Ovaj članak objašnjava šta su kristalizacija i topljenje. Na primjeru različitih agregatnih stanja vode objašnjeno je koliko je topline potrebno za smrzavanje i odmrzavanje i zašto su te vrijednosti različite. Prikazana je razlika između poli- i monokristala, kao i složenost proizvodnje ovih potonjih.
Tranzicija u drugo agregatno stanje
Običan čovjek rijetko razmišlja o tome, ali život na nivou na kojem sada postoji bio bi nemoguć bez nauke. Koji? Pitanje nije lako, jer se mnogi procesi odvijaju na raskrsnici nekoliko disciplina. Pojave za koje je teško precizno definisati oblast nauke su kristalizacija i topljenje. Činilo bi se, pa, šta je tu tako komplikovano: bilo je vode - bilo je leda, bila je metalna lopta - bila je lokva tečnog metala. Međutim, ne postoje tačni mehanizmi za prelazak iz jednog agregacionog stanja u drugo. Fizičari su sve dublje i dublje u džunglu, ali još uvijek nije moguće točno predvidjeti u kojem trenutku će početi topljenje i kristalizacija tijela.ispada.
Šta znamo
Nešto što čovječanstvo još uvijek zna. Temperature topljenja i kristalizacije se vrlo lako određuju empirijski. Ali ni ovdje nije sve tako jednostavno. Svi znaju da se voda topi i smrzava na nula stepeni Celzijusa. Međutim, voda obično nije samo neka teorijska konstrukcija, već određena zapremina. Ne zaboravite da proces topljenja i kristalizacije nije trenutan. Kocka leda počinje malo da se topi pre nego što dostigne tačno nula stepeni, voda u čaši je prekrivena prvim kristalima leda na temperaturi koja je malo iznad ove oznake na skali.
Emisija i apsorpcija toplote tokom prelaska u drugo agregatno stanje
Kristalizacija i topljenje čvrstih materija su praćeni određenim termičkim efektima. U tekućem stanju, molekuli (ili ponekad atomi) nisu jako čvrsto povezani. Zbog toga imaju svojstvo "tečnosti". Kada tijelo počne gubiti toplinu, atomi i molekuli počinju se spajati u strukturu koja im najviše odgovara. Tako dolazi do kristalizacije. Često zavisi od spoljašnjih uslova da li će se iz istog ugljenika dobiti grafit, dijamant ili fuleren. Dakle, ne samo temperatura, već i pritisak utiče na to kako će se kristalizacija i topljenje odvijati. Međutim, da bi se prekinule veze krute kristalne strukture, potrebno je malo više energije, a time i količine topline, nego za njihovo stvaranje. dakle,supstanca će se smrznuti brže nego rastopiti, pod istim uslovima procesa. Ovaj fenomen se naziva latentna toplota i odražava razliku opisanu gore. Podsjetimo da latentna toplina nema nikakve veze s toplinom kao takvom i odražava količinu topline potrebnu za kristalizaciju i topljenje.
Promjena volumena nakon prelaska na drugo stanje agregacije
Kao što je već pomenuto, količina i kvalitet veza u tečnom i čvrstom stanju su različiti. Tečno stanje zahtijeva više energije, stoga se atomi kreću brže, neprestano skačući s jednog mjesta na drugo i stvarajući privremene veze. Pošto je amplituda oscilacija čestica veća, tečnost takođe zauzima veći volumen. Dok su u čvrstom tijelu veze krute, svaki atom oscilira oko jedne ravnotežne pozicije, nije u stanju da napusti svoj položaj. Ova struktura zauzima manje prostora. Dakle, topljenje i kristalizacija supstanci su praćeni promjenom zapremine.
Karakteristike kristalizacije i topljenja vode
Tako uobičajena i važna tečnost za našu planetu kao što je voda, možda nije slučajno što igra veliku ulogu u životu gotovo svih živih bića. Gore je opisana razlika između količine topline koja je potrebna za kristalizaciju i topljenje, kao i promjene volumena pri promjeni agregacijskog stanja. Izuzetak od oba pravila je voda. Vodik različitih molekula, čak i u tekućem stanju, kratko se spaja, formirajući slabu, ali ipak nenula vodonične veze. Ovo objašnjava neverovatno visok toplotni kapacitet ovog univerzalnog fluida. Treba napomenuti da ove veze ne ometaju protok vode. Ali njihova uloga tokom zamrzavanja (drugim riječima, kristalizacije) ostaje nejasna do kraja. Međutim, treba imati na umu da led iste mase zauzima veći volumen od tečne vode. Ova činjenica nanosi veliku štetu javnim komunalnim preduzećima i stvara mnogo problema ljudima koji ih opslužuju.
