Hierdie artikel verduidelik wat kristallisasie en smelting is. Deur die voorbeeld van verskeie toestande van samevoeging van water te gebruik, word verduidelik hoeveel hitte benodig word vir vries en ontdooiing en hoekom hierdie waardes verskil. Die verskil tussen poli- en enkelkristalle word getoon, asook die kompleksiteit van die vervaardiging van laasgenoemde.
Oorgang na 'n ander totale toestand
'n Gewone mens dink selde daaraan, maar lewe op die vlak waarop dit nou bestaan, sou onmoontlik wees sonder wetenskap. Watter een? Die vraag is nie maklik nie, want baie prosesse vind plaas by die kruising van verskeie dissiplines. Verskynsels waarvoor dit moeilik is om die veld van die wetenskap presies te definieer, is kristallisasie en smelting. Dit wil voorkom, wel, wat is so ingewikkeld hier: daar was water - daar was ys, daar was 'n metaalbal - daar was 'n plas vloeibare metaal. Daar is egter geen presiese meganismes vir die oorgang van een toestand van aggregasie na 'n ander nie. Fisici raak dieper en dieper die oerwoud in, maar dit is steeds nie moontlik om presies te voorspel wanneer die smelt en kristallisasie van liggame sal begin nie.blyk.
Wat ons weet
Iets wat die mensdom nog weet. Die smelt- en kristallisasietemperature word redelik maklik empiries bepaal. Maar selfs hier is alles nie so eenvoudig nie. Almal weet dat water smelt en vries teen nul grade Celsius. Water is egter gewoonlik nie net een of ander teoretiese konstruksie nie, maar 'n spesifieke volume. Moenie vergeet dat die proses van smelt en kristallisasie nie oombliklik is nie. Die ysblokkie begin 'n bietjie smelt voordat dit presies nul grade bereik, die water in die glas word bedek met die eerste yskristalle by 'n temperatuur wat effens bo hierdie merk op die skaal is.
Emissie en absorpsie van hitte tydens die oorgang na 'n ander toestand van aggregasie
Kristallisasie en smelting van vaste stowwe gaan gepaard met sekere termiese effekte. In die vloeibare toestand is molekules (of soms atome) nie baie styf aan mekaar gebind nie. As gevolg hiervan het hulle die eienskap van "vloeibaarheid". Wanneer die liggaam hitte begin verloor, begin atome en molekules kombineer tot die struktuur wat vir hulle die gerieflikste is. Dit is hoe kristallisasie plaasvind. Dikwels hang dit van eksterne toestande af of grafiet, diamant of fullereen uit dieselfde koolstof verkry sal word. Dus nie net temperatuur nie, maar ook druk beïnvloed hoe kristallisasie en smelting sal verloop. Om die bindings van 'n rigiede kristallyne struktuur te breek, verg dit egter 'n bietjie meer energie, en dus die hoeveelheid hitte, as om dit te skep. Dus,die stof sal vinniger vries as smelt, onder dieselfde prosestoestande. Hierdie verskynsel word latente hitte genoem en weerspieël die verskil wat hierbo beskryf is. Onthou dat latente hitte niks met hitte as sodanig te doen het nie en weerspieël die hoeveelheid hitte wat nodig is vir kristallisasie en smelting om plaas te vind.
Verandering in volume by oorgang na 'n ander toestand van samevoeging
Soos reeds genoem, is die hoeveelheid en kwaliteit van bindings in die vloeibare en vaste toestand verskillend. Die vloeibare toestand vereis meer energie, dus beweeg die atome vinniger, spring voortdurend van een plek na 'n ander en skep tydelike bindings. Aangesien die amplitude van deeltjie-ossillasies groter is, beslaan die vloeistof ook 'n groter volume. Terwyl die bindings in 'n soliede liggaam styf is, ossilleer elke atoom om een ewewigsposisie, dit is nie in staat om sy posisie te verlaat nie. Hierdie struktuur neem minder spasie op. Dus gaan die smelt en kristallisasie van stowwe gepaard met 'n verandering in volume.
Kenmerke van kristallisasie en smelt van water
So 'n algemene en belangrike vloeistof vir ons planeet soos water, miskien is dit nie toevallig dat dit 'n groot rol speel in die lewe van byna alle lewende wesens nie. Die verskil tussen die hoeveelheid hitte wat nodig is vir kristallisasie en smelting om plaas te vind, sowel as die verandering in volume wanneer die toestand van aggregasie verander word, is hierbo beskryf. 'n Uitsondering op beide reëls is water. Waterstof van verskillende molekules, selfs in die vloeibare toestand, kombineer vir 'n kort tydjie en vorm 'n swak, maar steeds nienul waterstofbinding. Dit verklaar die ongelooflike hoë hittekapasiteit van hierdie universele vloeistof. Daar moet kennis geneem word dat hierdie bindings nie inmeng met die vloei van water nie. Maar hul rol tydens vriesing (met ander woorde kristallisasie) bly tot die einde onduidelik. Dit moet egter erken word dat ys van dieselfde massa meer volume as vloeibare water beslaan. Hierdie feit veroorsaak baie skade aan openbare nutsdienste en veroorsaak baie probleme vir mense wat hulle bedien.
