บทความนี้อธิบายว่าการตกผลึกและการหลอมเหลวคืออะไร จากตัวอย่างสถานะการรวมตัวของน้ำต่างๆ จะอธิบายว่าต้องใช้ความร้อนเท่าใดในการแช่แข็งและละลาย และทำไมค่าเหล่านี้จึงแตกต่างกัน ความแตกต่างระหว่างคริสตัลโพลีและคริสตัลเดี่ยวแสดงให้เห็น รวมถึงความซับซ้อนของการผลิตอย่างหลัง
เปลี่ยนเป็นสถานะรวมอื่น
คนธรรมดาที่ไม่ค่อยคิดถึงเรื่องนี้ แต่ชีวิตในระดับที่เป็นอยู่ตอนนี้คงเป็นไปไม่ได้หากไม่มีวิทยาศาสตร์ อันไหน? คำถามไม่ใช่เรื่องง่ายเพราะมีหลายกระบวนการเกิดขึ้นที่จุดตัดของหลายสาขาวิชา ปรากฏการณ์ที่ยากที่จะกำหนดสาขาวิทยาศาสตร์ได้อย่างแม่นยำคือการตกผลึกและการหลอมเหลว ดูเหมือนว่าจะมีอะไรซับซ้อนที่นี่: มีน้ำ - มีน้ำแข็ง มีลูกบอลโลหะ - มีแอ่งของโลหะเหลว อย่างไรก็ตาม ไม่มีกลไกที่แน่นอนสำหรับการเปลี่ยนจากสถานะของการรวมเป็นอีกสถานะหนึ่ง นักฟิสิกส์เริ่มเข้าไปในป่าลึกและลึกขึ้น แต่ก็ยังไม่สามารถคาดเดาได้ว่าร่างกายจะเริ่มละลายและตกผลึก ณ จุดใดปรากฎว่า
สิ่งที่เรารู้
บางสิ่งที่มนุษย์ยังรู้ อุณหภูมิการหลอมเหลวและการตกผลึกนั้นสามารถกำหนดได้ง่ายโดยสังเกตจากประสบการณ์ แต่แม้กระทั่งที่นี่ทุกอย่างก็ไม่ง่ายนัก ทุกคนรู้ดีว่าน้ำละลายและกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิศูนย์องศาเซลเซียส อย่างไรก็ตาม โดยปกติน้ำไม่ได้เป็นเพียงโครงสร้างทางทฤษฎีบางอย่าง แต่เป็นปริมาตรเฉพาะ อย่าลืมว่ากระบวนการหลอมเหลวและการตกผลึกไม่ได้เกิดขึ้นทันที ก้อนน้ำแข็งเริ่มละลายเล็กน้อยก่อนที่จะถึงศูนย์องศาพอดี น้ำในแก้วถูกปกคลุมด้วยผลึกน้ำแข็งก้อนแรกที่อุณหภูมิสูงกว่าเครื่องหมายนี้เล็กน้อยในสเกล
การปล่อยและดูดซับความร้อนระหว่างการเปลี่ยนไปสู่สถานะการรวมตัวอีกสถานะหนึ่ง
การตกผลึกและการหลอมของของแข็งจะมาพร้อมกับผลกระทบทางความร้อนบางอย่าง ในสถานะของเหลว โมเลกุล (หรือบางครั้งอะตอม) จะไม่ถูกผูกมัดอย่างแน่นหนา ด้วยเหตุนี้จึงมีคุณสมบัติของ "ความลื่นไหล" เมื่อร่างกายเริ่มสูญเสียความร้อน อะตอมและโมเลกุลจะเริ่มรวมกันเป็นโครงสร้างที่สะดวกที่สุดสำหรับพวกมัน นี่คือวิธีการตกผลึกที่เกิดขึ้น บ่อยครั้งขึ้นอยู่กับสภาวะภายนอกว่าจะได้กราไฟต์ เพชร หรือฟูลเลอรีนจากคาร์บอนเดียวกันหรือไม่ ดังนั้นไม่เพียงแค่อุณหภูมิเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อการตกผลึกและการหลอมเหลวด้วย อย่างไรก็ตาม ในการที่จะทำลายพันธะของโครงสร้างผลึกที่แข็งกระด้าง จะต้องใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย และด้วยเหตุนี้จึงต้องใช้ปริมาณความร้อนมากกว่าการสร้าง ดังนั้น,สารจะแข็งตัวเร็วกว่าละลายภายใต้สภาวะกระบวนการเดียวกัน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าความร้อนแฝงและสะท้อนถึงความแตกต่างที่อธิบายข้างต้น จำไว้ว่าความร้อนแฝงไม่เกี่ยวอะไรกับความร้อนเช่นนี้ และสะท้อนถึงปริมาณความร้อนที่จำเป็นสำหรับการตกผลึกและการหลอมเหลวที่จะเกิดขึ้น
