Krystalizace a tání: graf změny v agregovaném stavu hmoty

Tento článek popisuje, jaká krystalizace a tání jsou. Příklad různých agregátních stavů vody vysvětluje, jak velké množství tepla je potřebné pro zmrazení a rozmrazování a proč jsou tyto hodnoty odlišné. Rozdíl mezi poly a monokrystaly je ukázán, stejně jako složitost výroby těchto druhů.

Přechod do jiného agregovaného stavu

Obyčejná osoba o tom zřídka myslí, ale život na úrovni, v níž nyní existuje, by bez vědy nebylo možné. Který z nich? Otázka není jednoduchá, protože na křižovatce několika oborů dochází k mnoha procesům. Fenomeny, u nichž je obtížné určit vědecké pole, jsou krystalizace a tání. Zdálo se, že je to složité: byla voda - tam byl led, kovová koule - tam byla louže tekutý kov. Přesné mechanismy přechodu z jednoho agregátní stav v jiném chybí. Fyzici se dostanou hlouběji do džungle, ale stále není možné přesně předvídat, jak začne tání a krystalizace těl.

Co víme

Lidstvo to určitě ví. Bod tání a krystalizace je snadno stanovena empiricky. Ale tady všechno není tak jednoduché. Každý ví, že voda se roztaví a zmrzne na nulu stupňů Celsia. Voda však obvykle není jen teoretický konstrukt, ale určitý objem. Nezapomeňte, že proces tavení a krystalizace není okamžitý. Kostky ledu začíná tát dříve než dosáhne přesně nula stupňů, voda v první kádinky je pokryt ledovými krystaly při teplotě, která mírně přesahuje značkou na stupnici.

Izolace a absorpce tepla při přechodu do jiného agregátního stavu

Krystalizace a tavení pevných látek jsou doprovázeny určitými tepelnými účinky. V kapalném stavu nejsou molekuly (nebo někdy atomy) příliš těsně spojené. Právě kvůli tomu mají vlastnosti "plynulosti". Když tělo začne ztrácet teplo, atomy a molekuly se začnou spojovat v nejvhodnější struktuře. Tak dochází k krystalizaci. Často, v závislosti na vnějších podmínkách, se ukazuje, že stejný uhlík je grafit, diamant nebo fulleren. Takže nejen teplota, ale i tlak, ovlivňují způsob krystalizace a tavení. Nicméně, aby se zlomily vazby tuhé krystalové struktury, to vyžaduje trochu více energie, a tím více tepla, než je vytvořit. Takže látka zmrazí rychleji než je tání, za stejných podmínek procesu. Tento jev se nazývá latentní teplo a odráží rozdíl popsaný výše. Připomeňme si, že latentní teplo nesouvisí s teplem jako takovým a odráží množství tepla potřebné pro krystalizaci a tání.

Změna hlasitosti při přechodu na jiný souhrnný stav

Jak již bylo zmíněno, množství a kvalita vazeb v kapalném a tuhém stavu se liší. Kapalný stav vyžaduje spoustu energie, proto se atomy pohybují rychleji, neustále skákají z jednoho místa na druhé a vytvářejí dočasná spojení. Od té doby amplituda kmitání částice jsou větší, pak kapalina zaujímá větší objem. Zatímco v pevném těle komunikace tuhý, každý atom osciluje kolem jedné rovnovážné polohy, není schopen opustit svou polohu. Tato struktura zaberá méně místa. Tavení a krystalizace látek jsou doprovázeny změnou objemu.

Vlastnosti krystalizace a roztavení vody

Taková společná a důležitá tekutina pro naši planetu, jako je voda, pravděpodobně hraje velkou roli v životě téměř všech živých bytostí. Výše uvedený je rozdíl mezi množství tepla, což je nutné pro krystalizaci a tání, stejně jako změna objemu při změně stavu agregátu. Některá výjimka z obou pravidel je voda. Vodík různých molekul, dokonce i v kapalném stavu, se krátce spojuje a vytváří slabou, ale přesto nenulovou vodíkovou vazbu. To vysvětluje neuvěřitelně vysokou tepelnou kapacitu této univerzální kapaliny. Je třeba poznamenat, že tyto vazby nenarušují plynulost vody. Ale jejich úloha ve zmrazení (jinými slovy krystalizace) až do konce zůstává nejasná. Je však třeba si uvědomit, že led z téže hmoty zaujímá větší objem než kapalná voda. Tato skutečnost způsobuje velké škody na užitných sítích a způsobuje mnoho problémů lidem, kteří je obsluhují.

