Denne artikkelen forklarer hva krystallisering og smelting er. Ved å bruke eksemplet med ulike tilstander av aggregering av vann, blir det forklart hvor mye varme som kreves for frysing og tining og hvorfor disse verdiene er forskjellige. Forskjellen mellom poly- og enkeltkrystaller vises, samt kompleksiteten ved å produsere sistnevnte.
Overgang til en annen samlet tilstand
En vanlig person tenker sjelden på det, men livet på det nivået det eksisterer på nå ville vært umulig uten vitenskap. Hvilken? Spørsmålet er ikke lett, fordi mange prosesser skjer i skjæringspunktet mellom flere disipliner. Fenomener som det er vanskelig å definere vitenskapsfeltet nøyaktig for er krystallisering og smelting. Det ser ut til, vel, hva som er så komplisert her: det var vann - det var is, det var en metallkule - det var en sølepytt av flytende metall. Det er imidlertid ingen eksakte mekanismer for overgangen fra en aggregeringstilstand til en annen. Fysikere kommer dypere og dypere inn i jungelen, men det er fortsatt ikke mulig å forutsi nøyaktig når smeltingen og krystalliseringen av kropper vil begynne.viser seg.
Det vi vet
Noe menneskeheten fortsatt vet. Smelte- og krystalliseringstemperaturene kan ganske enkelt bestemmes empirisk. Men selv her er ikke alt så enkelt. Alle vet at vann smelter og fryser ved null grader Celsius. Vann er imidlertid vanligvis ikke bare en teoretisk konstruksjon, men et spesifikt volum. Ikke glem at prosessen med smelting og krystallisering ikke er øyeblikkelig. Isbiten begynner å smelte litt før den når nøyaktig null grader, vannet i glasset dekkes med de første iskrystallene ved en temperatur som er litt over dette merket på skalaen.
Emisjon og absorpsjon av varme under overgangen til en annen aggregeringstilstand
Krystallisering og smelting av faste stoffer er ledsaget av visse termiske effekter. I flytende tilstand er molekyler (eller noen ganger atomer) ikke veldig tett bundet sammen. På grunn av dette har de egenskapen "flytende". Når kroppen begynner å miste varme, begynner atomer og molekyler å kombineres til den strukturen som er mest praktisk for dem. Dette er hvordan krystallisering skjer. Ofte avhenger det av ytre forhold om grafitt, diamant eller fulleren vil bli oppnådd fra samme karbon. Så ikke bare temperatur, men også trykk påvirker hvordan krystallisering og smelting vil foregå. For å bryte bindingene til en stiv krystallinsk struktur krever det imidlertid litt mer energi, og dermed mengden varme, enn å lage dem. Og dermed,stoffet vil fryse raskere enn smelte, under de samme prosessforholdene. Dette fenomenet kalles latent varme og gjenspeiler forskjellen beskrevet ovenfor. Husk at latent varme ikke har noe å gjøre med varme som sådan og reflekterer mengden varme som kreves for at krystallisering og smelting skal skje.
Endring i volum ved overgang til en annen aggregeringstilstand
Som allerede nevnt, er mengden og kvaliteten på bindinger i flytende og fast tilstand forskjellige. Den flytende tilstanden krever mer energi, derfor beveger atomene seg raskere, hopper konstant fra ett sted til et annet og skaper midlertidige bindinger. Siden amplituden til partikkelsvingninger er større, opptar væsken også et større volum. Mens bindingene i et fast legeme er stive, svinger hvert atom rundt en likevektsposisjon, det er ikke i stand til å forlate sin posisjon. Denne strukturen tar mindre plass. Så smelting og krystallisering av stoffer er ledsaget av en endring i volum.
Funksjoner ved krystallisering og smelting av vann
En så vanlig og viktig væske for planeten vår som vann, kanskje det ikke er tilfeldig at det spiller en stor rolle i livet til nesten alle levende vesener. Forskjellen mellom mengden varme som kreves for at krystallisering og smelting skal skje, samt endringen i volum ved endring av aggregeringstilstanden, er beskrevet ovenfor. Noen unntak fra begge reglene er vann. Hydrogen av forskjellige molekyler, selv i flytende tilstand, kombineres i kort tid, og danner en svak, men fortsatt ikkenull hydrogenbinding. Dette forklarer den utrolig høye varmekapasiteten til denne universalvæsken. Det skal bemerkes at disse bindingene ikke forstyrrer vannstrømmen. Men deres rolle under frysing (med andre ord krystallisering) forblir uklar til slutten. Imidlertid bør det erkjennes at is med samme masse opptar mer volum enn flytende vann. Dette faktum forårsaker mye skade på offentlige tjenester og forårsaker mange problemer for folk som betjener dem.
