Αυτό το άρθρο εξηγεί τι είναι η κρυστάλλωση και η τήξη. Χρησιμοποιώντας το παράδειγμα διαφόρων καταστάσεων συσσώρευσης νερού, εξηγείται πόση θερμότητα απαιτείται για την κατάψυξη και την απόψυξη και γιατί αυτές οι τιμές είναι διαφορετικές. Δείχνεται η διαφορά μεταξύ πολυ- και μονοκρυστάλλων, καθώς και η πολυπλοκότητα της κατασκευής των τελευταίων.
Μετάβαση σε άλλη συγκεντρωτική κατάσταση
Ένας συνηθισμένος άνθρωπος σπάνια το σκέφτεται, αλλά η ζωή στο επίπεδο στο οποίο υπάρχει τώρα θα ήταν αδύνατη χωρίς την επιστήμη. Ποιό απ'όλα? Το ερώτημα δεν είναι εύκολο, γιατί πολλές διαδικασίες συμβαίνουν στη διασταύρωση πολλών κλάδων. Φαινόμενα για τα οποία είναι δύσκολο να προσδιοριστεί επακριβώς το πεδίο της επιστήμης είναι η κρυστάλλωση και η τήξη. Φαίνεται, λοιπόν, τι είναι τόσο περίπλοκο εδώ: υπήρχε νερό - υπήρχε πάγος, υπήρχε μια μεταλλική μπάλα - υπήρχε μια λακκούβα από υγρό μέταλλο. Ωστόσο, δεν υπάρχουν ακριβείς μηχανισμοί για τη μετάβαση από τη μια κατάσταση συνάθροισης στην άλλη. Οι φυσικοί μπαίνουν όλο και πιο βαθιά στη ζούγκλα, αλλά ακόμα δεν είναι δυνατό να προβλεφθεί ακριβώς σε ποιο σημείο θα αρχίσει η τήξη και η κρυστάλλωση των σωμάτων.αποδεικνύεται.
Τι γνωρίζουμε
Κάτι που η ανθρωπότητα ξέρει ακόμα. Οι θερμοκρασίες τήξης και κρυστάλλωσης προσδιορίζονται αρκετά εύκολα εμπειρικά. Αλλά και εδώ όλα δεν είναι τόσο απλά. Όλοι γνωρίζουν ότι το νερό λιώνει και παγώνει στους μηδέν βαθμούς Κελσίου. Ωστόσο, το νερό συνήθως δεν είναι απλώς κάποια θεωρητική κατασκευή, αλλά ένας συγκεκριμένος όγκος. Μην ξεχνάτε ότι η διαδικασία τήξης και κρυστάλλωσης δεν είναι στιγμιαία. Το παγάκι αρχίζει να λιώνει λίγο πριν φτάσει ακριβώς στους μηδέν βαθμούς, το νερό στο ποτήρι καλύπτεται με τους πρώτους κρυστάλλους πάγου σε θερμοκρασία που είναι λίγο πάνω από αυτό το σημάδι στην κλίμακα.
Εκπομπή και απορρόφηση θερμότητας κατά τη μετάβαση σε άλλη κατάσταση συσσώρευσης
Η κρυστάλλωση και η τήξη των στερεών συνοδεύονται από ορισμένες θερμικές επιδράσεις. Στην υγρή κατάσταση, τα μόρια (ή μερικές φορές τα άτομα) δεν είναι πολύ στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Εξαιτίας αυτού, έχουν την ιδιότητα της «ρευστότητας». Όταν το σώμα αρχίζει να χάνει θερμότητα, τα άτομα και τα μόρια αρχίζουν να συνδυάζονται στη δομή που τους είναι πιο βολική. Έτσι γίνεται η κρυστάλλωση. Συχνά εξαρτάται από τις εξωτερικές συνθήκες εάν ο γραφίτης, το διαμάντι ή το φουλερένιο θα ληφθούν από τον ίδιο άνθρακα. Έτσι, όχι μόνο η θερμοκρασία, αλλά και η πίεση επηρεάζουν το πώς θα προχωρήσει η κρυστάλλωση και η τήξη. Ωστόσο, για να σπάσουν οι δεσμοί μιας άκαμπτης κρυσταλλικής δομής, χρειάζεται λίγη περισσότερη ενέργεια, και ως εκ τούτου, η ποσότητα θερμότητας, παρά η δημιουργία τους. Ετσι,η ουσία θα παγώσει πιο γρήγορα από ότι θα λιώσει, υπό τις ίδιες συνθήκες διεργασίας. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα και αντανακλά τη διαφορά που περιγράφηκε παραπάνω. Θυμηθείτε ότι η λανθάνουσα θερμότητα δεν έχει καμία σχέση με τη θερμότητα αυτή καθαυτή και αντανακλά την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για να συμβεί κρυστάλλωση και τήξη.
