Ovaj članak objašnjava što su kristalizacija i taljenje. Na primjeru različitih agregatnih stanja vode objašnjeno je koliko je topline potrebno za smrzavanje i odmrzavanje i zašto su te vrijednosti različite. Prikazana je razlika između poli- i monokristala, kao i složenost proizvodnje potonjih.
Prijelaz u drugo agregatno stanje
Običan čovjek rijetko razmišlja o tome, ali život na razini na kojoj sada postoji bio bi nemoguć bez znanosti. Koji? Pitanje nije lako, jer se mnogi procesi odvijaju na sjecištu nekoliko disciplina. Pojave za koje je teško precizno definirati područje znanosti su kristalizacija i taljenje. Činilo bi se, dobro, što je ovdje tako komplicirano: bilo je vode - bio je led, bila je metalna lopta - bila je lokva tekućeg metala. Međutim, ne postoje točni mehanizmi za prijelaz iz jednog agregacijskog stanja u drugo. Fizičari sve dublje ulaze u džunglu, ali još uvijek nije moguće točno predvidjeti u kojem trenutku će početi topljenje i kristalizacija tijela.ispada.
Ono što znamo
Nešto što čovječanstvo još uvijek zna. Temperature taljenja i kristalizacije prilično se lako određuju empirijski. Ali ni ovdje nije sve tako jednostavno. Svi znaju da se voda topi i smrzava na nula stupnjeva Celzijusa. Međutim, voda obično nije samo neka teorijska konstrukcija, već određeni volumen. Ne zaboravite da proces taljenja i kristalizacije nije trenutan. Kocka leda se počinje malo topiti prije nego što dosegne točno nula stupnjeva, voda u čaši je prekrivena prvim kristalima leda na temperaturi koja je malo iznad ove oznake na skali.
Emisija i apsorpcija topline tijekom prijelaza u drugo agregatno stanje
Kristalizaciju i taljenje krutih tvari prate određeni toplinski efekti. U tekućem stanju, molekule (ili ponekad atomi) nisu jako čvrsto povezane. Zbog toga imaju svojstvo "fluidnosti". Kada tijelo počne gubiti toplinu, atomi i molekule počinju se spajati u strukturu koja im je najprikladnija. Tako dolazi do kristalizacije. Često o vanjskim uvjetima ovisi hoće li se iz istog ugljika dobiti grafit, dijamant ili fuleren. Dakle, ne samo temperatura, već i tlak utječe na to kako će se kristalizacija i taljenje odvijati. Međutim, da bi se prekinule veze krute kristalne strukture, potrebno je malo više energije, a time i količine topline, nego za njihovo stvaranje. Tako,tvar će se smrznuti brže nego rastopiti, pod istim uvjetima procesa. Taj se fenomen naziva latentna toplina i odražava gore opisanu razliku. Podsjetimo da latentna toplina nema nikakve veze s toplinom kao takvom i odražava količinu topline potrebnu za kristalizaciju i taljenje.
Promjena volumena nakon prijelaza u drugo stanje agregacije
Kao što je već spomenuto, količina i kvaliteta veza u tekućem i čvrstom stanju su različite. Tekuće stanje zahtijeva više energije, stoga se atomi kreću brže, neprestano skačući s jednog mjesta na drugo i stvarajući privremene veze. Budući da je amplituda oscilacija čestica veća, tekućina također zauzima veći volumen. Dok su u čvrstom tijelu veze krute, svaki atom oscilira oko jednog ravnotežnog položaja, ne može napustiti svoj položaj. Ova struktura zauzima manje prostora. Dakle, taljenje i kristalizacija tvari popraćeni su promjenom volumena.
Obilježja kristalizacije i topljenja vode
Tako uobičajena i važna tekućina za naš planet kao što je voda, možda nije slučajno što ima veliku ulogu u životu gotovo svih živih bića. Gore je opisana razlika između količine topline koja je potrebna za kristalizaciju i taljenje, kao i promjene volumena pri promjeni agregatnog stanja. Neka iznimka od oba pravila je voda. Vodik različitih molekula, čak i u tekućem stanju, kratko se spaja, stvarajući slabu, ali još uvijek nenula vodikove veze. To objašnjava nevjerojatno visok toplinski kapacitet ove univerzalne tekućine. Treba napomenuti da ove veze ne ometaju protok vode. Ali njihova uloga tijekom zamrzavanja (drugim riječima, kristalizacije) ostaje nejasna do kraja. Međutim, treba priznati da led iste mase zauzima veći volumen od tekuće vode. Ova činjenica uzrokuje veliku štetu komunalnim poduzećima i uzrokuje mnogo problema ljudima koji ih opslužuju.
