Điểm nóng chảy của một chất

Điểm nóng chảy, còn được biết đến là điểm hóa lỏng hay nhiệt độ nóng chảy, là nhiệt độ mà khi đạt tới thì quá trình nóng chảy của một chất xảy ra, có nghĩa là chất đó chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng.

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

Điểm nóng chảy rất nhạy với những thay đổi lớn về áp suất, nhưng nói chung, độ nhạy này ít hơn nhiều so với nhiệt độ sôi, vì quá trình chuyển từ rắn sang lỏng có ít thay đổi về thể tích.

Một số chất như thủy tinh có thể tạo ra cấu trúc rắn không có giai đoạn kết tinh được gọi là chất rắn không có hình dạng cụ thể. Các chất rắn không có hình dạng cụ thể không có điểm nóng chảy cố định. Đối với những chất này, nhiệt độ solidus là nhiệt độ mà dưới đó chất hoàn toàn trong trạng thái rắn, trong khi nhiệt độ liquidus là nhiệt độ mà trên đó chất hoàn toàn trong trạng thái lỏng.

Lý thuyết

Hầu hết các chất nóng chảy và đông đặc ở cùng một nhiệt độ. Ví dụ, với thủy ngân, điểm nóng chảy và điểm đông đặc là 234,32 K (−38,83 °C; −37,89 °F). Tuy nhiên, một số chất có tính chất có thể vào trạng thái siêu lạnh và do đó có thể đông đặc ở nhiệt độ thấp hơn điểm đông đặc lý thuyết. Nước là một ví dụ điển hình vì áp suất bề mặt của nước tinh khiết khó bị xóa và có thể tìm thấy giọt nước lạnh đạt đến −42 °C trong các đám mây nếu chúng không có hạt kích thích quá trình đông đặc.

Nhiệt động lực học

Khi một khối chất rắn tinh khiết được nung nóng, nhiệt độ của nó tăng cho đến khi đạt đến điểm nóng chảy. Tại điểm này, nhiệt độ giữ nguyên cho đến khi chất hoàn toàn chuyển sang trạng thái lỏng. Năng lượng cần thiết để hoàn toàn nóng chảy chất tinh khiết bao gồm không chỉ nhiệt lượng cần để đạt đến điểm nóng chảy mà còn bao gồm nhiệt lượng tiềm ẩn $L_f$ để chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng.

Theo lý thuyết nhiệt động học, khi entalpi nóng chảy ($H$) và entropy ($S$) của vật liệu khối m tăng ($\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}H,\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}S>0$) tại nhiệt độ nóng chảy $T$ để có thể được biểu diễn theo các công thức sau:

$\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}H=m{L}_f$ và $\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}S=\frac{m{L}_f}{T}$

kết luận:

$\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}S=\frac{\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}H}{T}$

trong đó:

• $L_f$: nhiệt lượng nóng chảy ẩn [J/kg] ;
• $\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}H$: biến thiên entalpi [J] ;
• $\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}S$: biến thiên entropy [J/K] ;
• $m$: khối lượng [kg] ;
• $T$: nhiệt độ [K].

Sự phụ thuộc vào áp suất

Không giống với điểm sôi, nhiệt độ nóng chảy ít phụ thuộc vào biến đổi áp suất, bởi vì thể tích mol của pha rắn và pha lỏng gần như bằng nhau. Để thay đổi nhiệt độ nóng chảy 1 K, áp suất phải tăng khoảng 100 bar trung bình. Vì vậy, biến đổi trong áp suất khí quyển - có thể dễ dàng nhận thấy trong điểm sôi - thực tế không ảnh hưởng đến điểm nóng chảy.

Đối với quá trình nóng chảy và hầu hết các quá trình chuyển pha khác, mối quan hệ được biểu diễn cụ thể trong phương trình Clausius-Clapeyron, cung cấp công thức xấp xỉ cho biến thiên nhiệt độ nóng chảy ΔT ở các áp suất khác nhau:

Nhiệt độ thay đổi khi điểm nóng chảy tăng với áp suất, vì vậy đối với băng và bismuth, thể tích giảm khi nóng chảy.

Sự chênh lệch áp suất và biến thiên thể tích khi nóng chảy rất nhỏ, nhưng ảnh hưởng đến nhiệt độ nóng chảy của vật liệu.

Ví dụ minh họa

Thủy ngân có điểm nóng chảy ở 234,32 K (−38,83 °C; −37,89 °F) dưới áp suất khí quyển.

• Vật chất (pha)
• Nhiệt độ bay hơi
• Điểm ba trạng thái
• Sự giảm điểm đóng băng
• Hiện tượng đóng băng tái