Бұл мақалада кристалдану мен балқудың не екені түсіндіріледі. Судың агрегациясының әртүрлі күйлерінің мысалын қолдана отырып, мұздату және еріту үшін қанша жылу қажет және бұл мәндердің неге әртүрлі екендігі түсіндіріледі. Поли- және монокристалдар арасындағы айырмашылық, сондай-ақ соңғысын жасаудың күрделілігі көрсетілген.
Басқа жиынтық күйге көшу
Қарапайым адам бұл туралы сирек ойлайды, бірақ ғылымсыз ол қазіргі деңгейде өмір сүру мүмкін емес еді. Дәл қайсысы? Сұрақ оңай емес, өйткені көптеген процестер бірнеше пәндердің қиылысында жүреді. Ғылым саласын дәл анықтау қиын болатын құбылыстар – кристалдану және балқу. Бұл жерде соншалықты күрделі нәрсе бар сияқты: су болды - мұз болды, металл шар болды - сұйық металдың шұңқыры болды. Дегенмен, бір агрегаттық күйден екіншісіне өтудің нақты механизмдері жоқ. Физиктер Джунглиге барған сайын тереңдеп барады, бірақ денелердің балқуы мен кристалдануы қай уақытта басталатынын дәл болжау әлі мүмкін емес.шықты.
Біз не білеміз
Адамзат әлі де білетін нәрсе. Балқу және кристалдану температуралары эмпирикалық түрде оңай анықталады. Бірақ мұнда да бәрі оңай емес. Судың нөл градуста еріп, қатып қалатынын бәрі біледі. Дегенмен, су әдетте кейбір теориялық құрылым емес, белгілі бір көлем болып табылады. Балқу және кристалдану процесі бірден емес екенін ұмытпаңыз. Мұз текшесі дәл нөл градусқа жеткенше сәл ери бастайды, стақандағы су шкаладағы осы белгіден сәл жоғары температурада бірінші мұз кристалдарымен жабылады.
Агрегацияның басқа күйіне өту кезіндегі жылуды шығару және жұту
Қатты заттардың кристалдануы және балқуы белгілі бір термиялық әсерлермен бірге жүреді. Сұйық күйде молекулалар (немесе кейде атомдар) бір-бірімен өте тығыз байланыспайды. Осыған байланысты оларда «сұйықтық» қасиеті бар. Дене жылуды жоғалта бастағанда, атомдар мен молекулалар өздеріне қолайлы құрылымға қосыла бастайды. Кристалдану осылай жүреді. Көбінесе бір көміртектен графит, алмаз немесе фуллерен алынатындығы сыртқы жағдайларға байланысты. Сондықтан тек температура ғана емес, сонымен қатар қысым кристалдану мен балқудың қалай жүретініне әсер етеді. Дегенмен, қатты кристалдық құрылымның байланыстарын үзу үшін оларды құруға қарағанда біршама көп энергия, демек, жылу мөлшері қажет. Осылайша,бірдей процесс жағдайында зат балқымаға қарағанда тезірек қатады. Бұл құбылыс жасырын жылу деп аталады және жоғарыда сипатталған айырмашылықты көрсетеді. Жасырын жылудың жылумен ешқандай байланысы жоқ және кристалдану мен балқу үшін қажетті жылу мөлшерін көрсететінін еске түсіріңіз.
Біріктірудің басқа күйіне өткенде дыбыс деңгейінің өзгеруі
Айтылғандай сұйық және қатты күйдегі байланыстардың саны мен сапасы әртүрлі. Сұйық күй көбірек энергияны қажет етеді, сондықтан атомдар жылдамырақ қозғалады, үнемі бір жерден екінші орынға секіреді және уақытша байланыстар жасайды. Бөлшектердің тербеліс амплитудасы үлкенірек болғандықтан, сұйықтық та үлкен көлемді алады. Қатты денеде байланыстар қатаң болса, әрбір атом бір тепе-теңдік позициясының айналасында тербеледі, ол өз орнын қалдыра алмайды. Бұл құрылым аз орын алады. Сонымен заттардың балқуы мен кристалдануы көлемнің өзгеруімен бірге жүреді.
Судың кристалдану және балқу ерекшеліктері
Біздің планетамыз үшін су сияқты ортақ және маңызды сұйықтық, мүмкін оның барлық дерлік тіршілік иелерінің өмірінде үлкен рөл атқаратыны кездейсоқ емес. Кристалдану мен балқу үшін қажет жылу мөлшерінің, сондай-ақ агрегация күйінің өзгеруі кезіндегі көлемнің өзгеруінің арасындағы айырмашылық жоғарыда сипатталған. Екі ережеден де ерекшелік - су. Әртүрлі молекулалардың сутегі сұйық күйінде болса да аз уақытқа қосылып, әлсіз, бірақ бәрібір емес.нөлдік сутектік байланыс. Бұл әмбебап сұйықтықтың керемет жоғары жылу сыйымдылығын түсіндіреді. Айта кету керек, бұл байланыстар су ағынына кедергі келтірмейді. Бірақ олардың мұздату кезіндегі рөлі (басқаша айтқанда, кристалдану) соңына дейін түсініксіз болып қалады. Дегенмен, бірдей массадағы мұз сұйық суға қарағанда көбірек көлемді алып жатқанын мойындау керек. Бұл факт коммуналдық қызметтерге көп зиян келтіреді және оларға қызмет көрсететін адамдарға көптеген қиындықтар туғызады.
