Ez a cikk elmagyarázza, mi a kristályosodás és az olvasztás. A víz különböző aggregációs állapotainak példáján elmagyarázzák, hogy mennyi hő szükséges a fagyasztáshoz és a felengedéshez, és miért különböznek ezek az értékek. Megjelenik a poli- és az egykristályok közötti különbség, valamint az utóbbi gyártásának bonyolultsága.
Átállás másik összesített állapotra
Egy hétköznapi ember ritkán gondol rá, de az élet azon a szinten, amelyen most létezik, lehetetlen lenne tudomány nélkül. Melyik? A kérdés nem könnyű, mert számos folyamat több tudományág metszéspontjában megy végbe. A kristályosodás és az olvadás olyan jelenségek, amelyek tudományterületét nehéz pontosan meghatározni. Úgy tűnik, nos, mi itt olyan bonyolult: volt víz - volt jég, volt egy fémgolyó - volt egy folyékony fém tócsa. Nincsenek azonban pontos mechanizmusok az egyik aggregációs állapotból a másikba való átmenetre. A fizikusok egyre mélyebbre jutnak a dzsungelben, de még mindig nem lehet megjósolni, hogy pontosan mikor kezdődik el a testek olvadása, kristályosodása.kiderül.
Amit tudunk
Valamit az emberiség még tud. Az olvadáspont és a kristályosodás hőmérséklete empirikusan meglehetősen könnyen meghatározható. De még itt sem minden olyan egyszerű. Mindenki tudja, hogy a víz nulla Celsius fokon megolvad és megfagy. A víz azonban általában nem csak egy elméleti konstrukció, hanem egy meghatározott térfogat. Ne felejtsük el, hogy az olvadás és a kristályosodás folyamata nem azonnali. A jégkocka kissé olvadni kezd, mielőtt eléri a pontosan nulla fokot, a pohárban lévő vizet az első jégkristályok borítják, olyan hőmérsékleten, amely valamivel meghaladja a skálán ezt a jelet.
Hőkibocsátás és -elnyelés az aggregáció másik állapotába való átmenet során
A szilárd anyagok kristályosodását és megolvadását bizonyos hőhatások kísérik. Folyékony állapotban a molekulák (vagy néha az atomok) nem kötődnek túl szorosan egymáshoz. Emiatt a "folyékonyság" tulajdonságuk van. Amikor a test elkezd hőt veszíteni, az atomok és molekulák elkezdenek egyesülni a számukra legkényelmesebb szerkezetté. Így történik a kristályosodás. Gyakran külső körülményektől függ, hogy ugyanabból a szénből grafitot, gyémántot vagy fullerént nyernek-e. Tehát nemcsak a hőmérséklet, hanem a nyomás is befolyásolja a kristályosodás és az olvadás folyamatát. A merev kristályos szerkezet kötéseinek megszakításához azonban valamivel több energiára, és így hőmennyiségre van szükség, mint azok létrehozására. És így,az anyag gyorsabban fagy meg, mint az olvadék, azonos eljárási feltételek mellett. Ezt a jelenséget látens hőnek nevezik, és a fent leírt különbséget tükrözi. Emlékezzünk vissza, hogy a látens hőnek semmi köze a hőhez, és a kristályosodáshoz és az olvadáshoz szükséges hőmennyiséget tükrözi.
Hangerő változás az összesítés másik állapotára való áttéréskor
Amint már említettük, a folyékony és szilárd halmazállapotú kötések mennyisége és minősége eltérő. A folyékony állapot több energiát igényel, ezért az atomok gyorsabban mozognak, állandóan egyik helyről a másikra ugrálnak, és ideiglenes kötéseket hoznak létre. Mivel a részecskék rezgésének amplitúdója nagyobb, a folyadék is nagyobb térfogatot foglal el. Míg egy szilárd testben a kötések merevek, minden atom egy egyensúlyi helyzet körül oszcillál, nem tudja elhagyni a pozícióját. Ez a szerkezet kevesebb helyet foglal el. Tehát az anyagok olvadása és kristályosodása térfogatváltozással jár.
A víz kristályosodásának és olvadásának jellemzői
Olyan gyakori és fontos folyadék bolygónk számára, mint a víz, talán nem véletlen, hogy szinte minden élőlény életében nagy szerepet játszik. A kristályosodáshoz és az olvadáshoz szükséges hőmennyiség, valamint az aggregációs állapot megváltoztatásakor bekövetkező térfogatváltozás közötti különbséget fentebb leírtuk. Mindkét szabály alól kivétel a víz. A különböző molekulák hidrogéne még folyékony állapotban is rövid ideig egyesül, gyenge, de mégsemnulla hidrogénkötés. Ez magyarázza ennek az univerzális folyadéknak a hihetetlenül nagy hőkapacitását. Meg kell jegyezni, hogy ezek a kötések nem zavarják a víz áramlását. A fagyasztás (más szóval a kristályosodás) során betöltött szerepük azonban mindvégig tisztázatlan. Fel kell ismerni azonban, hogy az azonos tömegű jég nagyobb térfogatot foglal el, mint a folyékony víz. Ez a tény sok kárt okoz a közművekben, és sok problémát okoz az őket kiszolgáló embereknek.
