See artikkel selgitab, mis on kristalliseerumine ja sulamine. Erinevate vee agregatsiooni olekute näitel selgitatakse, kui palju soojust on vaja külmutamiseks ja sulatamiseks ning miks need väärtused erinevad. Näidatud on polü- ja monokristallide erinevused ning viimaste valmistamise keerukus.
Üleminek teisele koondolekule
Tavaline inimene mõtleb sellele harva, kuid elu sellisel tasemel, nagu see praegu eksisteerib, oleks ilma teaduseta võimatu. Milline? Küsimus pole lihtne, sest paljud protsessid toimuvad mitme distsipliini ristumiskohas. Nähtused, mille jaoks on teadusvaldkonda raske täpselt määratleda, on kristalliseerumine ja sulamine. Näib, noh, mis siin keerulist on: seal oli vesi - oli jää, oli metallkuul - oli vedela metalli lomp. Siiski puuduvad täpsed mehhanismid ühest agregatsiooniseisundist teise üleminekuks. Füüsikud lähevad džunglisse aina sügavamale, kuid mis hetkel kehade sulamine ja kristalliseerumine täpselt algab, pole siiani võimalik täpselt ennustada.selgub.
Mida me teame
Midagi, mida inimkond ikka teab. Sulamis- ja kristalliseerumistemperatuurid on empiiriliselt üsna kergesti määratavad. Kuid isegi siin pole kõik nii lihtne. Kõik teavad, et vesi sulab ja külmub 0 kraadi Celsiuse järgi. Kuid vesi ei ole tavaliselt lihts alt mingi teoreetiline konstruktsioon, vaid konkreetne maht. Ärge unustage, et sulamis- ja kristalliseerumisprotsess ei toimu hetkega. Jääkuubik hakkab sulama veidi enne täpselt null kraadini jõudmist, vesi klaasis on kaetud esimeste jääkristallidega temperatuuril, mis on veidi üle selle skaalal oleva märgi.
Soojuse eraldumine ja neeldumine teisele agregatsiooniolekule üleminekul
Tahkete ainete kristalliseerumise ja sulamisega kaasnevad teatud termilised mõjud. Vedelas olekus pole molekulid (või mõnikord ka aatomid) omavahel väga tihed alt seotud. Seetõttu on neil "voolavuse" omadus. Kui keha hakkab soojust kaotama, hakkavad aatomid ja molekulid ühinema nende jaoks kõige mugavamaks struktuuriks. Nii toimub kristalliseerumine. Sageli sõltub välistingimustest, kas samast süsinikust saadakse grafiiti, teemanti või fullereeni. Seega ei mõjuta kristalliseerumise ja sulamise kulgu mitte ainult temperatuur, vaid ka rõhk. Jäiga kristalse struktuuri sidemete purustamiseks kulub aga veidi rohkem energiat ja seega ka soojushulka, kui nende tekitamiseks. Seegaaine külmub samades protsessitingimustes kiiremini kui sulab. Seda nähtust nimetatakse varjatud soojuseks ja see peegeldab ülalkirjeldatud erinevust. Tuletage meelde, et varjatud soojusel pole soojusega kui sellisega midagi pistmist ja see peegeldab kristalliseerumiseks ja sulamiseks vajalikku soojushulka.
Helitugevuse muutus üleminekul teisele koondamisolekule
Nagu juba mainitud, on vedelas ja tahkes olekus sidemete kogus ja kvaliteet erinev. Vedel olek nõuab rohkem energiat, mistõttu aatomid liiguvad kiiremini, hüppavad pidev alt ühest kohast teise ja tekitavad ajutisi sidemeid. Kuna osakeste võnkumiste amplituud on suurem, võtab vedelik enda alla ka suurema mahu. Kui tahkes kehas on sidemed jäigad, iga aatom võngub ühe tasakaaluasendi ümber, siis ta ei suuda oma positsioonilt lahkuda. See struktuur võtab vähem ruumi. Seega kaasneb ainete sulamise ja kristalliseerumisega ruumala muutus.
Vee kristalliseerumise ja sulamise omadused
Nii tavaline ja meie planeedi jaoks oluline vedelik nagu vesi, võib-olla pole juhus, et see mängib suurt rolli peaaegu kõigi elusolendite elus. Eespool on kirjeldatud kristalliseerumiseks ja sulamiseks vajaliku soojushulga erinevust, samuti ruumala muutust agregatsiooniseisundi muutmisel. Mõni erand mõlemast reeglist on vesi. Erinevate molekulide vesinik, isegi vedelas olekus, ühineb lühiajaliselt, moodustades nõrga, kuid siiski mittenull vesinikside. See seletab selle universaalse vedeliku uskumatult suurt soojusmahtuvust. Tuleb märkida, et need sidemed ei sega vee voolu. Kuid nende roll külmutamisel (teisisõnu kristalliseerumisel) jääb lõpuni ebaselgeks. Siiski tuleb tunnistada, et sama massiga jääl on suurem maht kui vedelal veel. See asjaolu põhjustab kommuna alteenustele palju kahju ja neid teenindavatele inimestele palju probleeme.
