Point de fusion

Lorsqu'un corps pur solide est chauffé, la température augmente jusqu'à atteindre le point de fusion. A ce point, la température reste constante tant que le corps n'est pas entièrement passé sous phase liquide. La différence d'énergie pour entrainer la fusion complète de ce corps pur n'est donc pas seulement due a celle qu'on doit ajouter pour atteindre la température critique, mais il faut également y ajouter la chaleur latente (${\displaystyle L_{f}}$) pour passer de l'état solide à l'état liquide.

Du point de vue de la thermodynamique, l’enthalpie (${\displaystyle H}$) et l’entropie (${\displaystyle S}$) du matériau augmentent donc (${\displaystyle \Delta H,\Delta S>0}$) à ${\displaystyle T}$ la température de fusion de telle façon qu’on peut les exprimer lors du changement d’un corps de masse m ainsi :

${\displaystyle \Delta H=mL_{f}}$ et ${\displaystyle \Delta S={\frac {mL_{f}}{T}}}$ ce qui donne ${\displaystyle \Delta S={\frac {\Delta H}{T}}}$

avec :

• ${\displaystyle L_{f}}$ Chaleur latente massique exprimée en J/kg ;
• ${\displaystyle \Delta H}$ Variation d'enthalpie en J ;
• ${\displaystyle \Delta S}$ Variation d'entropie en J/K ;
• ${\displaystyle m}$ masse en kg ;
• ${\displaystyle T}$ Température en K.

Contrairement à la température de vaporisation (point d'ébullition), la température de fusion est assez indépendante des changements de pression, car les volumes molaires de la phase solide et de la phase liquide sont assez proches[2] - [3].

Généralement, lorsque l'on reste dans la même famille de composés chimiques, le point de fusion augmente avec la masse molaire.

L'élément du tableau périodique ayant la plus haute température de fusion est le tungstène, 3 410 °C, ce qui en a fait un excellent choix pour les lampes à incandescence par exemple. Toutefois, le carbone (graphite) reste solide jusqu'à 3 825 °C (point de sublimation). Le carbure de tantale-hafnium Ta₄HfC₅ est un des matériaux réfractaires qui ont le point de fusion le plus élevé : 4 215 °C[4].

À l'autre bout du spectre, l’hélium ne se congèle qu'à une température proche du zéro absolu et sous une pression de 20 atmosphères.

Le point de fusion est donc un moyen de vérifier la pureté d'une substance : toute impureté fera varier le point de fusion de la substance testée.

La transition entre solide et liquide se produit cependant sur une certaine plage de température pour certaines substances. Par exemple, l’agar-agar fond à 85 °C mais se solidifie entre 31 °C et 40 °C par un processus d’hystérésis. D'autre part, les substances amorphes, comme le verre ou certains polymères, n'ont en général pas de point de fusion, car elles ne subissent pas de fusion proprement dite mais une transition vitreuse.

Il existe également d’autres exceptions :

• deux formes polymorphes ont souvent deux points de fusion différents ;
• certaines substances n'ont pas de point de fusion observable. Ceci peut être dû à plusieurs phénomènes :
  • la sublimation, c'est-à-dire le passage direct à l'état gazeux (par exemple l'iode ou le carbone),
  • une décomposition à l'état solide (exemple des sels de diazonium).

Le cas des polymères semi-cristallins réticulés est intermédiaire :

• comme la réticulation empêche le glissement à grande échelle des chaînes les unes par rapport aux autres, il nʼy a pas de « vraie » fusion dans le sens de la formation dʼun liquide ; formellement, le « bloc de polymères » n'est qu'une seule et unique molécule, et la stabilité thermique est donc limitée par la décomposition ;
• par contre, les autres manifestations de la fusion des cristallites restent observables dans les polymères semi-cristallins réticulés (chaleur latente, changement de masse volumique et de microstructure) : un tel polymère possède donc malgré tout un « point de fusion » analogue à sa variante non réticulée, même si cette température et le taux de cristallinité peuvent être influencés par la réticulation[5] ;
• au-delà de ce « point de fusion » (fusion des cristallites), au lieu du liquide, on a un gel[5] - [6] (dû aux ponts) conservant la forme macroscopique, ce qui est avantageux en termes de stabilité pour les applications utilisant cette « fusion », comme les fusibles réarmables PTC[7].

• Fusion (physique)
• Propriété colligative
• Température de fusion d'un polymère
• Température homologue
• Thermostabilité
• DSC
• Point de ramollissement bille et anneau
• Liste des éléments chimiques par température de fusion
• Équation de Simon