Este artículo explica qué son la cristalización y la fusión. Usando el ejemplo de varios estados de agregación del agua, se explica cuánto calor se requiere para congelar y descongelar y por qué estos valores son diferentes. Se muestra la diferencia entre los policristales y los monocristales, así como la complejidad de fabricar estos últimos.
Transición a otro estado agregado
Una persona común rara vez piensa en ello, pero la vida en el nivel en el que existe ahora sería imposible sin la ciencia. ¿Cuál? La pregunta no es fácil, porque muchos procesos ocurren en la intersección de varias disciplinas. Los fenómenos para los que es difícil definir con precisión el campo de la ciencia son la cristalización y la fusión. Parecería, bueno, qué es tan complicado aquí: había agua, había hielo, había una bola de metal, había un charco de metal líquido. Sin embargo, no existen mecanismos exactos para la transición de un estado de agregación a otro. Los físicos se están adentrando cada vez más en la jungla, pero aún no es posible predecir exactamente en qué punto comenzará la fusión y cristalización de los cuerpos.resulta.
Lo que sabemos
Algo que la humanidad todavía sabe. Las temperaturas de fusión y cristalización se determinan empíricamente con bastante facilidad. Pero incluso aquí no todo es tan simple. Todo el mundo sabe que el agua se derrite y se congela a cero grados centígrados. Sin embargo, el agua generalmente no es solo una construcción teórica, sino un volumen específico. No olvides que el proceso de fusión y cristalización no es instantáneo. El cubito de hielo comienza a derretirse un poco antes de llegar exactamente a los cero grados, el agua del vaso se cubre con los primeros cristales de hielo a una temperatura ligeramente superior a esta marca de la escala.
Emisión y absorción de calor durante la transición a otro estado de agregación
La cristalización y la fusión de sólidos van acompañadas de ciertos efectos térmicos. En el estado líquido, las moléculas (o, a veces, los átomos) no están muy unidas entre sí. Debido a esto, tienen la propiedad de "fluidez". Cuando el cuerpo comienza a perder calor, los átomos y las moléculas comienzan a combinarse en la estructura que les resulta más conveniente. Así es como se produce la cristalización. A menudo, depende de las condiciones externas si se obtendrá grafito, diamante o fullereno del mismo carbono. Entonces, no solo la temperatura, sino también la presión afectan cómo procederá la cristalización y la fusión. Sin embargo, para romper los enlaces de una estructura cristalina rígida, se necesita un poco más de energía y, por lo tanto, de calor, que para crearlos. Por lo tanto,la sustancia se congelará más rápido que derretirse, bajo las mismas condiciones de proceso. Este fenómeno se llama calor latente y refleja la diferencia descrita anteriormente. Recuerde que el calor latente no tiene nada que ver con el calor como tal y refleja la cantidad de calor necesaria para que se produzca la cristalización y la fusión.
Cambio de volumen tras la transición a otro estado de agregación
Como ya se mencionó, la cantidad y la calidad de los enlaces en estado líquido y sólido son diferentes. El estado líquido requiere más energía, por lo que los átomos se mueven más rápido, s altando constantemente de un lugar a otro y creando enlaces temporales. Dado que la amplitud de las oscilaciones de las partículas es mayor, el líquido también ocupa un volumen mayor. Mientras que en un cuerpo sólido los enlaces son rígidos, cada átomo oscila alrededor de una posición de equilibrio, es incapaz de abandonar su posición. Esta estructura ocupa menos espacio. Entonces, la fusión y la cristalización de las sustancias van acompañadas de un cambio de volumen.
Características de la cristalización y fusión del agua
Un líquido tan común e importante para nuestro planeta como el agua, quizás no sea casualidad que juegue un papel muy importante en la vida de casi todos los seres vivos. La diferencia entre la cantidad de calor que se requiere para que se produzca la cristalización y la fusión, así como el cambio de volumen al cambiar el estado de agregación, se ha descrito anteriormente. Una excepción a ambas reglas es el agua. El hidrógeno de diferentes moléculas, incluso en estado líquido, se combina por un corto tiempo, formando un débil, pero aún noenlace de hidrógeno cero. Esto explica la capacidad calorífica increíblemente alta de este fluido universal. Cabe señalar que estos enlaces no interfieren con el flujo de agua. Pero su papel durante la congelación (en otras palabras, la cristalización) sigue sin estar claro hasta el final. Sin embargo, se debe reconocer que el hielo de la misma masa ocupa más volumen que el agua líquida. Este hecho causa mucho daño a los servicios públicos y causa muchos problemas a las personas que los atienden.
