מאמר זה מסביר מה הם התגבשות והתכה. בעזרת הדוגמה של מצבי צבירה שונים של מים, מוסבר כמה חום נדרש להקפאה והפשרה ומדוע ערכים אלו שונים. ההבדל בין פולי וגבישים בודדים מוצג, כמו גם המורכבות של ייצור האחרון.
מעבר למצב מצטבר אחר
אדם רגיל ממעט לחשוב על זה, אבל החיים ברמה שבה הם קיימים כעת יהיו בלתי אפשריים ללא מדע. איזה מהם? השאלה אינה קלה, כי תהליכים רבים מתרחשים בהצטלבות של מספר דיסציפלינות. תופעות שקשה להגדיר את תחום המדע במדויק הן התגבשות והתכה. נראה, ובכן, מה כל כך מסובך כאן: היו מים - היו קרח, היה כדור מתכת - הייתה שלולית של מתכת נוזלית. עם זאת, אין מנגנונים מדויקים למעבר ממצב צבירה אחד לאחר. הפיזיקאים הולכים ומעמיקים לתוך הג'ונגל, אבל עדיין לא ניתן לחזות בדיוק באיזו נקודה תתחיל ההיתוך והתגבשות הגופים.מסתבר.
מה שאנחנו יודעים
משהו שהאנושות עדיין יודעת. טמפרטורות ההיתוך וההתגבשות נקבעות בצורה אמפירית די בקלות. אבל גם כאן הכל לא כל כך פשוט. כולם יודעים שהמים נמסים וקופאים באפס מעלות צלזיוס. עם זאת, מים הם בדרך כלל לא רק מבנה תיאורטי כלשהו, אלא נפח מסוים. אל תשכח שתהליך ההיתוך וההתגבשות אינו מיידי. קוביית הקרח מתחילה להמיס מעט לפני שהיא מגיעה לאפס מעלות בדיוק, המים בכוס מכוסים בגבישי הקרח הראשונים בטמפרטורה שהיא מעט מעל הסימן הזה בסולם.
פליטה וספיגת חום במהלך המעבר למצב צבירה אחר
התגבשות והתכה של מוצקים מלווים בהשפעות תרמיות מסוימות. במצב נוזלי, מולקולות (או לפעמים אטומים) אינן קשורות זו לזו באופן הדוק. בגלל זה, יש להם תכונה של "נזילות". כשהגוף מתחיל לאבד חום, אטומים ומולקולות מתחילים להתאחד למבנה שהכי נוח להם. כך מתרחשת התגבשות. לעתים קרובות זה תלוי בתנאים חיצוניים אם גרפיט, יהלום או פולרן יתקבלו מאותו פחמן. אז לא רק הטמפרטורה, אלא גם הלחץ משפיעים על אופן ההתגבשות וההתכה. עם זאת, כדי לשבור את הקשרים של מבנה גבישי קשיח, צריך קצת יותר אנרגיה, ומכאן גם כמות החום, מאשר ליצור אותם. לכן,החומר יקפא מהר יותר מאשר נמס, באותם תנאי תהליך. תופעה זו נקראת חום סמוי ומשקפת את ההבדל שתואר לעיל. נזכיר שלחום סמוי אין שום קשר לחום כשלעצמו והוא משקף את כמות החום הנדרשת להתרחשות התגבשות והמסה.
שינוי בנפח עם מעבר למצב צבירה אחר
כפי שכבר צוין, הכמות והאיכות של איגרות חוב במצב נוזלי ומוצק שונות. המצב הנוזלי דורש יותר אנרגיה, ומכאן שהאטומים נעים מהר יותר, קופצים כל הזמן ממקום למקום ויוצרים קשרים זמניים. מכיוון שהמשרעת של תנודות החלקיקים גדולה יותר, הנוזל תופס גם נפח גדול יותר. בעוד שבגוף מוצק הקשרים קשיחים, כל אטום מתנודד סביב מיקום שיווי משקל אחד, הוא אינו מסוגל לעזוב את מיקומו. מבנה זה תופס פחות מקום. אז ההתכה והתגבשות של חומרים מלווים בשינוי בנפח.
תכונות של התגבשות והתכה של מים
נוזל נפוץ וחשוב כל כך עבור הפלנטה שלנו כמו מים, אולי זה לא מקרי שהוא ממלא תפקיד גדול בחייהם של כמעט כל היצורים החיים. ההפרש בין כמות החום הנדרשת להתרחשות התגבשות והתכה, כמו גם השינוי בנפח בעת שינוי מצב הצבירה, תואר לעיל. חריג אחד לשני הכללים הוא מים. מימן של מולקולות שונות, אפילו במצב נוזלי, מתאחד לזמן קצר ויוצר מימן חלש, אך עדיין לאקשר מימן אפס. זה מסביר את יכולת החום הגבוהה להפליא של הנוזל האוניברסלי הזה. יש לציין כי קשרים אלו אינם מפריעים לזרימת המים. אבל תפקידם במהלך ההקפאה (במילים אחרות, התגבשות) נותר לא ברור עד הסוף. עם זאת, יש להכיר בכך שקרח מאותה מסה תופס יותר נפח ממים נוזליים. עובדה זו גורמת נזק רב לשירותים ציבוריים וגורמת להרבה בעיות לאנשים המשרתים אותם.
