Ten artykuł wyjaśnia, czym jest krystalizacja i topienie. Na przykładzie różnych stanów skupienia wody wyjaśniono, ile ciepła potrzeba do zamrażania i rozmrażania oraz dlaczego wartości te są różne. Pokazano różnicę między poli- i monokryształami, a także złożoność wytwarzania tych ostatnich.
Przejście do innego stanu zagregowanego
Zwykły człowiek rzadko o tym myśli, ale życie na takim poziomie, na jakim istnieje teraz, byłoby niemożliwe bez nauki. Który? Pytanie nie jest łatwe, ponieważ wiele procesów zachodzi na przecięciu kilku dyscyplin. Zjawiska, dla których trudno precyzyjnie określić dziedzinę nauki, to krystalizacja i topienie. Wydawałoby się, no cóż, co tu jest tak skomplikowane: była woda - był lód, była metalowa kulka - była kałuża ciekłego metalu. Nie ma jednak dokładnych mechanizmów przejścia z jednego stanu agregacji do drugiego. Fizycy coraz głębiej zagłębiają się w dżunglę, ale nadal nie można dokładnie przewidzieć, w którym momencie rozpocznie się topienie i krystalizacja ciał.okazuje się.
Co wiemy
Coś ludzkość wciąż wie. Temperatury topnienia i krystalizacji można dość łatwo określić empirycznie. Ale nawet tutaj wszystko nie jest takie proste. Wszyscy wiedzą, że woda topi się i zamarza w temperaturze zerowej stopni Celsjusza. Jednak woda to zwykle nie tylko jakiś teoretyczny konstrukt, ale konkretna objętość. Nie zapominaj, że proces topnienia i krystalizacji nie jest natychmiastowy. Kostka lodu zaczyna się trochę topić zanim osiągnie dokładnie zero stopni, woda w szklance pokryta jest pierwszymi kryształkami lodu o temperaturze nieco powyżej tego znaku na skali.
Emisja i pochłanianie ciepła podczas przejścia do innego stanu skupienia
Krystalizacji i topnieniu ciał stałych towarzyszą pewne efekty termiczne. W stanie ciekłym cząsteczki (a czasami atomy) nie są ze sobą bardzo ściśle związane. Z tego powodu mają właściwość „płynności”. Kiedy organizm zaczyna tracić ciepło, atomy i cząsteczki zaczynają łączyć się w najdogodniejszą dla siebie strukturę. Tak zachodzi krystalizacja. Często od warunków zewnętrznych zależy, czy z tego samego węgla uzyskamy grafit, diament czy fuleren. Tak więc nie tylko temperatura, ale także ciśnienie wpływa na przebieg krystalizacji i topnienia. Jednak do zerwania wiązań sztywnej struktury krystalicznej potrzeba nieco więcej energii, a co za tym idzie ilości ciepła, niż ich wytworzenie. Zatem,substancja zamarznie szybciej niż stopi się, w tych samych warunkach procesu. Zjawisko to nazywane jest ciepłem utajonym i odzwierciedla różnicę opisaną powyżej. Przypomnijmy, że ciepło utajone nie ma nic wspólnego z ciepłem jako takim i odzwierciedla ilość ciepła wymaganą do zajścia krystalizacji i stopienia.
Zmiana głośności po przejściu do innego stanu agregacji
Jak już wspomniano, ilość i jakość wiązań w stanie ciekłym i stałym są różne. Stan ciekły wymaga więcej energii, stąd atomy poruszają się szybciej, nieustannie przeskakując z miejsca na miejsce i tworząc tymczasowe wiązania. Ponieważ amplituda oscylacji cząstek jest większa, ciecz zajmuje również większą objętość. Podczas gdy w ciele stałym wiązania są sztywne, każdy atom oscyluje wokół jednej pozycji równowagi, nie jest w stanie opuścić swojej pozycji. Ta konstrukcja zajmuje mniej miejsca. Tak więc topnieniu i krystalizacji substancji towarzyszy zmiana objętości.
Cechy krystalizacji i topienia wody
Tak powszechny i ważny płyn dla naszej planety jak woda, być może to nie przypadek, że odgrywa dużą rolę w życiu prawie wszystkich żywych istot. Powyżej opisano różnicę między ilością ciepła potrzebnego do zajścia krystalizacji i stopienia, a także zmianą objętości przy zmianie stanu skupienia. Wyjątkiem od obu zasad jest woda. Wodór różnych cząsteczek, nawet w stanie ciekłym, łączy się przez krótki czas, tworząc słabe, ale wciąż niezero wiązania wodorowego. To wyjaśnia niewiarygodnie wysoką pojemność cieplną tego uniwersalnego płynu. Należy zauważyć, że wiązania te nie zakłócają przepływu wody. Jednak ich rola podczas zamrażania (czyli krystalizacji) pozostaje do końca niejasna. Należy jednak zauważyć, że lód o tej samej masie zajmuje większą objętość niż woda w stanie ciekłym. Fakt ten powoduje wiele szkód w obiektach użyteczności publicznej i powoduje wiele problemów dla obsługujących je osób.
