме материја мења своје агрегатно стање од чврстог у течно. Унутрашња енергија чврсте материје се увећава, обично загревањем или повећањем притиска, чиме се њена температура подиже до температуре топљења. Када тело достигне тачку топљења, његова строга структура молекула се ремети и постаје лабавије уређена, чиме тело постаје течност. Док тело прелази из чврстог у течно стање његова температура се не мења. Енергија коју је потребно предати телу да би се оно отопило (на температури топљења) назива се латентна топлота. Топљење треба разликовати од стапања, које се односи на физичку фузију различитих материјала, као у легурама, на пример.

Кристална се тела топе на одређеној температури на којој, због довођења топлоте према кинетичкој теорији, енергија вибрације елемената кристалне решетке постаје већа од енергије веза које састојке решетке држе на окупу, те се решетка нагло распада и њезини састојци постају један према другом слободно покретљиви. Аморфне чврсте матереје (као стакло, битумен, смоле) немају талиште, него постају поступно све мекше и континуирано прелазе у течно стање. Оне се зато сматрају течностма врло велике вискозности.

Загревањем комадића олова (на пример у челичној посуди), може се видети да ће се оно растопити код неке одређене температуре. Ако се растаљено олово остави да се охлади, оно ће поново прећи у чврсто агрегатно стање. Чврсто тело прелази дакле у течно загрејањем, а течно у чврсто хлађењем. За сваку хемијску материја постоји одређена температура код које материја прелази из чврстог у течно стање, односно из течног у чврсто агрегатно стање. У првом случају долази до топљења, те се та температура назива талиште, а у другом случају долази до очвршћавања. Експериментима је утврђено да се талиште и скрутиште подударају за једнаке материјале код истог притиска. Од чистих метала тали се код најниже температуре калај, олово и бизмут, док је жива код нормалне температуре у течном стању. Легуре (смеше два или више метала) имају редовно ниже талиште него што је талиште метала од којих се та легура састоји, на пример легура од једнаких делова цинка и олова која се употребљава за меко лемљење, топи се код 200 °C.

Талиште

Главни чланак: Талиште

Талиште је температура при којој нека материја прелази из чврстог у течно агрегатно стање. Ono zavisi od pritiska, ali se u tablicama za pojedine tvari obično navode vrijednosti tališta kod normiranog atmosferskoga tlaka (101 325 Pa). Pod većim tlakom talište se snizuje, a pod manjim povisuje. Talište slitina i čvrstih otopina redovito je niže od tališta pojedinih komponenata. Temperatura skrućivanja, što je obrnuta pojava prelaska iz kapljevitog u kruto stanje, zove se krutište (za vodu se tradicionalno koristi pojam ledište). Za većinu tvari talište je jednako krutištu, na primjer kod žive su na 234,32 kelvina (−38,83 °C). Za neke se tvari razlikuju, na primjer organski se polimer agar tali iznad 85 °C, a skrućivati se počinje tek kada se temperatura spusti između 32 °C i 40 °C. Taj fenomen zovemo histereza. Kod nekih tvari, kao što je staklo, dolazi do postupnog skrućivanja bez kristalizacije pa se krutište i talište ne mogu točno odrediti. To su takozvane amorfne krutine.

Mnogo točnija definicija tališta (ili ledišta) jest da je to temperatura pri kojoj su čvrsta i tekuća faza neke tvari pri određenom tlaku u ravnoteži.

Talište vode (leda) je na 0 °C (273 K). Ako u vodi ima sitnih čestica koje djeluju kao jezgre kristalizacije ledište je jednako talištu, međutim potpuno čista voda se može pothladiti do −42 °C (231 K) prije nego što se počne smrzavati. Za razliku od vrelišta, talište je relativno neosjetljivo na promjenu tlaka. Kemijski element s najvišom temperaturom tališta koja iznosi 3 695 K (3 422 °C) je volfram. S druge strane ljestvice je helij koji se pri normalnom tlaku ne skrućuje čak ni na apsolutnoj nuli.