Мұндай хабарламалар жаңалықтарда бір немесе екі рет жиі кездеседі. Қыста шалғайдағы бір елді мекеннің қазандығында апат болды. Боран, көктайғақ немесе қатты аяз салдарынан жанар-жағармай жеткізіп үлгермедік. Радиаторлар мен шүмектерге берілетін су жылынуды тоқтатты. Егер ол уақытында ағызылмаса, жүйені кем дегенде ішінара бос және жақсырақ толығымен құрғақ қалдырса, ол қоршаған орта температурасына ие бола бастайды. Көбінесе, өкінішке орай, осы уақытта қатты аяздар бар. Ал мұз құбырларды бұзып, адамдарды алдағы айларда жайлы өмір сүруге мүмкіндіксіз қалдырады. Сонда, әрине, апат жойылады, Төтенше жағдайлар министрлігінің ержүрек қызметкерлері боранды жарып өтіп, тікұшақпен бірнеше тонна көмір тастайды, ал байғұс сантехниктер қақаған аязда тәулік бойы құбыр ауыстырады.
Қар мен снежинкалар
Мұз туралы ойлағанда, біз көбінесе бір стақан шырынның ішіндегі суық текшелерді немесе мұздатылған Антарктиданың кең аумақтарын елестетеміз. Қарды адамдар ерекше құбылыс ретінде қабылдайды, солай көрінедісуға қатысы жоқ. Бірақ шын мәнінде бұл бірдей мұз, тек пішінді анықтайтын белгілі бір тәртіпте мұздатылған. Олар бүкіл әлемде бірдей екі қар ұшқыны жоқ дейді. АҚШ-тан келген ғалым бизнеске байыппен кірісіп, қалаған пішіндегі алтыбұрышты сұлулықты алудың шарттарын анықтады. Оның зертханасы тіпті тапсырыс берушінің демеушілігімен терінің қар ұшқыны боранын қамтамасыз ете алады. Айтпақшы, бұршақ, қар сияқты, өте қызықты кристалдану процесінің нәтижесі - судан емес, будан. Қатты дененің бірден газ тәрізді агрегатқа кері айналуы сублимация деп аталады.
Модкристалдар және поликристалдар
Барлығы қыста автобуста әйнектен мұз үлгілерін көрді. Олар көлік ішінде температура нөлден жоғары Цельсий болғандықтан пайда болады. Сонымен қатар, көптеген адамдар жеңіл булардан ауамен бірге дем алып, жоғары ылғалдылықты қамтамасыз етеді. Бірақ шыны (көбінесе жұқа жалғыз) қоршаған орта температурасына ие, яғни теріс. Су буы оның бетіне тиіп, өте тез жылуды жоғалтады және қатты күйге айналады. Бір кристал екіншісіне жабысады, әрбір келесі пішін алдыңғысынан сәл ерекшеленеді және әдемі асимметриялық үлгілер тез өседі. Бұл поликристалдардың мысалы. «Поли» латынның «көп» деген сөзінен шыққан. Бұл жағдайда микробөлшектердің саны бір бүтінге біріктіріледі. Кез келген металл өнімі де көбінесе поликристал болып табылады. Бірақ кварцтың табиғи призмасының тамаша түрі - монокристал. Бағыттың поликристалды көлемдерінде оның құрылымында ешкім кемшіліктер мен олқылықтарды таба алмайдыбөлшектер кездейсоқ реттелген және бір-бірімен келіспейді.
Смартфон және бинокль
Бірақ заманауи технологияда жиі таза монокристалдар қажет. Мысалы, кез келген дерлік смартфонның ішектерінде кремний жады элементі бар. Осы көлемдегі бірде-бір атом өзінің идеалды орнынан қозғалмауы керек. Әркім өз орнын алуы керек. Әйтпесе, фотосуреттің орнына сіз шығыста дыбыстарды және, ең алдымен, жағымсыз дыбыстарды аласыз.
Дүрбілерде түнде көру құрылғыларына инфрақызыл сәулені көрінетінге айналдыратын жеткілікті көлемді монокристалдар қажет. Оларды өсірудің бірнеше жолы бар, бірақ олардың әрқайсысы ерекше күтімді және тексерілген есептеулерді қажет етеді. Монокристалдардың қалай алынатынын ғалымдар күйдің фазалық диаграммаларынан түсінеді, яғни заттың балқу және кристалдану графигіне қарайды. Мұндай суретті салу қиын, сондықтан материалтанушылар мұндай графиктің барлық бөлшектерін білуге шешім қабылдаған ғалымдарды ерекше бағалайды.
