این مقاله توضیح می دهد که تبلور و ذوب چیست. با استفاده از مثال حالت های مختلف تجمع آب، توضیح داده می شود که برای انجماد و ذوب شدن چه مقدار گرما لازم است و چرا این مقادیر متفاوت هستند. تفاوت بین پلی و تک کریستال و همچنین پیچیدگی ساخت دومی نشان داده شده است.
انتقال به حالت کلی دیگر
یک فرد عادی به ندرت به آن فکر می کند، اما زندگی در سطحی که اکنون وجود دارد بدون علم غیرممکن خواهد بود. کدام یک؟ این سوال آسان نیست، زیرا بسیاری از فرآیندها در تقاطع چندین رشته اتفاق می افتد. پدیده هایی که تعریف دقیق رشته علم برای آنها دشوار است تبلور و ذوب شدن است. به نظر می رسد، خوب، اینجا چه چیزی پیچیده است: آب بود - یخ وجود داشت، یک توپ فلزی وجود داشت - یک گودال از فلز مایع وجود داشت. با این حال، مکانیسم دقیقی برای انتقال از یک حالت تجمع به حالت دیگر وجود ندارد. فیزیکدانان روز به روز عمیق‌تر به جنگل می‌روند، اما هنوز نمی‌توان دقیقاً پیش‌بینی کرد که ذوب و تبلور اجسام از چه نقطه‌ای آغاز می‌شود.معلوم شد.
آنچه می دانیم
چیزی که بشریت هنوز می داند. دمای ذوب و تبلور به راحتی به صورت تجربی تعیین می شود. اما حتی در اینجا همه چیز به این سادگی نیست. همه می دانند که آب در صفر درجه سانتیگراد ذوب می شود و یخ می زند. با این حال، آب معمولاً فقط یک ساختار نظری نیست، بلکه یک حجم خاص است. فراموش نکنید که فرآیند ذوب و تبلور آنی نیست. مکعب یخ قبل از رسیدن دقیقاً به صفر درجه شروع به ذوب شدن می کند، آب درون لیوان با اولین کریستال های یخ در دمایی که کمی بالاتر از این علامت در مقیاس است پوشانده می شود.
انتشار و جذب گرما در طول انتقال به حالت دیگر تجمع
تبلور و ذوب جامدات با اثرات حرارتی خاصی همراه است. در حالت مایع، مولکول ها (یا گاهی اوقات اتم ها) خیلی محکم به هم متصل نیستند. به همین دلیل دارای خاصیت «سیالیت» هستند. هنگامی که بدن شروع به از دست دادن گرما می کند، اتم ها و مولکول ها شروع به ترکیب شدن در ساختاری می کنند که برای آنها راحت تر است. به این ترتیب تبلور رخ می دهد. اغلب بستگی به شرایط خارجی دارد که گرافیت، الماس یا فولرن از همان کربن به دست می آید. بنابراین نه تنها دما، بلکه فشار نیز بر چگونگی تبلور و ذوب شدن تأثیر می گذارد. با این حال، برای شکستن پیوندهای یک ساختار کریستالی سفت و سخت، انرژی و در نتیجه مقدار گرما بیشتر از ایجاد آنها لازم است. بدین ترتیب،این ماده در همان شرایط فرآیندی سریعتر از ذوب شدن منجمد می شود. این پدیده گرمای نهان نامیده می شود و منعکس کننده تفاوتی است که در بالا توضیح داده شد. به یاد داشته باشید که گرمای نهان ربطی به گرما ندارد و میزان گرمای لازم برای تبلور و ذوب شدن را منعکس می‌کند.
تغییر حجم پس از انتقال به حالت دیگر تجمع
همانطور که قبلا ذکر شد، کمیت و کیفیت پیوندها در حالت مایع و جامد متفاوت است. حالت مایع به انرژی بیشتری نیاز دارد، از این رو اتم‌ها سریعتر حرکت می‌کنند، دائماً از مکانی به مکان دیگر می‌پرند و پیوندهای موقتی ایجاد می‌کنند. از آنجایی که دامنه نوسانات ذرات بیشتر است، مایع حجم بیشتری را نیز اشغال می کند. در حالی که در یک جسم جامد پیوندها صلب هستند، هر اتم حول یک موقعیت تعادلی در نوسان است، قادر به ترک موقعیت خود نیست. این سازه فضای کمتری را اشغال می کند. بنابراین ذوب و تبلور مواد با تغییر حجم همراه است.
ویژگی های تبلور و ذوب آب
مایع رایج و مهمی برای سیاره ما مانند آب، شاید تصادفی نباشد که نقش بزرگی در زندگی تقریباً همه موجودات زنده دارد. تفاوت بین مقدار گرمایی که برای کریستال شدن و ذوب شدن لازم است و همچنین تغییر حجم در هنگام تغییر حالت تجمع در بالا توضیح داده شده است. برخی از استثناهای هر دو قانون آب است. هیدروژن مولکول های مختلف، حتی در حالت مایع، برای مدت کوتاهی با هم ترکیب می شوند و یک ماده ضعیف را تشکیل می دهند، اما هنوزپیوند هیدروژنی صفر این ظرفیت گرمایی فوق العاده بالای این سیال جهانی را توضیح می دهد. لازم به ذکر است که این پیوندها با جریان آب تداخلی ندارند. اما نقش آنها در هنگام انجماد (به عبارت دیگر، تبلور) تا انتها نامشخص است. با این حال، باید تشخیص داد که یخ با همان جرم حجم بیشتری نسبت به آب مایع دارد. این واقعیت صدمات زیادی به خدمات عمومی وارد می کند و باعث ایجاد مشکلات زیادی برای خدمات رسانی به آنها می شود.
