Kristalizacija i taljenje: graf promjene u agregatnom stanju tvari

Ovaj članak opisuje kristalizaciju i topljenje. Primjer različitih agregatnih stanja vode objašnjava koliko je toplina potrebna za zamrzavanje i odmrzavanje i zašto su te vrijednosti različite. Prikazana je razlika između poli i monokristala, kao i složenost proizvodnje potonje.

Prijelaz u drugu agregatnu državu

Redovna osoba rijetko misli o tome, ali život na razini na kojoj postoji sada bi bilo nemoguće bez znanosti. Koji? Pitanje nije jednostavno jer se mnogi procesi događaju na spoju nekoliko disciplina. Fenomeni, za koje je teško odrediti područje znanosti, kristalizacija i topljenje. Čini se, dobro, ovdje je komplicirano: bilo je vode - bilo je leda, postojala je metalna kugla - bilo je lokva tekući metal. Međutim, precizni mehanizmi za prijelaz iz jednog agregatno stanje u drugom su odsutni. Fizičari dolaze dublje u džunglu, ali još uvijek nije moguće predvidjeti točno kada će početi taljenje i kristalizacija tijela.

Ono što znamo

Nekako čovječanstvo još uvijek zna. Talište i kristalizacija se lako može odrediti empirijski. Ali ovdje nije sve tako jednostavno. Svatko zna da se voda topi i zamrzava na nuli stupnjeva Celzijusa. Međutim, voda obično nije samo teorijski konstrukt, već određeni volumen. Ne zaboravite da postupak taljenja i kristalizacije nije trenutačan. Kocka leda topi ranije nego upravo doseže nula stupnjeva, voda u prvoj posudi je prekrivena ledenih kristala na temperaturi koja lagano prelazi oznaku na ljestvici.

Izolacija i apsorpcija topline pri prelasku u drugo agregatno stanje

Kristalizacija i taljenje krutih tvari popraćeni su određenim toplinskim efektima. U tekućem stanju, molekule (ili ponekad atomi) nisu jako čvrsto povezane. Zbog toga oni imaju svojstvo "fluidnosti". Kada tijelo počinje gubiti toplinu, atomi i molekule počinju se sjediniti u najprikladnijoj strukturi. Tako dolazi do kristalizacije. Često, ovisno o vanjskim uvjetima, ispada da je isti ugljen grafit, dijamant ili fulleren. Dakle, ne samo temperatura nego i pritisak, utječe na to kako će kristalizacija i taljenje nastaviti. Međutim, kako bi se razbili veze krute kristalne strukture, potrebno je malo više energije, a time i više topline nego da ih stvorimo. Dakle, tvar će se zamrznuti brže nego topljenje, pod istim uvjetima postupka. Taj se fenomen naziva latentna toplina i odražava razliku opisanu gore. Podsjetimo da se latentna toplina ne odnosi na toplinu kao takvu i odražava količinu topline potrebne za kristalizaciju i topljenje.

Promjena u volumenu pri prelasku u drugu agregatnu državu

Kao što je već spomenuto, količina i kvaliteta veza u tekućem i čvrstom stanju su različite. Tekuće stanje zahtijeva puno energije, dakle, atomi se kreću brže, stalno skakanje s jednog mjesta na drugo i stvaranje privremenih veza. jer amplituda oscilacije čestice su veće, zatim tekućina zauzima veći volumen. Dok je u čvrstom tijelu komunikacije krut, svaki atom oscilira oko jednog ravnotežnog položaja, ne može napustiti svoj položaj. Ova struktura zauzima manje prostora. Tako se taljenje i kristalizacija tvari popraćaju promjenom volumena.

Značajke kristalizacije i taljenja vode

Takva zajednička i važna tekućina za naš planet, poput vode, vjerojatno igra veliku ulogu u životu gotovo svih živih bića. Gore je razlika između količina topline, koja je potrebna za kristalizaciju i topljenje, kao i promjenu volumena kada se agregatno stanje mijenja. Neke iznimke od oba pravila su voda. Vodik raznih molekula, čak i u tekućem stanju, kombinira se kratko vrijeme, stvarajući slabu, ali još uvijek nultu vodljivu vezu. To objašnjava nevjerojatno visoki toplinski kapacitet ove univerzalne tekućine. Treba napomenuti da ove veze ne ometaju fluidnost vode. Ali njihova uloga u zamrzavanju (drugim riječima, kristalizacija) do kraja ostaje nejasna. Međutim, treba prepoznati: led iste mase zauzima više volumena od tekuće vode. Ta činjenica uzrokuje veliku štetu komunalnim mrežama i uzrokuje mnoge probleme ljudima koji ih služe.

