Nóng chảy (Melting/Fusion)

Nhiệt độ nóng chảy

Nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ mà tại đó chất rắn bắt đầu chuyển sang thể lỏng. Đối với chất tinh khiết, ở áp suất nhất định, nhiệt độ nóng chảy là một giá trị xác định và không đổi trong suốt quá trình nóng chảy (miễn là nhiệt vẫn tiếp tục được cung cấp). Nhiệt độ này được xem là một tính chất vật lý đặc trưng của chất. Ví dụ, nhiệt độ nóng chảy của nước đá (ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn) là $0^\circ C$ hay $32^\circ F$ hoặc $273.15 K$. Điểm nóng chảy cũng thường được dùng đồng nghĩa với nhiệt độ nóng chảy, mặc dù trong một số trường hợp, điểm nóng chảy có thể hơi khác so với nhiệt độ nóng chảy do ảnh hưởng của tạp chất.

Nhiệt nóng chảy

Nhiệt nóng chảy (hay entanpy nóng chảy) là lượng nhiệt cần cung cấp để chuyển hoàn toàn 1 mol chất rắn thành thể lỏng ở nhiệt độ nóng chảy và áp suất không đổi. Ký hiệu của nhiệt nóng chảy mol là $\Delta H_{fus}$ (fus là viết tắt của fusion). Đơn vị của nhiệt nóng chảy mol là J/mol hoặc kJ/mol. Đối với nước, $\Delta H_{fus} \approx 6.01 \text{ kJ/mol}$. Giá trị này cho biết lượng năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết giữa các phân tử nước ở trạng thái rắn (nước đá) và chuyển chúng sang trạng thái lỏng.

Ảnh hưởng của áp suất

Nhiệt độ nóng chảy của hầu hết các chất tăng khi áp suất tăng. Điều này là do áp suất cao hơn làm tăng lực liên kết giữa các phân tử, khiến chúng khó tách rời nhau hơn. Tuy nhiên, nước là một ngoại lệ quan trọng. Nhiệt độ nóng chảy của nước giảm nhẹ khi áp suất tăng. Điều này giải thích tại sao trượt băng dễ dàng hơn trên băng: áp suất từ trọng lượng cơ thể làm giảm nhiệt độ nóng chảy của băng, tạo ra một lớp nước mỏng giúp giảm ma sát. Hiện tượng này được mô tả bằng phương trình Clausius-Clapeyron.

Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ nóng chảy

• Lực liên kết giữa các hạt: Chất có lực liên kết mạnh giữa các hạt (ví dụ, liên kết ion, liên kết cộng hóa trị) sẽ có nhiệt độ nóng chảy cao hơn so với chất có lực liên kết yếu (ví dụ, lực Van der Waals). Lực liên kết càng mạnh thì cần cung cấp càng nhiều năng lượng (nhiệt độ cao hơn) để phá vỡ chúng.
• Cấu trúc tinh thể: Các chất có cấu trúc tinh thể phức tạp và chặt chẽ thường có nhiệt độ nóng chảy cao hơn. Điều này là do cấu trúc chặt chẽ đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để phá vỡ.
• Độ tinh khiết: Sự có mặt của tạp chất làm giảm nhiệt độ nóng chảy của chất. Đây là nguyên lý được sử dụng để hạ nhiệt độ đông đặc của nước bằng muối trong mùa đông (hiện tượng hạ băng điểm). Tạp chất làm gián đoạn cấu trúc tinh thể, làm cho nó dễ bị phá vỡ hơn.

Ứng dụng của nóng chảy

Hiện tượng nóng chảy được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và sản xuất, ví dụ như:

• Luyện kim: Kim loại được nấu chảy để đúc thành các hình dạng khác nhau, hoặc để tinh chế và loại bỏ tạp chất.
• Sản xuất thủy tinh: Cát thạch anh (silica) được nấu chảy ở nhiệt độ cao để tạo ra thủy tinh.
• Nấu ăn: Nóng chảy bơ, sô cô la, phô mai, v.v. để chế biến thực phẩm.
• Hàn: Nóng chảy kim loại (thường là hợp kim dễ nóng chảy) để nối các bộ phận kim loại lại với nhau.
• Công nghệ in 3D: Nhiều công nghệ in 3D sử dụng nguyên lý nóng chảy vật liệu (như nhựa hoặc kim loại) để tạo hình sản phẩm.

<div style=”text-align: center”>
Tóm lại, nóng chảy là một quá trình chuyển pha quan trọng của vật chất, với nhiệt độ nóng chảy là một tính chất đặc trưng của mỗi chất. Hiểu rõ về quá trình này giúp chúng ta ứng dụng nó một cách hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
</div>

Đường cong nóng chảy

Quá trình nóng chảy có thể được biểu diễn bằng một đường cong trên đồ thị nhiệt độ – thời gian (hoặc nhiệt độ – nhiệt lượng cung cấp). Đối với chất tinh khiết, đường cong này sẽ là một đoạn thẳng nằm ngang ở nhiệt độ nóng chảy. Điều này cho thấy nhiệt độ của chất không thay đổi trong suốt quá trình nóng chảy, mặc dù nhiệt vẫn đang được cung cấp. Toàn bộ nhiệt lượng được cung cấp trong giai đoạn này được sử dụng để phá vỡ cấu trúc mạng tinh thể (chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng), không làm tăng nhiệt độ của chất. Sau khi toàn bộ chất rắn đã chuyển sang lỏng, nhiệt độ mới bắt đầu tăng trở lại.