این گونه پیام ها بیش از یک یا دو بار در اخبار ظاهر می شوند. در زمستان، حادثه ای در دیگ بخار یک شهرک دور افتاده رخ داد. به دلیل کولاک، یخبندان یا یخبندان شدید، فرصت تحویل سوخت را نداشتیم. آب عرضه شده به رادیاتورها و شیرها دیگر گرم نمی شود. اگر به موقع تخلیه نشود، سیستم حداقل تا حدی خالی بماند، و ترجیحاً کاملاً خشک شود، شروع به به دست آوردن دمای محیط می کند. اغلب، متأسفانه، در این زمان یخبندان شدید وجود دارد. و یخ لوله ها را می شکند و مردم را بدون فرصتی برای زندگی راحت در ماه های آینده می گذارد. سپس البته حادثه برطرف می شود، کارمندان دلاور وزارت اورژانس با شکستن کولاک چندین تن زغال آرزو شده را با هلیکوپتر به آنجا پرتاب می کنند و لوله کش های بدبخت در سرمای سخت شبانه روز لوله عوض می کنند.
برف و دانه های برف
وقتی به یخ فکر می کنیم، اغلب به مکعب های سرد در یک لیوان آب میوه یا مناطق وسیع قطب جنوب یخ زده فکر می کنیم. برف توسط مردم به عنوان یک پدیده خاص درک می شود که به نظر می رسدمربوط به آب نیست اما در واقع همان یخ است که فقط به ترتیب خاصی منجمد شده است که شکل را تعیین می کند. آنها می گویند که در کل جهان دو دانه برف یکسان وجود ندارد. دانشمندی از ایالات متحده به طور جدی وارد کار شد و شرایط را برای به دست آوردن این زیبایی های شش ضلعی به شکل دلخواه تعیین کرد. آزمایشگاه او حتی می تواند یک کولاک دانه برف از پوستی که توسط مشتری حمایت می شود فراهم کند. به هر حال، تگرگ، مانند برف، نتیجه یک فرآیند بسیار عجیب تبلور است - از بخار، نه از آب. تبدیل معکوس یک جسم جامد بلافاصله به یک سنگدانه گازی، تصعید نامیده می شود.
تک بلورها و پلی کریستال ها
همه در زمستان طرح های یخی روی شیشه اتوبوس را دیدند. آنها به این دلیل تشکیل می شوند که در داخل انتقال دمای بالاتر از صفر سانتیگراد است. و علاوه بر این، بسیاری از مردم، با بازدم همراه با هوا از بخارات سبک، رطوبت را افزایش می دهند. اما شیشه (اغلب تک نازک) دمای محیط دارد، یعنی منفی. بخار آب با تماس با سطح آن، به سرعت گرما را از دست می دهد و به حالت جامد تبدیل می شود. یک کریستال به کریستال دیگری می چسبد، هر شکل متوالی کمی با شکل قبلی متفاوت است و الگوهای نامتقارن زیبا به سرعت رشد می کنند. این نمونه ای از پلی کریستال ها است. "Poly" از لاتین " many" است. در این حالت، تعدادی از ریزبخش ها در یک کل واحد ترکیب می شوند. هر محصول فلزی نیز اغلب یک پلی کریستال است. اما شکل کامل منشور طبیعی کوارتز تک کریستال است. در ساختار آن، هیچ کس نقص و شکاف پیدا نمی کند، در حالی که در حجم های پلی کریستالی جهت استقطعات به صورت تصادفی مرتب شده اند و با یکدیگر همخوانی ندارند.
گوشی هوشمند و دوربین دوچشمی
اما در فناوری مدرن، اغلب به تک بلورهای کاملاً خالص نیاز است. به عنوان مثال، تقریباً هر گوشی هوشمند حاوی یک عنصر حافظه سیلیکونی در روده خود است. هیچ اتمی در کل این حجم نباید از محل ایده آل خود جابجا شود. همه باید جای خود را بگیرند. در غیر این صورت، به جای عکس، صداهایی در خروجی دریافت خواهید کرد و به احتمال زیاد صداهایی ناخوشایند.
در دوربین های دوچشمی، دستگاه های دید در شب نیز به تک کریستال هایی با حجم کافی نیاز دارند که تابش مادون قرمز را به مرئی تبدیل می کند. روش های مختلفی برای رشد آنها وجود دارد، اما هر کدام نیاز به مراقبت ویژه و محاسبات تأیید شده دارند. چگونگی بدست آوردن تک بلورها، دانشمندان از نمودارهای فاز حالت می فهمند، یعنی به نمودار ذوب و تبلور یک ماده نگاه می کنند. ترسیم چنین تصویری دشوار است، به همین دلیل است که دانشمندان مواد از دانشمندانی که تصمیم به یافتن تمام جزئیات چنین نموداری دارند، قدردانی می کنند.
