Кристалізація і плавлення: графік зміни агрегатного стану речовини

Дана стаття розповідає, що таке кристалізація і плавлення. На прикладі різних агрегатних станів води пояснюється, скільки потрібно тепла на заморозку і відтавання і чому ці величини різні. Показуються різниця між полі- і монокристалами, а також складність виготовлення останніх.

Перехід в інший агрегатний стан

Звичайна людина замислюється про це рідко, але життя на тому рівні, на якому вона існує зараз, була б неможлива без науки. Який саме? Питання непросте, адже багато процесів відбуваються на стику декількох дисциплін. Явищами, для яких точно визначити область науки важко, є кристалізація і плавлення. Здавалося б, ну що тут складного: була вода - став лід, був металева кулька - стала калюжа рідкого металу. Однак точні механізми переходу з одного агрегатного стану в інше відсутні. Фізики залазять все глибше в нетрі, але точно передбачити, коли саме почнуться плавлення і кристалізація тіл, до сих пір не виходить.

Що нам відомо

Дещо людство все-таки знає. Температура плавлення і кристалізації досить легко визначається емпірично. Але і тут все не так просто. Всі знають, що вода тане і замерзає при нулі градусів Цельсія. Однак вода зазвичай не просто якийсь теоретичний конструкт, а конкретний обсяг. Не варто забувати і те, що процес плавлення і кристалізації не миттєво. Кубик льоду починає плавитися трохи раніше, ніж досягає рівно нуля градусів, вода в склянці покривається першими крижаними кристалами при температурі, яка трохи перевищує цю позначку на шкалі.

Виділення і поглинання тепла при переході в інший агрегатний стан

Кристалізація і плавлення твердих тіл супроводжуються певними термічними ефектами. У рідкому стані молекули (або іноді атоми) пов`язані між собою не дуже міцно. Саме завдяки цьому вони мають властивість «плинності». Коли тіло починає втрачати тепло, атоми і молекули починають об`єднуватися в найбільш зручну їм структуру. Таким чином відбувається кристалізація. Найчастіше від зовнішніх умов залежить, вийде з одного і того ж вуглецю графіт, алмаз або фуллерен. Так що не тільки температура, але і тиск впливає на те, як будуть протікати кристалізація і плавлення. Однак, щоб зруйнувати зв`язки жорсткої кристалічної структури, потрібно трохи більше енергії, а значить, і кількості тепла, ніж на те, щоб їх створити. Таким чином, речовина буде замерзати швидше, ніж плавитися, при однакових умовах процесів. Це явище носить назву прихованої теплоти і відображає описану вище різницю. Нагадаємо, що прихована теплота не має відношення до тепла як такого і відображає кількість теплоти, необхідне для того, щоб відбулися кристалізація і плавлення.

Зміна обсягу при переході в інший агрегатний стан

Як уже згадувалося, кількість і якість зв`язків в рідкому і твердому стані відрізняються. Для рідкого стану потрібна велика енергія, отже, атоми рухаються швидше, постійно перескакуючи з одного місця на інше і створюючи тимчасові зв`язку. Так як амплітуда коливань частинок більше, то і рідина займає більший обсяг. Тоді як в твердому тілі зв`язку жорсткі, кожен атом коливається близько одного положення рівноваги, він не в силах покинути свою позицію. Така структура займає менше місця. Так що плавлення і кристалізація речовин супроводжуються зміною обсягу.

Особливості кристалізації і плавлення води

Така поширена і важлива для нашої планети рідина, як вода, можливо, не випадково відіграє велику роль в житті практично всіх живих істот. Вище описана різниця між кількістю теплоти, яке потрібно для того, щоб відбулися кристалізація і плавлення, а також зміна обсягу при зміні агрегатного стану. Певний виняток з обох правил становить вода. Водень різних молекул навіть в рідкому стані з`єднується ненадовго, утворюючи слабку, але все-таки не нульову водневу зв`язок. Таким чином пояснюється неймовірно велика теплоємність цієї універсальної рідини. Варто відзначити, що плинності води ці зв`язки не заважають. А ось їх роль при замерзанні (іншими словами, кристалізації) до кінця залишається нез`ясованою. Однак слід визнати: лід тієї ж маси займає більше обсягу, ніж рідка вода. Цей факт заподіює чимало шкоди комунальних мереж і доставляє багато проблем обслуговуючим їх людям.

