Kristalizacija in taljenje: graf spremenljivosti agregatnega stanja snovi

Ta članek opisuje, kakšne so kristalizacije in taljenja. Primer različnih agregatnih stanja vode pojasnjuje, koliko toplote je potrebno za zamrzovanje in odmrzovanje in zakaj so te vrednosti drugačne. Prikazana je razlika med poli in monokristali, pa tudi zapletenost proizvodnje slednjega.

Prehod v drugo agregatno stanje

Običajna oseba redko misli o tem, toda življenje na ravni, na katerem ta zdaj obstaja, bi bilo nemogoče brez znanosti. Kateri? Vprašanje ni enostavno, saj se na stičišču več disciplin pojavljajo številni procesi. Pojav, za katerega je težko natančno določiti znanstveno področje, sta kristalizacija in taljenje. Zdi se, da je tu zapleteno: voda je bila - led je bil, kovinska krogla - tam je bila luža tekoča kovina. Vendar pa so natančni mehanizmi za prehod z enega agregatno stanje v drugi so odsotni. Fiziki se globlje v džunglo, vendar še vedno ni mogoče natančno napovedati, kdaj se začne taljenje in kristalizacija teles.

Kaj vemo

Nekako človeštvo še vedno ve. Tališče in kristalizacijo je mogoče enostavno določiti empirično. Ampak tukaj ni vse tako preprosto. Vsi vedo, da se voda topi in zamrzne na nič stopinj Celzija. Vendar pa voda običajno ni le teoretični konstrukt, ampak določen obseg. Ne pozabite, da proces taljenja in kristalizacije ni trenuten. Ledena kocka se začne topiti pred natanko doseže nič stopinj, voda v prvi čaši je prekrita z ledenih kristalov pri temperaturi, ki rahlo presega oznake na skali.

Izolacija in absorpcija toplote ob prehodu v drugo agregatno stanje

Kristalizacijo in taljenje trdnih snovi spremljajo določeni termični učinki. V tekočem stanju molekule (ali včasih tudi atomi) niso zelo tesno povezane. Zaradi tega imajo lastnost "tekočine". Ko telo začne izgubljati vročino, se atome in molekule začnejo združiti v najprimernejši strukturi. Tako nastane kristalizacija. Pogosto, odvisno od zunanjih pogojev, se izkaže, da je isti ogljik grafit, diamant ali fuleren. Tako ne samo temperatura, ampak tudi pritisk vpliva na to, kako se bo kristalizacija in taljenje nadaljevalo. Vendar, da bi zlomili vezi toge kristalne strukture, potrebuje malo več energije in s tem več toplote, kot jih ustvarja. Tako se bo snov pod enakimi procesnimi pogoji zamrznila hitreje kot taljenje. Ta pojav se imenuje latentna toplota in odraža zgoraj opisano razliko. Spomnimo se, da latentna toplota ni odvisna od toplote kot take in odraža količino toplote, ki je potrebna za kristalizacijo in taljenje.

Sprememba obsega ob prehodu v drugo agregatno stanje

Kot smo že omenili, sta količina in kakovost vez v tekočem in trdnem stanju drugačna. Tekoče stanje zahteva veliko energije, zato se atomi hitreje premikajo, stalno skočijo iz enega mesta v drugega in ustvarjajo začasne povezave. Odkar amplituda nihanja delci so večji, potem tekočina zaseda večji volumen. Medtem ko v trdnem ohišju komprimiranega telesa vsak atom niha okoli en ravnovesni položaj, ne more zapustiti svojega položaja. Ta struktura traja manj prostora. Tako se taljenju in kristalizaciji snovi spremlja sprememba volumna.

Značilnosti kristalizacije in taljenja vode

Taka skupna in pomembna tekočina našega planeta, kot je voda, verjetno igra pomembno vlogo v življenju skoraj vseh živih bitij. Zgoraj je razlika med količina toplote, ki je potrebna za kristalizacijo in taljenje, ter spremembo volumna, ko se agregatno stanje spremeni. Nekaj ​​izjema obeh pravil je voda. Vodik različnih molekul, tudi v tekočem stanju, združuje za kratek čas in tvori šibko, a še vedno ničelno vodikovo vez. To pojasnjuje neverjetno visoko toplotno kapaciteto te univerzalne tekočine. Treba je opozoriti, da te vezi ne motijo ​​tekočine vode. Toda njihova vloga pri zamrzovanju (z drugimi besedami, kristalizacija) do konca ostaja nejasna. Vendar pa je treba priznati: led z enako maso zaseda več volumna kot tekoča voda. To dejstvo povzroča veliko škode na uporabnih omrežjih in povzroča veliko težav ljudem, ki jim služijo.

