Den här artikeln förklarar vad kristallisation och smältning är. Med hjälp av exemplet med olika tillstånd av aggregation av vatten, förklaras det hur mycket värme som krävs för frysning och upptining och varför dessa värden är olika. Skillnaden mellan poly- och enkristaller visas, liksom komplexiteten i att tillverka de senare.
Övergång till ett annat aggregerat tillstånd
En vanlig människa tänker sällan på det, men livet på den nivå som det existerar nu skulle vara omöjligt utan vetenskap. Vilken? Frågan är inte lätt, eftersom många processer sker i skärningspunkten mellan flera discipliner. Fenomen för vilka det är svårt att definiera vetenskapsområdet exakt är kristallisering och smältning. Det verkar, ja, vad som är så komplicerat här: det fanns vatten - det var is, det fanns en metallkula - det fanns en pöl av flytande metall. Det finns dock inga exakta mekanismer för övergången från ett aggregationstillstånd till ett annat. Fysiker kommer djupare och djupare in i djungeln, men det är fortfarande inte möjligt att förutsäga exakt vid vilken tidpunkt smältningen och kristalliseringen av kroppar kommer att börja.visar sig.
Vad vi vet
Något mänskligheten fortfarande vet. Smält- och kristallisationstemperaturerna är ganska lätta att bestämma empiriskt. Men inte ens här är allt så enkelt. Alla vet att vatten smälter och fryser vid noll grader Celsius. Vatten är dock vanligtvis inte bara någon teoretisk konstruktion, utan en specifik volym. Glöm inte att processen för smältning och kristallisering inte är omedelbar. Isbiten börjar smälta lite innan den når exakt noll grader, vattnet i glaset täcks med de första iskristallerna vid en temperatur som ligger något över detta märke på skalan.
Emission och absorption av värme under övergången till ett annat aggregationstillstånd
Kristallisation och smältning av fasta ämnen åtföljs av vissa termiska effekter. I flytande tillstånd är molekyler (eller ibland atomer) inte särskilt hårt bundna till varandra. På grund av detta har de egenskapen "fluiditet". När kroppen börjar tappa värme börjar atomer och molekyler att kombineras till den struktur som är mest bekväm för dem. Det är så här kristallisering sker. Ofta beror det på yttre förhållanden om grafit, diamant eller fulleren kommer att erhållas från samma kol. Så inte bara temperaturen, utan även trycket påverkar hur kristallisation och smältning kommer att fortgå. Men för att bryta bindningarna i en stel kristallstruktur krävs det lite mer energi, och därmed mängden värme, än att skapa dem. Således,ämnet kommer att frysa snabbare än smälta, under samma processförhållanden. Detta fenomen kallas latent värme och återspeglar skillnaden som beskrivs ovan. Kom ihåg att latent värme inte har något att göra med värme som sådan och reflekterar mängden värme som krävs för att kristallisation och smältning ska inträffa.
Ändring i volym vid övergång till ett annat aggregationstillstånd
Som redan nämnts är mängden och kvaliteten på bindningar i flytande och fast tillstånd olika. Det flytande tillståndet kräver mer energi, därför rör sig atomerna snabbare, hoppar ständigt från en plats till en annan och skapar tillfälliga bindningar. Eftersom amplituden av partikeloscillationer är större, upptar vätskan också en större volym. Medan bindningarna i en fast kropp är stela, svänger varje atom runt en jämviktsposition, den kan inte lämna sin position. Denna struktur tar mindre plats. Så smältning och kristallisering av ämnen åtföljs av en förändring i volym.
Funktioner för kristallisation och smältning av vatten
En sådan vanlig och viktig vätska för vår planet som vatten, kanske är det ingen slump att det spelar en stor roll i nästan alla levande varelsers liv. Skillnaden mellan mängden värme som krävs för att kristallisation och smältning ska ske, samt volymförändringen vid ändring av aggregationstillståndet, har beskrivits ovan. Ett undantag från båda reglerna är vatten. Väte av olika molekyler, även i flytande tillstånd, kombineras under en kort tid och bildar en svag, men fortfarande intenoll vätebindning. Detta förklarar den otroligt höga värmekapaciteten hos denna universalvätska. Det bör noteras att dessa bindningar inte stör vattenflödet. Men deras roll under frysning (med andra ord kristallisering) förblir oklart till slutet. Det bör dock erkännas att is med samma massa upptar mer volym än flytande vatten. Detta faktum orsakar mycket skada på allmännyttiga företag och orsakar många problem för människor som betjänar dem.