So sánh nóng chảy và hòa tan

Nóng chảy và hòa tan là hai quá trình khác nhau, mặc dù cả hai đều liên quan đến sự chuyển đổi chất rắn sang thể lỏng (hoặc có vẻ như vậy). Nóng chảy là một quá trình chuyển pha vật lý thuần túy, chỉ liên quan đến sự thay đổi trạng thái của *chính chất đó*, không có sự thay đổi về thành phần hóa học. Trong khi đó, hòa tan là quá trình chất rắn tan vào *một dung môi khác* để tạo thành dung dịch, liên quan đến cả biến đổi vật lý và tương tác hóa học giữa chất tan và dung môi. Ví dụ, đường nóng chảy là chỉ đường chuyển từ rắn sang lỏng, còn đường hòa tan vào nước là đường phân tán vào các phân tử nước.

Nóng chảy không cân bằng

Trong một số trường hợp, chất rắn có thể nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy cân bằng của nó. Hiện tượng này được gọi là nóng chảy không cân bằng (hay quá nhiệt) và thường xảy ra khi tốc độ gia nhiệt rất nhanh hoặc khi chất rắn tồn tại ở dạng hạt rất nhỏ (kích thước nano). Khi tốc độ gia nhiệt quá nhanh, các hạt ở bề mặt có thể đạt đủ năng lượng để chuyển sang trạng thái lỏng trước khi nhiệt độ tổng thể của vật liệu đạt đến điểm nóng chảy.

Sự quá lạnh (Supercooling)

Ngược lại với nóng chảy không cân bằng, một chất lỏng có thể được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ nóng chảy (hay điểm đông đặc) của nó mà không bị đông đặc. Hiện tượng này được gọi là quá lạnh. Chất lỏng quá lạnh ở trạng thái giả bền (metastable) và có thể đông đặc đột ngột khi bị tác động bởi một yếu tố kích thích, ví dụ như một hạt bụi, sự rung động, hoặc sự có mặt của mầm kết tinh.

Nóng chảy trong các hệ phức tạp

Đối với các hệ phức tạp như polymer, hợp kim, hỗn hợp, hay vật liệu vô định hình, quá trình nóng chảy diễn ra phức tạp hơn và thường xảy ra trong một khoảng nhiệt độ nhất định chứ không phải ở một nhiệt độ cố định. Điều này là do sự không đồng nhất về cấu trúc và thành phần của các hệ này. Ví dụ, polymer thường có vùng nóng chảy rộng do sự khác biệt về chiều dài chuỗi và mức độ kết tinh.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Silberberg, M. S., & Amateis, P. (2018). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change. McGraw-Hill Education.
• Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2017). General Chemistry: Principles and Modern Applications. Pearson.

Câu hỏi và Giải đáp

Câu 1: Tại sao nhiệt độ của chất không thay đổi trong suốt quá trình nóng chảy, mặc dù nhiệt vẫn đang được cung cấp liên tục?

Trả lời: Nhiệt được cung cấp trong quá trình nóng chảy được sử dụng để phá vỡ lực liên kết giữa các hạt trong mạng tinh thể rắn, chứ không phải để tăng động năng của các hạt (tức là tăng nhiệt độ). Chỉ khi toàn bộ chất rắn đã chuyển sang thể lỏng thì nhiệt độ mới bắt đầu tăng trở lại.

Câu 2: Sự khác biệt giữa nhiệt nóng chảy và nhiệt hóa hơi là gì?

Trả lời: Cả nhiệt nóng chảy ($\Delta H_f$) và nhiệt hóa hơi ($\Delta H_v$) đều là nhiệt cần thiết để thay đổi trạng thái của chất. Tuy nhiên, $\Delta H_f$ là nhiệt cần thiết để chuyển 1 mol chất từ rắn sang lỏng ở nhiệt độ nóng chảy, trong khi $\Delta H_v$ là nhiệt cần thiết để chuyển 1 mol chất từ lỏng sang khí ở nhiệt độ sôi. Thông thường, $\Delta H_v$ lớn hơn nhiều so với $\Delta H_f$ vì lực liên kết giữa các hạt ở thể lỏng yếu hơn nhiều so với thể rắn, do đó cần ít năng lượng hơn để phá vỡ chúng.

Câu 3: Làm thế nào để xác định nhiệt độ nóng chảy của một chất trong phòng thí nghiệm?

Trả lời: Một phương pháp phổ biến là sử dụng ống mao quản. Chất rắn được cho vào ống mao quản và được gia nhiệt từ từ. Nhiệt độ mà tại đó chất rắn bắt đầu nóng chảy được ghi nhận là nhiệt độ nóng chảy. Các phương pháp khác bao gồm sử dụng thiết bị phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) hoặc phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).

Câu 4: Hiện tượng nóng chảy không cân bằng có ý nghĩa gì trong thực tế?

Trả lời: Nóng chảy không cân bằng, tức là chất rắn nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy cân bằng, có thể ảnh hưởng đến các quá trình như in 3D, sản xuất thuốc và chế biến thực phẩm. Việc kiểm soát tốc độ gia nhiệt và kích thước hạt có thể giúp kiểm soát hiện tượng này.

Câu 5: Tại sao việc hiểu về nhiệt độ nóng chảy lại quan trọng trong kỹ thuật vật liệu?

Trả lời: Nhiệt độ nóng chảy là một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu cho các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, vật liệu được sử dụng trong động cơ phải có nhiệt độ nóng chảy cao để chịu được nhiệt độ vận hành. Hiểu biết về nhiệt độ nóng chảy cũng cần thiết cho các quá trình chế tạo vật liệu như hàn, đúc và luyện kim.