Ovakve poruke se pojavljuju u vijestima više od jednom ili dvaput. Zimi se dogodila nesreća u kotlarnici nekog udaljenog naselja. Zbog mećava, leda ili velikih mrazova nismo imali vremena za isporuku goriva. Voda dovedena u radijatore i slavine je prestala grijati. Ako se ne isprazni na vrijeme, ostavljajući sistem barem djelomično prazan, a po mogućnosti potpuno suv, počinje dobivati temperaturu okoline. Najčešće, nažalost, u ovo vrijeme su jaki mrazevi. I led lomi cijevi, ostavljajući ljude bez šanse za ugodan život u narednim mjesecima. Tada se, naravno, nesreća otklanja, hrabri službenici Ministarstva za vanredne situacije, probijajući se kroz mećavu, helikopterom bacaju tamo nekoliko tona željenog uglja, a nesrećni vodoinstalateri danonoćno menjaju cevi po velikoj hladnoći.
Snijeg i pahulje
Kada pomislimo na led, najčešće pomislimo na hladne kocke u čaši soka ili ogromna prostranstva smrznutog Antarktika. Snijeg ljudi doživljavaju kao posebnu pojavu, što se čini da jestenije vezano za vodu. Ali zapravo je to isti led, samo zamrznut određenim redoslijedom koji određuje oblik. Kažu da u cijelom svijetu ne postoje dvije identične pahulje. Naučnik iz SAD se ozbiljno upustio u posao i odredio uslove za dobijanje ovih šestougaonih lepotica željenog oblika. Njegova laboratorija može čak pružiti i snježnu mećavu kože koju sponzorira kupac. Inače, grad je, kao i snijeg, rezultat vrlo neobičnog procesa kristalizacije - iz pare, a ne iz vode. Reverzna transformacija čvrstog tijela odmah u plinoviti agregat naziva se sublimacija.
Pojedinačni kristali i polikristali
Zimi su svi vidjeli šare leda na staklu u autobusu. Nastaju jer je unutar transporta temperatura iznad nule Celzijusa. Osim toga, mnogi ljudi, izdišući zajedno s zrakom od lakih para, osiguravaju povećanu vlažnost. Ali staklo (najčešće tanko jednostruko) ima temperaturu okoline, odnosno negativnu. Vodena para, dodirujući njegovu površinu, vrlo brzo gubi toplinu i prelazi u čvrsto stanje. Jedan kristal se lijepi za drugi, svaki sljedeći oblik se malo razlikuje od prethodnog, a prekrasni asimetrični uzorci brzo rastu. Ovo je primjer polikristala. "Poly" je od latinskog "mnogo". U ovom slučaju se više mikrodijelova spaja u jednu cjelinu. Bilo koji metalni proizvod je također najčešće polikristal. Ali savršeni oblik prirodne prizme kvarca je jedan kristal. U njegovoj strukturi niko neće pronaći nedostatke i praznine, dok je u polikristalnim zapreminama pravcadijelovi su raspoređeni nasumično i ne slažu se jedan s drugim.
Pametni telefon i dvogled
Ali u modernoj tehnologiji, često su potrebni apsolutno čisti monokristali. Na primjer, gotovo svaki pametni telefon sadrži silikonski memorijski element u svojim utrobama. Niti jedan atom u cijelom volumenu ne bi trebao biti pomjeren sa svoje idealne lokacije. Svako mora zauzeti svoje mjesto. U suprotnom, umjesto fotografije, na izlazu ćete dobiti zvukove, i to najvjerovatnije one neugodne.
U dvogledima, uređajima za noćno gledanje su potrebni i dovoljno obimni monokristali koji pretvaraju infracrveno zračenje u vidljivo. Postoji nekoliko načina za njihovo uzgoj, ali svaki zahtijeva posebnu pažnju i provjerene proračune. Kako se dobijaju monokristali, naučnici shvataju iz faznih dijagrama stanja, odnosno posmatraju grafikon topljenja i kristalizacije supstance. Nacrtati takvu sliku je teško, zbog čega naučnici materijala posebno cijene naučnike koji odluče saznati sve detalje takvog grafikona.