Takie wiadomości pojawiają się w wiadomościach więcej niż raz lub dwa razy. Zimą doszło do wypadku w kotłowni jakiejś odległej osady. Z powodu zamieci, lodu czy silnych mrozów nie mieliśmy czasu na dostarczenie paliwa. Woda doprowadzona do kaloryferów i kranów przestała się nagrzewać. Jeśli nie zostanie opróżniony na czas, pozostawiając układ przynajmniej częściowo pusty, a najlepiej całkowicie suchy, zaczyna nabierać temperatury otoczenia. Najczęściej niestety w tej chwili występują silne mrozy. A lód łamie rury, pozostawiając ludziom bez szans na wygodne życie w nadchodzących miesiącach. Wtedy oczywiście wypadek zostaje wyeliminowany, dzielni pracownicy Ministerstwa ds. Sytuacji Nadzwyczajnych, przedzierając się przez śnieżycę, wrzucają tam helikopterem kilka ton upragnionego węgla, a nieszczęśni hydraulicy zmieniają rury przez całą dobę na przenikliwym mrozie.
Śnieg i płatki śniegu
Kiedy myślimy o lodzie, najczęściej myślimy o zimnych kostkach w szklance soku lub rozległych przestrzeniach zamarzniętej Antarktydy. Śnieg jest postrzegany przez ludzi jako szczególne zjawisko, które wydaje się byćniezwiązany z wodą. Ale w rzeczywistości jest to ten sam lód, tylko zamrożony w określonej kolejności, która decyduje o kształcie. Mówią, że na całym świecie nie ma dwóch identycznych płatków śniegu. Naukowiec z USA poważnie zabrał się do pracy i określił warunki uzyskania tych heksagonalnych piękności o pożądanym kształcie. Jego laboratorium może nawet zapewnić śnieżną zamieć skóry sponsorowanej przez klienta. Nawiasem mówiąc, grad, podobnie jak śnieg, jest wynikiem bardzo ciekawego procesu krystalizacji - z pary, a nie z wody. Odwrotna przemiana ciała stałego natychmiast w agregat gazowy nazywana jest sublimacją.
Pojedyncze kryształy i polikryształy
Wszyscy widzieli wzory lodu na szybie w autobusie zimą. Powstają, ponieważ wewnątrz transportu panuje temperatura powyżej zera Celsjusza. A poza tym wiele osób, wydychając wraz z powietrzem z lekkich oparów, zapewnia zwiększoną wilgotność. Ale szkło (najczęściej cienkie pojedyncze) ma temperaturę otoczenia, czyli ujemną. Para wodna, dotykając jej powierzchni, bardzo szybko traci ciepło i przechodzi w stan stały. Jeden kryształ skleja się z drugim, każdy kolejny kształt jest nieco inny od poprzedniego, a piękne asymetryczne wzory szybko rosną. To jest przykład polikryształów. „Poly” pochodzi od łacińskiego „wielu”. W tym przypadku kilka mikroczęści łączy się w jedną całość. Każdy produkt metalowy jest również najczęściej polikryształem. Ale idealną formą naturalnego pryzmatu kwarcu jest pojedynczy kryształ. W jego strukturze nikt nie znajdzie wad i luk, natomiast w polikrystalicznych objętościach kierunkuczęści są ułożone losowo i nie zgadzają się ze sobą.
Smartfon i lornetka
Ale w nowoczesnej technologii często wymagane są absolutnie czyste monokryształy. Na przykład prawie każdy smartfon zawiera krzemowy element pamięci we wnętrznościach. Ani jeden atom w całej objętości nie powinien zostać przeniesiony z idealnej lokalizacji. Każdy musi zająć ich miejsce. W przeciwnym razie zamiast zdjęcia dostaniesz dźwięki na wyjściu i najprawdopodobniej nieprzyjemne.
W lornetkach noktowizory potrzebują również wystarczająco obszernych monokryształów, które przekształcają promieniowanie podczerwone w widzialne. Sposobów na ich hodowlę jest kilka, ale każdy wymaga szczególnej staranności i sprawdzonych obliczeń. Jak otrzymuje się monokryształy, naukowcy rozumieją z diagramów fazowych stanu, czyli patrzą na wykres topnienia i krystalizacji substancji. Narysowanie takiego obrazu jest trudne, dlatego materiałoznawcy szczególnie cenią tych, którzy decydują się poznać wszystkie szczegóły takiego wykresu.
