ماده چگونه ذوب می شود؟

می دانیم که نقطه ی ذوب یک ماده (دمایی که در آن جامد به مایع تبدیل می شه) ویژگی ذاتی ماده هست و به پیوندهای بین اتمی آن بستگی دارد. به طور دقیق و از دیدگاه اتمی می شود گفت؛ با افزایش دما متوسط سرعت اتم ها افزایش می یابد تا آنجا که اتم ها می توانند از نیروی جاذبه ای که از طرف اتم های اطراف شان به آنها وارد می شود فرار کنند. اما آیا این تغییرات درون ماده به صورت تدریجی و خطی است؟ جواب این سوال جالب توجه هست، نه!

من در اینجا نمودار تغییرات انرژی پتانسیل اتم ها نسبت به دما را برای عنصر طلا رسم کرده ام تا بهتر متوجه منظورم بشوید. همانطور که می بینید در نقطه ی ذوب نمودار یک جهش بزرگ را نشان می دهد.

دلیل این جهش ناگهانی در انرژی پتانسیل چیست؟ خوب بگذارید باز هم از نقطه نظر اتمی به این پدیده نگاه کنیم: اتم ها به طور طبیعی در حالت «ارتعاش» هستند که دامنه ی این ارتعاشات متناسب با دمای سیستم است. بنابراین با افزایش دما میزان ارتعاشات و انرژی جنبشی اتم ها افزایش می یابد. وقتی دامنه ی این ارتعاشات به مقدار بحرانی برسد، تعدادی از پیوندها «شکسته» می شوند، یعنی اتم ها می توانند درون سیستم جابه جا شوند. دلیل افزایش ناگهانی در انرژی پتانسیل هم همین «جابه جایی» و «آشفتگی» در سیستم است. به بیان دیگر درجه آزدی اتم ها در سیستم زیادتر شده است. حالا اگر دما بالاتر برود و تعداد پیوندهای شکسته شده بیشتر می شود و اتم ها از سطح ماده شروع به جدا شدن می کنند که می گوییم بخار شده اند.

تغییر جامد-مایع در مهندسی اهمیت زیادی دارد و برای بررسی آن معیارهای ریاضی مختلفی تعریف شده است. یکی از این معیارها شاخص لیندمان است که در اوایل قرن گذشته توسط لیندمان ارایه شد. این شاخص نشان دهنده ی میزان جابه جایی بین اتم ها در طول زمان است (اگر فرصتی شد درباره محاسبه آن چیزی می نویسم). توجه داشته باشید که یک پدیده ماکروسکوپی مانند ذوب شدن برایند تعداد بسیار بسیار زیادی برهمکنش بین اتم هاست.

من نمودار شاخص لیندمان نسبت به دما را برای طلا رسم کرده ام. همانطور که می بینید تغییرات شاخص لیندمان دقیقن منطبق بر تغییرات انرژی پتانسیل است که در بالا نشان داده شد. بنابه تعریف اگر شاخص لیندمان مقداری بزرگتر از 0.1 باشد معرف حالت مایع است.

شاید بپرسید دانستن این مکانیزم ها به چه درد می خورد؟ خوب، باید بگویم در مهندسی، این تحلیل ها کاربرد زیادی در پیش بینی و شبیه سازی رفتارهای فیزیکی مواد دارد که در نهایت به بهینه سازی مواد کمک می کند.

توضیح 1: این نمودارها را با محاسبات شبیه سازی به روش دینامیک مولکولی رسم کرده ام.

توضیح 2: البته موادی هم هستند که تغییر جامد به مایع در آنها تدریجی است و قبل از مایع شدن به شکل خمیری در می آیند مانند پلیمرها.