Topljenje

Kocke leda koje se tope ilustruju proces topljenja.

Lijevanje u pješčani kalup za jednokratnu upotrebu.

Topljenje je fizički proces u kome materija menja svoje agregatno stanje od čvrstog u tečno. Unutrašnja energija čvrste materije se uvećava, obično zagrevanjem ili povećanjem pritiska, čime se njena temperatura podiže do temperature topljenja. Kada telo dostigne tačku topljenja, njegova stroga struktura molekula se remeti i postaje labavije uređena, čime telo postaje tečnost. Dok telo prelazi iz čvrstog u tečno stanje njegova temperatura se ne menja. Energija koju je potrebno predati telu da bi se ono otopilo (na temperaturi topljenja) naziva se latentna toplota. Topljenje treba razlikovati od stapanja, koje se odnosi na fizičku fuziju različitih materijala, kao u legurama, na primer.

Kristalna se tela tope na određenoj temperaturi na kojoj, zbog dovođenja toplote prema kinetičkoj teoriji, energija vibracije elemenata kristalne rešetke postaje veća od energije veza koje sastojke rešetke drže na okupu, te se rešetka naglo raspada i njezini sastojci postaju jedan prema drugom slobodno pokretljivi. Amorfne čvrste matereje (kao staklo, bitumen, smole) nemaju talište, nego postaju postupno sve mekše i kontinuirano prelaze u tečno stanje. One se zato smatraju tečnostma vrlo velike viskoznosti.

Zagrevanjem komadića olova (na primer u čeličnoj posudi), može se videti da će se ono rastopiti kod neke određene temperature. Ako se rastaljeno olovo ostavi da se ohladi, ono će ponovo preći u čvrsto agregatno stanje. Čvrsto telo prelazi dakle u tečno zagrejanjem, a tečno u čvrsto hlađenjem. Za svaku hemijsku materija postoji određena temperatura kod koje materija prelazi iz čvrstog u tečno stanje, odnosno iz tečnog u čvrsto agregatno stanje. U prvom slučaju dolazi do topljenja, te se ta temperatura naziva talište, a u drugom slučaju dolazi do očvršćavanja. Eksperimentima je utvrđeno da se talište i skrutište podudaraju za jednake materijale kod istog pritiska. Od čistih metala tali se kod najniže temperature kalaj, olovo i bizmut, dok je živa kod normalne temperature u tečnom stanju. Legure (smeše dva ili više metala) imaju redovno niže talište nego što je talište metala od kojih se ta legura sastoji, na primer legura od jednakih delova cinka i olova koja se upotrebljava za meko lemljenje, topi se kod 200 °C.

Talište

Glavni članak: Talište

Talište je temperatura pri kojoj neka materija prelazi iz čvrstog u tečno agregatno stanje. Ono zavisi od pritiska, ali se u tablicama za pojedine materije obično navode vrednosti tališta kod normiranog atmosferskog pritiska (101 325 Pa). Pod većim pritiskom talište se snižava, a pod manjim povisuje. Talište legura i čvrstih rastvora redovno je niže od tališta pojedinih komponenata. Temperatura očvršćavanja, što je obrnuta pojava prelaska iz tečnog u čvrsto stanje, zove se krutište (za vodu se tradicionalno koristi pojam ledište). Za većinu materija talište je jednako krutištu, na primer kod žive su na 234,32 kelvina (−38,83 °C). Za neke se materije razlikuju, na primer organski se polimer agar topi iznad 85 °C, a očvršćavanje počinje tek kada se temperatura spusti između 32 °C i 40 °C. Taj fenomen se naziva histerezis. Kod nekih materija, kao što je staklo, dolazi do postupnog očvršćavanja bez kristalizacije te se krutište i talište ne mogu tačno odrediti. To su takozvane amorfne materije.

Mnogo tačnija definicija tališta (ili ledišta) jeste da je to temperatura pri kojoj su čvrsta i tečna faza neke materije pri određenom pritisku u ravnoteži.

