Крышталізацыя і плаўленне: графік змены агрэгатнага стану рэчыва

Дадзеная артыкул распавядае, што такое крышталізацыя і плаўленне. На прыкладзе розных агрэгатных станаў вады тлумачыцца, колькі патрабуецца цяпла на замарозку і адтаванне і чаму гэтыя велічыні розныя. Паказваюцца розніца паміж полі- і монакрышталяў, а таксама складанасць вырабу апошніх.

Пераход у іншае агрэгатны стан

Звычайны чалавек задумваецца пра гэта рэдка, але жыццё на тым узроўні, на якім яна існуе цяпер, была б немагчымая без навукі. Які менавіта? Пытанне няпростае, бо многія працэсы адбываюцца на стыку некалькіх дысцыплін. З'явамі, для якіх дакладна вызначыць вобласць навукі цяжка, з'яўляюцца крышталізацыя і плаўленне. Здавалася б, ну што тут складанага: была вада - стаў лёд, быў металічны шарык - стала лужына вадкага металу. Аднак дакладныя механізмы пераходу з аднаго агрэгатнага стану ў іншае адсутнічаюць. Фізікі залазяць усё глыбей у нетры, але дакладна прадказаць, у які момант пачнуцца плаўленне і крышталізацыя тэл, да гэтага часу не атрымліваецца.

Што нам вядома

Сёе-тое чалавецтва ўсё ж такі ведае. Тэмпература плаўлення і крышталізацыі досыць лёгка вызначаецца эмпірычнаму. Але і тут усё не так проста. Усе ведаюць, што вада растае і замярзае пры нулі градусаў Цэльсія. Аднак вада звычайна не проста нейкі тэарэтычны канструкт, а канкрэтны аб'ём. Не варта забываць і тое, што працэс плаўлення і крышталізацыі ня імгненны. Кубік лёду пачынае плавіцца крыху раней, чым дасягае роўна нуля градусаў, вада ў шклянцы пакрываецца першымі ледзянымі крышталямі пры тэмпературы, якая ледзь-ледзь перавышае гэтую адзнаку на шкале.

Вылучэнне і паглынанне цяпла пры пераходзе ў іншае агрэгатны стан

Крышталізацыя і плаўленне цвёрдых тэл суправаджаюцца пэўнымі тэрмічнымі эфектамі. У вадкім стане малекулы (або часам атамы) звязаныя паміж сабой не вельмі моцна. Менавіта дзякуючы гэтаму яны валодаюць уласцівасцю «цякучасці». Калі цела пачынае губляць цёпла, атамы і малекулы пачынаюць аб'ядноўвацца ў найбольш зручную ім структуру. Такім чынам адбываецца крышталізацыя. Часцяком ад знешніх умоў залежыць, атрымаецца з аднаго і таго ж вугляроду графіт, алмаз або Фуллер. Так што не толькі тэмпература, але і ціск ўплывае на тое, як будуць працякаць крышталізацыя і плаўленне. Аднак, каб разбурыць сувязі жорсткай крышталічнай структуры, патрабуецца трохі больш энергіі, а значыць, і колькасці цяпла, чым на тое, каб іх стварыць. Такім чынам, рэчыва будзе замярзаць хутчэй, чым плавіцца, пры аднолькавых умовах працэсаў. Гэтая з'ява носіць назву схаванай цеплыні і адлюстроўвае апісаную вышэй розніцу. Нагадаем, што прыхаваная цеплыня не мае дачынення да цяпла як такому і адлюстроўвае колькасць цеплыні, неабходнае для таго, каб адбыліся крышталізацыя і плаўленне.

Змена аб'ёму пры пераходзе ў іншае агрэгатны стан

Як ужо згадвалася, колькасць і якасць сувязяў у вадкім і цвёрдым стане адрозніваюцца. Для вадкага стану патрабуецца вялікая энергія, такім чынам, атамы рухаюцца хутчэй, пастаянна пераскокваючы з аднаго месца на іншае і ствараючы часовыя сувязі. Так як амплітуда ваганняў часціц больш, то і вадкасць займае большы аб'ём. Тады як у цвёрдым целе сувязі жорсткія, кожны атам вагаецца каля аднаго становішча раўнавагі, ён не ў сілах пакінуць сваю пазіцыю. Такая структура займае менш месцы. Так што плаўленне і крышталізацыя рэчываў суправаджаюцца змяненнем аб'ёму.

Асаблівасці крышталізацыі і плаўлення вады

Такая распаўсюджаная і важная для нашай планеты вадкасць, як вада, магчыма, невыпадкова гуляе вялікую ролю ў жыцці практычна ўсіх жывых істот. Вышэй апісана розніца паміж колькасцю цеплыні, якое патрабуецца для таго, каб адбыліся крышталізацыя і плаўленне, а таксама змена аб'ёму пры змене агрэгатнага стану. Некаторы выключэнне з абодвух правілаў складае вада. Вадарод розных малекул нават у вадкім стане злучаецца ненадоўга, утвараючы слабую, але ўсё ж не нулявую вадародную сувязь. Такім чынам тлумачыцца неверагодна вялікая цеплаёмістасць гэтай універсальнай вадкасці. Варта адзначыць, што цякучасці вады гэтыя сувязі не замінаюць. А вось іх ролю пры замярзанні (іншымі словамі, крышталізацыі) да канца застаецца нявысветленай. Аднак варта прызнаць: лёд той жа масы займае больш за аб'ём, чым вадкая вада. Гэты факт прычыняе нямала шкоды камунальных сетак і дастаўляе шмат праблем абслуговым іх людзям.

