Cet article explique ce que sont la cristallisation et la fusion. En utilisant l'exemple de divers états d'agrégation de l'eau, il est expliqué quelle quantité de chaleur est nécessaire pour geler et dégeler et pourquoi ces valeurs sont différentes. La différence entre poly et monocristaux est montrée, ainsi que la complexité de fabrication de ces derniers.
Transition vers un autre état agrégé
Une personne ordinaire y pense rarement, mais la vie au niveau où elle existe actuellement serait impossible sans la science. Lequel? La question n'est pas facile, car de nombreux processus se produisent à l'intersection de plusieurs disciplines. Les phénomènes pour lesquels il est difficile de définir précisément le domaine de la science sont la cristallisation et la fusion. Il semblerait, eh bien, qu'est-ce qui est si compliqué ici: il y avait de l'eau - il y avait de la glace, il y avait une boule de métal - il y avait une flaque de métal liquide. Cependant, il n'existe pas de mécanismes précis pour la transition d'un état d'agrégation à un autre. Les physiciens s'enfoncent de plus en plus dans la jungle, mais il n'est toujours pas possible de prédire exactement à quel moment la fusion et la cristallisation des corps commenceront.s'avère.
Ce que nous savons
Quelque chose que l'humanité sait encore. Les températures de fusion et de cristallisation sont assez facilement déterminées empiriquement. Mais même ici, tout n'est pas si simple. Tout le monde sait que l'eau fond et gèle à zéro degré Celsius. Cependant, l'eau n'est généralement pas simplement une construction théorique, mais un volume spécifique. N'oubliez pas que le processus de fusion et de cristallisation n'est pas instantané. Le glaçon commence à fondre un peu avant d'atteindre exactement zéro degré, l'eau dans le verre est recouverte des premiers cristaux de glace à une température légèrement supérieure à cette marque sur l'échelle.
Émission et absorption de chaleur lors du passage à un autre état d'agrégation
La cristallisation et la fusion des solides s'accompagnent de certains effets thermiques. A l'état liquide, les molécules (ou parfois les atomes) ne sont pas très étroitement liées entre elles. De ce fait, ils ont la propriété de "fluidité". Lorsque le corps commence à perdre de la chaleur, les atomes et les molécules commencent à se combiner dans la structure qui leur convient le mieux. C'est ainsi que se produit la cristallisation. Souvent, cela dépend des conditions externes si le graphite, le diamant ou le fullerène seront obtenus à partir du même carbone. Ainsi, non seulement la température, mais aussi la pression affectent la façon dont la cristallisation et la fusion se dérouleront. Cependant, pour rompre les liaisons d'une structure cristalline rigide, il faut un peu plus d'énergie, et donc de quantité de chaleur, que pour les créer. Ainsi,la substance gèlera plus rapidement qu'elle ne fondra, dans les mêmes conditions de traitement. Ce phénomène est appelé chaleur latente et reflète la différence décrite ci-dessus. Rappelez-vous que la chaleur latente n'a rien à voir avec la chaleur en tant que telle et reflète la quantité de chaleur nécessaire pour que la cristallisation et la fusion se produisent.
Changement de volume lors du passage à un autre état d'agrégation
Comme déjà mentionné, la quantité et la qualité des liaisons à l'état liquide et solide sont différentes. L'état liquide nécessite plus d'énergie, donc les atomes se déplacent plus rapidement, sautant constamment d'un endroit à l'autre et créant des liens temporaires. L'amplitude des oscillations des particules étant plus grande, le liquide occupe également un volume plus important. Alors que dans un corps solide les liaisons sont rigides, chaque atome oscille autour d'une position d'équilibre, il est incapable de quitter sa position. Cette structure prend moins de place. Ainsi, la fusion et la cristallisation des substances s'accompagnent d'un changement de volume.
Caractéristiques de la cristallisation et de la fonte de l'eau
Un liquide aussi commun et important pour notre planète que l'eau, ce n'est peut-être pas un hasard s'il joue un grand rôle dans la vie de presque tous les êtres vivants. La différence entre la quantité de chaleur nécessaire pour que la cristallisation et la fusion se produisent, ainsi que le changement de volume lors du changement de l'état d'agrégation, a été décrite ci-dessus. Une exception aux deux règles est l'eau. L'hydrogène de différentes molécules, même à l'état liquide, se combine pendant une courte période, formant un faible, mais toujours pasliaison hydrogène nulle. Cela explique la capacité calorifique incroyablement élevée de ce fluide universel. Il est à noter que ces liaisons n'interfèrent pas avec l'écoulement de l'eau. Mais leur rôle lors de la congélation (c'est-à-dire la cristallisation) reste incertain jusqu'au bout. Cependant, il faut reconnaître que la glace de même masse occupe plus de volume que l'eau liquide. Ce fait cause beaucoup de dommages aux services publics et cause beaucoup de problèmes aux personnes qui les desservent.
