Este artigo explica o que são cristalização e fusão. Usando o exemplo de vários estados de agregação da água, explica-se quanto calor é necessário para congelar e descongelar e por que esses valores são diferentes. A diferença entre policristais e monocristais é mostrada, bem como a complexidade de fabricação do último.
Transição para outro estado agregado
Uma pessoa comum raramente pensa sobre isso, mas a vida no nível em que existe agora seria impossível sem a ciência. Qual deles? A questão não é fácil, pois muitos processos ocorrem na intersecção de várias disciplinas. Fenômenos para os quais é difícil definir o campo da ciência com precisão são a cristalização e a fusão. Parece, bem, o que é tão complicado aqui: havia água - havia gelo, havia uma bola de metal - havia uma poça de metal líquido. No entanto, não existem mecanismos exatos para a transição de um estado de agregação para outro. Os físicos estão se aprofundando cada vez mais na selva, mas ainda não é possível prever exatamente em que ponto o derretimento e a cristalização dos corpos começarão.acontece.
O que sabemos
Algo que a humanidade ainda sabe. As temperaturas de fusão e cristalização são facilmente determinadas empiricamente. Mas mesmo aqui tudo não é tão simples. Todo mundo sabe que a água derrete e congela a zero graus Celsius. No entanto, a água geralmente não é apenas uma construção teórica, mas um volume específico. Não esqueça que o processo de fusão e cristalização não é instantâneo. O cubo de gelo começa a derreter um pouco antes de atingir exatamente zero graus, a água no copo é coberta com os primeiros cristais de gelo a uma temperatura um pouco acima dessa marca na escala.
Emissão e absorção de calor durante a transição para outro estado de agregação
A cristalização e a fusão de sólidos são acompanhadas por certos efeitos térmicos. No estado líquido, as moléculas (ou, às vezes, os átomos) não estão muito unidas. Por causa disso, eles têm a propriedade de "fluidez". Quando o corpo começa a perder calor, átomos e moléculas começam a se combinar na estrutura que é mais conveniente para eles. É assim que ocorre a cristalização. Muitas vezes depende das condições externas se grafite, diamante ou fulereno serão obtidos a partir do mesmo carbono. Portanto, não apenas a temperatura, mas também a pressão afetam como a cristalização e a fusão irão ocorrer. No entanto, para quebrar as ligações de uma estrutura cristalina rígida, é preciso um pouco mais de energia e, portanto, a quantidade de calor, do que criá-las. Por isso,a substância irá congelar mais rápido do que derreter, sob as mesmas condições de processo. Este fenômeno é chamado de calor latente e reflete a diferença descrita acima. Lembre-se de que o calor latente não tem nada a ver com o calor como tal e reflete a quantidade de calor necessária para que ocorra a cristalização e a fusão.
Mudança de volume na transição para outro estado de agregação
Como já mencionado, a quantidade e a qualidade das ligações no estado líquido e sólido são diferentes. O estado líquido requer mais energia, por isso os átomos se movem mais rápido, pulando constantemente de um lugar para outro e criando ligações temporárias. Como a amplitude das oscilações das partículas é maior, o líquido também ocupa um volume maior. Enquanto em um corpo sólido as ligações são rígidas, cada átomo oscila em torno de uma posição de equilíbrio, é incapaz de sair de sua posição. Esta estrutura ocupa menos espaço. Assim, a fusão e a cristalização das substâncias são acompanhadas por uma mudança de volume.
Características de cristalização e fusão da água
Um líquido tão comum e importante para o nosso planeta como a água, talvez não seja por acaso que desempenha um grande papel na vida de quase todos os seres vivos. A diferença entre a quantidade de calor necessária para que ocorra a cristalização e a fusão, bem como a mudança de volume ao mudar o estado de agregação, foi descrita acima. Alguma exceção a ambas as regras é a água. O hidrogênio de diferentes moléculas, mesmo no estado líquido, combina-se por um curto período de tempo, formando um fraco, mas ainda nãoligação de hidrogênio zero. Isso explica a capacidade de calor incrivelmente alta desse fluido universal. Deve-se notar que essas ligações não interferem no fluxo de água. Mas seu papel durante o congelamento (em outras palavras, a cristalização) permanece obscuro até o fim. No entanto, deve-se reconhecer que o gelo da mesma massa ocupa mais volume do que a água líquida. Este fato causa muitos danos aos serviços públicos e causa muitos problemas para as pessoas que os atendem.