Az ilyen üzenetek többször is megjelennek a hírekben. Télen egy távoli település kazánházánál történt baleset. A hóviharok, jég vagy erős fagyok miatt nem volt időnk üzemanyagot szállítani. A radiátorokba és csapokba betáplált víz leállította a fűtést. Ha nem ürítik ki időben, és a rendszert legalább részben üresen hagyják, és lehetőleg teljesen szárazon hagyják, akkor elkezdi felmelegedni a környezeti hőmérsékletet. Leggyakrabban sajnos ebben az időben súlyos fagyok vannak. A jég pedig áttöri a csöveket, így az emberek esélytelenek maradnak a kényelmes életre a következő hónapokban. Aztán persze megszűnik a baleset, a rendkívüli helyzetek minisztériumának vitéz munkatársai a hóviharon áttörve helikopterrel több tonna hőn áhított szenet dobnak oda, a szerencsétlen vízvezeték-szerelők pedig éjjel-nappal csövet cserélnek a csípős hidegben.
Hó és hópelyhek
Amikor a jégre gondolunk, leggyakrabban hideg kockákra gondolunk egy pohár gyümölcslében vagy hatalmas kiterjedésű fagyott Antarktiszra. A havat az emberek különleges jelenségnek tekintik, aminek úgy tűniknem kapcsolódik a vízhez. De valójában ez ugyanaz a jég, csak egy bizonyos sorrendben fagyva, amely meghatározza az alakot. Azt mondják, nincs két egyforma hópehely az egész világon. Egy amerikai tudós komolyan belefogott az üzletbe, és meghatározta a kívánt formájú hatszögletű szépségek megszerzésének feltételeit. Laboratóriuma akár hópehely hóvihart is tud nyújtani az ügyfelek által szponzorált bőrből. Mellesleg, a jégeső, akárcsak a hó, egy nagyon furcsa kristályosodási folyamat eredménye - gőzből, nem vízből. A szilárd test fordított átalakulását azonnal gázhalmazállapotú aggregátummá nevezzük szublimációnak.
Egykristályok és polikristályok
Télen mindenki jégmintákat látott a busz üvegén. Azért keletkeznek, mert a transzport belsejében a hőmérséklet nulla Celsius felett van. Ezenkívül sok ember a könnyű gőzökből a levegővel együtt kilélegzi a megnövekedett páratartalmat. De az üvegnek (leggyakrabban vékony egyetlen) környezeti hőmérséklete van, azaz negatív. A felületét megérintő vízgőz nagyon gyorsan hőt veszít és szilárd halmazállapotúvá válik. Egyik kristály a másikhoz tapad, minden egymást követő forma kissé eltér az előzőtől, és a gyönyörű aszimmetrikus minták gyorsan nőnek. Ez egy példa a polikristályokra. A „Poly” a latin „sok” szóból származik. Ebben az esetben több mikroalkatrészt egyesítenek egyetlen egésszé. Minden fémtermék leggyakrabban polikristály. De a kvarc természetes prizmájának tökéletes formája egy kristály. Szerkezetében senki nem talál hibákat és hézagokat, míg az irány polikristályos térfogatábana részek véletlenszerűen vannak elrendezve, és nem egyeznek egymással.
Okostelefon és távcső
A modern technológiában azonban gyakran teljesen tiszta egykristályokra van szükség. Például szinte minden okostelefonnak van szilícium memóriaeleme a belekben. Ebben az egész kötetben egyetlen atomot sem szabad elmozdítani ideális helyéről. Mindenkinek el kell foglalnia a helyét. Ellenkező esetben fénykép helyett hangok hallhatók a kimeneten, és valószínűleg kellemetlenek is.
A távcsőben az éjjellátó eszközöknek is kellően nagyméretű monokristályokra van szükségük, amelyek az infravörös sugárzást láthatóvá alakítják. Számos módja van a termesztésnek, de mindegyik különleges gondosságot és ellenőrzött számításokat igényel. Az egykristályok előállítását a tudósok az állapot fázisdiagramjaiból értik meg, vagyis az anyag olvadásának és kristályosodásának grafikonját nézik. Ilyen képet nehéz megrajzolni, ezért az anyagkutatók különösen nagyra értékelik azokat a tudósokat, akik úgy döntenek, hogy kiderítik egy ilyen grafikon minden részletét.
