Acest articol explică ce sunt cristalizarea și topirea. Folosind exemplul diferitelor stări de agregare a apei, se explică câtă căldură este necesară pentru înghețare și dezghețare și de ce aceste valori sunt diferite. Este prezentată diferența dintre policristale și monocristale, precum și complexitatea fabricării acestora din urmă.
Tranziție la o altă stare agregată
O persoană obișnuită se gândește rar la asta, dar viața la nivelul la care există acum ar fi imposibilă fără știință. Care? Întrebarea nu este ușoară, deoarece multe procese apar la intersecția mai multor discipline. Fenomenele pentru care este dificil de definit domeniul științei cu precizie sunt cristalizarea și topirea. S-ar părea, ei bine, ce este atât de complicat aici: era apă - era gheață, era o minge de metal - era o băltoacă de metal lichid. Cu toate acestea, nu există mecanisme exacte pentru trecerea de la o stare de agregare la alta. Fizicienii se adâncesc din ce în ce mai adânc în junglă, dar încă nu este posibil să prezicem exact în ce moment vor începe topirea și cristalizarea corpurilor.se dovedește.
Ceea ce știm
Ceva umanitatea încă știe. Temperaturile de topire și cristalizare sunt destul de ușor de determinat empiric. Dar nici aici totul nu este atât de simplu. Toată lumea știe că apa se topește și îngheață la zero grade Celsius. Cu toate acestea, apa nu este de obicei doar o construcție teoretică, ci un volum specific. Nu uitați că procesul de topire și cristalizare nu este instantaneu. Cubul de gheață începe să se topească puțin înainte de a ajunge exact la zero grade, apa din pahar este acoperită cu primele cristale de gheață la o temperatură care este puțin peste acest semn de pe scară.
Emisia și absorbția de căldură în timpul tranziției la o altă stare de agregare
Cristalizarea și topirea solidelor sunt însoțite de anumite efecte termice. În stare lichidă, moleculele (sau uneori atomii) nu sunt foarte strâns legați între ele. Din această cauză, au proprietatea de „fluiditate”. Când corpul începe să piardă căldură, atomii și moleculele încep să se combine în structura care este cea mai convenabilă pentru ei. Așa are loc cristalizarea. Adesea depinde de condițiile externe dacă grafitul, diamantul sau fullerena vor fi obținute din același carbon. Deci, nu numai temperatura, ci și presiunea afectează modul în care vor avea loc cristalizarea și topirea. Cu toate acestea, pentru a rupe legăturile unei structuri cristaline rigide, este nevoie de puțin mai multă energie și, prin urmare, de cantitatea de căldură, decât pentru a le crea. Prin urmare,substanța va îngheța mai repede decât se va topi, în aceleași condiții de proces. Acest fenomen se numește căldură latentă și reflectă diferența descrisă mai sus. Amintiți-vă că căldura latentă nu are nimic de-a face cu căldura ca atare și reflectă cantitatea de căldură necesară pentru ca cristalizarea și topirea să aibă loc.
Modificarea volumului la trecerea la o altă stare de agregare
După cum sa menționat deja, cantitatea și calitatea legăturilor în stare lichidă și solidă sunt diferite. Starea lichidă necesită mai multă energie, prin urmare atomii se mișcă mai repede, sărind constant dintr-un loc în altul și creând legături temporare. Deoarece amplitudinea oscilațiilor particulelor este mai mare, lichidul ocupă și un volum mai mare. În timp ce într-un corp solid legăturile sunt rigide, fiecare atom oscilează în jurul unei poziții de echilibru, nu poate părăsi poziția sa. Această structură ocupă mai puțin spațiu. Deci topirea și cristalizarea substanțelor sunt însoțite de o modificare a volumului.
Caracteristici de cristalizare și topire a apei
Un lichid atât de comun și important pentru planeta noastră ca apa, poate că nu este o coincidență că joacă un rol important în viața aproape tuturor ființelor vii. Diferența dintre cantitatea de căldură necesară pentru ca cristalizarea și topirea să aibă loc, precum și modificarea volumului la schimbarea stării de agregare a fost descrisă mai sus. O excepție de la ambele reguli este apa. Hidrogenul diferitelor molecule, chiar și în stare lichidă, se combină pentru o perioadă scurtă de timp, formând o formă slabă, dar încă nu.zero legătură de hidrogen. Aceasta explică capacitatea de căldură incredibil de mare a acestui fluid universal. Trebuie remarcat faptul că aceste legături nu interferează cu curgerea apei. Dar rolul lor în timpul înghețului (cu alte cuvinte, cristalizarea) rămâne neclar până la sfârșit. Cu toate acestea, trebuie recunoscut că gheața de aceeași masă ocupă mai mult volum decât apa lichidă. Acest fapt provoacă multe daune utilităților publice și cauzează o mulțime de probleme persoanelor care le deservesc.