เปลี่ยนปริมาณเมื่อเปลี่ยนเป็นสถานะการรวมอื่น
ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ปริมาณและคุณภาพของพันธบัตรในสถานะของเหลวและของแข็งนั้นแตกต่างกัน สถานะของเหลวต้องการพลังงานมากกว่า ดังนั้นอะตอมจึงเคลื่อนที่เร็วขึ้น กระโดดจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งอย่างต่อเนื่องและสร้างพันธะชั่วคราว เนื่องจากแอมพลิจูดของการสั่นของอนุภาคมีมากกว่า ของเหลวก็มีปริมาตรที่มากขึ้นเช่นกัน ในขณะที่ร่างกายแข็งแรง พันธะจะแข็ง อะตอมแต่ละอะตอมจะสั่นรอบตำแหน่งสมดุลหนึ่ง จะไม่สามารถออกจากตำแหน่งได้ โครงสร้างนี้ใช้พื้นที่น้อยลง ดังนั้นการหลอมเหลวและการตกผลึกของสารจึงมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร
คุณลักษณะของการตกผลึกและการละลายของน้ำ
ของเหลวทั่วไปและที่สำคัญสำหรับโลกของเราอย่างน้ำ อาจไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่มันมีบทบาทสำคัญในชีวิตของสิ่งมีชีวิตเกือบทั้งหมด ความแตกต่างระหว่างปริมาณความร้อนที่จำเป็นสำหรับการตกผลึกและการหลอมเหลวที่จะเกิดขึ้น ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรเมื่อเปลี่ยนสถานะของการรวมกลุ่มได้อธิบายไว้ข้างต้น ข้อยกเว้นบางประการสำหรับกฎทั้งสองข้อคือน้ำ ไฮโดรเจนของโมเลกุลต่างๆ แม้ในสถานะของเหลว จะรวมตัวกันเป็นเวลาสั้นๆ ก่อตัวเป็นโมเลกุลที่อ่อนแอ แต่ก็ยังไม่พันธะไฮโดรเจนเป็นศูนย์ สิ่งนี้อธิบายความจุความร้อนสูงอย่างเหลือเชื่อของของเหลวอเนกประสงค์นี้ ควรสังเกตว่าพันธะเหล่านี้ไม่รบกวนการไหลของน้ำ แต่บทบาทของพวกเขาในระหว่างการแช่แข็ง (กล่าวอีกนัยหนึ่งคือการตกผลึก) ยังคงไม่ชัดเจนจนถึงที่สุด อย่างไรก็ตาม ควรตระหนักว่าน้ำแข็งที่มีมวลเท่ากันมีปริมาตรมากกว่าน้ำที่เป็นของเหลว ข้อเท็จจริงนี้สร้างความเสียหายอย่างมากต่อระบบสาธารณูปโภค และทำให้เกิดปัญหามากมายสำหรับผู้ใช้บริการ
ข้อความดังกล่าวปรากฏในข่าวมากกว่าหนึ่งครั้งหรือสองครั้ง ในฤดูหนาว เกิดอุบัติเหตุขึ้นที่บ้านหม้อไอน้ำของการตั้งถิ่นฐานที่ห่างไกล เนื่องจากพายุหิมะ น้ำแข็ง หรือน้ำค้างแข็ง เราจึงไม่มีเวลาส่งเชื้อเพลิง น้ำที่จ่ายไปยังหม้อน้ำและก๊อกน้ำหยุดให้ความร้อน หากไม่ระบายออกตามเวลา ปล่อยให้ระบบว่างอย่างน้อยบางส่วน และควรแห้งสนิท ระบบจะเริ่มได้รับอุณหภูมิแวดล้อม ส่วนใหญ่มักจะโชคร้ายในเวลานี้มีน้ำค้างแข็งรุนแรง และน้ำแข็งก็ทำลายท่อ ทำให้ผู้คนไม่มีโอกาสมีชีวิตที่สะดวกสบายในอีกไม่กี่เดือนข้างหน้า จากนั้น อุบัติเหตุก็ถูกขจัดออกไป พนักงานผู้กล้าหาญของกระทรวงสถานการณ์ฉุกเฉิน บุกฝ่าพายุหิมะ ขว้างถ่านหินที่โลภหลายตันด้วยเฮลิคอปเตอร์ และช่างประปาที่โชคร้ายจะเปลี่ยนท่อตลอด 24 ชั่วโมงท่ามกลางความหนาวเย็น
หิมะและเกล็ดหิมะ