Відео: Плавлення і затвердіння кристалічних тіл

Не раз і не два в новинах миготять подібні повідомлення. Взимку на котельні якогось віддаленого населеного пункту сталася аварія. Через завірюхи, ожеледиці або сильних морозів не встигли підвезти паливо. Вода, що подається в батареї опалення і крани, перестала нагріватися. Якщо її вчасно не злити, залишивши систему хоча б частково порожній, а краще взагалі сухий, вона починає набувати температуру навколишнього середовища. Найчастіше, як на зло, в цей час стоять сильні морози. І лід рве труби, залишаючи людей без шансу на комфортне життя в найближчі місяці. Потім, звичайно, аварію усувають, доблесні співробітники МНС, прориваючись крізь пургу, закидають туди на вертольоті кілька тонн жаданого вугілля, а нещасні сантехніки в люту холоднечу цілодобово міняють труби.

Сніг і сніжинки

Представляючи собі лід, ми найчастіше думаємо про холодних кубиках в келиху з соком або величезних просторах замороженої Антарктиди. Сніг сприймається людьми як особливе явище, яке начебто і не пов`язане з водою. Але насправді це той же лід, тільки замерзлий в певному порядку, який визначає форму. Кажуть, двох однакових сніжинок на всьому білому світі не існує. Вчений з США всерйоз взявся за справу і визначив умови отримання цих шестигранних красунь потрібної форми. Його лабораторія навіть може забезпечити заметіль з сніжинок сплаченого клієнтом вигляду. До речі кажучи, град, як і сніг, є результатом дуже цікавого процесу кристалізації - з пара, а не з води. Зворотне перетворення твердого тіла відразу в газоподібний агрегат називається сублімацією.

Монокристали і полікристали

Всі бачили взимку крижані візерунки на склі в автобусі. Вони утворюються від того, що всередині транспорту температура вище нуля за Цельсієм. Та до того ж багато людей, видихаючи разом з повітрям з легких пар, забезпечують підвищену вологість. А ось скло (найчастіше тонке одинарне) має температуру навколишнього середовища, тобто негативну. Водяна пара, торкаючись його поверхні, дуже швидко втрачає тепло і переходить в твердий стан. Один кристалик прилипає до іншого, у кожного наступного форма злегка відрізняється від попереднього, і швидко ростуть красиві асиметричні візерунки. Це приклад полікристалів. "Полі" - Від латинського «багато». В даному випадку деяка кількість мікрочастей об`єднується в єдине ціле. Будь-яке металевий виріб - теж найчастіше поликристалл. А ось досконалої форми природна призма кварцу - це монокристал. У його структурі ніхто не знайде вад і розривів, тоді як в полікристалічних обсягах напрямки частин розташовані хаотично і ніяк не узгоджуються один з одним.

Смартфон і бінокль

Відео: Питома теплота плавлення

А ось в сучасній техніці часто потрібні абсолютно чисті монокристали. Наприклад, практично будь-який смартфон містить в своїх надрах кремнієвий елемент пам`яті. Жоден атом у всьому цьому обсязі не повинен бути зміщений щодо ідеального розташування. Кожен повинен займати своє місце. Інакше замість фотографії ви отримаєте на виході звуки, причому, швидше за все, неприємні.

У біноклях, приладах нічного бачення теж потрібні досить об`ємні монокристали, які перетворять інфрачервоне випромінювання в видиме. Способів їх вирощування кілька, але кожен потребує особливої ретельності і вивірених розрахунків. Яким чином виходять монокристали, вчені розуміють з фазових діаграм стану, тобто дивляться на графік плавлення і кристалізації речовини. Скласти таку картинку важко, тому матеріалознавці особливо цінують вчених, які вирішили з`ясувати всі подробиці такого графіка.