Tento článok vysvetľuje, čo je kryštalizácia a topenie. Na príklade rôznych stavov agregácie vody je vysvetlené, koľko tepla je potrebné na zmrazenie a rozmrazenie a prečo sú tieto hodnoty odlišné. Je znázornený rozdiel medzi poly- a monokryštálmi, ako aj zložitosť ich výroby.
Prechod do iného súhrnného stavu
Bežný človek o tom len zriedka premýšľa, ale život na úrovni, na ktorej existuje teraz, by bol bez vedy nemožný. Ktorý? Otázka nie je jednoduchá, pretože mnohé procesy prebiehajú na priesečníku viacerých disciplín. Javy, pre ktoré je ťažké presne definovať oblasť vedy, sú kryštalizácia a topenie. Zdalo by sa, čo je tu také komplikované: bola tam voda - bol tam ľad, bola tam kovová guľa - bola tam kaluž tekutého kovu. Neexistujú však presné mechanizmy na prechod z jedného stavu agregácie do druhého. Fyzici sa dostávajú čoraz hlbšie do džungle, no stále nie je možné presne predpovedať, v akom bode sa začne topenie a kryštalizácia telies.ukazuje sa.
Čo vieme
Čo ľudstvo stále vie. Teploty topenia a kryštalizácie sa dajú pomerne ľahko určiť empiricky. Ale ani tu nie je všetko také jednoduché. Každý vie, že voda sa topí a zamŕza pri nula stupňoch Celzia. Voda však zvyčajne nie je len nejaký teoretický konštrukt, ale špecifický objem. Nezabudnite, že proces topenia a kryštalizácie nie je okamžitý. Kocka ľadu sa začne trochu topiť, kým nedosiahne presne nula stupňov, voda v pohári je pokrytá prvými kryštálmi ľadu pri teplote, ktorá je mierne nad touto značkou na stupnici.
Emisia a absorpcia tepla pri prechode do iného stavu agregácie
Kryštalizáciu a topenie pevných látok sprevádzajú určité tepelné efekty. V kvapalnom stave nie sú molekuly (alebo niekedy atómy) navzájom veľmi pevne spojené. Z tohto dôvodu majú vlastnosť "tekutosti". Keď telo začne strácať teplo, atómy a molekuly sa začnú spájať do štruktúry, ktorá je pre nich najvhodnejšia. Takto dochádza ku kryštalizácii. Často závisí od vonkajších podmienok, či sa z toho istého uhlíka získa grafit, diamant alebo fullerén. Takže nielen teplota, ale aj tlak ovplyvňuje, ako bude prebiehať kryštalizácia a topenie. Na prerušenie väzieb tuhej kryštalickej štruktúry je však potrebné o niečo viac energie, a teda aj množstvo tepla, než na ich vytvorenie. tedalátka zamrzne rýchlejšie ako tavenina za rovnakých podmienok procesu. Tento jav sa nazýva latentné teplo a odráža vyššie popísaný rozdiel. Pripomeňme, že latentné teplo nemá nič spoločné s teplom ako takým a odráža množstvo tepla potrebného na kryštalizáciu a topenie.
Zmena objemu pri prechode do iného stavu agregácie
Ako už bolo spomenuté, množstvo a kvalita väzieb v tekutom a pevnom stave je rozdielna. Kvapalný stav vyžaduje viac energie, preto sa atómy pohybujú rýchlejšie, neustále skáču z jedného miesta na druhé a vytvárajú dočasné väzby. Keďže amplitúda kmitov častíc je väčšia, kvapalina zaberá aj väčší objem. Zatiaľ čo v pevnom telese sú väzby tuhé, každý atóm kmitá okolo jednej rovnovážnej polohy, nedokáže svoju polohu opustiť. Táto štruktúra zaberá menej miesta. Takže topenie a kryštalizácia látok sú sprevádzané zmenou objemu.
Vlastnosti kryštalizácie a topenia vody
Taká bežná a dôležitá kvapalina pre našu planétu, akou je voda, možno nie je náhoda, že hrá veľkú úlohu v živote takmer všetkých živých bytostí. Rozdiel medzi množstvom tepla, ktoré je potrebné na kryštalizáciu a tavenie, ako aj zmenou objemu pri zmene stavu agregácie, bol popísaný vyššie. Výnimkou z oboch pravidiel je voda. Vodík rôznych molekúl, dokonca aj v kvapalnom stave, sa na krátky čas spája a vytvára slabý, ale stále nienulová vodíková väzba. To vysvetľuje neuveriteľne vysokú tepelnú kapacitu tejto univerzálnej tekutiny. Treba poznamenať, že tieto väzby nezasahujú do prietoku vody. Ale ich úloha počas zmrazovania (inými slovami, kryštalizácie) zostáva až do konca nejasná. Malo by sa však uznať, že ľad rovnakej hmotnosti zaberá väčší objem ako tekutá voda. Táto skutočnosť spôsobuje veľa škôd na verejných zariadeniach a spôsobuje veľa problémov ľuďom, ktorí ich obsluhujú.
