Кристаллизация и плавление: график изменения агрегатного состояния вещества

Данная статья рассказывает, что такое кристаллизация и плавление. На примере различных агрегатных состояний воды объясняется, сколько требуется тепла на заморозку и оттаивание и почему эти величины различны. Показываются разница между поли- и монокристаллами, а также сложность изготовления последних.

Переход в другое агрегатное состояние

Обычный человек задумывается об этом редко, но жизнь на том уровне, на котором она существует сейчас, была бы невозможна без науки. Какой именно? Вопрос непростой, ведь многие процессы происходят на стыке нескольких дисциплин. Явлениями, для которых точно определить область науки затруднительно, являются кристаллизация и плавление. Казалось бы, ну что здесь сложного: была вода – стал лед, был металлический шарик – стала лужа жидкого металла. Однако точные механизмы перехода из одного агрегатного состояния в другое отсутствуют. Физики залезают все глубже в дебри, но точно предсказать, в какой момент начнутся плавление и кристаллизация тел, до сих пор не получается.

Что нам известно

Кое-что человечество все-таки знает. Температура плавления и кристаллизации достаточно легко определяется эмпирически. Но и тут все не так просто. Все знают, что вода тает и замерзает при нуле градусов Цельсия. Однако вода обычно не просто некий теоретический конструкт, а конкретный объем. Не стоит забывать и то, что процесс плавления и кристаллизации не мгновенный. Кубик льда начинает плавиться чуть раньше, чем достигает ровно ноля градусов, вода в стакане покрывается первыми ледяными кристаллами при температуре, которая чуть-чуть превышает эту отметку на шкале.

Выделение и поглощение тепла при переходе в другое агрегатное состояние

Кристаллизация и плавление твердых тел сопровождаются определенными термическими эффектами. В жидком состоянии молекулы (или иногда атомы) связаны между собой не очень крепко. Именно благодаря этому они обладают свойством «текучести». Когда тело начинает терять тепло, атомы и молекулы начинают объединяться в наиболее удобную им структуру. Таким образом происходит кристаллизация. Зачастую от внешних условий зависит, получится из одного и того же углерода графит, алмаз или фуллерен. Так что не только температура, но и давление влияет на то, как будут протекать кристаллизация и плавление. Однако, чтобы разрушить связи жесткой кристаллической структуры, требуется немного больше энергии, а значит, и количества тепла, чем на то, чтобы их создать. Таким образом, вещество будет замерзать быстрее, чем плавиться, при одинаковых условиях процессов. Это явление носит название скрытой теплоты и отражает описанную выше разницу. Напомним, что скрытая теплота не имеет отношения к теплу как таковому и отражает количество теплоты, необходимое для того, чтобы произошли кристаллизация и плавление.

Изменение объема при переходе в другое агрегатное состояние

Как уже упоминалось, количество и качество связей в жидком и твердом состоянии отличаются. Для жидкого состояния требуется большая энергия, следовательно, атомы движутся быстрее, постоянно перескакивая с одного места на другое и создавая временные связи. Так как амплитуда колебаний частиц больше, то и жидкость занимает больший объем. Тогда как в твердом теле связи жесткие, каждый атом колеблется около одного положения равновесия, он не в силах покинуть свою позицию. Такая структура занимает меньше места. Так что плавление и кристаллизация веществ сопровождаются изменением объема.

Особенности кристаллизации и плавления воды

Такая распространенная и важная для нашей планеты жидкость, как вода, возможно, неслучайно играет большую роль в жизни практически всех живых существ. Выше описана разница между количеством теплоты, которое требуется для того, чтобы произошли кристаллизация и плавление, а также изменение объема при смене агрегатного состояния. Некоторое исключение из обоих правил составляет вода. Водород разных молекул даже в жидком состоянии соединяется ненадолго, образуя слабую, но все же не нулевую водородную связь. Таким образом объясняется невероятно большая теплоемкость этой универсальной жидкости. Стоит отметить, что текучести воды эти связи не мешают. А вот их роль при замерзании (иными словами, кристаллизации) до конца остается невыясненной. Однако следует признать: лед той же массы занимает больше объема, чем жидкая вода. Этот факт причиняет немало ущерба коммунальным сетям и доставляет много проблем обслуживающим их людям.

