Ta članek pojasnjuje, kaj sta kristalizacija in taljenje. Na primeru različnih agregacijskih stanj vode je razloženo, koliko toplote je potrebno za zamrzovanje in odtajanje in zakaj so te vrednosti različne. Prikazana je razlika med poli- in monokristali, pa tudi zahtevnost izdelave slednjih.
Prehod v drugo agregatno stanje
Navaden človek le redko razmišlja o tem, a življenje na ravni, na kateri obstaja zdaj, bi bilo nemogoče brez znanosti. Kateri? Vprašanje ni enostavno, saj se številni procesi odvijajo na stičišču več disciplin. Pojavi, za katera je težko natančno opredeliti področje znanosti, sta kristalizacija in taljenje. Zdi se, no, kaj je tukaj tako zapletenega: bila je voda - bil je led, bila je kovinska krogla - bila je luža tekoče kovine. Vendar pa ni natančnih mehanizmov za prehod iz enega agregacijskega stanja v drugo. Fiziki se vse bolj poglabljajo v džunglo, a še vedno ni mogoče natančno napovedati, na kateri točki se bo začelo taljenje in kristalizacija teles.izkaže se.
Kaj vemo
Nekaj, kar človeštvo še vedno ve. Temperaturo taljenja in kristalizacije je precej enostavno določiti empirično. Toda tudi tukaj ni vse tako preprosto. Vsi vedo, da se voda topi in zmrzne pri nič stopinjah Celzija. Vendar voda običajno ni le neka teoretična konstrukcija, temveč določena prostornina. Ne pozabite, da proces taljenja in kristalizacije ni trenuten. Ledena kocka se začne malo topiti, preden doseže natanko nič stopinj, voda v kozarcu je prekrita s prvimi ledenimi kristalčki pri temperaturi, ki je nekoliko nad to oznako na lestvici.
Emisija in absorpcija toplote med prehodom v drugo agregacijsko stanje
Kristalizacijo in taljenje trdnih snovi spremljajo določeni toplotni učinki. V tekočem stanju molekule (ali včasih atomi) niso zelo tesno povezane skupaj. Zaradi tega imajo lastnost "tekoče". Ko telo začne izgubljati toploto, se atomi in molekule začnejo združevati v strukturo, ki jim najbolj ustreza. Tako pride do kristalizacije. Pogosto je od zunanjih pogojev odvisno, ali bo iz istega ogljika pridobljen grafit, diamant ali fuleren. Torej ne samo temperatura, ampak tudi pritisk vpliva na to, kako bosta potekala kristalizacija in taljenje. Vendar pa je za prekinitev vezi toge kristalne strukture potrebno malo več energije in s tem količine toplote, kot da bi jih ustvarili. tako,snov bo pod enakimi pogoji postopka zamrznila hitreje kot se stopila. Ta pojav se imenuje latentna toplota in odraža zgoraj opisano razliko. Spomnimo se, da latentna toplota nima nič opraviti s toploto kot tako in odraža količino toplote, ki je potrebna za kristalizacijo in taljenje.
Sprememba obsega ob prehodu v drugo stanje agregacije
Kot že omenjeno, sta količina in kvaliteta vezi v tekočem in trdnem stanju različni. Tekoče stanje zahteva več energije, zato se atomi premikajo hitreje, nenehno skačejo z enega mesta na drugega in ustvarjajo začasne vezi. Ker je amplituda nihanja delcev večja, tudi tekočina zavzema večji volumen. Medtem ko so v trdnem telesu vezi toge, vsak atom niha okoli enega ravnotežnega položaja, ne more zapustiti svojega položaja. Ta struktura zavzame manj prostora. Torej taljenje in kristalizacijo snovi spremlja sprememba volumna.
Lastnosti kristalizacije in taljenja vode
Tako običajna in pomembna tekočina za naš planet, kot je voda, morda ni naključje, da igra veliko vlogo v življenju skoraj vseh živih bitij. Zgoraj je opisana razlika med količino toplote, ki je potrebna za kristalizacijo in taljenje, ter spremembo volumna pri spreminjanju agregacijskega stanja. Neka izjema od obeh pravil je voda. Vodik različnih molekul, tudi v tekočem stanju, se za kratek čas združi in tvori šibko, a še vedno nenič vodikove vezi. To pojasnjuje neverjetno visoko toplotno zmogljivost te univerzalne tekočine. Treba je opozoriti, da te vezi ne ovirajo pretoka vode. Toda njihova vloga med zamrzovanjem (z drugimi besedami, kristalizacijo) ostaja do konca nejasna. Vendar je treba priznati, da led enake mase zavzema več prostornine kot tekoča voda. To dejstvo povzroča veliko škode javnim službam in povzroča veliko težav ljudem, ki jih oskrbujejo.