Не раз і не два ў навінах мільгаюць падобныя паведамленні. Узімку на кацельні якога-небудзь аддаленага населенага пункта адбылася аварыя. З-за завей, галалёду або моцных маразоў не паспелі падвезці паліва. Вада, падаваная ў батарэі ацяплення і краны, перастала награвацца. Калі яе своечасова не зліць, пакінуўшы сістэму хоць бы часткова пусты, а лепш наогул сухі, яна пачынае набываць тэмпературу навакольнага асяроддзя. Часцей за ўсё, як на злосць, у гэты час стаяць моцныя маразы. І лёд ірве трубы, пакідаючы людзей без шанцу на камфортнае жыццё ў бліжэйшыя месяцы. Потым, вядома, аварыю ліквідуюць, доблесныя супрацоўнікі МНС, прарываючыся скрозь завею, закідваюць туды на верталёце некалькі тон жаданага вугалю, а няшчасныя сантэхнікі ў лютую сцюжу кругласутачна мяняюць трубы.

Снег і сняжынкі

Прадстаўляючы сабе лёд, мы часцей за ўсё думаем пра халодных кубіках ў куфлі з сокам або велізарных прасторах замарожанай Антарктыды. Снег ўспрымаецца людзьмі як асаблівае з'ява, якое быццам бы і не звязана з вадой. Але на самой справе гэта той жа лёд, толькі змёрзлы ў вызначаным парадку, які вызначае форму. Кажуць, двух аднолькавых сняжынак на ўсім белым свеце не існуе. Вучоны з ЗША сур'ёзна ўзяўся за справу і вызначыў умовы атрымання гэтых шасцігранная прыгажунь патрэбнай формы. Яго лабараторыя нават можа забяспечыць мяцеліца з сняжынак аплачанага кліентам аблічча. Дарэчы кажучы, град, як і снег, з'яўляецца вынікам вельмі цікаўнага працэсу крышталізацыі - з пара, а не з вады. Адваротнае ператварэнне цвёрдага цела адразу ў газападобны агрэгат называецца сублімацыі.

Монакрышталі і поликристаллы

Усе бачылі зімой ледзяныя ўзоры на шкле ў аўтобусе. Яны ўтвараюцца ад таго, што ўнутры транспарту тэмпература вышэй за нуль па Цэльсіі. Ды да таго ж шмат людзей, выдыхаючы разам з паветрам з лёгкіх пар, забяспечваюць павышаную вільготнасць. А вось шкло (часцей за ўсё тонкае адзінарнае) мае тэмпературу навакольнага асяроддзя, гэта значыць адмоўную. Вадзяной пар, дакранаючыся яго паверхні, вельмі хутка губляе цяпло і пераходзіць у цвёрдае стан. Адзін крышталік прыліпае да іншага, у кожнага наступнага форма злёгку адрозніваецца ад папярэдняга, і хутка растуць прыгожыя асіметрычныя ўзоры. Гэта прыклад поликристаллов. "Полі" - ад лацінскага «шмат». У дадзеным выпадку некаторы колькасць микрочастей аб'ядноўваецца ў адзінае цэлае. Любое металічны выраб - таксама часцей за ўсё поликристалл. А вось дасканалай формы прыродная прызма кварца - гэта монакрышталяў. У яго структуры ніхто не знойдзе заган і парываў, тады як у полікрышталічнага аб'ёмах напрамкі частак размешчаны хаатычна і ніяк не стасуюцца адзін з адным.

Смартфон і бінокль

А вось у сучаснай тэхніцы часцяком патрабуюцца абсалютна чыстыя монакрышталі. Напрыклад, практычна любы смартфон змяшчае ў сваіх нетрах крамянёвы элемент памяці. Ні адзін атам ва ўсім гэтым аб'ёме не павінен быць ссунуты адносна ідэальнага размяшчэння. Кожны павінен займаць сваё месца. Інакш замест фатаграфіі вы атрымаеце на выхадзе гукі, прычым, хутчэй за ўсё, непрыемныя.

У бінокль, прыборах начнога бачання таксама патрэбныя дастаткова аб'ёмныя монакрышталі, якія пераўтвораць інфрачырвонае выпраменьванне ў бачнае. Спосабаў іх вырошчвання некалькі, але кожны патрабуе асаблівай дбайнасці і вывераных разлікаў. Якім чынам атрымліваюцца монакрышталі, навукоўцы разумеюць з фазавых дыяграм стану, то ёсць глядзяць на графік плаўлення і крышталізацыі рэчывы. Скласці такую карцінку цяжка, таму материаловеды асабліва цэняць навукоўцаў, якія вырашылі высветліць усе падрабязнасці такога графіка.