Các nhà khoa học tìm ra bằng chứng giúp xác nhận một hòn đá được phát hiện năm 2011 hình thành ở mức nhiệt cao kỷ lục là 2.370 độ C. Nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Earth and Planetary Science Letters hôm 15/4, được thực hiện bởi Gavin Tolometti - nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Western Ontario - cùng các đồng tác giả Timmons Erickson từ Trung tâm Vũ trụ Johnson thuộc NASA, Gordon Osinski và Catherine Neish từ Đại học Western Ontario, Cayron Cyril từ Phòng thí nghiệm Luyện kim Nhiệt cơ.
Năm 2011, nghiên cứu sinh Michael Zanetti đang cùng Osinski xem xét hố va chạm Hồ Mistastin ở Labrador (hố hình thành do thiên thạch đâm) thì phát hiện một khối đá thủy tinh chứa các hạt zircon nhỏ bị đóng băng bên trong. Các chuyên gia sau đó phân tích tảng đá và nhận thấy nó hình thành ở nhiệt độ 2.370 C do tác động của một tiểu hành tinh. Các phát hiện này được trình bày trong một nghiên cứu công bố năm 2017.
Sử dụng các mẫu vật thu thập năm 2009 - 2011, Tolometti cùng đồng nghiệp tìm thấy thêm 4 hạt zircon, giúp khẳng định phát hiện năm 2011 là đúng. Họ cũng tìm thấy bằng chứng ở một địa điểm khác cũng trong hố va chạm cho thấy đá tan chảy - đá hình thành sau khi đất và đá tan chảy thành chất lỏng do thiên thạch đâm - bị nung nóng theo cách khác nhau ở nhiều vị trí, với mức độ lớn hơn giả thuyết trước đây.
"Chúng ta đang hiểu rõ hơn về độ nóng của những hòn đá tan chảy do va chạm, loại đá hình thành khi khi thiên thạch đâm xuống mặt đất. Điều này giúp chúng ta nắm được thêm thông tin về quá trình tan chảy và nguội đi tại hố va chạm này. Phát hiện mới cũng có thể cung cấp cho chúng tôi thông tin để nghiên cứu nhiệt độ và đá tan chảy trong các hố va chạm khác", Tolometti nói.
Tolometti cho biết, đa số bằng chứng còn được lưu giữ, ví dụ các mẫu đá thủy tinh và đá tan chảy do va chạm, nằm gần nền hố trũng. Nếu áp dụng kiến thức này vào những hố va chạm khác, các nhà khoa học có thể tìm thấy thêm nhiều bằng chứng về điều kiện nhiệt độ tại đó mà không cần nghiên cứu khu vực quá rộng.
"Chúng tôi nhận ra rằng nếu muốn tìm bằng chứng về nhiệt độ cao như vậy, chúng tôi cần xem xét một số khu vực cụ thể thay vì chọn ngẫu nhiên trên toàn bộ hố va chạm", Tolometti nói.
Nghiên cứu mới cũng đánh dấu lần đầu tiên reidite - khoáng chất hình thành khi zircon trải qua áp suất và nhiệt độ cao - được phát hiện tại Hồ Mistastin. Cụ thể, nhóm chuyên gia tìm thấy ba mẫu reidite vẫn được bảo quản trong các hạt zircon và bằng chứng về hai mẫu reidite khác từng tồn tại nhưng đã kết tinh khi nhiệt độ vượt 1.200 độ C. Ở mức nhiệt này, reidite không còn ổn định.
Nhóm chuyên gia dự định mở rộng nghiên cứu đến các hố va chạm khác trên Trái Đất. Một số nghiên cứu sinh sẽ làm việc cùng Osinski để khám phá những hố va chạm khác, ví dụ Lac Wiyâshâkimî ở Quebec. Tolometti cũng đang tìm cách mở rộng nghiên cứu và xem xét các mẫu vật mặt trăng mà tàu Apollo mang về Trái Đất. Các mẫu này chứa nhiều bằng chứng cho thấy chúng hình thành từ các hố va chạm.
