Dieser Artikel erklärt, was Kristallisation und Schmelzen sind. Am Beispiel verschiedener Aggregatszustände von Wasser wird erklärt, wie viel Wärme zum Einfrieren und Auftauen benötigt wird und warum diese Werte unterschiedlich sind. Der Unterschied zwischen Poly- und Einkristallen wird gezeigt, sowie die Komplexität der Herstellung der letzteren.
Übergang in einen anderen Aggregatzustand
Ein gewöhnlicher Mensch denkt selten darüber nach, aber das Leben auf der Ebene, auf der es jetzt existiert, wäre ohne Wissenschaft unmöglich. Welcher genau? Die Frage ist nicht einfach, denn viele Prozesse finden an der Schnittstelle mehrerer Disziplinen statt. Phänomene, für die es schwierig ist, das Gebiet der Wissenschaft genau zu definieren, sind Kristallisation und Schmelzen. Es scheint, nun, was ist hier so kompliziert: Da war Wasser - da war Eis, da war eine Metallkugel - da war eine Pfütze aus flüssigem Metall. Es gibt jedoch keine genauen Mechanismen für den Übergang von einem Aggregatzustand in einen anderen. Immer tiefer dringen die Physiker in den Dschungel ein, doch noch ist nicht absehbar, wann genau das Schmelzen und Kristallisieren von Körpern beginnen wird.stellt sich heraus.
Was wir wissen
Etwas, was die Menschheit noch weiß. Die Schmelz- und Kristallisationstemperaturen lassen sich recht einfach empirisch bestimmen. Aber auch hier ist nicht alles so einfach. Jeder weiß, dass Wasser bei null Grad Celsius schmilzt und gefriert. Wasser ist jedoch meist nicht nur ein theoretisches Konstrukt, sondern ein spezifisches Volumen. Vergessen Sie nicht, dass der Prozess des Schmelzens und Kristallisierens nicht sofort erfolgt. Der Eiswürfel beginnt etwas zu schmelzen bevor er genau null Grad erreicht, das Wasser im Glas ist mit den ersten Eiskristallen bedeckt bei einer Temperatur, die knapp über dieser Markierung auf der Skala liegt.
Wärmeabgabe und -aufnahme beim Übergang in einen anderen Aggregatzustand
Kristallisation und Schmelzen von Feststoffen werden von bestimmten thermischen Effekten begleitet. Im flüssigen Zustand sind Moleküle (oder manchmal Atome) nicht sehr fest aneinander gebunden. Aus diesem Grund haben sie die Eigenschaft der "Fließfähigkeit". Wenn der Körper beginnt, Wärme zu verlieren, beginnen sich Atome und Moleküle zu der für sie am besten geeigneten Struktur zu verbinden. So kommt es zur Kristallisation. Oft hängt es von äußeren Bedingungen ab, ob aus dem gleichen Kohlenstoff Graphit, Diamant oder Fulleren gewonnen wird. So beeinflusst nicht nur die Temperatur, sondern auch der Druck, wie Kristallisation und Schmelzen ablaufen. Um jedoch die Bindungen einer starren kristallinen Struktur aufzubrechen, ist etwas mehr Energie und damit Wärme erforderlich, als sie zu erzeugen. Auf diese Weise,Die Substanz gefriert unter den gleichen Prozessbedingungen schneller als sie schmilzt. Dieses Phänomen wird latente Wärme genannt und spiegelt den oben beschriebenen Unterschied wider. Denken Sie daran, dass latente Wärme nichts mit Wärme an sich zu tun hat und die Wärmemenge widerspiegelt, die zum Kristallisieren und Schmelzen erforderlich ist.
Lautstärkeänderung beim Übergang in einen anderen Aggregatzustand
Wie bereits erwähnt, sind Quantität und Qualität von Bindungen im flüssigen und festen Zustand unterschiedlich. Der flüssige Zustand erfordert mehr Energie, daher bewegen sich die Atome schneller, springen ständig von einem Ort zum anderen und bilden vorübergehende Bindungen. Da die Amplitude der Teilchenschwingungen größer ist, nimmt die Flüssigkeit auch ein größeres Volumen ein. Während in einem Festkörper die Bindungen starr sind, schwingt jedes Atom um eine Gleichgewichtslage, es kann seine Lage nicht verlassen. Diese Struktur nimmt weniger Platz ein. Das Schmelzen und Kristallisieren von Stoffen geht also mit einer Volumenänderung einher.
Merkmale der Kristallisation und des Schmelzens von Wasser
So eine gemeinsame und wichtige Flüssigkeit für unseren Planeten wie Wasser, vielleicht ist es kein Zufall, dass es im Leben fast aller Lebewesen eine große Rolle spielt. Der Unterschied zwischen der Wärmemenge, die zum Kristallisieren und Schmelzen erforderlich ist, sowie der Volumenänderung bei Änderung des Aggregatzustands wurde oben beschrieben. Eine Ausnahme von beiden Regeln ist Wasser. Wasserstoff verschiedener Moleküle, auch im flüssigen Zustand, verbindet sich für kurze Zeit zu einer schwachen, aber immer noch nichtNull Wasserstoffbindung. Dies erklärt die unglaublich hohe Wärmekapazität dieser universellen Flüssigkeit. Es ist zu beachten, dass diese Bindungen den Wasserfluss nicht stören. Doch ihre Rolle beim Einfrieren (also Kristallisation) bleibt bis zum Schluss unklar. Es sollte jedoch beachtet werden, dass Eis gleicher Masse mehr Volumen einnimmt als flüssiges Wasser. Diese Tatsache fügt den öffentlichen Versorgungsunternehmen großen Schaden zu und verursacht viele Probleme für die Menschen, die sie bedienen.
