Šiame straipsnyje paaiškinama, kas yra kristalizacija ir lydymas. Naudojant įvairių vandens agregacijos būsenų pavyzdį, paaiškinama, kiek šilumos reikia užšalimui ir atitirpimui ir kodėl šios vertės skiriasi. Parodytas skirtumas tarp polikristalų ir monokristalų, taip pat pastarųjų gamybos sudėtingumas.
Perėjimas į kitą suvestinę būseną
Paprastas žmogus retai apie tai susimąsto, tačiau gyvenimas tokiame lygyje, koks jis yra dabar, būtų neįmanomas be mokslo. Kuris? Klausimas nelengvas, nes daug procesų vyksta kelių disciplinų sankirtoje. Reiškiniai, kuriems sunku tiksliai apibrėžti mokslo sritį, yra kristalizacija ir tirpimas. Atrodytų, na, kas čia tokio sudėtingo: buvo vanduo - buvo ledas, buvo metalinis rutulys - buvo skysto metalo bala. Tačiau nėra tikslių mechanizmų, kaip pereiti iš vienos agregacijos būsenos į kitą. Fizikai vis gilinasi į džiungles, tačiau iki šiol tiksliai nuspėti, kada prasidės kūnų tirpimas ir kristalizacija, tiksliai negalima.pasirodo.
Ką mes žinome
Kažkas žmonija vis dar žino. Lydymosi ir kristalizacijos temperatūros gana lengvai nustatomos empiriškai. Bet ir čia viskas nėra taip paprasta. Visi žino, kad vanduo tirpsta ir užšąla prie nulio laipsnių Celsijaus. Tačiau vanduo dažniausiai yra ne tik kažkoks teorinis konstruktas, o konkretus tūris. Nepamirškite, kad lydymosi ir kristalizacijos procesas nėra akimirksniu. Ledo kubas pradeda tirpti šiek tiek nepasiekęs lygiai nulio laipsnių, vanduo stiklinėje pasidengia pirmaisiais ledo kristalais, kurių temperatūra yra šiek tiek aukštesnė už šią skalės ženklą.
Šilumos išmetimas ir sugertis pereinant į kitą agregacijos būseną
Kietųjų medžiagų kristalizaciją ir lydymąsi lydi tam tikras šiluminis poveikis. Skystoje būsenoje molekulės (arba kartais atomai) nėra labai tvirtai surištos. Dėl šios priežasties jie turi „takumo“savybę. Kai kūnas pradeda netekti šilumos, atomai ir molekulės pradeda jungtis į jiems patogesnę struktūrą. Taip vyksta kristalizacija. Dažnai nuo išorinių sąlygų priklauso, ar iš tos pačios anglies bus gaunamas grafitas, deimantas ar fullerenas. Taigi ne tik temperatūra, bet ir slėgis turi įtakos kristalizacijos ir lydymosi procesui. Tačiau norint nutraukti standžios kristalinės struktūros ryšius, reikia šiek tiek daugiau energijos, taigi ir šilumos kiekio, nei juos sukurti. Taigi,medžiaga užšals greičiau nei išsilydys tomis pačiomis proceso sąlygomis. Šis reiškinys vadinamas latentine šiluma ir atspindi aukščiau aprašytą skirtumą. Prisiminkite, kad latentinė šiluma neturi nieko bendra su šiluma ir atspindi šilumos kiekį, reikalingą kristalizacijai ir lydymuisi.
Garsumo pasikeitimas pereinant prie kitos agregavimo būsenos
Kaip jau minėta, skystos ir kietos būsenos obligacijų kiekis ir kokybė skiriasi. Skysta būsena reikalauja daugiau energijos, todėl atomai juda greičiau, nuolat šokinėdami iš vienos vietos į kitą ir kurdami laikinus ryšius. Kadangi dalelių svyravimų amplitudė yra didesnė, skystis taip pat užima didesnį tūrį. Tuo tarpu kietame kūne ryšiai yra standūs, kiekvienas atomas svyruoja aplink vieną pusiausvyros padėtį, jis negali palikti savo padėties. Ši konstrukcija užima mažiau vietos. Taigi medžiagų lydymąsi ir kristalizaciją lydi tūrio pokytis.
Vandens kristalizacijos ir lydymosi ypatybės
Toks įprastas ir svarbus mūsų planetai skystis kaip vanduo, turbūt neatsitiktinai jis vaidina svarbų vaidmenį beveik visų gyvų būtybių gyvenime. Skirtumas tarp šilumos kiekio, reikalingo kristalizacijai ir lydymuisi, taip pat tūrio pokytis keičiant agregacijos būseną, buvo aprašytas aukščiau. Abiejų taisyklių išimtis yra vanduo. Įvairių molekulių vandenilis, net ir skystas, trumpam susijungia, sudarydamas silpną, bet vis tiek nenulinis vandenilio ryšys. Tai paaiškina neįtikėtinai didelę šio universalaus skysčio šiluminę talpą. Reikėtų pažymėti, kad šios jungtys netrukdo vandens tekėjimui. Tačiau jų vaidmuo užšalimo (kitaip tariant, kristalizacijos) metu lieka neaiškus iki galo. Tačiau reikia pripažinti, kad tokios pat masės ledas užima daugiau tūrio nei skystas vanduo. Šis faktas daro daug žalos komunalinėms įmonėms ir sukelia daug problemų jas aptarnaujantiems žmonėms.
