Тази статия обяснява какво представляват кристализацията и топенето. Използвайки примера на различни агрегатни състояния на водата, се обяснява колко топлина е необходима за замразяване и размразяване и защо тези стойности са различни. Показана е разликата между поли- и монокристалите, както и сложността на производството на последните.
Преход към друго агрегатно състояние
Обикновеният човек рядко мисли за това, но животът на нивото, на което съществува сега, би бил невъзможен без наука. Кое? Въпросът не е лесен, защото много процеси протичат на пресечната точка на няколко дисциплини. Явления, за които е трудно да се определи точно областта на науката, са кристализация и топене. Изглежда, добре, какво е толкова сложно тук: имаше вода - имаше лед, имаше метална топка - имаше локва от течен метал. Няма обаче точни механизми за преминаване от едно агрегатно състояние в друго. Физиците навлизат все по-дълбоко в джунглата, но все още не е възможно да се предвиди точно в кой момент ще започне топенето и кристализацията на телата.оказва се.
Какво знаем
Нещо, което човечеството все още знае. Температурите на топене и кристализация се определят доста лесно емпирично. Но дори и тук всичко не е толкова просто. Всеки знае, че водата се топи и замръзва при нула градуса по Целзий. Водата обаче обикновено не е просто някаква теоретична конструкция, а специфичен обем. Не забравяйте, че процесът на топене и кристализация не е мигновен. Леденото кубче започва да се топи малко, преди да достигне точно нула градуса, водата в чашата е покрита с първите ледени кристали при температура, която е малко над този знак на скалата.
Емисия и абсорбция на топлина по време на прехода към друго агрегатно състояние
Кристализацията и топенето на твърди вещества са придружени от определени термични ефекти. В течно състояние молекулите (или понякога атомите) не са много здраво свързани помежду си. Поради това те имат свойството на "течност". Когато тялото започне да губи топлина, атомите и молекулите започват да се комбинират в структурата, която е най-удобна за тях. Така се получава кристализация. Често зависи от външните условия дали от същия въглерод ще се получи графит, диамант или фулерен. Така че не само температурата, но и налягането влияят върху това как ще протекат кристализацията и топенето. Въпреки това, за да се разрушат връзките на твърда кристална структура, е необходимо малко повече енергия, а оттам и количеството топлина, отколкото да се създадат. По този начин,веществото ще замръзне по-бързо, отколкото се стопи, при същите условия на процеса. Това явление се нарича латентна топлина и отразява описаната по-горе разлика. Припомнете си, че латентната топлина няма нищо общо с топлината като такава и отразява количеството топлина, необходимо за кристализация и топене.
Промяна в обема при преминаване към друго състояние на агрегатиране
Както вече споменахме, количеството и качеството на връзките в течно и твърдо състояние са различни. Течното състояние изисква повече енергия, следователно атомите се движат по-бързо, като постоянно скачат от едно място на друго и създават временни връзки. Тъй като амплитудата на трептенията на частиците е по-голяма, течността също заема по-голям обем. Докато в твърдо тяло връзките са твърди, всеки атом осцилира около едно равновесно положение, той не е в състояние да напусне позицията си. Тази структура заема по-малко място. Така топенето и кристализацията на веществата са придружени от промяна в обема.
Характеристики на кристализация и топене на вода
Такова често срещана и важна течност за нашата планета като водата, може би не е случайно, че играе голяма роля в живота на почти всички живи същества. По-горе е описана разликата между количеството топлина, което е необходимо за кристализация и топене, както и промяната в обема при промяна на агрегатното състояние. Изключение от двете правила е водата. Водородът на различни молекули, дори в течно състояние, се комбинира за кратко време, образувайки слаб, но все още ненулева водородна връзка. Това обяснява невероятно високия топлинен капацитет на тази универсална течност. Трябва да се отбележи, че тези връзки не пречат на потока на водата. Но тяхната роля по време на замразяване (с други думи, кристализация) остава неясна до края. Трябва обаче да се признае, че ледът със същата маса заема по-голям обем от течната вода. Този факт причинява много щети на комуналните услуги и създава много проблеми на хората, които ги обслужват.
Такива съобщения се появяват в новините повече от веднъж или два пъти. През зимата стана авария в котелното на някое отдалечено населено място. Поради виелици, поледици или силни студове нямахме време да доставим гориво. Водата, подадена към радиаторите и крановете, спря да се нагрява. Ако не се източи навреме, оставяйки системата поне частично празна, а за предпочитане напълно суха, тя започва да придобива температура на околната среда. Най-често, за съжаление, по това време има тежки студове. А ледът чупи тръбите, оставяйки хората без шанс за комфортен живот през следващите месеци. След това, разбира се, аварията се отстранява, доблестните служители на Министерството на извънредните ситуации, пробивайки виелицата, хвърлят там с хеликоптер няколко тона заветни въглища, а злополучните водопроводчици сменят тръбите денонощно в лютия студ.
Сняг и снежинки
Когато мислим за лед, най-често мислим за студени кубчета в чаша сок или огромни простори на замръзнала Антарктида. Снегът се възприема от хората като специално явление, което изглежда е такане са свързани с водата. Но всъщност това е същият лед, само замразен в определен ред, който определя формата. Казват, че в целия свят няма две еднакви снежинки. Учен от САЩ се зае сериозно с бизнеса и определи условията за получаване на тези шестоъгълни красоти с желаната форма. Неговата лаборатория може дори да осигури снежна виелица от спонсорирана от клиента кожа. Между другото, градушката, като сняг, е резултат от много любопитен процес на кристализация – от пара, а не от вода. Обратното преобразуване на твърдо тяло веднага в газообразен агрегат се нарича сублимация.
Монокристали и поликристали
Всички видяха ледени шарки по стъклото в автобуса през зимата. Те се образуват, защото вътре в транспорта температурата е над нулата по Целзий. И освен това много хора, издишвайки заедно с въздуха от леки пари, осигуряват повишена влажност. Но стъклото (най-често тънко единично) има температура на околната среда, тоест отрицателна. Водната пара, докосвайки повърхността й, много бързо губи топлина и се превръща в твърдо състояние. Един кристал се придържа към друг, всяка следваща форма е малко по-различна от предишната и красивите асиметрични шарки растат бързо. Това е пример за поликристали. "Поли" е от латинското "много". В този случай редица микрочасти се обединяват в едно цяло. Всеки метален продукт също най-често е поликристал. Но перфектната форма на естествената призма на кварца е единичен кристал. В неговата структура никой няма да намери недостатъци и пропуски, докато в поликристалните обеми на посокатачастите са подредени произволно и не са съгласни една с друга.
Смартфон и бинокъл
Но в съвременните технологии често се изискват абсолютно чисти монокристали. Например, почти всеки смартфон съдържа в недрата си силициев елемент с памет. Нито един атом в целия този обем не трябва да бъде преместен от идеалното си място. Всеки трябва да заеме мястото си. В противен случай вместо снимка на изхода ще получите звуци и най-вероятно неприятни.
В биноклите устройствата за нощно виждане също се нуждаят от достатъчно обемни монокристали, които преобразуват инфрачервеното лъчение във видимо. Има няколко начина за отглеждането им, но всеки изисква специални грижи и проверени изчисления. Как се получават монокристалите, учените разбират от фазови диаграми на състоянието, тоест гледат графиката на топенето и кристализацията на веществото. Начертаването на такава картина е трудно, поради което учените по материали особено ценят учените, които решават да открият всички подробности за такава графика.