"Nếu tìm thấy bằng chứng về cấu trúc vi mô trong hạt zircon hoặc những loại hạt khác trong điều kiện áp suất, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về hố va chạm trên Mặt Trăng. Đây có thể là một bước tiến để hiểu quá trình đá bị biến đổi do thiên thạch va chạm trong phạm vi toàn bộ hệ Mặt Trời. Sau đó, chúng ta có thể áp dụng dữ liệu này vào các mô hình va chạm để cải thiện kết quả thu được", Tolometti nói.
Nhiệt độ nóng chảy, còn gọi là điểm nóng chảy hay nhiệt độ hóa lỏng, là nhiệt độ mà khi đạt tới ngưỡng đó thì quá trình nóng chảy của một chất xảy ra, tức là chất đó chuyển trạng thái từ rắn sang lỏng.
Nhiệt độ của thay đổi ngược lại (tức là từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn) gọi là nhiệt độ đông đặc hay điểm đông đặc. Thông thường, điểm nóng chảy trùng với điểm đông đặc.
Nhiệt độ nóng chảy rất nhạy cảm với những thay đổi cực lớn về áp suất, nhưng nói chung, độ nhạy này nhỏ hơn nhiều so với nhiệt độ sôi, bởi vì quá trình chuyển đổi chất rắn sang chất lỏng có ít sự thay đổi về thể tích.
Có một số chất, như thủy tinh, có thể làm cứng lại không qua giai đoạn kết tinh được gọi là chất rắn vô định hình. Các chất rắn vô định hình không có điểm nóng chảy cố định. Với các chất này, nhiệt độ solidus là nhiệt độ mà ở dưới đó chất hoàn toàn ở trạng thái rắn, trong đó nhiệt độ liquidus là nhiệt độ mà ở trên đó chất hoàn toàn ở trạng thái lỏng.
Lý thuyết[sửa | sửa mã nguồn]
Hầu hết các chất nóng chảy và đông đặc ở cùng một nhiệt độ. Chẳng hạn, đối với thủy ngân, điểm nóng chảy và đông đặc là 234,32 K (−38,83 °C; −37,89 °F). Tuy nhiên một số chất có tính chất có thể bước vào trạng thái siêu lạnh và do đó có thể đông đặc ở nhiệt độ bên dưới điểm đông đặc lý thuyết. Nước là một ví dụ cho điều này bởi vì áp suất căng bề mặt của nước tinh khiết khó bị loại bỏ và các giọt nước lạnh tới −42 °C có thể được tìm thấy trong các đám mây nếu chúng không chứa hạt nhân kích thích sự đông đặc.
Nhiệt động lực học[sửa | sửa mã nguồn]
Khi một khối chất rắn tinh khiết được làm nóng, nhiệt độ của nó tăng tới khi nó đạt tới điểm nóng chảy. Tại điểm này, nhiệt độ của nó giữ nguyên tới khi vật đã chuyển hoàn toàn sang trạng thái lỏng. Năng lượng cần thiết để gây ra sự nóng chảy hoàn toàn của chất tinh khiết do đó không chỉ gồm nhiệt lượng cần cấp để tới nhiệt độ nóng chảy, mà còn gồm ẩn nhiệt để chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng.
Theo nhiệt động lực học, khi nóng chảy entanpi () và entropy () của khối vật liệu m do đó sẽ tăng () tại nhiệt độ nóng chảy sao cho chúng có thể được biểu diễn theo các công thức sau:
và
suy ra:
trong đó:
- : ẩn nhiệt nóng chảy riêng [J/kg] ;
- : biến thiên entanpi [J] ;
- : biến thiên entropy [J/K] ;
- : khối lượng [kg] ;
- : nhiệt độ [K].
Sự phụ thuộc áp suất[sửa | sửa mã nguồn]
Không giống nhiệt độ hóa hơi (điểm sôi), nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc rất ít vào thay đổi áp suất, bởi vì thể tích mol của pha rắn và pha lỏng gần bằng nhau. Để thay đổi nhiệt độ nóng chảy tới 1 K, áp suất phải tăng trung bình cỡ 100 bar. Do đó, thay đổi trong áp suất khí quyển – có thể gây biến động dễ nhận thấy trong điểm sôi – trên thực tế không có tác động đến điểm nóng chảy.