Tais mensagens aparecem nas notícias mais de uma ou duas vezes. No inverno, ocorreu um acidente na casa de caldeiras de algum assentamento remoto. Devido a nevascas, gelo ou geadas severas, não tivemos tempo de entregar combustível. A água fornecida aos radiadores e torneiras parou de aquecer. Se não for drenado a tempo, deixando o sistema pelo menos parcialmente vazio, e de preferência completamente seco, começa a adquirir temperatura ambiente. Na maioria das vezes, infelizmente, neste momento há geadas severas. E o gelo quebra os canos, deixando as pessoas sem chance de uma vida confortável nos próximos meses. Então, é claro, o acidente é eliminado, os valentes funcionários do Ministério de Situações de Emergência, rompendo a nevasca, jogam várias toneladas de carvão cobiçado lá de helicóptero, e os desafortunados encanadores trocam canos o tempo todo no frio intenso.
Neve e flocos de neve
Quando pensamos em gelo, geralmente pensamos em cubos frios em um copo de suco ou em vastas extensões da Antártica congelada. A neve é percebida pelas pessoas como um fenômeno especial, que parece sernão relacionado à água. Mas na verdade é o mesmo gelo, apenas congelado em uma certa ordem que determina a forma. Dizem que não existem dois flocos de neve idênticos em todo o mundo. Um cientista dos EUA levou a sério os negócios e determinou as condições para obter essas belezas hexagonais da forma desejada. Seu laboratório pode até fornecer uma nevasca de floco de neve de uma skin patrocinada pelo cliente. A propósito, o granizo, como a neve, é o resultado de um processo muito curioso de cristalização - do vapor, não da água. A transformação reversa de um corpo sólido imediatamente em um agregado gasoso é chamada de sublimação.
Cristais e policristais
Todo mundo viu padrões de gelo no vidro do ônibus no inverno. Eles são formados porque dentro do transporte a temperatura está acima de zero Celsius. E, além disso, muitas pessoas, exalando junto com o ar de vapores leves, proporcionam maior umidade. Mas o vidro (na maioria das vezes fino único) tem uma temperatura ambiente, ou seja, negativa. O vapor de água, tocando sua superfície, perde calor muito rapidamente e se transforma em estado sólido. Um cristal gruda no outro, cada forma sucessiva é ligeiramente diferente da anterior, e belos padrões assimétricos crescem rapidamente. Este é um exemplo de policristais. "Poli" vem do latim "muitos". Nesse caso, várias micropartes são combinadas em um único todo. Qualquer produto de metal também é mais frequentemente um policristal. Mas a forma perfeita do prisma natural de quartzo é um único cristal. Em sua estrutura, ninguém encontrará falhas e lacunas, enquanto em volumes policristalinos da direçãoas partes são dispostas aleatoriamente e não concordam entre si.
Smartphone e binóculos
Mas na tecnologia moderna, cristais únicos absolutamente puros são frequentemente necessários. Por exemplo, quase qualquer smartphone contém um elemento de memória de silício em suas entranhas. Nem um único átomo neste volume inteiro deve ser movido de sua localização ideal. Cada um deve tomar seu lugar. Caso contrário, em vez de uma foto, você obterá sons na saída e, provavelmente, desagradáveis.
Nos binóculos, os dispositivos de visão noturna também precisam de monocristais suficientemente volumosos que convertam a radiação infravermelha em visível. Existem várias maneiras de cultivá-las, mas cada uma requer cuidados especiais e cálculos verificados. Como os cristais únicos são obtidos, os cientistas entendem a partir de diagramas de fase de estado, ou seja, eles observam o gráfico de fusão e cristalização de uma substância. Desenhar tal imagem é difícil, e é por isso que os cientistas de materiais apreciam especialmente os cientistas que decidem descobrir todos os detalhes de tal gráfico.
