¿Qué es la fusión (cambio de estado) y cuáles son sus principios termodinámicos fundamentales?

La fusión, también conocida popularmente como derretimiento, es un proceso físico fundamental que describe la transición de fase en la cual una sustancia pasa del estado sólido al líquido. Este fenómeno ocurre cuando se incrementa la energía interna de un sólido, por lo general mediante la aplicación de calor o presión, elevando su temperatura hasta alcanzar el denominado punto de fusión. En este umbral crítico, el ordenamiento regular de los iones o moléculas que componen el retículo cristalino del sólido se degrada hacia un arreglo menos estructurado, convirtiendo la materia en un líquido fluido.

¿Cómo influyen la presión y el calor en el punto de fusión de las sustancias?

El punto de fusión de una sustancia es una temperatura característica que coincide, bajo condiciones estándar de presión, con su punto de solidificación. No obstante, este umbral no es estático y puede verse alterado por las variaciones en la presión ambiental. Desde una perspectiva termodinámica, la fusión se produce exactamente cuando la energía libre de Gibbs del líquido es menor que la del sólido correspondiente. En la gran mayoría de los elementos y compuestos puros, el aporte de calor aumenta la energía cinética y vibracional de las partículas hasta romper las fuerzas interatómicas o intermoleculares que mantienen la estructura rígida.

Por qué se considera la fusión como una transición de fase de primer orden?

La clasificación de la fusión como una transición de fase de primer orden se fundamenta en el comportamiento de las propiedades termodinámicas durante el cambio de estado. En el punto exacto de fusión, el cambio en la energía libre de Gibbs es cero, pero se registran variaciones distintas de cero en la entalpía y en la entropía, magnitudes conocidas respectivamente como entalpía de fusión (o calor latente de fusión) y entropía de fusión. Como excepción notable, el helio a baja temperatura (como el Helio-3 y el Helio-4) presenta una entalpía de fusión negativa bajo ciertas presiones muy bajas, lo que significa que es necesario extraer calor de estas sustancias para lograr fundirlas.

¿Cuáles son los principales criterios teóricos utilizados para explicar la inestabilidad de los sólidos?

Para analizar y predecir las condiciones físicas bajo las cuales un sólido se funde, la física teórica recurre principalmente a los criterios de Lindemann y Max Born. El criterio de Lindemann postula que la fusión se desencadena debido a una inestabilidad vibracional; es decir, un cristal se funde cuando la amplitud media de las vibraciones térmicas de los átomos supera una fracción significativa de la distancia interatómica. Por otro lado, el criterio de Born se concentra en una catástrofe de rigidez provocada por la anulación del módulo de cizalladura, momento en el cual el material pierde por completo la capacidad mecánica de soportar cargas y adopta el comportamiento propio de un líquido.

¿De qué manera se produce el proceso de fundido en los sólidos amorfos y vidrios?

A diferencia de los materiales cristalinos, los vidrios y sólidos amorfos se obtienen habitualmente mediante un enfriamiento rápido de un líquido que evita la formación de una red ordenada regular. La fusión de estos materiales amorfos se conceptualiza a través de un proceso de percolación impulsado por la ruptura de las conexiones estructurales entre las partículas. Este fenómeno depende de la temperatura de transición vítrea y de los parámetros termodinámicos en cuasi-equilibrio que rigen la formación y disociación de dichos enlaces moleculares o atómicos.

Sources & Further Reading

Atkins, P. W. Elementos de química física, Oxford University Press, 2017.

Pedersen, Ulf R.; Costigliola, Lorenzo; Bailey, Nicholas P.; Schrøder, Thomas B.; Dyre, Jeppe C. Termodinámica de la congelación y la fusión, Nature Communications, 2016.

Atkins, Peter; Jones, Loretta. Chemical Principles: The Quest for Insight, W. H. Freeman and Company, 2008.