Cristalizarea și topirea: graficul modificării stării agregate a materiei

Acest articol descrie ce sunt cristalizarea și topirea. Exemplul diferitelor stări agregate de apă explică cantitatea de căldură necesară pentru îngheț și dezgheț și de ce aceste valori sunt diferite. Diferența dintre poli și monocristale este prezentată, precum și complexitatea fabricării acesteia din urmă.

Trecerea la o altă stare agregată

O persoană obișnuită se gândește rareori, dar viața la nivelul la care există acum ar fi imposibilă fără știință. Care dintre ele? Întrebarea nu este simplă, deoarece multe procese apar la intersecția mai multor discipline. Fenomenele, pentru care este dificil să se identifice domeniul științei, sunt cristalizarea și topirea. S-ar părea, bine, este complicat aici: a fost apă - a fost gheață, a existat o minge de metal - a fost o băltoacă lichid metalic. Cu toate acestea, mecanisme precise pentru trecerea de la unul la altul stare agregată în alta sunt absente. Fizicienii ajung mai adânc în junglă, dar nu este încă posibil să se prevadă exact când va începe topirea și cristalizarea corpurilor.

Ce știm

Oricum, omenirea știe încă. Punctul de topire iar cristalizarea este ușor determinată empiric. Dar aici totul nu este atât de simplu. Toată lumea știe că apa se topește și îngheață la zero grade Celsius. Cu toate acestea, apa nu este de obicei doar o construcție teoretică, ci un volum specific. Nu uitați că procesul de topire și cristalizare nu este instantaneu. cub de gheață începe să se topească mai devreme decât ajunge exact zero grade, apa din primul pahar este acoperit cu cristale de gheață la o temperatură care depășește ușor marcajul pe scală.

Izolarea și absorbția căldurii la trecerea la o altă stare agregată

Cristalizarea și topirea solidelor sunt însoțite de anumite efecte termice. În stare lichidă, moleculele (sau uneori atomii) nu sunt foarte strâns legate. Din acest motiv, ei au proprietatea "fluidității". Când corpul începe să-și piardă căldura, atomii și moleculele încep să se unească în cea mai convenabilă structură. Astfel, apare cristalizarea. Adesea, în funcție de condițiile externe, se pare că același carbon este grafitul, diamantul sau fullerenul. Deci, nu numai temperatura, dar și presiunea, afectează modul în care se va produce cristalizarea și topirea. Cu toate acestea, pentru a sparge legăturile unei structuri rigide de cristal, este nevoie de puțin mai multă energie și, prin urmare, mai multă căldură decât de a le crea. Astfel, substanța va îngheța mai repede decât topirea, în aceleași condiții de proces. Acest fenomen se numește căldură latentă și reflectă diferența descrisă mai sus. Amintiți-vă că căldura latentă nu este legată de căldură ca atare și reflectă cantitatea de căldură necesară pentru cristalizare și topire.

Schimbarea volumului la trecerea la o altă stare agregată

După cum sa menționat deja, cantitatea și calitatea obligațiunilor în stare lichidă și solidă sunt diferite. Starea lichidă necesită multă energie, deci atomii se deplasează mai repede, sărind mereu de la un loc la altul și creează conexiuni temporare. deoarece amplitudinea oscilației particulele sunt mai mari, apoi lichidul ocupă un volum mai mare. În timp ce în corpul solid al comunicației rigide, fiecare atom oscilează în jurul unei poziții de echilibru, nu este capabil să-și părăsească poziția. Această structură ocupă mai puțin spațiu. Astfel, topirea și cristalizarea substanțelor sunt însoțite de o schimbare a volumului.

Caracteristici ale cristalizării și topirii apei

Un astfel de lichid comun și important pentru planeta noastră, ca și apa, joacă probabil un rol important în viața aproape a tuturor ființelor vii. Cele de mai sus este diferența dintre cantitatea de căldură, care este necesară pentru cristalizarea și topirea, precum și o modificare a volumului atunci când starea agregată se modifică. Unele excepții de la ambele reguli sunt apa. Hidrogenul din diferite molecule, chiar și în stare lichidă, se combină pentru o perioadă scurtă de timp, formând o legătură hidrogen slabă, dar în plus non-zero. Aceasta explică capacitatea de încălzire incredibil de ridicată a acestui lichid universal. Trebuie remarcat faptul că aceste legături nu interferează cu fluiditatea apei. Dar rolul lor în îngheț (cu alte cuvinte, cristalizarea) până la sfârșit rămâne neclar. Totuși, trebuie recunoscut: gheața de aceeași masă ocupă mai mult volum decât apa lichidă. Acest fapt provoacă multe daune rețelelor de utilități și provoacă multe probleme oamenilor care le deservesc.

