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Comment un solide se transforme-t-il en liquide ? Découvrez le mystère du processus de fusion !
La fusion est un processus physique qui provoque le passage d’une substance d’une phase solide à une phase liquide. Lorsque l’énergie interne d’un solide augmente, généralement par l’application de chaleur ou de pression, cela amène la température de la substance à atteindre son point de fusion. Au point de fusion, la structure ordonnée des ions ou des molécules du solide s'effondre, se transformant en un état moins ordonné, et finalement le solide fond en liquide.
Pendant le processus de fusion, la viscosité d’une substance fondue diminue généralement à mesure que la température augmente.
Une exception est le soufre élémentaire, dont la viscosité augmente en raison de la polymérisation à des températures comprises entre 160 °C et 180 °C. Certains composés organiques fondent à travers une phase intermédiaire, un état partiellement ordonné entre le solide et le liquide.
Analyse thermodynamique du processus de fusion
D'un point de vue thermodynamique, au point de fusion, la variation de l'énergie libre de Gibbs (∆G) d'une substance est nulle, mais les variations d'enthalpie (H) et d'entropie (S) ne sont pas nulles, ce qui est appelée enthalpie (ou chaleur latente) de fusion et entropie de fusion. La fusion est donc classée comme un changement de phase du premier ordre. La fusion se produit lorsque l'énergie libre de Gibbs du liquide est inférieure à celle du solide, un phénomène qui est affecté par la pression ambiante.
Dans certaines conditions de pression constante appropriées, la chaleur peut être retirée de l'hélium 3 et de l'hélium 4 pour former un état fondu, ce qui en fait des cas particuliers du processus de fusion.
Dans les références théoriques de la fusion, le critère de Lindemann et le critère de Born sont souvent utilisés pour analyser les conditions de fusion. Le critère de Lindemann stipule que la fusion se produit à la suite d'« instabilités vibrationnelles », c'est-à-dire qu'un cristal fond lorsque l'amplitude moyenne des vibrations thermiques des atomes est relativement élevée par rapport aux distances interatomiques qui les séparent. Le critère de Born est basé sur la théorie des défauts de rigidité, ce qui signifie que le cristal deviendra liquide lorsqu'il ne pourra plus supporter la charge.
Surfusion et surchauffe
Dans des conditions standard, le point de fusion d'une substance est sa propriété caractéristique et est généralement égal à son point de congélation. Cependant, dans des conditions soigneusement créées, une surfusion ou une surchauffe peut se produire. Par exemple, l’eau sur une surface en verre très propre restera souvent à plusieurs degrés en dessous de zéro sans geler. Les émulsions fines d’eau pure peuvent être refroidies à −38 °C sans nucléation de glace.
Dans des conditions stables, il manque des facteurs dans le matériau qui déclenchent des changements de refroidissement, de sorte qu'une surfusion peut se produire dans certains cas, ce qui affectera le processus de fusion.
États du verre et leurs propriétés
Le verre est un solide amorphe qui est généralement produit lorsqu'un matériau fondu est refroidi rapidement à sa température de transition vitreuse sans former de réseau cristallin régulier. Les solides sont caractérisés par une connectivité élevée entre leurs molécules, tandis que les fluides ont une connectivité structurelle plus faible. Le processus de fusion peut être considéré comme la rupture des connexions entre les particules. En d’autres termes, la fusion d’un matériau amorphe se produit lorsque des liaisons rompues forment une structure groupée.
Fusion non thermique en physique des impulsions ultracourtes
En physique des lasers à impulsions ultracourtes, un phénomène appelé fusion athermique peut se produire. Cela n’est pas dû à une augmentation de l’énergie cinétique atomique, mais plutôt à un changement de l’énergie potentielle interatomique résultant de l’excitation des électrons. Dans ce processus, les électrons chauffants peuvent briser les liaisons entre les atomes, provoquant la fusion du matériau, le tout sans augmenter la température des atomes.
Ce phénomène est également utilisé en génétique, lorsque se produit ce que l'on appelle la fusion de l'ADN, lorsque l'ADN double brin est séparé en deux brins simples par la chaleur ou des produits chimiques.
Le processus de fusion n’est pas seulement d’une grande importance en physique, mais il est également pertinent pour la vie quotidienne et de nombreux domaines scientifiques. À mesure que nous acquérons une meilleure compréhension de ce processus, nous pourrons peut-être mieux l’exploiter pour créer de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies. On peut se demander quelles nouvelles applications technologiques ces procédés de fusion pourraient nous amener à explorer ?