Не раз и не два в новостях мелькают подобные сообщения. Зимой на котельной какого-нибудь удаленного населенного пункта произошла авария. Из-за метелей, гололеда или сильных морозов не успели подвезти топливо. Вода, подаваемая в батареи отопления и краны, перестала нагреваться. Если ее вовремя не слить, оставив систему хотя бы частично пустой, а лучше вообще сухой, она начинает приобретать температуру окружающей среды. Чаще всего, как назло, в это время стоят сильные морозы. И лед рвет трубы, оставляя людей без шанса на комфортную жизнь в ближайшие месяцы. Потом, конечно, аварию устраняют, доблестные сотрудники МЧС, прорываясь сквозь пургу, забрасывают туда на вертолете несколько тонн вожделенного угля, а несчастные сантехники в лютую стужу круглосуточно меняют трубы.

Снег и снежинки

Представляя себе лед, мы чаще всего думаем о холодных кубиках в бокале с соком или огромных пространствах замороженной Антарктиды. Снег воспринимается людьми как особенное явление, которое вроде бы и не связано с водой. Но на самом деле это тот же лед, только замерзший в определенном порядке, который определяет форму. Говорят, двух одинаковых снежинок на всем белом свете не существует. Ученый из США всерьез взялся за дело и определил условия получения этих шестигранных красавиц нужной формы. Его лаборатория даже может обеспечить метель из снежинок оплаченного клиентом облика. Кстати говоря, град, как и снег, является результатом весьма любопытного процесса кристаллизации – из пара, а не из воды. Обратное превращение твердого тела сразу в газообразный агрегат называется сублимацией.

Монокристаллы и поликристаллы

Все видели зимой ледяные узоры на стекле в автобусе. Они образуются оттого, что внутри транспорта температура выше нуля по Цельсию. Да к тому же много людей, выдыхая вместе с воздухом из легких пар, обеспечивают повышенную влажность. А вот стекло (чаще всего тонкое одинарное) имеет температуру окружающей среды, то есть отрицательную. Водяной пар, касаясь его поверхности, очень быстро теряет тепло и переходит в твердое состояние. Один кристаллик прилипает к другому, у каждого следующего форма слегка отличается от предыдущего, и быстро растут красивые асимметричные узоры. Это пример поликристаллов. "Поли" – от латинского «много». В данном случае некоторое количество микрочастей объединяется в единое целое. Любое металлическое изделие - тоже чаще всего поликристалл. А вот совершенной формы природная призма кварца – это монокристалл. В его структуре никто не найдет изъянов и разрывов, тогда как в поликристаллических объемах направления частей расположены хаотично и никак не согласуются друг с другом.

Смартфон и бинокль

А вот в современной технике зачастую требуются абсолютно чистые монокристаллы. Например, практически любой смартфон содержит в своих недрах кремниевый элемент памяти. Ни один атом во всем этом объеме не должен быть сдвинут относительно идеального расположения. Каждый должен занимать свое место. Иначе вместо фотографии вы получите на выходе звуки, причем, скорее всего, неприятные.

В биноклях, приборах ночного видения тоже нужны достаточно объемные монокристаллы, которые преобразуют инфракрасное излучение в видимое. Способов их выращивания несколько, но каждый требует особенной тщательности и выверенных расчетов. Каким образом получаются монокристаллы, ученые понимают из фазовых диаграмм состояния, то есть смотрят на график плавления и кристаллизации вещества. Составить такую картинку трудно, поэтому материаловеды особенно ценят ученых, которые решили выяснить все подробности такого графика.