Astfel de mesaje apar în știri de mai multe ori sau de două ori. Iarna, a avut loc un accident la cazanul unei aşezări îndepărtate. Din cauza viscolului, a gheții sau a înghețurilor puternice, nu am avut timp să livrăm combustibil. Apa furnizată caloriferelor și robinetelor a încetat să se mai încălzească. Dacă nu este scurs la timp, lăsând sistemul cel puțin parțial gol, și de preferință complet uscat, începe să dobândească temperatura ambiantă. Cel mai adesea, din păcate, în acest moment există înghețuri severe. Iar gheața sparge țevile, lăsând oamenii fără șansă la o viață confortabilă în lunile următoare. Apoi, bineînțeles, accidentul este eliminat, vitejii angajați ai Ministerului Situațiilor de Urgență, străpungând viscolul, aruncă acolo cu elicopterul câteva tone de cărbune râvnit, iar nefericiții instalatori schimbă conductele non-stop în frigul amar.
Zăpadă și fulgi de zăpadă
Când ne gândim la gheață, cel mai adesea ne gândim la cuburi reci într-un pahar de suc sau la întinderi vaste de Antarctica înghețată. Zăpada este percepută de oameni ca un fenomen deosebit, ceea ce pare să fienu are legătură cu apa. Dar de fapt este aceeași gheață, doar înghețată într-o anumită ordine care determină forma. Ei spun că nu există doi fulgi de nea identici în întreaga lume. Un om de știință din SUA s-a pus serios la treabă și a determinat condițiile pentru obținerea acestor frumuseți hexagonale de forma dorită. Laboratorul său poate oferi chiar și un viscol de fulgi de nea de piele sponsorizată de clienți. Apropo, grindina, ca și zăpada, este rezultatul unui proces foarte curios de cristalizare - din abur, nu din apă. Transformarea inversă a unui corp solid imediat într-un agregat gazos se numește sublimare.
Cristale simple și policristale
Toată lumea a văzut modele de gheață pe sticla din autobuz iarna. Se formează deoarece în interiorul transportului temperatura este peste zero Celsius. Și, în plus, mulți oameni, expirând împreună cu aerul din vapori ușori, asigură o umiditate crescută. Dar sticla (cel mai adesea subțire single) are o temperatură ambientală, adică negativă. Vaporii de apă, atingându-și suprafața, pierde foarte repede căldură și se transformă în stare solidă. Un cristal se lipește de altul, fiecare formă succesivă este ușor diferită de cea anterioară, iar modelele asimetrice frumoase cresc rapid. Acesta este un exemplu de policristale. „Poly” este din latinescul „mulți”. În acest caz, un număr de micropărți sunt combinate într-un singur întreg. Orice produs metalic este, de asemenea, cel mai adesea un policristal. Dar forma perfectă a prismei naturale de cuarț este un singur cristal. În structura sa, nimeni nu va găsi defecte și lacune, în timp ce în volumele policristaline ale direcțieipărțile sunt aranjate aleatoriu și nu sunt de acord între ele.
Smartphone și binoclu
Dar în tehnologia modernă, sunt adesea necesare monocristale absolut pure. De exemplu, aproape orice smartphone conține un element de memorie din silicon în intestine. Nici un atom din acest întreg volum nu ar trebui mutat din locația sa ideală. Fiecare trebuie să-și ia locul. În caz contrar, în loc de o fotografie, veți obține sunete la ieșire și, cel mai probabil, unele neplăcute.
În binoclu, dispozitivele de vedere pe timp de noapte au nevoie și de monocristale suficient de voluminoase care să transforme radiația infraroșie în vizibilă. Există mai multe moduri de a le crește, dar fiecare necesită îngrijire specială și calcule verificate. Cum se obțin cristalele simple, oamenii de știință înțeleg din diagramele de fază ale stării, adică se uită la graficul de topire și cristalizare a unei substanțe. Desenarea unei astfel de imagini este dificilă, motiv pentru care oamenii de știință din materiale îi apreciază în special pe oamenii de știință care decid să afle toate detaliile unui astfel de grafic.