Αλλαγή του όγκου κατά τη μετάβαση σε άλλη κατάσταση συγκέντρωσης
Όπως ήδη αναφέρθηκε, η ποσότητα και η ποιότητα των δεσμών σε υγρή και στερεή κατάσταση διαφέρουν. Η υγρή κατάσταση απαιτεί περισσότερη ενέργεια, επομένως τα άτομα κινούνται πιο γρήγορα, πηδώντας συνεχώς από το ένα μέρος στο άλλο και δημιουργώντας προσωρινούς δεσμούς. Δεδομένου ότι το πλάτος των ταλαντώσεων των σωματιδίων είναι μεγαλύτερο, το υγρό καταλαμβάνει επίσης μεγαλύτερο όγκο. Ενώ σε ένα στερεό σώμα οι δεσμοί είναι άκαμπτοι, κάθε άτομο ταλαντώνεται γύρω από μια θέση ισορροπίας, δεν μπορεί να φύγει από τη θέση του. Αυτή η δομή καταλαμβάνει λιγότερο χώρο. Άρα η τήξη και η κρυστάλλωση των ουσιών συνοδεύεται από αλλαγή όγκου.
Χαρακτηριστικά κρυστάλλωσης και τήξης νερού
Ένα τόσο κοινό και σημαντικό υγρό για τον πλανήτη μας όπως το νερό, ίσως δεν είναι τυχαίο ότι παίζει μεγάλο ρόλο στη ζωή σχεδόν όλων των ζωντανών όντων. Η διαφορά μεταξύ της ποσότητας θερμότητας που απαιτείται για να συμβεί κρυστάλλωση και τήξη, καθώς και η αλλαγή στον όγκο κατά την αλλαγή της κατάστασης συσσωμάτωσης, έχει περιγραφεί παραπάνω. Κάποια εξαίρεση και στους δύο κανόνες είναι το νερό. Το υδρογόνο διαφορετικών μορίων, ακόμη και σε υγρή κατάσταση, συνδυάζεται για μικρό χρονικό διάστημα, σχηματίζοντας ένα αδύναμο, αλλά ακόμα όχιμηδενικός δεσμός υδρογόνου. Αυτό εξηγεί την απίστευτα υψηλή θερμοχωρητικότητα αυτού του γενικού υγρού. Πρέπει να σημειωθεί ότι αυτοί οι δεσμοί δεν παρεμβαίνουν στη ροή του νερού. Αλλά ο ρόλος τους κατά την κατάψυξη (με άλλα λόγια, την κρυστάλλωση) παραμένει ασαφής μέχρι το τέλος. Ωστόσο, πρέπει να αναγνωριστεί ότι ο πάγος της ίδιας μάζας καταλαμβάνει περισσότερο όγκο από το υγρό νερό. Το γεγονός αυτό προκαλεί μεγάλη ζημιά στις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας και προκαλεί πολλά προβλήματα στους ανθρώπους που τις εξυπηρετούν.
Τέτοια μηνύματα εμφανίζονται στις ειδήσεις περισσότερες από μία ή δύο φορές. Τον χειμώνα συνέβη ένα ατύχημα στο λεβητοστάσιο κάποιου απομακρυσμένου οικισμού. Λόγω χιονοθύελλας, πάγου ή έντονου παγετού, δεν προλάβαμε να παραδώσουμε καύσιμα. Το νερό που τροφοδοτήθηκε στα καλοριφέρ και τις βρύσες σταμάτησε να θερμαίνεται. Εάν δεν αποστραγγιστεί εγκαίρως, αφήνοντας το σύστημα τουλάχιστον εν μέρει άδειο και κατά προτίμηση εντελώς στεγνό, αρχίζει να αποκτά θερμοκρασία περιβάλλοντος. Τις περισσότερες φορές, δυστυχώς, αυτή τη στιγμή υπάρχουν σοβαροί παγετοί. Και ο πάγος σπάει τους σωλήνες, αφήνοντας τους ανθρώπους χωρίς ευκαιρία για μια άνετη ζωή τους επόμενους μήνες. Μετά, φυσικά, το ατύχημα εξαφανίζεται, οι γενναίοι υπάλληλοι του Υπουργείου Έκτακτης Ανάγκης, διαπερνώντας τη χιονοθύελλα, ρίχνουν εκεί αρκετούς τόνους πολυπόθητου κάρβουνου με ελικόπτερο και οι άτυχοι υδραυλικοί αλλάζουν σωλήνες όλο το εικοσιτετράωρο στο τσουχτερό κρύο.