Selliseid sõnumeid ilmub uudistes rohkem kui üks või kaks korda. Talvel juhtus mõne kõrvalise asula katlamajas õnnetus. Tuisu, jää või tugeva pakase tõttu ei jõudnud me kütust kohale toimetada. Radiaatoritesse ja kraanidesse antud vesi lõpetas kütmise. Kui seda ei tühjendata õigeaegselt, jättes süsteemi vähem alt osaliselt tühjaks ja eelistatav alt täiesti kuivaks, hakkab see saavutama ümbritseva keskkonna temperatuuri. Enamasti on kahjuks sel ajal tugevad külmad. Ja jää lõhub torusid, jättes inimestel lähikuudel võimaluse mugavaks eluks. Siis muidugi avarii likvideeritakse, tuisust läbi murdvad vaprad eriolukordade ministeeriumi töötajad viskavad helikopteriga sinna mitu tonni ihaldatud kivisütt ning õnnetud torumehed vahetavad käredas külmas ööpäevaringselt torusid.
Lumi ja lumehelbed
Jääle mõeldes mõtleme kõige sagedamini külmadele kuubikutele mahlaklaasis või suurele jäätunud Antarktikale. Inimesed tajuvad lund erilise nähtusena, mis näib olevatpole veega seotud. Kuid tegelikult on see sama jää, ainult külmunud teatud järjekorras, mis määrab kuju. Nad ütlevad, et terves maailmas pole kahte ühesugust lumehelvest. USA teadlane asus tõsiselt asja juurde ja määras tingimused nende soovitud kujuga kuusnurksete kaunitaride saamiseks. Tema labor võib pakkuda isegi lumehelveste lumetormi kliendi toetatud nahast. Muide, rahe, nagu lumi, on väga uudishimuliku kristalliseerumisprotsessi tulemus - aurust, mitte veest. Tahke keha vastupidist muundumist kohe gaasiliseks agregaadiks nimetatakse sublimatsiooniks.
Üksikristallid ja polükristallid
Kõik nägid talvel bussis klaasidel jäämustreid. Need tekivad seetõttu, et transpordi sees on temperatuur üle nulli Celsiuse järgi. Ja pealegi pakuvad paljud inimesed, kes hingavad koos õhuga kergetest aurudest välja, suurenenud niiskust. Kuid klaasil (enamasti õhukesel üksikul) on ümbritseva õhu temperatuur, st negatiivne. Veeaur, puudutades selle pinda, kaotab väga kiiresti soojuse ja muutub tahkeks. Üks kristall kleepub teise külge, iga järgnev kuju on veidi erinev eelmisest ja kaunid asümmeetrilised mustrid kasvavad kiiresti. See on näide polükristallidest. "Poly" on ladinakeelsest sõnast "paljud". Sel juhul ühendatakse hulk mikroosi üheks tervikuks. Iga metalltoode on enamasti ka polükristall. Kuid kvartsi loodusliku prisma täiuslik vorm on monokristall. Selle struktuuris ei leia keegi vigu ja lünki, samas kui suuna polükristallilises mahusosad on paigutatud juhuslikult ja ei sobi omavahel kokku.
Nutitelefon ja binoklid
Kuid kaasaegses tehnoloogias on sageli vaja absoluutselt puhtaid monokristalle. Näiteks sisaldab peaaegu iga nutitelefoni sisemus räni mäluelementi. Mitte ühtegi aatomit kogu selles mahus ei tohiks selle ideaalsest asukohast teisaldada. Igaüks peab võtma oma koha. Vastasel juhul kuulete foto asemel väljundis helisid ja tõenäoliselt ka ebameeldivaid.
Binoklis vajavad öövaatlusseadmed ka piisav alt mahukaid monokristalle, mis muudavad infrapunakiirguse nähtavaks. Nende kasvatamiseks on mitu võimalust, kuid igaüks nõuab erilist hoolt ja kontrollitud arvutusi. Kuidas monokristalle saadakse, saavad teadlased aru oleku faasidiagrammidest, see tähendab, et nad vaatavad aine sulamise ja kristalliseerumise graafikut. Sellise pildi joonistamine on keeruline, mistõttu materjaliteadlased hindavad eriti teadlasi, kes otsustavad sellise graafiku kõik üksikasjad välja selgitada.
