Aquest article explica què són la cristal·lització i la fusió. Utilitzant l'exemple de diversos estats d'agregació de l'aigua, s'explica quanta calor es necessita per a la congelació i descongelació i per què aquests valors són diferents. Es mostra la diferència entre els policristalls i els monocristalls, així com la complexitat de la fabricació d'aquests últims.
Transició a un altre estat agregat
Una persona normal poques vegades hi pensa, però la vida al nivell en què existeix ara seria impossible sense la ciència. Quin? La qüestió no és fàcil, perquè molts processos es produeixen a la intersecció de diverses disciplines. Els fenòmens pels quals és difícil definir amb precisió el camp de la ciència són la cristal·lització i la fusió. Sembla, bé, el que és tan complicat aquí: hi havia aigua, hi havia gel, hi havia una bola de metall, hi havia un bassal de metall líquid. Tanmateix, no hi ha mecanismes exactes per a la transició d'un estat d'agregació a un altre. Els físics s'endinsen cada cop més a la selva, però encara no és possible predir amb exactitud en quin moment començarà la fusió i la cristal·lització dels cossos.resulta.
El que sabem
Alguna cosa que la humanitat encara sap. Les temperatures de fusió i cristal·lització es determinen empíricament amb força facilitat. Però fins i tot aquí no tot és tan senzill. Tothom sap que l'aigua es fon i es congela a zero graus centígrads. Tanmateix, l'aigua no sol ser només una construcció teòrica, sinó un volum específic. No oblideu que el procés de fusió i cristal·lització no és instantani. El cub de gel comença a fondre's una mica abans d'arribar exactament a zero graus, l'aigua del got es cobreix amb els primers cristalls de gel a una temperatura que està lleugerament per sobre d'aquesta marca a l'escala.
Emissió i absorció de calor durant la transició a un altre estat d'agregació
La cristal·lització i la fusió de sòlids van acompanyades de certs efectes tèrmics. En estat líquid, les molècules (o de vegades els àtoms) no estan molt lligades entre si. Per això, tenen la propietat de "fluidesa". Quan el cos comença a perdre calor, els àtoms i les molècules comencen a combinar-se en l'estructura que els resulta més convenient. Així és com es produeix la cristal·lització. Sovint depèn de les condicions externes si s'obtindrà grafit, diamant o fullerè del mateix carboni. Per tant, no només la temperatura, sinó també la pressió afecta la forma en què la cristal·lització i la fusió es produiran. Tanmateix, per trencar els enllaços d'una estructura cristal·lina rígida, es necessita una mica més d'energia i, per tant, la quantitat de calor, que per crear-los. Així,la substància es congelarà més ràpidament que es fon, en les mateixes condicions de procés. Aquest fenomen s'anomena calor latent i reflecteix la diferència descrita anteriorment. Recordeu que la calor latent no té res a veure amb la calor com a tal i reflecteix la quantitat de calor necessària perquè es produeixi la cristal·lització i la fusió.
Canvi de volum en passar a un altre estat d'agregació
Com ja s'ha dit, la quantitat i la qualitat dels enllaços en estat líquid i sòlid són diferents. L'estat líquid requereix més energia, per tant, els àtoms es mouen més ràpid, s altant constantment d'un lloc a un altre i creant enllaços temporals. Com que l'amplitud de les oscil·lacions de les partícules és més gran, el líquid també ocupa un volum més gran. Mentre que en un cos sòlid els enllaços són rígids, cada àtom oscil·la al voltant d'una posició d'equilibri, no pot sortir de la seva posició. Aquesta estructura ocupa menys espai. Així, la fusió i la cristal·lització de les substàncies van acompanyades d'un canvi de volum.
Característiques de la cristal·lització i la fusió de l'aigua
Un líquid tan comú i important per al nostre planeta com és l'aigua, potser no és casualitat que tingui un paper important en la vida de gairebé tots els éssers vius. La diferència entre la quantitat de calor necessària perquè es produeixi la cristal·lització i la fusió, així com el canvi de volum quan es canvia l'estat d'agregació, s'ha descrit anteriorment. Una excepció a les dues regles és l'aigua. L'hidrogen de diferents molècules, fins i tot en estat líquid, es combina durant un curt període de temps, formant un teixit feble, però encara noenllaç d'hidrogen zero. Això explica la capacitat calorífica increïblement alta d'aquest fluid universal. Cal tenir en compte que aquests enllaços no interfereixen amb el flux d'aigua. Però el seu paper durant la congelació (és a dir, la cristal·lització) no està clar fins al final. Tanmateix, cal reconèixer que el gel de la mateixa massa ocupa més volum que l'aigua líquida. Aquest fet causa molts danys als serveis públics i causa molts problemes a les persones que els atenen.