Χιόνι και νιφάδες χιονιού
Όταν σκεφτόμαστε τον πάγο, τις περισσότερες φορές σκεφτόμαστε κρύους κύβους σε ένα ποτήρι χυμό ή τεράστιες εκτάσεις παγωμένης Ανταρκτικής. Το χιόνι γίνεται αντιληπτό από τους ανθρώπους ως ένα ιδιαίτερο φαινόμενο, το οποίο φαίνεται να είναιδεν σχετίζεται με το νερό. Αλλά στην πραγματικότητα είναι ο ίδιος πάγος, μόνο παγωμένος με μια συγκεκριμένη σειρά που καθορίζει το σχήμα. Λένε ότι δεν υπάρχουν δύο ίδιες νιφάδες χιονιού σε ολόκληρο τον κόσμο. Ένας επιστήμονας από τις ΗΠΑ ασχολήθηκε σοβαρά και καθόρισε τις συνθήκες για να αποκτήσει αυτές τις εξαγωνικές ομορφιές του επιθυμητού σχήματος. Το εργαστήριό του μπορεί να προσφέρει ακόμη και μια χιονοθύελλα νιφάδας χιονιού ενός δέρματος που χορηγείται από πελάτες. Παρεμπιπτόντως, το χαλάζι, όπως το χιόνι, είναι το αποτέλεσμα μιας πολύ περίεργης διαδικασίας κρυστάλλωσης - από ατμό, όχι από νερό. Ο αντίστροφος μετασχηματισμός ενός στερεού σώματος αμέσως σε αέριο συσσωμάτωμα ονομάζεται εξάχνωση.
Μονοί κρύσταλλοι και πολυκρυστάλλοι
Όλοι είδαν σχέδια πάγου στο τζάμι στο λεωφορείο το χειμώνα. Σχηματίζονται γιατί μέσα στη μεταφορά η θερμοκρασία είναι πάνω από το μηδέν Κελσίου. Και επιπλέον, πολλοί άνθρωποι, εκπνέοντας μαζί με τον αέρα από ελαφρούς ατμούς, παρέχουν αυξημένη υγρασία. Αλλά το γυαλί (τις περισσότερες φορές λεπτό μονό) έχει θερμοκρασία περιβάλλοντος, δηλαδή αρνητική. Οι υδρατμοί, αγγίζοντας την επιφάνειά του, χάνουν πολύ γρήγορα θερμότητα και μετατρέπονται σε στερεή κατάσταση. Ο ένας κρύσταλλος κολλάει στον άλλο, κάθε διαδοχικό σχήμα είναι ελαφρώς διαφορετικό από το προηγούμενο και τα όμορφα ασύμμετρα σχέδια αναπτύσσονται γρήγορα. Αυτό είναι ένα παράδειγμα πολυκρυστάλλων. Το "Poly" είναι από το λατινικό "πολλά". Σε αυτή την περίπτωση, ένας αριθμός μικροτμημάτων συνδυάζεται σε ένα ενιαίο σύνολο. Οποιοδήποτε μεταλλικό προϊόν είναι επίσης τις περισσότερες φορές πολυκρύσταλλο. Αλλά η τέλεια μορφή του φυσικού πρίσματος του χαλαζία είναι ένας μόνο κρύσταλλος. Στη δομή του, κανείς δεν θα βρει ελαττώματα και κενά, ενώ σε πολυκρυσταλλικούς όγκους της κατεύθυνσηςτα μέρη είναι ταξινομημένα τυχαία και δεν συμφωνούν μεταξύ τους.
Smartphone και κιάλια
Αλλά στη σύγχρονη τεχνολογία, απαιτούνται συχνά απολύτως καθαρά μονοκρύσταλλα. Για παράδειγμα, σχεδόν κάθε smartphone περιέχει ένα στοιχείο μνήμης πυριτίου στα έντερά του. Ούτε ένα άτομο σε ολόκληρο αυτόν τον όγκο δεν πρέπει να μετακινηθεί από την ιδανική του θέση. Ο καθένας πρέπει να πάρει τη θέση του. Διαφορετικά, αντί για φωτογραφία, θα λαμβάνετε ήχους στην έξοδο και, πιθανότατα, δυσάρεστες.
Στα κιάλια, οι συσκευές νυχτερινής όρασης χρειάζονται επίσης αρκετά ογκώδεις μονοκρυστάλλους που μετατρέπουν την υπέρυθρη ακτινοβολία σε ορατή. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να τα μεγαλώσετε, αλλά ο καθένας απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή και επαληθευμένους υπολογισμούς. Πώς λαμβάνονται οι μονοκρυστάλλοι, οι επιστήμονες καταλαβαίνουν από διαγράμματα φάσεων κατάστασης, κοιτάζουν δηλαδή το γράφημα τήξης και κρυστάλλωσης μιας ουσίας. Η σχεδίαση μιας τέτοιας εικόνας είναι δύσκολη, γι' αυτό οι επιστήμονες υλικών εκτιμούν ιδιαίτερα τους επιστήμονες που αποφασίζουν να ανακαλύψουν όλες τις λεπτομέρειες ενός τέτοιου γραφήματος.