Slike meldinger vises i nyhetene mer enn én eller to ganger. Om vinteren skjedde det en ulykke ved kjelehuset til en avsidesliggende bygd. På grunn av snøstorm, is eller sterk frost, rakk vi ikke å levere drivstoff. Vannet som ble tilført radiatorene og kranene stoppet oppvarmingen. Hvis det ikke tømmes i tide, og etterlater systemet i det minste delvis tomt, og helst helt tørt, begynner det å få omgivelsestemperatur. Oftest, dessverre, på dette tidspunktet er det alvorlig frost. Og isen bryter rørene, og etterlater folk uten sjanse til et komfortabelt liv de neste månedene. Da er selvfølgelig ulykken eliminert, de tapre ansatte i Beredskapsdepartementet, som bryter gjennom snøstormen, kaster flere tonn ettertraktet kull dit med helikopter, og de uheldige rørleggerne skifter rør døgnet rundt i bitende kulde.
Snø og snøflak
Når vi tenker på is, tenker vi oftest på kalde terninger i et glass juice eller store vidder med frosset Antarktis. Snø oppfattes av mennesker som et spesielt fenomen, noe som ser ut til å væreikke relatert til vann. Men faktisk er det den samme isen, bare frosset i en bestemt rekkefølge som bestemmer formen. De sier at det ikke finnes to identiske snøfnugg i hele den vide verden. En vitenskapsmann fra USA begynte på alvor og bestemte betingelsene for å oppnå disse sekskantede skjønnhetene med ønsket form. Laboratoriet hans kan til og med gi en snøfnuggstorm av en kundesponset hud. Forresten, hagl, som snø, er resultatet av en veldig nysgjerrig prosess med krystallisering - fra damp, ikke fra vann. Den omvendte transformasjonen av et fast legeme umiddelbart til et gassformig aggregat kalles sublimering.
Enkeltkrystaller og polykrystaller
Alle så ismønster på glasset i bussen om vinteren. De dannes fordi inne i transporten er temperaturen over null Celsius. Og dessuten gir mange mennesker, som puster ut sammen med luften fra lette damper, økt fuktighet. Men glass (oftest tynn enkelt) har en omgivelsestemperatur, det vil si negativ. Vanndamp, som berører overflaten, mister veldig raskt varme og blir til en fast tilstand. En krystall fester seg til en annen, hver påfølgende form er litt forskjellig fra den forrige, og vakre asymmetriske mønstre vokser raskt. Dette er et eksempel på polykrystaller. "Poly" er fra det latinske "mange". I dette tilfellet er en rekke mikrodeler kombinert til en enkelt helhet. Ethvert metallprodukt er også oftest en polykrystall. Men den perfekte formen for det naturlige prismet av kvarts er en enkelt krystall. I sin struktur vil ingen finne feil og hull, mens i polykrystallinske volumer av retningendeler er tilfeldig ordnet og stemmer ikke overens.
Smarttelefon og kikkert
Men i moderne teknologi kreves det ofte helt rene enkeltkrystaller. For eksempel inneholder nesten enhver smarttelefon et silisiumminneelement i innvollene. Ikke et eneste atom i hele dette volumet bør flyttes fra sin ideelle plassering. Alle må ta sin plass. Ellers vil du i stedet for et bilde få lyder ved utgangen, og mest sannsynlig ubehagelige.
I kikkerter trenger nattsynsenheter også tilstrekkelig voluminøse monokrystaller som konverterer infrarød stråling til synlig. Det er flere måter å dyrke dem på, men hver krever spesiell omsorg og verifiserte beregninger. Hvordan enkeltkrystaller oppnås, forstår forskere fra fasediagrammer av tilstand, det vil si at de ser på grafen for smelting og krystallisering av et stoff. Å tegne et slikt bilde er vanskelig, og derfor setter materialforskere spesielt pris på forskere som bestemmer seg for å finne ut alle detaljene i en slik graf.