Tokie pranešimai naujienose pasirodo ne vieną ar du kartus. Žiemą kažkokios atokios gyvenvietės katilinėje įvyko nelaimė. Dėl pūgų, ledo ar stiprių šalnų nespėjome pristatyti kuro. Į radiatorius ir čiaupus tiekiamas vanduo nustojo šildyti. Jei jis laiku nenusausinamas, paliekant sistemą bent iš dalies tuščią, o geriausia – visiškai išdžiūvusią, ji pradeda įgauti aplinkos temperatūrą. Dažniausiai, deja, šiuo metu būna stiprių šalnų. O ledas laužo vamzdžius, todėl ateinančiais mėnesiais žmonės neturi galimybės patogiai gyventi. Tada, žinoma, avarija likviduojama, narsūs ekstremalių situacijų ministerijos darbuotojai, prasiverždami per pūgą, sraigtasparniu išmeta ten kelias tonas trokštamos anglies, o nelaimingi santechnikai per visą parą per karščius keičia vamzdžius.
Sniegas ir snaigės
Kai galvojame apie ledą, dažniausiai galvojame apie š altus kubelius sulčių stiklinėje arba didžiulius užšalusios Antarktidos plotus. Sniegą žmonės suvokia kaip ypatingą reiškinį, kuris, atrodo, yranesusiję su vandeniu. Bet iš tikrųjų tai tas pats ledas, tik sustingęs tam tikra tvarka, kuri lemia formą. Sakoma, kad visame pasaulyje nėra dviejų vienodų snaigių. Mokslininkas iš JAV rimtai ėmėsi verslo ir nustatė sąlygas gauti šias norimos formos šešiakampes gražuoles. Jo laboratorija netgi gali sukurti snaigių pūgą iš klientų remiamos odos. Beje, kruša, kaip ir sniegas, yra labai kurioziško kristalizacijos proceso rezultatas – iš garų, o ne nuo vandens. Atvirkštinis kieto kūno pavertimas iš karto į dujinį agregatą vadinamas sublimacija.
Pavieniai kristalai ir polikristalai
Žiemą visi matė ledo raštus ant autobuso stiklo. Jie susidaro dėl to, kad transporto priemonės viduje temperatūra viršija nulį Celsijaus. Be to, daugelis žmonių, iškvėpdami kartu su oru iš lengvų garų, padidina drėgmę. Tačiau stiklas (dažniausiai plonas vienas) turi aplinkos temperatūrą, tai yra, neigiamą. Vandens garai, liesdami jo paviršių, labai greitai praranda šilumą ir virsta kieta būsena. Vienas kristalas prilimpa prie kito, kiekviena sekanti forma šiek tiek skiriasi nuo ankstesnės, o gražūs asimetriniai raštai sparčiai auga. Tai yra polikristalų pavyzdys. „Poly“yra iš lotyniško žodžio „daug“. Šiuo atveju keletas mikrodalių sujungiamos į vieną visumą. Bet koks metalo gaminys taip pat dažniausiai yra polikristalas. Tačiau tobula natūralios kvarco prizmės forma yra vienas kristalas. Jo struktūroje niekas neras trūkumų ir spragų, o polikristaliniuose krypties tūriuosedalys išdėstytos atsitiktinai ir nesutampa viena su kita.
Išmanusis telefonas ir žiūronai
Tačiau šiuolaikinėse technologijose dažnai reikalingi visiškai gryni pavieniai kristalai. Pavyzdžiui, beveik bet kurio išmaniojo telefono žarnose yra silicio atminties elementas. Nė vienas atomas visame šiame tūryje neturėtų būti perkeltas iš idealios vietos. Kiekvienas turi užimti savo vietą. Priešingu atveju vietoj nuotraukos išvestyje girdėsite garsus ir, greičiausiai, nemalonius.
Žinokliuose naktinio matymo prietaisams taip pat reikia pakankamai tūrių monokristalų, kurie infraraudonąją spinduliuotę paverstų matoma. Yra keletas būdų, kaip juos auginti, tačiau kiekvienam reikia ypatingos priežiūros ir patikrintų skaičiavimų. Kaip gaunami pavieniai kristalai, mokslininkai supranta iš fazių būsenos diagramų, tai yra, žiūri į medžiagos lydymosi ir kristalizacijos grafiką. Nubrėžti tokį paveikslą sunku, todėl medžiagų mokslininkai ypač vertina mokslininkus, kurie nusprendžia išsiaiškinti visas tokio grafiko detales.