Nu o dată sau de două ori în știri, astfel de mesaje se aprind. În timpul iernii, a avut loc un accident în sala cazanelor unei asezări la distanță. Datorită furtunilor de zăpadă, gheții sau înghețuri severe, nu au reușit să livreze combustibil. Apa furnizată bateriilor de încălzire și robinetele au încetat să se încălzească. Dacă nu este drenat în timp, lăsând sistemul cel puțin parțial gol sau chiar în general uscat, acesta începe să achiziționeze temperatura mediului înconjurător. Cel mai adesea, ca noroc ar avea-o, în acest moment există înghețuri severe. Iar gheața rupe conductele, lăsând oamenii fără șansă pentru o viață confortabilă în lunile următoare. Apoi, desigur, elimina accident, Ministerul Situații de Urgență bravi, strecurare prin viscol pentru a obține bombardat cu elicopterul câteva tone, de cărbune, râvnit și sanitare sărac în tuburi feroce schimbare ceas rece.

Zăpadă și fulgi de zăpadă

Când ne imaginăm gheață, ne gândim adesea la cuburi reci într-un pahar cu suc sau spații uriașe de Antarctica înghețată. Zăpada este percepută de oameni ca un fenomen special, care nu pare să fie legat de apă. Dar, de fapt, este aceeași gheață, doar înghețată într-o anumită ordine, care determină forma. Ei spun că nu există două fulguri de zăpadă identice în întreaga lume. Un om de știință din Statele Unite a luat în serios problema și a determinat condițiile pentru obținerea acestor frumuseți hexagonale de forma dorită. Laboratorul său poate oferi chiar și o viscolă de fulgi de zăpadă plătită de aspectul clientului. Apropo, grindina, ca zăpada, este rezultatul unui proces foarte curios de cristalizare - din abur, nu din apă. Transformarea inversă a unui solid într-un agregat gazos se numește sublimare.

Cristale singulare și policristaline

Toți au văzut modelele înghețate de pe geamul autobuzului în timpul iernii. Ele se formează deoarece temperatura din interiorul transportului este peste zero Celsius. În plus, mulți oameni, expirând cu aer de abur ușor, asigură o umiditate crescută. Dar sticla (cel mai adesea subțire) are o temperatură ambiantă, adică negativă. Vaporii de apă, atingând suprafața sa, foarte repede pierde căldura și trece într-o stare solidă. Unul cristalin aderă la altul, fiecare din următoarea formă diferă ușor de cea precedentă, iar modelele frumoase asimetrice cresc rapid. Acesta este un exemplu de policristaline. "Poly" - din latină "foarte mult". În acest caz, un număr de micro-părți sunt combinate într-un singur întreg. Orice produs metalic este adesea un policristal. Dar forma perfectă a prismei cuarțului natural este un singur cristal. În structura sa, nimeni nu va găsi defecte și pauze, în timp ce în volumele policristaline direcția părților este haotică și nu este de acord între ele.

Smartphone și binoclu

Dar tehnologia modernă necesită deseori monocristale absolut pure. De exemplu, aproape orice smartphone conține în intestine un element de memorie siliciu. Nici un atom din acest volum nu trebuie mutat în raport cu locația ideală. Toată lumea ar trebui să-i ia locul. Altfel, în loc de o fotografie, veți primi sunete la ieșire și, cel mai probabil, neplăcute.

În binoclu, dispozitive de vedere de noapte, sunt necesare și monocristale suficient de mari pentru a transforma radiația infraroșie în radiații vizibile. Există mai multe modalități de a le crește, dar fiecare necesită o atenție specială și calcule verificate. Cum se obțin cristale singulare, oamenii de știință înțeleg din diagramele de fază ale statului, adică se uită la graficul topirii și cristalizării materiei. Este dificil să se compună o astfel de imagine, prin urmare, oamenii de știință de materiale apreciază în special oamenii de știință care au decis să afle toate detaliile acestui program.