Ani jednou nebo dvakrát ve zprávách takové zprávy nepatří. V zimě došlo k nehodě v kotelně vzdálené osady. V důsledku sněhových bouří, ledu nebo těžkých mrazů se jim nepodařilo dodávat palivo. Voda dodávaná do topných baterií a kohouty se přestaly ohřívat. Pokud nedojde k vyčerpání v době, kdy systém zůstane alespoň částečně prázdný, nebo dokonce zcela suchý, začne získávat teplotu prostředí. Nejčastěji, jelikož by to mělo štěstí, v tuto chvíli existují vážné mrazy. A led roztrhá potrubí, takže lidé v příštích měsících nemají příležitost k pohodlnému životu. Potom, samozřejmě, odstranění havárie, stateční nouzových situacích ministerstvo, prorazily vánice, aby se bombardováni vrtulníkem několik tun prestižní uhlí a špatné instalatérské práce v divoké trubkách změny studená hodiny.

Sněhové a sněhové vločky

Při představování ledu často myslíme na studené kostky ve sklenici se šťávou nebo obrovskými prostory zmrzlé Antarktidy. Sníh je vnímán lidmi jako zvláštní fenomén, který se zdá být nespojen s vodou. Ale ve skutečnosti je to ten stejný led, jen zmrazený v určitém pořadí, který určuje tvar. Říkají, že na celém světě nejsou žádné dva identické sněhové vločky. Vědec ze Spojených států vážně vzal záležitost a stanovil podmínky pro získání těchto šestiúhelníků krásy požadované formy. Jeho laboratoř může dokonce poskytnout vánici sněhových vloček placených zjevením klienta. Mimochodem, krupobití, jako je sníh, je výsledkem velmi zvědavého procesu krystalizace - od páry, nikoliv z vody. Reverzní transformace pevné látky na plynný agregát se nazývá sublimace.

Jedno krystaly a polykrystaly

V zimě všichni viděli ledové vzory na skle na autobusu. Vznikají proto, že teplota uvnitř transportu je vyšší než nula. Kromě toho mnoho lidí, kteří vydechují vzduchem z lehké páry, poskytují zvýšenou vlhkost. Ale sklo (nejčastěji tenké) má teplotu okolí, tedy negativní. Vodní pára, dotýká se jeho povrchu, velmi rychle ztrácí teplo a projde do pevného stavu. Jedna krystalická adheruje na druhou, každá další forma se mírně liší od předchozí a krásné asymetrické vzory rychle rostou. Toto je příklad polykrystalů. "Poly" - z latiny "hodně". V tomto případě je několik mikročástků spojeno do jednoho celku. Každý kovový výrobek je také často polykrystal. Ale perfektní tvar přírodního křemenného hranolu je jediný krystal. Ve své struktuře nikdo nenajde vady a zlomy, zatímco v polykrystalických objemech je směr částí chaotický a nesouhlasí.

Smartphone a dalekohledy

Moderní technologie však často vyžaduje naprosto čisté monokrystaly. Například téměř každý inteligentní telefon obsahuje ve svém vnitřku křemíkový paměťový prvek. Žádný atom v tomto celém objemu by neměl být posunut vzhledem k ideálnímu umístění. Každý by měl zaujmout jeho místo. V opačném případě namísto fotografie získáte na výstupu zvuky a nejpravděpodobněji nepříjemné.

Dalekohledy, přístroje pro noční vidění vyžadují také dostatečně velké monokrystaly, které převádějí infračervené záření na viditelné záření. Existuje několik způsobů, jak je pěstovat, ale každý vyžaduje zvláštní důkladnost a ověřené výpočty. Jak se získávají jednotlivé krystaly, vědci vědí z fázových diagramů státu, to znamená, že se dívají na graf tání a krystalizace hmoty. Je obtížné vytvořit takový obrázek, proto vědci z materiálů zvláště oceňují vědce, kteří se rozhodli zjistit všechny podrobnosti tohoto plánu.