Talište vode (leda) je na 0 °C (273 K). Ako u vodi ima sitnih čestica koje deluju kao jezgra kristalizacije ledište je jednako talištu, međutim potpuno čista voda se može pothladiti do −42 °C (231 K) pre nego što se počne smrzavati. Za razliku od vrelišta, talište je relativno neosetljivo na promenu pritiska. Hemijski element s najvišom temperaturom tališta koja iznosi 3 695 K (3 422 °C) je volfram. S druge strane lestvice je helijum koji se pri normalnom pritisku ne očvršćava čak ni na apsolutnoj nuli.

Toplota topljenja

Toplota topljenja leda se može odrediti tako što se stavi u limenu kutiju 1 kilogram leda (ili snega) na -10 °C i zagreva se na plameniku. U led se stavi termometar i meša se. Živa će se u termometru dignuti do ledišta i stati. Tada će se led otapati, a termometar će pokazivati stalno 0 °C. Znači, sva dovedena toplota troši se zagrejavanjem na topljenje leda. Dokle god se sav led ne rastopi, temperatura smeše vode i leda neće se dizati. Toplota potrebna da se 1 kilogram čvrste materije koja je već ugrejana na temperaturu tališta pretvori potpuno u tečnost naziva se toplota taljenja. Na primer toplota topljenja leda je 335 kJ, bakra 166 kJ, platine 113 kJ i tako dalje.

Zavisnost tališta od pritiska

Eksperimentima je ustanovljeno da talište zavisi od pritiska pod kojim se nalazi određena hemijska materija prilikom topljenja. Ispitivanja su pokazala da talište raste s povećanjem pritiska kod onih materija koje topljenjem povećavaju svoju zapreminu. Obratno je kod materija kojima se zapremina smanjuje prilikom topljenja. Talište leda snizuje se za 0,007 5 °C pri povećanju pritiska za 1 bar.

Rastvaranje

Rastvaranje je prevođenje neke hemijske materije u rastvor. Rastvaranje može biti fizičko, pri čemu se rastvorena materija hemijski ne menja (na primer rastvaranje šećera u vodi), ili hemijsko, pri čem nastaje hemijska reakcija (na primer rastvaranje metala u kiselinama uz stvaranje soli).

Uzmimo čašu vode u koju smo stavili termometar i bacimo zatim u vodu nešto kuhinjske soli. So će se rastvoriti, a temperatura vode će pasti. Čvrste materije mogu preći u tečno stanje rastvaranjem u izvesnim tečnostima. Tečnost u kojoj se neka materija ratvara zove se rastvarač, a nastala tečnost naziva se rastvor. Iz tog se eksperimenta vidi da se za rastvaranje troši toplota. Odnos između količine rastvorene materije i količine rastvarača zove se koncentracija rastvora. Često se koncentracija rastvora izražava brojem molova rastovrene materije. Molarni rastvor je rastvor kod koga je u 1 litri rastvarača rastvoren 1 mol neke materije. Ako je na primer u 1 litri vode rastvoreno 5,85 grama kuhinjske soli koja ima molekularnu masu 58,5, onda je to 1/10 molarni rastvor. Količina materije koja se može rastvoririti u nekoj tečnosti zavisi od temperature. Što je temperatura viša, to se može rastvoriti veća količina materije i obratno. Ako rastvor sadrži najveću količinu materije koja se može rastvoriti kod određene temperature, to je zasićeni rastvor. Ako sadrži manje materije, onda je nezasićen, a ako sadrži previše, to je prezasićeni rastvor. Suvišna količina materije se u tom slučaju izlučuje u čvrstom stanju, to jest nastaje kristalizacija. Za rastvaranje je potrebna određena količina toplote; ta se količina ne dovodi spolja, tečnost se hladi pri rastvapanju čvrste materije. Na taj način se mogu dobiti rastvori niskih temperatura koji se zovu hladne smese. Na primer smesa od 3 dela leda i jednog dela soli može postići temperaturu od -21 °C. U tečnostima se mogu rastvarati i gasovi, i to vrlo velika količina. Rastvaranje gasova u tečnostima zove se apsorpcija.

