Šajā rakstā ir paskaidrots, kas ir kristalizācija un kausēšana. Izmantojot dažādu ūdens agregācijas stāvokļu piemēru, ir izskaidrots, cik daudz siltuma nepieciešams sasalšanai un atkausēšanai un kāpēc šīs vērtības atšķiras. Parādīta atšķirība starp polikristāliem un vienkristāliem, kā arī pēdējo ražošanas sarežģītība.
Pāreja uz citu apkopoto stāvokli
Parasts cilvēks reti kad par to domā, bet dzīve tādā līmenī, kādā tā pastāv tagad, bez zinātnes nebūtu iespējama. Kurš? Jautājums nav viegls, jo daudzi procesi notiek vairāku disciplīnu krustpunktā. Parādības, kurām ir grūti precīzi definēt zinātnes jomu, ir kristalizācija un kušana. Šķiet, nu, kas te tik sarežģīts: bija ūdens - bija ledus, bija metāla lode - bija šķidra metāla peļķe. Tomēr nav precīzu mehānismu pārejai no viena agregācijas stāvokļa uz citu. Fiziķi iekļūst džungļos arvien dziļāk, taču joprojām nevar precīzi paredzēt, kurā brīdī sāksies ķermeņu kušana un kristalizācija.izrādās.
Ko mēs zinām
Kaut kas cilvēce joprojām zina. Kušanas un kristalizācijas temperatūras ir diezgan viegli nosakāmas empīriski. Bet pat šeit viss nav tik vienkārši. Ikviens zina, ka ūdens kūst un sasalst pie nulles grādiem pēc Celsija. Tomēr ūdens parasti nav tikai kāda teorētiska konstrukcija, bet gan konkrēts tilpums. Neaizmirstiet, ka kušanas un kristalizācijas process nenotiek acumirklī. Ledus kubs sāk kust nedaudz pirms precīzi nulles grādu sasniegšanas, ūdens glāzē pārklājas ar pirmajiem ledus kristāliem temperatūrā, kas ir nedaudz virs šīs skalas atzīmes.
Siltuma emisija un absorbcija, pārejot uz citu agregācijas stāvokli
Cietvielu kristalizāciju un kušanu pavada noteikti termiskie efekti. Šķidrā stāvoklī molekulas (vai dažreiz atomi) nav ļoti cieši saistītas. Šī iemesla dēļ tiem piemīt "plūstamības" īpašība. Kad ķermenis sāk zaudēt siltumu, atomi un molekulas sāk apvienoties tiem ērtākajā struktūrā. Tādā veidā notiek kristalizācija. Bieži vien tas ir atkarīgs no ārējiem apstākļiem, vai no viena oglekļa tiks iegūts grafīts, dimants vai fullerēns. Tātad ne tikai temperatūra, bet arī spiediens ietekmē kristalizācijas un kušanas norisi. Tomēr, lai pārtrauktu stingras kristāliskās struktūras saites, ir nepieciešams nedaudz vairāk enerģijas un līdz ar to arī siltuma daudzuma, nekā to radīšanai. Tādējādiviela tādos pašos procesa apstākļos sasalst ātrāk nekā izkusīs. Šo parādību sauc par latento siltumu un atspoguļo iepriekš aprakstīto atšķirību. Atgādiniet, ka latentam siltumam nav nekāda sakara ar siltumu kā tādu, un tas atspoguļo siltuma daudzumu, kas nepieciešams kristalizācijai un kušanai.
Skaļuma izmaiņas, pārejot uz citu apkopošanas stāvokli
Kā jau minēts, obligāciju daudzums un kvalitāte šķidrā un cietā stāvoklī atšķiras. Šķidrajam stāvoklim ir nepieciešams vairāk enerģijas, tāpēc atomi pārvietojas ātrāk, pastāvīgi lecot no vienas vietas uz otru un veidojot pagaidu saites. Tā kā daļiņu svārstību amplitūda ir lielāka, šķidrums arī aizņem lielāku tilpumu. Kamēr cietā ķermenī saites ir stingras, katrs atoms svārstās ap vienu līdzsvara pozīciju, tas nespēj atstāt savu pozīciju. Šī struktūra aizņem mazāk vietas. Tātad vielu kušanu un kristalizāciju pavada tilpuma izmaiņas.
Ūdens kristalizācijas un kušanas pazīmes
Tik izplatīts un mūsu planētai svarīgs šķidrums kā ūdens, iespējams, nav nejaušība, ka tam ir liela nozīme gandrīz visu dzīvo būtņu dzīvē. Iepriekš aprakstīta atšķirība starp siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai notiktu kristalizācija un kušana, kā arī tilpuma izmaiņas, mainot agregācijas stāvokli. Izņēmums no abiem noteikumiem ir ūdens. Dažādu molekulu ūdeņradis, pat šķidrā stāvoklī, īsu laiku apvienojas, veidojot vāju, bet tomēr nenulles ūdeņraža saite. Tas izskaidro šī universālā šķidruma neticami lielo siltuma jaudu. Jāņem vērā, ka šīs saites netraucē ūdens plūsmu. Bet to loma sasalšanas (citiem vārdiem sakot, kristalizācijas) laikā paliek neskaidra līdz galam. Tomēr jāatzīst, ka tādas pašas masas ledus aizņem lielāku tilpumu nekā šķidrs ūdens. Šis fakts rada lielu kaitējumu komunālajiem pakalpojumiem un rada daudz problēmu cilvēkiem, kas tos apkalpo.