De tels messages apparaissent dans les nouvelles plus d'une fois ou deux. En hiver, un accident s'est produit à la chaufferie d'une colonie éloignée. En raison de blizzards, de verglas ou de fortes gelées, nous n'avons pas eu le temps de livrer du carburant. L'eau alimentant les radiateurs et les robinets a cessé de chauffer. S'il n'est pas vidangé à temps, laissant le système au moins partiellement vide, et de préférence complètement sec, il commence à acquérir la température ambiante. Le plus souvent, malheureusement, à cette époque, il y a de fortes gelées. Et la glace brise les tuyaux, laissant les gens sans chance de mener une vie confortable dans les mois à venir. Ensuite, bien sûr, l'accident est éliminé, les vaillants employés du ministère des Situations d'urgence, traversant le blizzard, y jettent plusieurs tonnes de charbon convoité par hélicoptère, et les malheureux plombiers changent les tuyaux 24 heures sur 24 dans le froid glacial.
Neige et flocons de neige
Quand on pense à la glace, on pense le plus souvent à des cubes froids dans un verre de jus ou à de vastes étendues d'Antarctique gelé. La neige est perçue par les gens comme un phénomène particulier, qui semblepas lié à l'eau. Mais en fait c'est la même glace, seulement figée dans un certain ordre qui en détermine la forme. Ils disent qu'il n'y a pas deux flocons de neige identiques dans le monde entier. Un scientifique américain s'est mis sérieusement au travail et a déterminé les conditions d'obtention de ces beautés hexagonales de la forme souhaitée. Son laboratoire peut même fournir un blizzard de flocons de neige d'une peau parrainée par le client. Soit dit en passant, la grêle, comme la neige, est le résultat d'un processus de cristallisation très curieux - de la vapeur, pas de l'eau. La transformation inverse d'un corps solide immédiatement en un agrégat gazeux est appelée sublimation.
Monocristaux et polycristaux
Tout le monde a vu des motifs de glace sur les vitres du bus en hiver. Ils se forment parce qu'à l'intérieur du transport, la température est supérieure à zéro Celsius. Et de plus, de nombreuses personnes, en expirant avec l'air des vapeurs légères, augmentent l'humidité. Mais le verre (le plus souvent mince simple) a une température ambiante, c'est-à-dire négative. La vapeur d'eau, touchant sa surface, perd très rapidement de la chaleur et se transforme en un état solide. Un cristal colle à un autre, chaque forme successive est légèrement différente de la précédente et de beaux motifs asymétriques se développent rapidement. Ceci est un exemple de polycristaux. "Poly" vient du latin "beaucoup". Dans ce cas, plusieurs micropièces sont combinées en un seul ensemble. Tout produit métallique est aussi le plus souvent un polycristal. Mais la forme parfaite du prisme naturel du quartz est un monocristal. Dans sa structure, personne ne trouvera de défauts et de lacunes, tandis que dans les volumes polycristallins de la directionles parties sont disposées au hasard et ne s'accordent pas les unes avec les autres.
Smartphone et jumelles
Mais dans la technologie moderne, des monocristaux absolument purs sont souvent nécessaires. Par exemple, presque tous les smartphones contiennent un élément de mémoire en silicium dans leurs entrailles. Pas un seul atome dans tout ce volume ne devrait être déplacé de son emplacement idéal. Chacun doit prendre sa place. Sinon, au lieu d'une photo, vous obtiendrez des sons à la sortie et, très probablement, des sons désagréables.
Dans les jumelles, les appareils de vision nocturne ont également besoin de monocristaux suffisamment volumineux qui convertissent le rayonnement infrarouge en visible. Il existe plusieurs façons de les cultiver, mais chacune nécessite un soin particulier et des calculs vérifiés. Comment les monocristaux sont obtenus, les scientifiques comprennent à partir des diagrammes d'état de phase, c'est-à-dire qu'ils regardent le graphique de fusion et de cristallisation d'une substance. Dessiner une telle image est difficile, c'est pourquoi les scientifiques des matériaux apprécient particulièrement les scientifiques qui décident de découvrir tous les détails d'un tel graphique.