Solche Nachrichten erscheinen mehr als ein- oder zweimal in den Nachrichten. Im Winter ereignete sich im Kesselhaus einer abgelegenen Siedlung ein Unfall. Aufgrund von Schneestürmen, Eis oder starkem Frost hatten wir keine Zeit, Treibstoff zu liefern. Das den Heizkörpern und Wasserhähnen zugeführte Wasser hörte auf zu heizen. Wenn es nicht rechtzeitig abgelassen wird und das System zumindest teilweise leer und vorzugsweise vollständig trocken bleibt, beginnt es, Umgebungstemperatur anzunehmen. Leider gibt es zu dieser Zeit meistens starke Fröste. Und das Eis bricht die Rohre und lässt die Menschen in den kommenden Monaten ohne Chance auf ein angenehmes Leben. Dann ist der Unfall natürlich beseitigt, die tapferen Mitarbeiter des Katastrophenschutzministeriums brechen durch den Schneesturm, werfen per Helikopter mehrere Tonnen der begehrten Kohle dorthin, und die unglücklichen Klempner wechseln bei klirrender Kälte rund um die Uhr Rohre.
Schnee und Schneeflocken
Wenn wir an Eis denken, denken wir meistens an k alte Würfel in einem Glas Saft oder an riesige Weiten der gefrorenen Antarktis. Schnee wird von den Menschen als besonderes Phänomen wahrgenommen, was zu sein scheintnichts mit Wasser zu tun. Aber tatsächlich ist es das gleiche Eis, nur in einer bestimmten Reihenfolge gefroren, die die Form bestimmt. Sie sagen, dass es auf der ganzen Welt keine zwei identischen Schneeflocken gibt. Ein Wissenschaftler aus den USA machte sich ernsthaft an die Arbeit und bestimmte die Bedingungen, um diese sechseckigen Schönheiten in der gewünschten Form zu erh alten. Sein Labor kann sogar einen Schneeflocken-Blizzard eines vom Kunden gesponserten Skins liefern. Übrigens ist Hagel wie Schnee das Ergebnis eines sehr merkwürdigen Kristallisationsprozesses - aus Dampf, nicht aus Wasser. Die unmittelbare Rückverwandlung eines festen Körpers in ein gasförmiges Aggregat nennt man Sublimation.
Einkristalle und Polykristalle
Jeder hat im Winter Eismuster auf dem Glas im Bus gesehen. Sie entstehen, weil die Temperatur im Innern des Transportmittels über null Grad Celsius liegt. Außerdem sorgen viele Menschen, die zusammen mit der Luft aus leichten Dämpfen ausatmen, für eine erhöhte Luftfeuchtigkeit. Aber Glas (meistens dünn einzeln) hat eine Umgebungstemperatur, das heißt negativ. Wasserdampf, der seine Oberfläche berührt, verliert sehr schnell Wärme und geht in einen festen Zustand über. Ein Kristall haftet an einem anderen, jede aufeinanderfolgende Form unterscheidet sich geringfügig von der vorherigen, und schöne asymmetrische Muster wachsen schnell. Dies ist ein Beispiel für Polykristalle. „Poly“kommt vom lateinischen „viele“. Dabei werden mehrere Mikroteile zu einem Ganzen kombiniert. Jedes Metallprodukt ist auch meistens ein Polykristall. Aber die perfekte Form des natürlichen Quarzprismas ist ein Einkristall. In seiner Struktur findet niemand Fehler und Lücken, während in polykristallinen Volumen der RichtungTeile sind zufällig angeordnet und stimmen nicht überein.
Smartphone und Fernglas
Aber in der modernen Technik werden oft absolut reine Einkristalle benötigt. Zum Beispiel enthält fast jedes Smartphone ein Silizium-Speicherelement in seinem Darm. Kein einziges Atom in diesem gesamten Volumen sollte von seiner idealen Position bewegt werden. Jeder muss seinen Platz einnehmen. Andernfalls erh alten Sie anstelle eines Fotos Töne am Ausgang, und höchstwahrscheinlich unangenehme.
Nachtsichtgeräte brauchen auch in Ferngläsern ausreichend voluminöse Einkristalle, die Infrarotstrahlung in sichtbares umwandeln. Es gibt mehrere Möglichkeiten, sie anzubauen, aber jede erfordert besondere Sorgf alt und überprüfte Berechnungen. Wie Einkristalle entstehen, verstehen Wissenschaftler aus Phasendiagrammen des Zustands, das heißt, sie betrachten den Graphen des Schmelzens und Kristallisierens einer Substanz. Ein solches Bild zu zeichnen ist schwierig, weshalb Materialwissenschaftler besonders Wissenschaftler schätzen, die sich entschließen, alle Details eines solchen Graphen herauszufinden.