Takve poruke pojavljuju se u vijestima više od jednom ili dvaput. Zimi se dogodila nesreća na kotlovnici nekog udaljenog naselja. Zbog mećave, leda ili jakog mraza nismo stigli dostaviti gorivo. Voda dovedena u radijatore i slavine prestala je grijati. Ako se ne isuši na vrijeme, ostavljajući sustav barem djelomično prazan, a po mogućnosti potpuno suh, počinje dobivati temperaturu okoline. Najčešće, nažalost, u ovom trenutku postoje jaki mrazevi. A led lomi cijevi, ostavljajući ljude bez šanse za ugodan život u narednim mjesecima. Tada se, naravno, nesreća otklanja, hrabri djelatnici Ministarstva za izvanredne situacije, probijajući se mećavom, helikopterom bacaju tamo nekoliko tona željenog ugljena, a nesretni vodoinstalateri danonoćno mijenjaju cijevi po velikoj hladnoći.
Snijeg i pahulje
Kad pomislimo na led, najčešće pomislimo na hladne kocke u čaši soka ili ogromna prostranstva smrznutog Antarktika. Snijeg ljudi doživljavaju kao poseban fenomen, što se čininije vezano za vodu. Ali zapravo je to isti led, samo zamrznut određenim redoslijedom koji određuje oblik. Kažu da na cijelom svijetu ne postoje dvije identične pahulje. Znanstvenik iz SAD-a ozbiljno se upustio u posao i odredio uvjete za dobivanje ovih šesterokutnih ljepotana željenog oblika. Njegov laboratorij može čak pružiti snježnu mećavu kože koju sponzorira kupac. Inače, tuča je, kao i snijeg, rezultat vrlo radoznalog procesa kristalizacije – iz pare, a ne iz vode. Obratna transformacija čvrstog tijela odmah u plinoviti agregat naziva se sublimacija.
Pojedinačni kristali i polikristali
Zimi su svi vidjeli ledene uzorke na staklu u autobusu. Nastaju jer je unutar transporta temperatura iznad nule Celzijusa. Osim toga, mnogi ljudi, izdišući zajedno sa zrakom od lakih para, osiguravaju povećanu vlažnost. Ali staklo (najčešće tanko jednostruko) ima temperaturu okoline, odnosno negativnu. Vodena para, dodirujući njegovu površinu, vrlo brzo gubi toplinu i prelazi u čvrsto stanje. Jedan kristal se lijepi za drugi, svaki sljedeći oblik malo se razlikuje od prethodnog, a prekrasni asimetrični uzorci brzo rastu. Ovo je primjer polikristala. "Poly" je od latinskog "mnogo". U tom se slučaju više mikrodijelova spaja u jednu cjelinu. Bilo koji metalni proizvod također je najčešće polikristal. Ali savršeni oblik prirodne prizme kvarca je jedan kristal. U svojoj strukturi nitko neće pronaći nedostatke i praznine, dok je u polikristalnim volumenima smjeradijelovi su raspoređeni nasumično i ne slažu se jedan s drugim.
Pametni telefon i dalekozor
Ali u modernoj tehnologiji često su potrebni apsolutno čisti monokristali. Na primjer, gotovo svaki pametni telefon sadrži silikonski memorijski element u svojoj utrobi. Niti jedan atom u cijelom tom volumenu ne bi trebao biti pomaknut sa svog idealnog mjesta. Svatko mora zauzeti svoje mjesto. Inače ćete umjesto fotografije na izlazu dobiti zvukove, i to vrlo vjerojatno neugodne.
U dalekozorima, uređajima za noćno gledanje također su potrebni dovoljno voluminozni monokristali koji pretvaraju infracrveno zračenje u vidljivo. Postoji nekoliko načina za njihovo uzgoj, ali svaki zahtijeva posebnu njegu i provjerene izračune. Kako se dobivaju monokristali, znanstvenici shvaćaju iz faznih dijagrama stanja, odnosno gledaju graf taljenja i kristalizacije tvari. Nacrtati takvu sliku je teško, zbog čega znanstvenici materijala posebno cijene znanstvenike koji odluče saznati sve detalje takvog grafa.