Šādi ziņojumi ziņās parādās vairāk nekā vienu vai divas reizes. Ziemā kāda nomaļas apdzīvotas vietas katlumājā notikusi avārija. Puteņa, ledus vai stipra sala dēļ mums nebija laika piegādāt degvielu. Radiatoriem un krāniem piegādātais ūdens pārtrauca sildīšanu. Ja tas netiek laikus iztukšots, atstājot sistēmu vismaz daļēji tukšu un, vēlams, pilnīgi sausu, tā sāk sasniegt apkārtējās vides temperatūru. Visbiežāk diemžēl šajā laikā ir smagas sals. Un ledus lauž caurules, atstājot cilvēkus bez izredzes uz komfortablu dzīvi turpmākajos mēnešos. Tad, protams, avārija tiek likvidēta, ārkārtējo situāciju ministrijas brašie darbinieki, izlaužoties cauri putenim, ar helikopteru izmet tur vairākas tonnas kāroto ogļu, un nelaimīgie santehniķi bargajā aukstumā visu diennakti maina caurules.
Sniegs un sniegpārslas
Kad mēs domājam par ledu, mēs visbiežāk domājam par aukstiem kubiņiem sulas glāzē vai plašiem sasalušu Antarktīdas plašumiem. Sniega cilvēki uztver kā īpašu parādību, kas, šķiet, irnav saistīts ar ūdeni. Bet patiesībā tas ir tas pats ledus, tikai sasalis noteiktā secībā, kas nosaka formu. Viņi saka, ka visā plašajā pasaulē nav divu vienādu sniegpārslu. Zinātnieks no ASV nopietni ķērās pie lietas un noteica nosacījumus, lai iegūtu šīs vēlamās formas sešstūra daiļavas. Viņa laboratorija var pat nodrošināt sniegpārslu puteni no klientu sponsorētas ādas. Starp citu, krusa, tāpat kā sniegs, ir ļoti ziņkārīga kristalizācijas procesa rezultāts - no tvaika, nevis no ūdens. Cieta ķermeņa apgriezto pārveidošanu uzreiz gāzveida agregātā sauc par sublimāciju.
Atsevišķi kristāli un polikristāli
Ziemā autobusā visi redzēja ledus rakstus uz stikla. Tie veidojas, jo transportā temperatūra ir virs nulles pēc Celsija. Un turklāt daudzi cilvēki, izelpojot kopā ar gaisu no viegliem tvaikiem, nodrošina paaugstinātu mitrumu. Bet stiklam (visbiežāk plānam vienam) ir apkārtējās vides temperatūra, tas ir, negatīva. Ūdens tvaiki, pieskaroties tā virsmai, ļoti ātri zaudē siltumu un pārvēršas cietā stāvoklī. Viens kristāls pielīp pie cita, katra nākamā forma nedaudz atšķiras no iepriekšējās, un skaisti asimetriskie raksti aug strauji. Šis ir polikristālu piemērs. "Poly" ir no latīņu vārda "daudz". Šajā gadījumā vairākas mikrodaļas tiek apvienotas vienā veselumā. Jebkurš metāla izstrādājums arī visbiežāk ir polikristāls. Bet ideālā kvarca dabiskās prizmas forma ir viens kristāls. Tā struktūrā neviens neatradīs trūkumus un nepilnības, savukārt virziena polikristāliskajos apjomosdaļas ir sakārtotas nejauši un nesaskan viena ar otru.
Viedtālrunis un binokļi
Bet mūsdienu tehnoloģijās bieži vien ir nepieciešami absolūti tīri monokristāli. Piemēram, gandrīz jebkura viedtālruņa zarnās ir silīcija atmiņas elements. Nevienu atomu visā šajā tilpumā nevajadzētu pārvietot no ideālās atrašanās vietas. Katram jāieņem sava vieta. Pretējā gadījumā fotoattēla vietā izejā būs skaņas un, visticamāk, nepatīkamas.
Binoklī nakts redzamības ierīcēm ir nepieciešami arī pietiekami apjomīgi monokristāli, kas infrasarkano starojumu pārvērš redzamā. Ir vairāki veidi, kā tos audzēt, taču katram ir nepieciešama īpaša piesardzība un pārbaudīti aprēķini. Kā tiek iegūti monokristāli, zinātnieki saprot no stāvokļa fāzu diagrammām, tas ir, skatās uz vielas kušanas un kristalizācijas grafiku. Uzzīmēt šādu attēlu ir grūti, tāpēc materiālu zinātnieki īpaši novērtē zinātniekus, kuri nolemj noskaidrot visas šāda grafika detaļas.