Tales mensajes aparecen en las noticias más de una o dos veces. En invierno, ocurrió un accidente en la sala de calderas de algún asentamiento remoto. Debido a ventiscas, hielo o heladas severas, no tuvimos tiempo de entregar combustible. El agua suministrada a los radiadores y grifos dejó de calentar. Si no se drena a tiempo, dejando el sistema al menos parcialmente vacío, y preferiblemente completamente seco, comienza a adquirir temperatura ambiente. La mayoría de las veces, desafortunadamente, en este momento hay heladas severas. Y el hielo rompe las tuberías, dejando a las personas sin la oportunidad de tener una vida cómoda en los próximos meses. Luego, por supuesto, se elimina el accidente, los valientes empleados del Ministerio de Situaciones de Emergencia, rompiendo la ventisca, arrojan varias toneladas de carbón codiciado allí en helicóptero, y los desafortunados plomeros cambian las tuberías las 24 horas del día en el frío glacial.
Nieve y copos de nieve
Cuando pensamos en hielo, a menudo pensamos en cubitos fríos en un vaso de jugo o en vastas extensiones de la Antártida congelada. La nieve es percibida por la gente como un fenómeno especial, que parece estarno relacionado con el agua. Pero, de hecho, es el mismo hielo, solo congelado en un cierto orden que determina la forma. Dicen que no hay dos copos de nieve iguales en todo el mundo. Un científico de los EE. UU. se puso manos a la obra y determinó las condiciones para obtener estas bellezas hexagonales de la forma deseada. Su laboratorio puede incluso proporcionar una ventisca de copos de nieve de una piel patrocinada por el cliente. Por cierto, el granizo, como la nieve, es el resultado de un proceso de cristalización muy curioso, del vapor, no del agua. La transformación inversa de un cuerpo sólido inmediatamente en un agregado gaseoso se llama sublimación.
Monocristales y policristales
Todos vieron patrones de hielo en el vidrio del autobús en invierno. Se forman porque dentro del transporte la temperatura está por encima de los cero grados centígrados. Y además, muchas personas, al exhalar junto con el aire de los vapores ligeros, aumentan la humedad. Pero el vidrio (la mayoría de las veces delgado y simple) tiene una temperatura ambiente, es decir, negativa. El vapor de agua, al tocar su superficie, pierde calor muy rápidamente y se convierte en un estado sólido. Un cristal se pega a otro, cada forma sucesiva es ligeramente diferente de la anterior y hermosos patrones asimétricos crecen rápidamente. Este es un ejemplo de policristales. "Poly" es del latín "muchos". En este caso, varias micropartes se combinan en un solo todo. Cualquier producto de metal también suele ser un policristal. Pero la forma perfecta del prisma natural de cuarzo es un solo cristal. En su estructura, nadie encontrará fallas y lagunas, mientras que en los volúmenes policristalinos de la dirección.las partes están dispuestas al azar y no concuerdan entre sí.
Teléfono inteligente y binoculares
Pero en la tecnología moderna, a menudo se requieren monocristales absolutamente puros. Por ejemplo, casi cualquier teléfono inteligente contiene un elemento de memoria de silicio en sus entrañas. Ni un solo átomo en todo este volumen debe moverse de su ubicación ideal. Cada uno debe ocupar su lugar. De lo contrario, en lugar de una foto, obtendrá sonidos en la salida y, muy probablemente, desagradables.
En los binoculares, los dispositivos de visión nocturna también necesitan monocristales suficientemente voluminosos que conviertan la radiación infrarroja en visible. Hay varias formas de cultivarlas, pero cada una requiere un cuidado especial y cálculos verificados. Los científicos entienden cómo se obtienen los monocristales a partir de diagramas de estado de fase, es decir, observan el gráfico de fusión y cristalización de una sustancia. Dibujar tal imagen es difícil, por lo que los científicos de materiales aprecian especialmente a los científicos que deciden descubrir todos los detalles de dicho gráfico.