Očvršćavanje

Očvršćavanje je prelaz hemijske materije iz tečnog u čvrsto agregatno stanje. Ta se pojava tumači delovanjem dva suprotna uticaja na međudelovanje čestica u materijama: kohezija uzrokuje međusobno privlačenje čestica, a kinetička energija tih molekula razjedinjuje. Snižavanjem temperature tečnosti smanjuje se kinetička energija, te delovanje kohezije postaje relativno sve jače. Kada se kinetička energija molekula smanji ispod određene vrednosti, kohezija prevagne i čvrsto zgusne čestice jednu uz drugu. Čvrste materije mogu biti amorfne materije ili tvoriti kristalnu rešetku.

Ledište

Glavni članak: Ledište

Ledište je temperatura pri kojoj neka materija prelazi iz tečnog u čvrsto agregatno stanje. Ono zavisi od pritisku, ali se u tablicama za pojedine materije obično navode vrednosti ledišta kod normiranog atmosferskog pritiska (101 325 Па). Pod većim pritiskom ledište se snižava, a pod manjim povisuje. Ledište legura i čvrstih rastvora redovno je niže od ledišta pojedinih komponenata. Kako bi se eksperimentima utvrdila temperatura na kojoj postoji ravnoteža između čvrstog i tečnog agregatnog stanja neke materije, pogodnije je izmeriti njeno talište, jer je pri određivanju ledišta često potrebno pothlađivanje materije da bi započela kristalizacija.

Temperatura ledišta nekog rastvarača (voda, alkohol, aceton...) razlikuje se od temperature ledišta rastvora neke čvrste materije u tom rastvaraču. Rastvori imaju nižu temperaturu ledišta od čistog rastvarača. Dakle rastvorena čvrsta materija uzrokuje sniženje temperature ledišta rastvora, koje zavisi od broja čestica rastvorene materije u rastvaraču. Zato se ovo svojstvo ubraja u koligativna svojstva rastvora.

Glavni članak: Koligativna svojstva

Smrzavanje ili zaleđivanje je hlađenje materija na temperaturi nižoj od ledišta. Tako se na primer životne namirnice izlažu smrzavanju kako bi se postiglo bakteriostatsko delovanje (konzerviranje).

Talište nekih materijala

Talište Θ nekih materija pri pritisku od 101 325 Pa

Materijal	Θ/°C	T/K
Helijum (na 26 bar)	−272,2	0,955
Vodonik	−259	14
Deuterijum	−254	19
Tricijum	−253	20
Neon	−248	25
Kiseonik	−218	55
Azot	−210	63
Ozon	−193	80
Etanol (C2H5OH)	−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 со	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

Literatura

• Giovambattista, N.; Angell, C. A.; Sciortino, F.; Stanley, H. E. (jul 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 održavanje: Format datuma (veza)
• Rogerson, M. A.; Cardoso, S. S. S. (april 2004). „Solidification in heat packs: III. Metallic trigger”. AIChE Journal. 49 (2): 522—529. doi:10.1002/aic.690490222. Arhivirano iz originala 11. 06. 2021. g. Pristupljeno 11. 06. 2021. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• R. Zallen (1969). The Physics of Amorphous Solids. Wiley Interscience. 
• S.R. Elliot (1990). The Physics of Amorphous Materials (2nd izd.). Longman. 
• N. Cusack (1969). The Physics of Structurally Disordered Matter: An Introduction. IOP Publishing. 
• N.H. March; R.A. Street; M.P. Tosi, ur. (1969). Amorphous Solids and the Liquid State. Springer. 
• D.A. Adler; B.B. Schwartz; M.C. Steele, ur. (1969). Physical Properties of Amorphous Materials. Springer. 
• A. Inoue; K. Hasimoto, ur. (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, Pristupljeno 14. 3. 2013 CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• 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.

Spoljašnje veze

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