Toplota topljenja

Stavimo u limenu kutiju 1 kilogram leda (ili snijega) od -10 °C i grijemo ga na plameniku. U led stavimo termometar i miješajmo. Živa će se u termometru dignuti do ledišta i stati. Tada će se led taliti, a termometar će pokazivati stalno 0 °C. Znači, sva dovedena toplina troši se zagrijavanjem na taljenje leda. Dokle god se sav led ne rastali, temperatura smjese vode i leda neće se dizati. Toplina potrebna da se 1 kilogram krute tvari koja je već ugrijana na temperaturu tališta pretvori potpuno u tekućinu naziva se toplina taljenja. Na primjer toplina taljenja leda je 335 kJ, bakra 166 kJ, platine 113 kJ i tako dalje.

Zavisnost tališta od pritiska

Pokusima je ustanovljeno da talište ovisi o tlaku pod kojim se nalazi određena kemijska tvar prilikom taljenja. Ispitivanja su pokazala da talište raste s povećanjem tlaka kod onih tvari koje taljenjem povećavaju svoj obujam. Obratno je kod tvari kojima se obujam smanjuje prilikom taljenja. Talište leda snizuje se za 0,007 5 °C pri povećanju tlaka za 1 bar.

Otapanje

Otapanje je prevođenje neke kemijske tvari u otopinu. Otapanje može biti fizičko, pri čem se otopljena tvar kemijski ne mijenja (na primjer otapanje šećera u vodi), ili kemijsko, pri čem nastaje kemijska reakcija (na primjer otapanje metala u kiselinama uz stvaranje soli).

Uzmimo čašu vode u koju smo stavili termometar i bacimo zatim u vodu nešto kuhinjske soli. Sol će se otopiti, a temperatura vode će pasti. Vidimo da krute tvari mogu prijeći u tekuće stanje otapanjem u izvjesnim tekućinama. Tekućina u kojoj se neka tvar otapa zove se otapalo, a nastala tekućina naziva se otopina. Iz tog se pokusa vidi da se za otapanje troši toplina. Omjer između količine otopljene tvari i količine otapala zove se koncentracija otopine. Često se koncentracija otopine izražava brojem molova otopljene tvari. Molarna otopina je otopina kod koje je u 1 litri otapala otopljen 1 mol neke tvari. Ako je na primjer u 1 litri vode otopljeno 5,85 grama kuhinjske soli koja ima molekularnu masu 58,5, onda je to 1/10 molarne otopine. Količina tvari koja se može otopiti u nekoj tekućini ovisi o temperaturi. Što je temperatura viša, to se može otopiti veća količina tvari i obratno. Ako otopina sadrži najveću količinu tvari koja se može otopiti kod određene temperature, to je zasićena otopina. Ako sadrži manje tvari, onda je nezasićena, a ako sadrži previše, to je prezasićena otopina. Suvišna količina tvari u tom slučaju izlučuje u krutom stanju, to jest nastaje kristalizacija. Vidjeli smo da je za otapanje potrebna određena količina topline; ta se količina topline ne dovodimo izvana, tekućina se ohlađuje pri otapanju krute tvari. Na taj se način mogu dobiti otopine niskih temperatura koje se zovu hladne smjese. Na primjer smjesa od 3 dijela leda i jednog dijela soli može postići temperatura od -21 °C. U tekućinama se mogu otapati i plinovi, i to vrlo velika količina. Otapanje plinova u tekućinama zove se apsorpcija.

