Tässä artikkelissa selitetään, mitä kiteytyminen ja sulaminen ovat. Veden eri aggregaatiotilojen esimerkin avulla selitetään kuinka paljon lämpöä tarvitaan jäätymiseen ja sulamiseen ja miksi nämä arvot ovat erilaisia. Poly- ja yksikiteiden välinen ero on esitetty sekä jälkimmäisen valmistuksen monimutkaisuus.
Siirtymä toiseen koontitilaan
Tavallinen ihminen harvoin ajattelee sitä, mutta elämä sillä tasolla, jolla se nyt on, olisi mahdotonta ilman tiedettä. Kumpi? Kysymys ei ole helppo, koska monet prosessit tapahtuvat useiden tieteenalojen risteyksessä. Ilmiöitä, joille tieteenalaa on vaikea määritellä tarkasti, ovat kiteytyminen ja sulaminen. Vaikuttaa siltä, että mikä tässä on niin monimutkaista: oli vettä - oli jäätä, oli metallipallo - oli nestemäistä metallia oleva lätäkkö. Ei kuitenkaan ole olemassa tarkkoja mekanismeja siirtymiseen aggregaatiotilasta toiseen. Fyysikot tunkeutuvat yhä syvemmälle viidakkoon, mutta vieläkään ei ole mahdollista ennustaa tarkasti, missä vaiheessa kappaleiden sulaminen ja kiteytyminen alkaa.käy ilmi.
Mitä tiedämme
Jotain ihmiskunta vielä tietää. Sulamis- ja kiteytyslämpötilat määritetään melko helposti empiirisesti. Mutta täälläkään kaikki ei ole niin yksinkertaista. Kaikki tietävät, että vesi sulaa ja jäätyy nollassa celsiusasteessa. Vesi ei kuitenkaan yleensä ole vain jokin teoreettinen rakennelma, vaan tietty tilavuus. Älä unohda, että sulamis- ja kiteytysprosessi ei ole välitön. Jääkuutio alkaa sulaa hieman ennen kuin saavuttaa tarkalleen nollan asteen, lasissa oleva vesi peittyy ensimmäisillä jääkiteillä lämpötilassa, joka on hieman tämän asteikon merkin yläpuolella.
Lämmön emissio ja absorptio siirtymisen aikana toiseen aggregaatiotilaan
Kiinteiden aineiden kiteytymiseen ja sulamiseen liittyy tiettyjä lämpövaikutuksia. Nestemäisessä tilassa molekyylit (tai joskus atomit) eivät ole kovin tiukasti sidottu toisiinsa. Tästä johtuen niillä on "sujuvuuden" ominaisuus. Kun keho alkaa menettää lämpöä, atomit ja molekyylit alkavat yhdistyä niille sopivimmaksi rakenteeksi. Näin tapahtuu kiteytyminen. Usein riippuu ulkoisista olosuhteista, saadaanko samasta hiilestä grafiittia, timanttia vai fullereenia. Joten lämpötilan lisäksi myös paine ei vaikuta kiteytymisen ja sulamisen etenemiseen. Jäykän kiderakenteen sidosten katkaiseminen vaatii kuitenkin hieman enemmän energiaa ja siten lämpöä kuin niiden luominen. Täten,aine jäätyy nopeammin kuin sulaa samoissa prosessiolosuhteissa. Tätä ilmiötä kutsutaan piileväksi lämmöksi ja se heijastaa edellä kuvattua eroa. Muista, että piilevällä lämmöllä ei ole mitään tekemistä lämmön kanssa sellaisenaan ja se heijastaa kiteytymiseen ja sulamiseen tarvittavaa lämpöä.
Muutos äänenvoimakkuudessa siirryttäessä toiseen koontitilaan
Kuten jo mainittiin, nestemäisessä ja kiinteässä olomuodossa olevien sidosten määrä ja laatu ovat erilaisia. Nestemäinen tila vaatii enemmän energiaa, joten atomit liikkuvat nopeammin, hyppäävät jatkuvasti paikasta toiseen ja muodostavat väliaikaisia sidoksia. Koska hiukkasten värähtelyjen amplitudi on suurempi, nesteellä on myös suurempi tilavuus. Kun kiinteässä kappaleessa sidokset ovat jäykkiä, jokainen atomi värähtelee yhden tasapainoasennon ympärillä, se ei pysty poistumaan asemastaan. Tämä rakenne vie vähemmän tilaa. Joten aineiden sulamiseen ja kiteytymiseen liittyy tilavuuden muutos.
Veden kiteytymisen ja sulamisen ominaisuudet
Näin yleinen ja tärkeä neste planeetallemme kuin vesi, ei ehkä ole sattumaa, että sillä on suuri rooli lähes kaikkien elävien olentojen elämässä. Ero kiteytymiseen ja sulamiseen tarvittavan lämpömäärän välillä sekä tilavuuden muutos aggregaatiotilaa muutettaessa on kuvattu edellä. Eräs poikkeus molemmista säännöistä on vesi. Eri molekyylien vety, jopa nestemäisessä tilassa, yhdistyy lyhyen aikaa muodostaen heikon, mutta silti einolla vetysidosta. Tämä selittää tämän universaalin nesteen uskomattoman suuren lämpökapasiteetin. On huomattava, että nämä sidokset eivät häiritse veden virtausta. Mutta niiden rooli jäätymisen (toisin sanoen kiteytymisen) aikana jää epäselväksi loppuun asti. On kuitenkin ymmärrettävä, että saman massaisen jään tilavuus on suurempi kuin nestemäisen veden. Tämä seikka aiheuttaa paljon vahinkoa yleishyödyllisille laitoksille ja aiheuttaa paljon ongelmia niitä palveleville ihmisille.
