Tento článek vysvětluje, co je krystalizace a tání. Na příkladu různých stavů agregace vody je vysvětleno, kolik tepla je potřeba pro zmrazení a rozmrazení a proč se tyto hodnoty liší. Je ukázán rozdíl mezi poly- a monokrystaly, stejně jako složitost jejich výroby.
Přechod do jiného agregovaného stavu
Obyčejný člověk o tom přemýšlí jen zřídka, ale život na úrovni, na které nyní existuje, by byl nemožný bez vědy. Který? Otázka to není jednoduchá, protože mnoho procesů se odehrává na průsečíku několika oborů. Jevy, pro které je obtížné přesně definovat oblast vědy, jsou krystalizace a tání. Zdálo by se, co je tady tak složitého: byla tam voda - byl tam led, byla tam kovová koule - byla tam louže tekutého kovu. Neexistují však žádné přesné mechanismy pro přechod z jednoho stavu agregace do druhého. Fyzici se dostávají stále hlouběji do džungle, ale stále nelze přesně předpovědět, v jakém bodě začne tání a krystalizace těles.ukazuje se.
Co víme
Něco lidstvo stále ví. Teploty tání a krystalizace se poměrně snadno určují empiricky. Ale ani zde není vše tak jednoduché. Každý ví, že voda taje a zamrzá při nula stupních Celsia. Voda však obvykle není jen nějaký teoretický konstrukt, ale konkrétní objem. Nezapomeňte, že proces tání a krystalizace není okamžitý. Ledová kostka začne trochu tát, než dosáhne přesně nula stupňů, voda ve sklenici je pokryta prvními ledovými krystalky při teplotě, která je mírně nad touto značkou na stupnici.
Emise a absorpce tepla při přechodu do jiného stavu agregace
Krystalizace a tání pevných látek jsou doprovázeny určitými tepelnými efekty. V kapalném stavu nejsou molekuly (nebo někdy atomy) spolu příliš pevně spojeny. Díky tomu mají vlastnost "tekutosti". Když tělo začne ztrácet teplo, atomy a molekuly se začnou spojovat do struktury, která je pro ně nejvýhodnější. Tak dochází ke krystalizaci. Často záleží na vnějších podmínkách, zda se ze stejného uhlíku získá grafit, diamant nebo fulleren. Takže nejen teplota, ale i tlak ovlivňuje, jak bude krystalizace a tání probíhat. Rozbití vazeb tuhé krystalické struktury však vyžaduje o něco více energie, a tedy i množství tepla, než je vytvořit. Tím pádem,látka zmrzne rychleji než tavenina za stejných podmínek procesu. Tento jev se nazývá latentní teplo a odráží výše popsaný rozdíl. Připomeňme, že latentní teplo nemá nic společného s teplem jako takovým a odráží množství tepla potřebného ke krystalizaci a tání.
Změna objemu při přechodu do jiného stavu agregace
Jak již bylo zmíněno, množství a kvalita vazeb v kapalném a pevném stavu se liší. Kapalný stav vyžaduje více energie, proto se atomy pohybují rychleji, neustále přeskakují z jednoho místa na druhé a vytvářejí dočasné vazby. Protože je amplituda kmitů částic větší, zaujímá kapalina také větší objem. Zatímco v pevném tělese jsou vazby tuhé, každý atom kmitá kolem jedné rovnovážné polohy, není schopen svou polohu opustit. Tato struktura zabírá méně místa. Takže tání a krystalizace látek jsou doprovázeny změnou objemu.
Vlastnosti krystalizace a tání vody
Pro naši planetu tak běžná a důležitá kapalina, jako je voda, možná není náhoda, že hraje velkou roli v životě téměř všech živých bytostí. Rozdíl mezi množstvím tepla, které je potřeba ke krystalizaci a tavení, jakož i změnou objemu při změně stavu agregace, byl popsán výše. Určitou výjimkou z obou pravidel je voda. Vodík různých molekul, dokonce i v kapalném stavu, se na krátkou dobu spojí a vytvoří slabý, ale stále nenulová vodíková vazba. To vysvětluje neuvěřitelně vysokou tepelnou kapacitu této univerzální tekutiny. Je třeba poznamenat, že tyto vazby nenarušují proudění vody. Ale jejich role během zmrazení (jinými slovy krystalizace) zůstává až do konce nejasná. Je však třeba si uvědomit, že led stejné hmotnosti zabírá větší objem než kapalná voda. Tato skutečnost způsobuje mnoho škod na veřejných službách a způsobuje mnoho problémů lidem, kteří je obsluhují.