Sulke boodskappe verskyn meer as een of twee keer in die nuus. In die winter het 'n ongeluk by die ketelhuis van een of ander afgeleë nedersetting plaasgevind. Weens sneeustorms, ys of erge ryp het ons nie tyd gehad om brandstof af te lewer nie. Die water wat aan die verkoelers en krane verskaf is, het opgehou verhit. As dit nie betyds gedreineer word nie, wat die stelsel ten minste gedeeltelik leeg laat, en verkieslik heeltemal droog, begin dit omgewingstemperatuur verkry. Ongelukkig is daar meestal op hierdie tydstip erge ryp. En die ys breek die pype en laat mense in die komende maande sonder’n kans vir’n gemaklike lewe. Dan word die ongeluk natuurlik uitgeskakel, die dapper werknemers van die Ministerie van Noodsituasies wat deur die sneeustorm breek, gooi etlike tonne gesogte steenkool per helikopter daarheen, en die ongelukkige loodgieters verwissel pype 24 uur per dag in die bitter koue.
Sneeu en sneeuvlokkies
Wanneer ons aan ys dink, dink ons meestal aan koue blokkies in 'n glas sap of groot uitgestrekte bevrore Antarktika. Sneeu word deur mense as 'n spesiale verskynsel beskou, wat blyk te weesnie verband hou met water nie. Maar eintlik is dit dieselfde ys, net gevries in 'n sekere volgorde wat die vorm bepaal. Hulle sê dat daar nie twee identiese sneeuvlokkies in die hele wye wêreld is nie.’n Wetenskaplike van die VSA het ernstig begin sake doen en die voorwaardes bepaal vir die verkryging van hierdie seskantige skoonhede van die gewenste vorm. Sy laboratorium kan selfs 'n sneeuvlokstorm van 'n kliëntgeborgde vel verskaf. Terloops, hael, soos sneeu, is die resultaat van 'n baie eienaardige proses van kristallisasie - van stoom, nie van water nie. Die omgekeerde transformasie van 'n vaste liggaam onmiddellik in 'n gasvormige aggregaat word sublimasie genoem.
Enkelkristalle en polikristalle
Almal het in die winter yspatrone op die glas in die bus gesien. Hulle word gevorm omdat binne die transport die temperatuur bo nul Celsius is. En bowendien bied baie mense wat saam met die lug uit ligte dampe uitasem, verhoogde humiditeit. Maar glas (meestal dun enkel) het 'n omgewingstemperatuur, dit wil sê negatief. Waterdamp, wat sy oppervlak raak, verloor baie vinnig hitte en verander in 'n vaste toestand. Een kristal kleef aan 'n ander, elke opeenvolgende vorm verskil effens van die vorige een, en pragtige asimmetriese patrone groei vinnig. Dit is 'n voorbeeld van polikristalle. "Poly" is van die Latynse "baie". In hierdie geval word 'n aantal mikrodele in 'n enkele geheel gekombineer. Enige metaalproduk is ook meestal 'n polikristal. Maar die perfekte vorm van die natuurlike prisma van kwarts is 'n enkele kristal. In sy struktuur, sal niemand vind foute en gapings, terwyl in polikristallyne volumes van die rigtingdele is lukraak gerangskik en stem nie met mekaar ooreen nie.
Slimfoon en verkyker
Maar in moderne tegnologie word absoluut suiwer enkelkristalle dikwels vereis. Byvoorbeeld, byna enige slimfoon bevat 'n silikongeheue-element in sy ingewande. Nie 'n enkele atoom in hierdie hele volume moet van sy ideale ligging verskuif word nie. Elkeen moet hul plek inneem. Andersins, in plaas van 'n foto, sal jy klanke by die uitset kry, en heel waarskynlik onaangenames.
In verkykers benodig nagsigtoestelle ook voldoende lywige monokristalle wat infrarooi straling in sigbare omskakel. Daar is verskeie maniere om hulle te laat groei, maar elkeen vereis spesiale sorg en geverifieerde berekeninge. Hoe enkelkristalle verkry word, verstaan wetenskaplikes uit fasediagramme van toestand, dit wil sê, hulle kyk na die grafiek van smelt en kristallisasie van 'n stof. Om so 'n prentjie te teken is moeilik, en daarom waardeer materiaalwetenskaplikes veral wetenskaplikes wat besluit om al die besonderhede van so 'n grafiek uit te vind.