Tällaisia viestejä esiintyy uutisissa useammin kuin kerran tai kahdesti. Talvella tapahtui onnettomuus jonkin syrjäisen asuinalueen kattilatalossa. Lumyrskyn, jään tai kovan pakkasen vuoksi emme ehtineet toimittaa polttoainetta. Pattereihin ja hanoihin syötetty vesi lopetti lämmityksen. Jos sitä ei tyhjennetä ajoissa, jolloin järjestelmä jää ainakin osittain tyhjäksi ja mieluiten täysin kuivaksi, se alkaa lämmetä ympäristön lämpötilaan. Useimmiten valitettavasti tällä hetkellä on vakavia pakkasia. Ja jää rikkoo putket jättäen ihmiset ilman mahdollisuutta mukavaan elämään tulevina kuukausina. Sitten tietysti onnettomuus eliminoituu, lumimyrskyn läpi murtautuvat hätätilanneministeriön urheat työntekijät heittävät sinne helikopterilla useita tonneja himoittua hiiltä, ja onnettomat putkimiehet vaihtavat putkia kellon ympäri kovassa pakkasessa.
Lumi ja lumihiutaleet
Kun ajattelemme jäätä, ajattelemme useimmiten kylmiä kuutioita mehulasissa tai v altavia jäätynyttä Etelämannerta. Ihmiset pitävät lunta erityisenä ilmiönä, joka näyttää olevanei liity veteen. Mutta itse asiassa se on sama jää, vain jäätynyt tietyssä muodon määräävässä järjestyksessä. Sanotaan, ettei koko maailmassa ole kahta identtistä lumihiutaletta. Yhdysv altalainen tiedemies ryhtyi vakavasti liiketoimintaan ja määritti ehdot näiden halutun muotoisten kuusikulmaisten kauneuden saamiseksi. Hänen laboratorionsa voi tarjota jopa lumihiutalemyrskyn asiakkaan tukemasta ihosta. Muuten, rakeet, kuten lumi, ovat seurausta erittäin uteliaasta kiteytymisprosessista - höyrystä, ei vedestä. Kiinteän kappaleen käänteistä muuttumista välittömästi kaasumaiseksi aggregaatiksi kutsutaan sublimaatioksi.
Yksikiteet ja monikiteet
Kaikki näkivät jääkuvioita linja-auton lasissa talvella. Ne muodostuvat, koska kuljetuksen sisällä lämpötila on nollan yläpuolella. Ja lisäksi monet ihmiset, jotka hengittävät yhdessä ilman kanssa kevyistä höyryistä, lisäävät kosteutta. Mutta lasilla (useimmiten ohuella yksittäisellä) on ympäristön lämpötila, toisin sanoen negatiivinen. Vesihöyry, joka koskettaa sen pintaa, menettää hyvin nopeasti lämpöä ja muuttuu kiinteäksi. Yksi kristalli tarttuu toiseen, jokainen peräkkäinen muoto on hieman erilainen kuin edellinen ja kauniit epäsymmetriset kuviot kasvavat nopeasti. Tämä on esimerkki monikiteistä. "Poly" tulee latinan sanasta "monet". Tässä tapauksessa useita mikroosia yhdistetään yhdeksi kokonaisuudeksi. Mikä tahansa metallituote on myös useimmiten monikiteinen. Mutta kvartsin luonnollisen prisman täydellinen muoto on yksikide. Sen rakenteessa kukaan ei löydä puutteita ja aukkoja, kun taas suunnan monikiteisissä tilavuuksissaosat on järjestetty satunnaisesti eivätkä sovi keskenään.
Älypuhelin ja kiikarit
Mutta nykytekniikassa vaaditaan usein täysin puhtaita yksittäiskiteitä. Esimerkiksi melkein minkä tahansa älypuhelimen suolistossa on piimuistielementti. Yhtään atomia tässä koko tilavuudessa ei pidä siirtää ihanteellisesta sijainnistaan. Jokaisen tulee ottaa paikkansa. Muuten valokuvan sijaan kuulet ääniä lähdöstä ja todennäköisesti epämiellyttäviä.
Kiikareissa yönäkölaitteet tarvitsevat myös riittävän tilavia monokiteitä, jotka muuttavat infrapunasäteilyn näkyväksi. Niiden kasvattamiseen on useita tapoja, mutta jokainen vaatii erityistä huolellisuutta ja tarkistettuja laskelmia. Kuinka yksittäiskiteitä saadaan, tiedemiehet ymmärtävät tilan vaihekaavioista, toisin sanoen he katsovat aineen sulamis- ja kiteytyskaaviota. Tällaisen kuvan piirtäminen on vaikeaa, minkä vuoksi materiaalitutkijat arvostavat erityisesti tutkijoita, jotka päättävät selvittää tällaisen kaavion kaikki yksityiskohdat.