Sådana meddelanden visas i nyheterna mer än en eller två gånger. På vintern inträffade en olycka vid pannhuset i någon avlägsen bosättning. På grund av snöstormar, is eller hård frost hann vi inte leverera bränsle. Vattnet som tillfördes radiatorerna och kranarna slutade värmas upp. Om det inte töms i tid och lämnar systemet åtminstone delvis tomt, och helst helt torrt, börjar det få omgivningstemperatur. Oftast, tyvärr, vid denna tidpunkt finns det svåra frost. Och isen bryter rören och lämnar människor utan chans till ett bekvämt liv under de kommande månaderna. Då är förstås olyckan eliminerad, de tappra anställda på ministeriet för krissituationer, som bryter igenom snöstormen, kastar dit flera ton eftertraktade kol med helikopter, och de olyckliga rörmokarna byter rör dygnet runt i den bittra kylan.
Snö och snöflingor
När vi tänker på is, tänker vi oftast på kalla kuber i ett glas juice eller stora vidder av fruset Antarktis. Snö uppfattas av människor som ett speciellt fenomen, vilket verkar varainte relaterat till vatten. Men i själva verket är det samma is, bara frusen i en viss ordning som avgör formen. De säger att det inte finns två identiska snöflingor i hela vida världen. En vetenskapsman från USA började på allvar och bestämde förutsättningarna för att få dessa sexkantiga skönheter med önskad form. Hans labb kan till och med tillhandahålla en snöflinga snöstorm av en kundsponsrad hud. Förresten, hagel, som snö, är resultatet av en mycket nyfiken process av kristallisering - från ånga, inte från vatten. Den omvända omvandlingen av en fast kropp omedelbart till ett gasformigt aggregat kallas sublimering.
Enkristaller och polykristaller
Alla såg ismönster på glaset i bussen vintertid. De bildas för att inuti transporten är temperaturen över noll Celsius. Och dessutom ger många människor, som andas ut tillsammans med luften från lätta ångor, ökad luftfuktighet. Men glas (oftast tunt singel) har en omgivningstemperatur, det vill säga negativ. Vattenånga, som berör dess yta, förlorar mycket snabbt värme och förvandlas till ett fast tillstånd. En kristall fastnar vid en annan, varje på varandra följande form skiljer sig något från den föregående, och vackra asymmetriska mönster växer snabbt. Detta är ett exempel på polykristaller. "Poly" kommer från latinets "många". I detta fall kombineras ett antal mikrodelar till en enda helhet. Alla metallprodukter är också oftast en polykristall. Men den perfekta formen av det naturliga prismat av kvarts är en enda kristall. I sin struktur, kommer ingen att hitta brister och luckor, medan i polykristallina volymer av riktningendelar är ordnade slumpmässigt och stämmer inte överens med varandra.
Smarttelefon och kikare
Men i modern teknik krävs ofta absolut rena enkristaller. Till exempel innehåller nästan alla smartphones ett minneselement av kisel i sina tarmar. Inte en enda atom i hela denna volym bör flyttas från sin idealiska plats. Alla måste ta sin plats. Annars, istället för ett foto, kommer du att få ljud vid utgången, och troligen obehagliga sådana.
I kikare behöver mörkerseendeapparater också tillräckligt voluminösa monokristaller som omvandlar infraröd strålning till synlig. Det finns flera sätt att odla dem, men var och en kräver särskild omsorg och verifierade beräkningar. Hur enkristaller erhålls, förstår forskare från fasdiagram av tillstånd, det vill säga de tittar på grafen för smältning och kristallisering av ett ämne. Att rita en sådan bild är svårt, vilket är anledningen till att materialforskare uppskattar särskilt forskare som bestämmer sig för att ta reda på alla detaljer i en sådan graf.