Nikoli ali dvakrat v novicah pišejo takšna sporočila. Pozimi se je v kotlovnici nekaterih oddaljenih naselij zgodila nesreča. Zaradi snežnih neviht, ledu ali hudih zmrzali niso uspeli dobaviti goriva. Voda, dobavljena v grelne baterije in pipe, se je večkrat segrela. Če ni čas, da odteče, ki uhaja iz sistema vsaj delno prazen, in je bolje, da se posuši, se začne pridobi sobno temperaturo. Najpogosteje, kot bi imela sreča, v tem času obstajajo hude zmrzali. In led je raztrgal cevi in ​​pustil ljudi brez možnosti za udobno življenje v prihodnjih mesecih. Potem, seveda, odpravili nesrečo, hrabri izrednih razmerah ministrstvo, prebija skozi snežnem metežu, da se bombardirajo s helikopterjem nekaj ton coveted premoga in slabe vodovodne v ostre cevi hladno uro sprememb.

Sneg in snežinke

Kadar predstavljamo led, pogosto razmišljamo o hladnih kockah v kozarcu s sokom ali v velikih prostorih zamrznjene Antarktike. Sneg ljudje zaznajo kot poseben pojav, ki se zdi, da ni povezan z vodo. Toda v resnici je isti led, le zamrznjen v določenem vrstnem redu, ki določa obliko. Pravijo, da na svetu ni dveh enakih snežin. Znanstveniki iz Združenih držav so resno obravnavali zadevo in določili pogoje za pridobitev teh šesterokotnih lepot želene oblike. Njegov laboratorij lahko celo zagotovi mehko snežinke, ki jih plača videz stranke. Mimogrede, toča, kot je sneg, je rezultat zelo radovednega procesa kristalizacije - iz pare, ne iz vode. Pretvorba trdne snovi v plinasti agregat se imenuje sublimacija.

Enotni kristali in polikristali

V zimskem času so vsi videli ledene vzorce na steklu na avtobusu. Nastanejo zato, ker je temperatura v prevozu nad nič Celzij. Poleg tega veliko ljudi, ki vdihavajo zrak iz svetlobe pare, zagotavljajo večjo vlago. Toda steklo (najpogosteje tanko enojno) ima temperaturo okolja, to je negativno. Vodna para, ki se dotika površine, zelo hitro izgubi toploto in preide v trdno stanje. Ena kristalina se drži drugega, vsaka naslednja oblika se nekoliko razlikuje od prejšnje, lepi asimetrični vzorci hitro rastejo. To je primer polikristalov. "Poly" - iz latinščine "veliko". V tem primeru se številni mikro deli združijo v eno samo celoto. Kateri kovinski izdelek je pogosto polikristalen. Toda popolna oblika naravne kremenove prizme je en kristal. V svoji strukturi nihče ne bo našel napak in zlomov, medtem ko je v polikristalnih volumnih smer delov zamejen in se ne strinjajo.

Pametni telefon in daljnogled

Toda sodobna tehnologija pogosto zahteva popolnoma čiste monokristale. Na primer, skoraj vsak pametni telefon vsebuje v svojih črevesih silikonski pomnilniški element. Noben atom v tej celotni prostornini ni treba premakniti glede na idealno lokacijo. Vsakdo bi moral prevzeti njegovo mesto. V nasprotnem primeru namesto slike dobite zvoke na izhodu in, najverjetneje, neprijetno.

V daljnogledih so potrebni tudi dovolj nočnih naprav, ki imajo dovolj monokristalov, da pretvorijo infrardeče sevanje v vidno sevanje. Obstaja več načinov za njihovo rast, vendar vsak zahteva posebno skrbnost in preverjene izračune. Kako pridobijo posamezne kristale, znanstveniki razumejo iz faznih diagramov stanja, to je, gledajo na graf tlaka in kristalizacije snovi. Te slike je težko sestaviti, zato znanstveniki materiala še posebej cenijo znanstvenike, ki so se odločili, da bi izvedeli vse podrobnosti tega razporeda.