Ne jednom ili dvaput u vijestima takve poruke bljesnu. Zimi se dogodila nesreća u kotlovnici nekog daljinskog naselja. Zbog snježnih oluja, leda ili teških mrazova, nisu uspjeli isporučiti gorivo. Voda koja se isporučuje za grijanje i baterije prestala se zagrijavati. Ako to nije vrijeme za drenažu, ostavljajući sustav barem djelomično prazan, i to je bolje da se osuši, ona počinje da steknu ambijentalne temperature. Najčešće, kao sreća, u ovom trenutku postoje jaki mrazovi. A led sruši cijevi, ostavljajući ljude bez šanse za ugodan život u nadolazećim mjesecima. Tada je, naravno, eliminirati nesreće, hrabri izvanrednim situacijama Ministarstva, probijanju mećava da se bombardiraju helikopterom nekoliko tona prestižni ugljena i loše vodovod u žestoke cijevi promjena hladno sat.

Snijega i pahuljice

Kada zamišljamo led, često mislimo na hladne kocke u čaši s sokom ili velikim prostorima smrznute Antarktike. Ljudi su percipiraju snijeg kao poseban fenomen, koji izgleda nije povezan s vodom. No, zapravo je isti led, samo zamrznut u određenom redu, koji određuje oblik. Kažu da u cijelom svijetu nema dva identična snježna pahuljica. Znanstvenik iz Sjedinjenih Država ozbiljno je preuzeo stvar i odredio uvjete za dobivanje tih heksagonalnih ljepota željenog oblika. Njegov laboratorij čak može pružiti blistavu snježnih pahulja koje plaća klijentov izgled. Usput, tuča, poput snijega, rezultat je vrlo neobičnog procesa kristalizacije - od pare, a ne iz vode. Preokretna transformacija krute tvari u plinoviti agregat zove se sublimacija.

Pojedinačni kristali i polikristali

Svi su zimi vidjeli ledene uzorke na staklu na autobusu. Oni su formirani jer temperatura unutar transporta je iznad nula Celzijevih. Osim toga, mnogi ljudi, izdahujući zrakom iz lagane pare, daju veću vlažnost zraka. No, staklo (najčešće tanki singl) ima temperaturu okoline, tj. Negativnu. Vodena para, dodirujući njegovu površinu, vrlo brzo gubi toplinu i prolazi u čvrsto stanje. Jedan kristalni adheres na drugi, svaki od sljedećeg oblika malo se razlikuje od prethodnog, a prekrasni asimetrični obrasci rastu brzo. Ovo je primjer polikristala. "Poly" - od latinskog "puno". U ovom slučaju, broj mikro-dijelova se kombinira u jednu cjelinu. Bilo koji metalni proizvod je također često polikristal. Ali savršeni oblik prirodnog kvarcnog prizma je jedan kristal. U svojoj strukturi, nitko neće naći nedostatke i prekide, dok je u polikristalnim volumenima smjer dijelova kaotičan i ne slaže se jedni s drugima.

Smartphone i dalekozor

Ali moderna tehnologija često zahtijeva apsolutno čiste monokristale. Na primjer, gotovo svaki pametni telefon sadrži u svom utrobu element memorije silicija. Nijedan atom u ovom čitavom volumenu ne bi trebao biti pomaknut u odnosu na idealno mjesto. Svatko bi trebao zauzeti svoje mjesto. Inače, umjesto fotografije, dobit ćete zvukove na izlazu i, najvjerojatnije, neugodan.

U dvogledu, i uređaji za noćno gledanje su potrebni dovoljno velik monokristali koji pretvaraju infracrveno zračenje u vidljivo zračenje. Postoji nekoliko načina da ih rastu, ali svaka od njih zahtijeva posebnu temeljitost i verificirane izračune. Kako se dobivaju pojedini kristali, znanstvenici razumiju iz faznih dijagrama države, odnosno gledaju na grafikon taljenja i kristalizacije materije. Teško je sastaviti takvu sliku, stoga znanstvenici iz materijala znaju posebno cijeniti znanstvenike koji su odlučili saznati sve detalje ovog rasporeda.