เมื่อเรานึกถึงน้ำแข็ง เรามักจะนึกถึงก้อนน้ำแข็งใสในแก้วน้ำผลไม้หรือพื้นที่กว้างใหญ่ของทวีปแอนตาร์กติกาที่กลายเป็นน้ำแข็ง ผู้คนมองว่าหิมะเป็นปรากฏการณ์พิเศษซึ่งดูเหมือนจะเป็นไม่เกี่ยวข้องกับน้ำ แต่แท้จริงแล้วมันเป็นน้ำแข็งชนิดเดียวกัน ถูกแช่แข็งในลำดับที่แน่นอนเท่านั้นที่กำหนดรูปร่าง พวกเขาบอกว่าไม่มีเกล็ดหิมะที่เหมือนกันสองอันในโลกอันกว้างใหญ่ นักวิทยาศาสตร์จากสหรัฐอเมริกาลงมือทำธุรกิจอย่างจริงจังและกำหนดเงื่อนไขเพื่อให้ได้รูปทรงหกเหลี่ยมที่สวยงามตามต้องการ ห้องแล็บของเขาสามารถสร้างพายุหิมะเกล็ดหิมะให้กับผิวที่ลูกค้าให้การสนับสนุนได้ อย่างไรก็ตาม ลูกเห็บก็เหมือนกับหิมะ เป็นผลมาจากกระบวนการตกผลึกที่อยากรู้อยากเห็นมาก - จากไอน้ำ ไม่ใช่จากน้ำ การเปลี่ยนแปลงของวัตถุที่เป็นของแข็งกลับกลายเป็นมวลรวมของก๊าซทันทีเรียกว่าการระเหิด
คริสตัลเดี่ยวและโพลีคริสตัล
ทุกคนเห็นลายน้ำแข็งบนกระจกบนรถบัสในฤดูหนาว พวกมันก่อตัวขึ้นเนื่องจากภายในการขนส่งมีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์องศาเซลเซียส นอกจากนี้หลายคนที่หายใจออกพร้อมกับอากาศจากไอระเหยเบา ๆ ก็ให้ความชื้นเพิ่มขึ้น แต่แก้ว (ส่วนใหญ่มักจะเป็นแผ่นบาง) มีอุณหภูมิแวดล้อมนั่นคือลบ ไอน้ำที่สัมผัสกับพื้นผิวจะสูญเสียความร้อนอย่างรวดเร็วและกลายเป็นสถานะของแข็ง คริสตัลหนึ่งเกาะติดกับอีกรูปร่างหนึ่ง รูปร่างที่ต่อเนื่องกันแต่ละรูปจะแตกต่างจากก่อนหน้าเล็กน้อย และรูปแบบที่ไม่สมมาตรที่สวยงามจะเติบโตอย่างรวดเร็ว นี่คือตัวอย่างของคริสตัลโพลีคริสตัล "โพลี" มาจากภาษาละติน "หลาย" ในกรณีนี้ ไมโครพาร์ทจำนวนหนึ่งจะรวมกันเป็นชิ้นเดียว ผลิตภัณฑ์โลหะใดๆ ส่วนใหญ่มักเป็นคริสตัลโพลีคริสตัล แต่รูปแบบที่สมบูรณ์แบบของปริซึมธรรมชาติของควอตซ์คือผลึกเดี่ยว ในโครงสร้างของมันจะไม่มีใครพบข้อบกพร่องและช่องว่างในขณะที่ปริมาณคริสตัลไลน์ของทิศทางชิ้นส่วนถูกจัดเรียงแบบสุ่มและไม่ตกลงกัน
สมาร์ทโฟนและกล้องส่องทางไกล
แต่ในเทคโนโลยีสมัยใหม่ มักต้องการผลึกเดี่ยวที่บริสุทธิ์อย่างยิ่ง ตัวอย่างเช่น สมาร์ทโฟนเกือบทุกเครื่องมีองค์ประกอบหน่วยความจำซิลิกอนอยู่ในลำไส้ ไม่ควรย้ายอะตอมเดียวในปริมาตรทั้งหมดนี้ออกจากตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุด ทุกคนต้องเข้ามาแทนที่ มิฉะนั้น แทนที่จะเป็นภาพถ่าย คุณจะได้รับเสียงที่เอาต์พุต และน่าจะเป็นเสียงที่ไม่น่าพอใจมากที่สุด
ในกล้องส่องทางไกล อุปกรณ์มองกลางคืนยังต้องการโมโนคริสตัลที่มีปริมาตรเพียงพอ ซึ่งจะเปลี่ยนรังสีอินฟราเรดให้มองเห็นได้ มีหลายวิธีในการเติบโต แต่แต่ละวิธีต้องการการดูแลเป็นพิเศษและการคำนวณที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว นักวิทยาศาสตร์เข้าใจจากไดอะแกรมเฟสของสถานะได้อย่างไร ได้ผลึกเดี่ยว นั่นคือ พวกเขาดูกราฟของการหลอมเหลวและการตกผลึกของสาร การวาดภาพดังกล่าวเป็นเรื่องยาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุจึงชื่นชมนักวิทยาศาสตร์ที่ตัดสินใจค้นหารายละเอียดทั้งหมดของกราฟดังกล่าวเป็นพิเศษ