הודעות כאלה מופיעות בחדשות יותר מפעם או פעמיים. בחורף אירעה תאונה בבית הדוודים של יישוב נידח כלשהו. בגלל סופות שלגים, קרח או כפור עז, לא הספקנו לספק דלק. המים שסופקו לרדיאטורים ולברזים הפסיקו להתחמם. אם הוא לא מרוקן בזמן, ומשאיר את המערכת ריקה חלקית לפחות, ורצוי יבשה לחלוטין, היא מתחילה לקבל טמפרטורת סביבה. לרוב, למרבה הצער, בשלב זה יש כפור חמור. והקרח שובר את הצינורות ומשאיר לאנשים סיכוי לחיים נוחים בחודשים הקרובים. ואז כמובן מתבטלת התאונה, עובדי המשרד האמיצים של משרד מצבי חירום פורצים את סופת השלגים זורקים לשם כמה טונות של פחם נחשק במסוק, והשרברבים האומללים מחליפים צינורות מסביב לשעון בקור העז.
שלג ופתיתי שלג
כשאנחנו חושבים על קרח, אנחנו חושבים לרוב על קוביות קרות בכוס מיץ או על מרחבים עצומים של אנטארקטיקה קפואה. שלג נתפס על ידי אנשים כתופעה מיוחדת, שנראה שכןלא קשור למים. אבל למעשה זה אותו קרח, רק קפוא בסדר מסוים שקובע את הצורה. הם אומרים שאין שני פתיתי שלג זהים בכל העולם הרחב. מדען מארה ב ניגש לעניינים ברצינות וקבע את התנאים להשגת היפים המשושים האלה בצורתם הרצויה. המעבדה שלו יכולה אפילו לספק סופת שלג של פתיתי שלג של עור בחסות הלקוח. אגב, ברד, כמו שלג, הוא תוצאה של תהליך מאוד מוזר של התגבשות - מאדים, לא ממים. הטרנספורמציה הפוכה של גוף מוצק מיד לצבירה גזי נקראת סובלימציה.
גבישים בודדים ופוליקריסטלים
כולם ראו דפוסי קרח על הזכוכית באוטובוס בחורף. הם נוצרים כי בתוך הטרנספורט הטמפרטורה היא מעל אפס צלזיוס. וחוץ מזה, אנשים רבים, הנושפים יחד עם האוויר מאדים קלים, מספקים לחות מוגברת. אבל לזכוכית (לרוב יחיד דק) יש טמפרטורת סביבה, כלומר שלילית. אדי מים, הנוגעים בפני השטח שלו, מאבדים מהר מאוד חום והופך למצב מוצק. גביש אחד נצמד למשנהו, כל צורה עוקבת שונה במקצת מהקודמת, ודפוסים א-סימטריים יפים גדלים במהירות. זוהי דוגמה לפולי-גבישים. "פולי" הוא מהלטינית "רבים". במקרה זה, מספר מיקרו-חלקים משולבים למכלול אחד. כל מוצר מתכת הוא גם לרוב פוליקריסטל. אבל הצורה המושלמת של הפריזמה הטבעית של קוורץ היא גביש יחיד. במבנה שלה, אף אחד לא ימצא פגמים ופערים, בעוד בנפחים רב גבישיים של הכיווןחלקים מסודרים באופן אקראי ואינם מתאימים אחד לשני.
סמארטפון ומשקפת
אבל בטכנולוגיה מודרנית, לעתים קרובות נדרשים גבישים בודדים טהורים לחלוטין. לדוגמה, כמעט כל סמארטפון מכיל רכיב זיכרון סיליקון במעיים שלו. אין להזיז אטום אחד בכל הכרך הזה ממיקומו האידיאלי. כל אחד חייב לתפוס את מקומו. אחרת, במקום תמונה, תקבלו צלילים בפלט, וככל הנראה גם לא נעימים.
במשקפת, מכשירי ראיית לילה זקוקים גם לחד-גבישים בנפח מספיק הממיר קרינת אינפרא-אדום לעין. ישנן מספר דרכים לגדל אותם, אך כל אחת דורשת טיפול מיוחד וחישובים מאומתים. כיצד מתקבלים גבישים בודדים, מבינים מדענים מתוך דיאגרמות פאזות של מצב, כלומר, הם מסתכלים על גרף ההיתוך וההתגבשות של חומר. לצייר תמונה כזו קשה, וזו הסיבה שמדעני חומרים מעריכים במיוחד מדענים שמחליטים לברר את כל הפרטים של גרף כזה.