Skrućivanje

Glavni članak: Skrućivanje

Skrućivanje je prijelaz kemijske tvari iz tekućeg u čvrsto agregatno stanje. Ta se pojava tumači djelovanjem dvaju suprotnih utjecaja na međudjelovanje čestica u tvarima: kohezija uzrokuje međusobno privlačenje čestica, a kinetička energija ih molekula razjedinjuje. Snizivanjem temperature tekućine smanjuje se kinetička energija pa djelovanje kohezije postaje relativno sve jače. Kada se kinetička energija molekula smanji ispod određene vrijednosti, kohezija prevagne i čvrsto stisne čestice jednu uz drugu. Čvrste tvari mogu biti amorfne tvari ili tvoriti kristalnu rešetku.

Ledište

Glavni članak: Ledište

Ledište je temperatura pri kojoj neka tvar prelazi iz tekućega u čvrsto agregatno stanje. Ovisi o tlaku, ali se u tablicama za pojedine tvari obično navode vrijednosti ledišta kod normiranog atmosferskoga tlaka (101 325 Pa). Pod većim tlakom ledište se snizuje, a pod manjim povisuje. Ledište slitina i čvrstih otopina redovito je niže od ledišta pojedinih komponenata. Kako bi se pokusima utvrdila temperatura na kojoj postoji ravnoteža između čvrstog i tekućeg agregatnog stanja neke tvari, pogodnije je izmjeriti njezino talište, jer je pri određivanju ledišta često potrebno pothlađivanje tvari da bi započela kristalizacija.

Temperatura ledišta nekog otapala (voda, alkohol, aceton...) razlikuje se od temperature ledišta otopine neke krute tvari u tom otapalu. Otopine imaju nižu temperaturu ledišta od čistog otapala. Dakle otopljena kruta tvar uzrokuje sniženje temperature ledišta otopine, koje ovisi broju čestica otopljene tvari u otopini. Zato ovo svojstvo ubrajamo u koligativna svojstva otopina.

Главни чланак: Колигативна својства

Смрзавање или залеђивање је хлађење материја на температури нижој од ледишта. Тако се на пример животне намирнице излажу смрзавању како би се постигло бактериостатско деловање (конзервирање).

Талиште неких материјала

Талиште Θ неких материја при притиску од 101 325 Pa

Materijal	Θ/°C	T/K
Хелијум (на 26 bar)	−272,2	0,955
Водоник	−259	14
Деутеријум	−254	19
Трицијум	−253	20
Неон	−248	25
Кисеоник	−218	55
Азот	−210	63
Озон	−193	80
Етанол (Ц<суб>2</суб>Х<суб>5</суб>ОХ)	−114	159
Хлор	−102	171
Бензин	−40	233
Жива	−38,36	234,795
Вода	0	273,155
Нитроглицерин	2	275,95
Бензен	5,5	278,7
Восак	55	328
Нафтален	80	353
Тринитротолуен	80,35	353,20
Сумпор (ромбски)	113	386
Сумпор (моноклински)	119	392
Шећер	160	433
Литијум	180	453
Калај	231	504
Олово	327,4	600,6
Цинк	419,5	692,7
Алуминијум	660,32	933,48
Кухињска сол	801	1 074
Сребро	960,8	1 234,0
Злато	1 064	1 337
Бакар	1 084	1.357
Берилијум	1 287	1 560
Жељезо	1 536	1 809
Платина	1 773,5	2 046,7
Бор	2 076	2 349
Волфрам	3 422	3 695
Хафнијум карбид	3 890	4 163
Тантал карбид	3 942	4 215
Тантал-хафнијум карбид	4 215	4 488

