Кристализация и топене: графика на промяната в агрегатното състояние на материята

Тази статия описва кристализацията и топенето. Примерът на различни агрегатни водни състояния обяснява колко топлина се изисква за замразяване и размразяване и защо тези стойности са различни. Разликата между поли и монокристали е показана, както и сложността на производството на последния.

Преход към друго агрегатно състояние

Един обикновен човек мисли за него рядко, но животът на нивото, на което то сега съществува, би било невъзможно без наука. Кой? Въпросът не е прост, защото много процеси се случват на кръстопътя на няколко дисциплини. Феноменът, за който е трудно да се определи областта на науката, е кристализация и топене. Изглежда, това е сложно тук: имаше вода - имаше лед, имаше метална топка - имаше локва течен метал. Въпреки това, точни механизми за прехода от един агрегатно състояние в други отсъстват. Физиците се впускат по-дълбоко в джунглата, но все още не е възможно да се предскаже точно кога ще започне топенето и кристализацията на телата.

Това, което знаем

Човек все още знае. Точка на топене и кристализацията лесно се определя емпирично. Но тук всичко не е толкова просто. Всеки знае, че водата се топи и замръзва на нула градуса Целзий. Водата обаче обикновено не е само теоретична конструкция, а специфичен обем. Не забравяйте, че процесът на топене и кристализация не е моментален. Кубчета лед започва да се топи по-рано от точно достигне нула градуса, водата в първата колба и тя се покрита с ледени кристали при температура, която леко надвишава маркировка на скалата.

Изолиране и абсорбиране на топлина при преминаване към друго агрегатно състояние

Кристализацията и топенето на твърдите вещества се придружават от някои топлинни ефекти. В течно състояние, молекулите (или понякога атомите) не са много здраво свързани. Именно поради това те притежават свойството на "плавност". Когато тялото започне да губи топлина, атомите и молекулите започват да се обединяват в най-удобната структура. Така се получава кристализация. Често, в зависимост от външните условия, се оказва, че един и същ въглерод е графит, диамант или фулерейн. Така че не само температурата, но и налягането влияят на това как ще се процедира кристализацията и топенето. Въпреки това, за да се разкъсат връзките на твърда кристална структура, тя отнема малко повече енергия, а оттам и повече топлина, отколкото да ги създава. По този начин веществото ще замръзне по-бързо от топенето, при същите условия на процеса. Това явление се нарича латентна топлина и отразява разликата, описана по-горе. Спомнете си, че латентната топлина не е свързана с топлината като такава и отразява необходимото количество топлина за кристализация и топене.

Промяна в обема след преминаване към друго агрегатно състояние

Както вече беше споменато, количеството и качеството на облигациите в течно и твърдо състояние са различни. Течният статус изисква много енергия, поради което атомите се движат по-бързо, непрекъснато скачат от едно място на друго и създават временни връзки. защото амплитуда на колебание частиците са по-големи, тогава течността заема по-голям обем. Докато в твърдото тяло на комуникацията е твърд, всеки атом осцилира около една равновесна позиция, не може да напусне позицията си. Тази структура заема по-малко пространство. Така че топенето и кристализацията на веществата са съпроводени от промяна в обема.

Характеристики на кристализацията и топенето на водата

Такава обща и важна течност за нашата планета, подобно на водата, вероятно играе голяма роля в живота на почти всички живи същества. Горното е разликата между количество топлина, което е необходимо за кристализация и топене, както и промяна на обема при промяна на състоянието на агрегата. Някои изключения от двете правила са водата. Водородът на различни молекули, дори в течно състояние, се комбинира за кратко, образувайки слаба, но все още ненулеща водородна връзка. Това обяснява невероятно високата топлинна мощност на тази универсална течност. Трябва да се отбележи, че тези връзки не пречат на течливостта на водата. Но тяхната роля в замразяването (с други думи, кристализацията) до края остава неясна. Все пак, трябва да се признае: лед от същата маса заема повече обем от течната вода. Този факт причинява много щети на комуналните мрежи и причинява много проблеми на хората, които ги обслужват.

Не веднъж или два пъти в новините такива съобщения мигат. През зимата в кабинковия кабинет на някакво отдалечено селище се случи инцидент. Поради снежни бури, лед или тежки студове те не успяха да доставят гориво. Водата, подавана към отоплителните батерии и батериите, престава да се нагрява. Ако не е време да се отцеди, оставяйки системата поне частично празни, и е по-добре да изсъхне, тя започва да придобие стайна температура. Най-често, като късмет ще има, в този момент има тежки студове. И ледът разкъсва тръбите, оставяйки хората без възможност за комфортен живот през следващите месеци. След това, разбира се, премахване на инцидента, храбри извънредните ситуации Министерството, пробивайки през виелицата да се бомбардира с хеликоптер няколко тона пожелах въглища и бедни водопровод в свирепи тръби студено часовник промени.

Сняг и снежинки

Когато си представяме лед, ние често мислим за студени кубчета в чаша със сок или огромни пространства на замразена Антарктида. Снягът се възприема от хората като специален феномен, който изглежда не е свързан с водата. Но всъщност това е един и същ лед, само замразен в определен ред, който определя формата. Казват, че в света няма две идентични снежинки. Учен от Съединените щати сериозно се зае със въпроса и определи условията за получаване на тези шестоъгълни красоти с желаната форма. Неговата лаборатория дори може да осигури виелица на снежинки, платена от външния вид на клиента. Между другото, градушката, като сняг, е резултат от много любопитен процес на кристализация - от пара, а не от вода. Обратното преобразуване на твърдо вещество в газообразен агрегат се нарича сублимация.

Единични кристали и поликристали

Всеки вижда ледовете на стъклената чаша в автобуса. Те се образуват, защото температурата в транспорта е над нулата. Освен това много хора, издишащи въздуха от леката пара, осигуряват повишена влажност. Но стъклото (най-често тънко единично) има околна температура, т.е. отрицателна. Водната пара, докосва повърхността си, много бързо губи топлина и преминава в твърдо състояние. Една кристална прилепва към друга, всяка от следващата форма леко се различава от предишната, а красивите асиметрични шаблони растат бързо. Това е пример за поликристали. "Поли" - от латински "много". В този случай няколко микрочасти се комбинират в едно цяло. Всеки метален продукт също често е поликристал. Но перфектната форма на природната кварцова призма е единствен кристал. В структурата си никой няма да открие недостатъци и разрушения, докато в поликристални обеми посоката на частите е хаотична и не е съгласна един с друг.

Смартфон и бинокъл

Но съвременната технология често изисква абсолютно чисти монокристали. Например, почти всеки смартфон съдържа в червата си силиконов паметен елемент. Никой атом в този цял обем не трябва да се премества спрямо идеалното местоположение. Всеки трябва да заеме мястото му. В противен случай, вместо снимка, ще получите звуци на изхода и, най-вероятно, неприятно.

При бинокъла, устройства за нощно виждане също са необходими достатъчно монокристали, които превръщат инфрачервеното лъчение в видимо излъчване. Има няколко начина да ги развиете, но всеки изисква специална задълбоченост и проверени изчисления. Как се получават единични кристали, учените разбират от фазовите диаграми на държавата, т.е. гледат на графиката на топене и кристализация на материята. Трудно е да се състави такава картина, поради което учените в областта на материалите особено оценяват учени, които са решили да разберат всички подробности от този график.