Takové zprávy se objevují ve zprávách více než jednou nebo dvakrát. V zimě došlo k nehodě v kotelně nějaké odlehlé osady. Kvůli vánici, náledí nebo silným mrazům jsme nestihli dodat palivo. Voda přiváděná do radiátorů a kohoutků přestala topit. Pokud se včas nevypustí a systém zůstane alespoň částečně prázdný a nejlépe úplně suchý, začne získávat okolní teplotu. Nejčastěji bohužel v tuto dobu bývají silné mrazy. A led láme potrubí, takže lidé v příštích měsících nemají šanci na pohodlný život. Pak je samozřejmě nehoda odstraněna, stateční zaměstnanci ministerstva pro mimořádné situace, kteří prorazí sněhovou vánici, tam helikoptérou hodí několik tun kýženého uhlí a nešťastní instalatéři nepřetržitě mění trubky v třeskutých mrazech.
Sníh a sněhové vločky
Když přemýšlíme o ledu, nejčastěji si vybavíme studené kostky ve sklenici džusu nebo rozlehlé rozlohy zmrzlé Antarktidy. Sníh je lidmi vnímán jako zvláštní jev, což se zdá býtnesouvisí s vodou. Ale ve skutečnosti jde o stejný led, pouze zmrzlý v určitém pořadí, které určuje tvar. Říká se, že na celém širém světě neexistují dvě stejné sněhové vločky. Vědec z USA se pustil do věci vážně a určil podmínky pro získání těchto šestiúhelníkových krásek požadovaného tvaru. Jeho laboratoř může dokonce poskytnout sněhovou vánici na kůži sponzorované zákazníky. Mimochodem, kroupy, stejně jako sníh, jsou výsledkem velmi kuriózního procesu krystalizace – z páry, nikoli z vody. Zpětná přeměna pevného tělesa okamžitě na plynný agregát se nazývá sublimace.
Jednotlivé krystaly a polykrystaly
Všichni viděli v zimě na skle v autobuse ledové vzory. Vznikají proto, že uvnitř transportu je teplota nad nulou Celsia. A kromě toho mnoho lidí, kteří vydechují spolu se vzduchem z lehkých par, poskytuje zvýšenou vlhkost. Ale sklo (nejčastěji tenké jednoduché) má okolní teplotu, tedy zápornou. Vodní pára, která se dotýká jejího povrchu, velmi rychle ztrácí teplo a přechází do pevného skupenství. Jeden krystal se lepí na druhý, každý následující tvar je mírně odlišný od předchozího a krásné asymetrické vzory rychle rostou. Toto je příklad polykrystalů. „Poly“je z latinského „mnoho“. V tomto případě je řada mikročástí spojena do jediného celku. Jakýkoli kovový výrobek je také nejčastěji polykrystal. Ale dokonalá forma přírodního hranolu křemene je monokrystal. Ve své struktuře nikdo nenajde nedostatky a mezery, zatímco v polykrystalických objemech směručásti jsou uspořádány náhodně a navzájem nesouhlasí.
Smartphone a dalekohled
V moderní technologii jsou však často vyžadovány absolutně čisté monokrystaly. Například téměř každý smartphone obsahuje ve svých útrobách křemíkový paměťový prvek. Ani jeden atom v celém tomto objemu by neměl být přemístěn ze svého ideálního umístění. Každý musí zaujmout své místo. V opačném případě se na výstupu místo fotografie objeví zvuky a pravděpodobně nepříjemné.
V dalekohledech potřebují přístroje pro noční vidění také dostatečně objemné monokrystaly, které přeměňují infračervené záření na viditelné. Existuje několik způsobů, jak je pěstovat, ale každý vyžaduje zvláštní péči a ověřené výpočty. Jak se získávají monokrystaly, vědci pochopili z fázových diagramů stavu, to znamená, že se dívají na graf tání a krystalizace látky. Nakreslit takový obrázek je obtížné, a proto materiáloví vědci oceňují zejména vědce, kteří se rozhodnou zjistit všechny podrobnosti takového grafu.