Види још

• Тачка топљења

Литература

• Giovambattista, N.; Angell, C. A.; Sciortino, F.; Stanley, H. E. (јул 2004). „Glass-Transition Temperature of Water: A Simulation Study” (PDF). Physical Review Letters. 93 (4): 047801. Bibcode:2004PhRvL..93d7801G. PMID 15323794. S2CID 8311857. arXiv:cond-mat/0403133 . doi:10.1103/PhysRevLett.93.047801. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• Rogerson, M. A.; Cardoso, S. S. S. (април 2004). „Solidification in heat packs: III. Metallic trigger”. AIChE Journal. 49 (2): 522—529. doi:10.1002/aic.690490222. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• R. Zallen (1969). The Physics of Amorphous Solids. Wiley Interscience. 
• S.R. Elliot (1990). The Physics of Amorphous Materials (2nd изд.). Longman. 
• N. Cusack (1969). The Physics of Structurally Disordered Matter: An Introduction. IOP Publishing. 
• N.H. March; R.A. Street; M.P. Tosi, ур. (1969). Amorphous Solids and the Liquid State. Springer. 
• D.A. Adler; B.B. Schwartz; M.C. Steele, ур. (1969). Physical Properties of Amorphous Materials. Springer. 
• A. Inoue; K. Hasimoto, ур. (1969). Amorphous and Nanocrystalline Materials. Springer. 
• Anderson, P.W., Basic Notions of Condensed Matter Physics, Perseus Publishing (1997).
• Faghri, A., and Zhang, Y., Fundamentals of Multiphase Heat Transfer and Flow, Springer Nature Switzerland AG, 2020.
• Fisher, M.E. (1974). „The renormalization group in the theory of critical behavior”. Rev. Mod. Phys. 46 (4): 597—616. Bibcode:1974RvMP...46..597F. doi:10.1103/revmodphys.46.597. 
• Goldenfeld, N., Lectures on Phase Transitions and the Renormalization Group, Perseus Publishing (1992).
• Ivancevic, Vladimir G; Ivancevic, Tijana T (2008), Chaos, Phase Transitions, Topology Change and Path Integrals, Berlin: Springer, ISBN 978-3-540-79356-4, Приступљено 14. 3. 2013 CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• M.R.Khoshbin-e-Khoshnazar, Ice Phase Transition as a sample of finite system phase transition, (Physics Education(India)Volume 32. No. 2, Apr - Jun 2016)[8]
• Kleinert, H., Gauge Fields in Condensed Matter, Vol. I, "Superfluid and Vortex lines; Disorder Fields, Phase Transitions,", pp. 1–742, World Scientific (Singapore, 1989); Paperback ISBN 9971-5-0210-0 (readable online physik.fu-berlin.de)
• Kleinert, H. and Verena Schulte-Frohlinde, Critical Properties of φ⁴-Theories, World Scientific (Singapore, 2001); Paperback ISBN 981-02-4659-5 (readable online here).
• Kogut, J.; Wilson, K (1974). „The Renormalization Group and the epsilon-Expansion”. Phys. Rep. 12 (2): 75—199. Bibcode:1974PhR....12...75W. doi:10.1016/0370-1573(74)90023-4. 
• Krieger, Martin H., Constitutions of matter : mathematically modelling the most everyday of physical phenomena, University of Chicago Press, 1996. Contains a detailed pedagogical discussion of Onsager's solution of the 2-D Ising Model.
• Landau, L.D. and Lifshitz, E.M., Statistical Physics Part 1, vol. 5 of Course of Theoretical Physics, Pergamon Press, 3rd Ed. (1994).
• Mussardo G., "Statistical Field Theory. An Introduction to Exactly Solved Models of Statistical Physics", Oxford University Press, 2010.
• Schroeder, Manfred R., Fractals, chaos, power laws : minutes from an infinite paradise, New York: W. H. Freeman, 1991. Very well-written book in "semi-popular" style—not a textbook—aimed at an audience with some training in mathematics and the physical sciences. Explains what scaling in phase transitions is all about, among other things.
• H. E. Stanley, Introduction to Phase Transitions and Critical Phenomena (Oxford University Press, Oxford and New York 1971).
• Yeomans J. M., Statistical Mechanics of Phase Transitions, Oxford University Press, 1992.

Спољашње везе

• Journal of non-crystalline solids (Elsevier)
• Interactive Phase Transitions on lattices with Java applets
• Universality classes from Sklogwiki