Takéto správy sa v správach objavia viackrát alebo dvakrát. V zime sa stala nehoda v kotolni nejakej odľahlej osady. Pre fujavice, poľadovicu či silné mrazy sme nestihli dodať palivo. Voda dodávaná do radiátorov a kohútikov sa prestala ohrievať. Ak sa včas nevypustí a systém zostane aspoň čiastočne prázdny, najlepšie úplne suchý, začne naberať okolitú teplotu. Najčastejšie, bohužiaľ, v tomto čase sú silné mrazy. A ľad láme potrubia, takže ľudia v najbližších mesiacoch nemajú šancu na pohodlný život. Potom sa nehoda, samozrejme, odstráni, statoční zamestnanci ministerstva pre mimoriadne situácie, ktorí prerazia snehovú fujavicu, tam helikoptérou hodia niekoľko ton vytúženého uhlia a nešťastní inštalatéri v treskúcom mraze nepretržite menia potrubia.
Sneh a snehové vločky
Pri pomyslení na ľad si najčastejšie predstavíme studené kocky v pohári džúsu alebo obrovské rozlohy zamrznutej Antarktídy. Sneh ľudia vnímajú ako zvláštny fenomén, čo sa zdánesúvisí s vodou. Ale v skutočnosti je to ten istý ľad, len zmrazený v určitom poradí, ktoré určuje tvar. Hovorí sa, že na celom šírom svete neexistujú dve rovnaké snehové vločky. Vedec z USA sa vážne pustil do práce a určil podmienky na získanie týchto šesťuholníkových krások požadovaného tvaru. Jeho laboratórium môže dokonca poskytnúť snehové vločky pokožky sponzorovanej zákazníkmi. Mimochodom, krúpy, podobne ako sneh, sú výsledkom veľmi kuriózneho procesu kryštalizácie – z pary, nie z vody. Spätná premena pevného telesa okamžite na plynný agregát sa nazýva sublimácia.
Jednotlivé kryštály a polykryštály
V zime každý videl ľadové vzory na skle v autobuse. Vznikajú preto, lebo vo vnútri prepravy je teplota nad nulou Celzia. A okrem toho veľa ľudí, ktorí vydychujú spolu so vzduchom z ľahkých pár, poskytuje zvýšenú vlhkosť. Ale sklo (najčastejšie tenké single) má okolitú teplotu, to znamená negatívnu. Vodná para, ktorá sa dotýka jej povrchu, veľmi rýchlo stráca teplo a mení sa na pevné skupenstvo. Jeden kryštál sa prilepí na druhý, každý nasledujúci tvar je mierne odlišný od predchádzajúceho a krásne asymetrické vzory rýchlo rastú. Toto je príklad polykryštálov. „Poly“je z latinského „mnoho“. V tomto prípade sa množstvo mikročastí spojí do jedného celku. Akýkoľvek kovový výrobok je tiež najčastejšie polykryštál. Ale dokonalá forma prírodného hranolu kremeňa je monokryštál. Vo svojej štruktúre nikto nenájde chyby a medzery, zatiaľ čo v polykryštalických objemoch smeručasti sú usporiadané náhodne a navzájom nesúhlasia.
Smartfón a ďalekohľad
V modernej technológii sa však často vyžadujú absolútne čisté monokryštály. Napríklad takmer každý smartfón obsahuje vo svojich útrobách kremíkový pamäťový prvok. Ani jeden atóm v celom tomto objeme by sa nemal presunúť z jeho ideálneho miesta. Každý musí zaujať svoje miesto. V opačnom prípade namiesto fotografie dostanete na výstupe zvuky a s najväčšou pravdepodobnosťou nepríjemné.
V ďalekohľadoch potrebujú prístroje nočného videnia aj dostatočne objemné monokryštály, ktoré premieňajú infračervené žiarenie na viditeľné. Existuje niekoľko spôsobov, ako ich pestovať, no každý si vyžaduje osobitnú starostlivosť a overené výpočty. Ako sa získavajú monokryštály, vedci chápu z fázových diagramov stavu, to znamená, že sa pozerajú na graf topenia a kryštalizácie látky. Nakresliť takýto obrázok je ťažké, a preto materiáloví vedci oceňujú najmä vedcov, ktorí sa rozhodnú zistiť všetky detaily takéhoto grafu.