Đối với sự nóng chảy, cũng như hầu hết sự chuyển pha khác, quan hệ cụ thể được biểu diễn trong phương trình Clausius-Clapeyron, đưa ra công thức xấp xỉ biến thiên nhiệt độ ΔT nóng chảy ở các áp suất khác nhau:
Ở đây, TM là nhiệt độ nóng chảy, ΔV là biến thiên thể tích riêng khi nóng chảy, Δp là sự chênh lệch áp suất đang xét, và HM là entanpi nóng chảy. Tuy nhiên, do biến thiên thể tích ΔV khi nóng chảy là rất nhỏ, sự phụ thuộc vào áp suất của điểm nóng chảy cũng cực kỳ nhỏ. Lấy ví dụ, nếu áp suất tăng lên 100 bar, nhiệt độ nóng chảy của băng chỉ thay đổi giảm tới −0.76 K. Do đó băng tan dễ dàng hơn khi có áp suất lớn tác động, trong khi đó điểm nóng chảy của carbon tetrachloride tăng lên +3.7 K. Nhận xét rằng do điểm nóng chảy của băng, hay chẳng hạn bismuth, giảm khi áp suất tăng, suy ra thể tích của các chất này giảm đi khi nóng chảy: do đó ở phương trình trên dấu của ΔV và ΔT là âm.
Ví dụ[sửa | sửa mã nguồn]
Sắt nóng chảy ở nhiệt độ 1538 °C dưới áp suất tiêu chuẩn.
Nhiệt độ nóng chảy của thủy ngân là 234,32 K (−38,83 °C; −37,89 °F). Chất có nhiệt độ nóng chảy (dưới áp suất khí quyển) cao nhất hiện nay được biết là than chì (hay còn gọi là graphit), có điểm nóng chảy 3.948 K. Heli có điểm nóng chảy ở nhiệt độ 0.95 K.
Danh sách các hóa chất phổ biến Chất Khối lượng riêng (g/cm³)Nhiệt độ nóng chảy (K)Nhiệt độ sôi (K)Nước 1 273 373 Hydro 0.0000898814.0120.28 Heli 0.0001785 0.95 4.22 Beryli 1.8515602742 Carbon 2.267—4000 Nitro 0.001250663.1577.36 Oxy 0.00142954.3690.20 Natri 0.971370.871156 Magnesi 1.7389231363 Nhôm 2.698933.472792 Lưu huỳnh 2.067388.36717.87 Chlor 0.003214171.6239.11 Kali 0.862336.531032 Titan 4.5419413560 Sắt 7.87418113134 Nickel 8.91217283186 Đồng 8.96 1357.77 2835 Kẽm 7.134692.881180 Gali 5.907302.91462673 Bạc 10.501 1234.93 2435 Cadmi 8.69594.221040 Indi 7.31429.752345 Iod 4.93386.85457.4 Tantan 16.654 3290 5731 Wolfram 19.25 3695 5828 Platin 21.46 2041.4 4098 Vàng 19.282 1337.33 3129 Thủy ngân 13.5336234.43629.88 Chì 11.342600.612022 Bismuth 9.807544.71837
Ghi chú:
- Z là ký hiệu tiêu chuẩn của số hiệu nguyên tử; C là ký hiệu tiêu chuẩn của nhiệt dung; và χ là ký hiệu tiêu chuẩn cho độ âm điện trên thang đo Pauling.
- Heli không hóa rắn ở áp suất 1 atm. Heli chỉ có thể hóa rắn ở áp suất lớn hơn 25 atm, tương ứng với nhiệt độ nóng chảy ở không độ tuyệt đối. ^ Cacbon không nóng chảy ở nhiệt độ bất kỳ dưới áp suất tiêu chuẩn, thay vào đó nó thăng hoa ở gần 4100K