Aquests missatges apareixen a les notícies més d'una o dues vegades. A l'hivern, es va produir un accident a la caldereria d'un assentament remot. A causa de les tempestes de neu, el gel o les fortes gelades, no vam tenir temps de lliurar combustible. L'aigua subministrada als radiadors i aixetes va deixar d'escalfar-se. Si no es buida a temps, deixant el sistema almenys parcialment buit, i preferiblement completament sec, comença a adquirir temperatura ambient. Molt sovint, malauradament, en aquest moment hi ha gelades severes. I el gel trenca les canonades, deixant la gent sense possibilitats de viure còmodament els propers mesos. Aleshores, per descomptat, s'elimina l'accident, els valents empleats del Ministeri de Situacions d'Emergència, trencant la tempesta de neu, hi llencen amb un helicòpter diverses tones de carbó cobejat i els desafortunats lampistes canvien les canonades durant tot el dia amb el fred amarg.
Neu i flocs de neu
Quan pensem en gel, sovint pensem en cubs freds en un got de suc o grans extensions d'Antàrtida congelada. La neu és percebuda per la gent com un fenomen especial, que sembla ser-hono relacionat amb l'aigua. Però de fet és el mateix gel, només congelat en un ordre determinat que determina la forma. Diuen que no hi ha dos flocs de neu idèntics a tot el món. Un científic dels EUA es va posar seriosament als negocis i va determinar les condicions per obtenir aquestes belleses hexagonals de la forma desitjada. El seu laboratori fins i tot pot proporcionar una tempesta de flocs de neu d'una pell patrocinada pel client. Per cert, la calamarsa, com la neu, és el resultat d'un procés de cristal·lització molt curiós: del vapor, no de l'aigua. La transformació inversa d'un cos sòlid immediatament en un agregat gasós s'anomena sublimació.
Cristalls simples i policristalls
Tothom va veure patrons de gel al vidre de l'autobús a l'hivern. Es formen perquè dins del transport la temperatura és superior a zero centígrads. I, a més, moltes persones, exhalant juntament amb l'aire dels vapors lleugers, proporcionen una humitat més gran. Però el vidre (la majoria de les vegades sol prim) té una temperatura ambient, és a dir, negativa. El vapor d'aigua, en tocar la seva superfície, perd molt ràpidament calor i es converteix en estat sòlid. Un cristall s'enganxa a l' altre, cada forma successiva és lleugerament diferent de l'anterior i els bells patrons asimètrics creixen ràpidament. Aquest és un exemple de policristalls. "Poly" ve del llatí "molts". En aquest cas, una sèrie de microparts es combinen en un sol tot. Qualsevol producte metàl·lic també és més sovint un policristall. Però la forma perfecta del prisma natural del quars és un únic cristall. En la seva estructura, ningú trobarà defectes i buits, mentre que en volums policristalins de la direccióles parts estan ordenades aleatòriament i no coincideixen entre si.
Telèfon intel·ligent i prismàtics
Però en la tecnologia moderna, sovint es requereixen cristalls senzills absolutament purs. Per exemple, gairebé qualsevol telèfon intel·ligent conté un element de memòria de silici a les seves entranyes. No s'ha de moure cap àtom en tot aquest volum de la seva ubicació ideal. Cadascú ha de prendre el seu lloc. En cas contrari, en comptes d'una foto, obtindreu sons a la sortida i, molt probablement, desagradables.
En els prismàtics, els dispositius de visió nocturna també necessiten monocristalls prou voluminosos que converteixin la radiació infraroja en visible. Hi ha diverses maneres de cultivar-los, però cadascuna requereix una cura especial i càlculs verificats. Com s'obtenen els cristalls individuals, els científics entenen a partir dels diagrames de fases d'estat, és a dir, observen el gràfic de fusió i cristal·lització d'una substància. Dibuixar una imatge d'aquest tipus és difícil, i per això els científics de materials aprecien especialment els científics que decideixen descobrir tots els detalls d'aquest gràfic.