Takšna sporočila se v novicah pojavijo več kot enkrat ali dvakrat. Pozimi se je zgodila nesreča v kotlovnici nekega oddaljenega naselja. Zaradi snežja, žleda ali hude zmrzali nismo imeli časa dostaviti goriva. Voda, ki je bila dovedena v radiatorje in pipe, je prenehala segrevati. Če ga ne izpraznimo pravočasno in pustimo, da je sistem vsaj delno prazen, po možnosti pa popolnoma suh, začne pridobivati temperaturo okolice. Najpogosteje so v tem času na žalost hude zmrzali. In led lomi cevi, tako da ljudje v prihodnjih mesecih ostanejo brez možnosti za udobno življenje. Potem je seveda nesreča odpravljena, pogumni uslužbenci ministrstva za izredne razmere, ki se prebijajo skozi snežni metež, tja s helikopterjem vržejo več ton želenega premoga, nesrečni vodovodarji pa v hudem mrazu 24 ur na dan menjajo cevi.
Sneg in snežinke
Ko pomislimo na led, najpogosteje pomislimo na hladne kocke v kozarcu soka ali obsežna prostranstva zamrznjene Antarktike. Sneg ljudje dojemajo kot poseben pojav, kar se zdini povezana z vodo. Toda v resnici gre za isti led, le zamrznjen v določenem vrstnem redu, ki določa obliko. Pravijo, da na celem svetu ni dveh enakih snežink. Znanstvenik iz ZDA se je resno lotil posla in določil pogoje za pridobitev teh šesterokotnih lepot želene oblike. Njegov laboratorij lahko zagotovi celo snežinko snežinke kože, ki jo sponzorira stranka. Mimogrede, toča je tako kot sneg posledica zelo radovednega procesa kristalizacije - iz pare, ne iz vode. Povratna preobrazba trdnega telesa takoj v plinasti agregat se imenuje sublimacija.
Posamezni kristali in polikristali
Pozimi so vsi videli ledene vzorce na steklu avtobusa. Nastanejo, ker je znotraj transporta temperatura nad ničlo Celzija. Poleg tega mnogi ljudje, ki izdihujejo skupaj z zrakom iz lahkih hlapov, zagotavljajo povečano vlažnost. Toda steklo (najpogosteje tanko enojno) ima temperaturo okolice, torej negativno. Vodna para, ki se dotakne njegove površine, zelo hitro izgubi toploto in se spremeni v trdno stanje. En kristal se drži drugega, vsaka naslednja oblika se nekoliko razlikuje od prejšnje, čudoviti asimetrični vzorci pa hitro rastejo. To je primer polikristalov. "Poly" je iz latinskega "mnogo". V tem primeru je več mikrodelov združenih v eno celoto. Vsak kovinski izdelek je tudi najpogosteje polikristal. Toda popolna oblika naravne prizme kremena je en sam kristal. V svoji strukturi nihče ne bo našel pomanjkljivosti in vrzeli, medtem ko v polikristalnih volumnih smerideli so razporejeni naključno in se med seboj ne ujemajo.
pametni telefon in daljnogled
Toda v sodobni tehnologiji so pogosto potrebni popolnoma čisti monokristali. Na primer, skoraj vsak pametni telefon vsebuje silicijev pomnilniški element v črevesju. Niti en atom v tem celotnem volumnu se ne sme premakniti s idealne lokacije. Vsak mora zasesti svoje mesto. V nasprotnem primeru boste namesto fotografije na izhodu dobili zvoke in najverjetneje neprijetne.
V daljnogledih naprave za nočno gledanje potrebujejo tudi dovolj obsežne monokristale, ki pretvarjajo infrardeče sevanje v vidno. Obstaja več načinov za njihovo gojenje, vendar vsak zahteva posebno skrb in preverjene izračune. Kako se pridobivajo monokristali, znanstveniki razumejo iz faznih diagramov stanja, torej gledajo na graf taljenja in kristalizacije snovi. Narisati takšno sliko je težko, zato znanstveniki z materiali še posebej cenijo znanstvenike, ki se odločijo izvedeti vse podrobnosti takšnega grafa.
