"Мгновенная кристаллизация"

Мгновенная кристаллизация

Педагог дополнительного образования

ГБУ ДО БелОЦД(Ю)ТТ

Севастьянова Т.Ю.

Физические характеристики, которые изменяются при нагревании и охлаждении

• Объем;
• Плотность,
• Давление
• Яркость,
• Излучение
• Пример: металлы при изменении температуры изменяются в объеме,
• Вязкость воды при нагревании уменьшается в 4 раза, а глицерина в 120 раз.

Температура

• Физическая характеристика тел, которая у двух или более тел становиться равной при наступлении теплового равновесия.

(Это термодинамическое определение)

• Существует 4 определения понятия ТЕМПЕРАТУРА.
• 1. эмпирическое,
• 2. термодинамическое,
• 3. молекулярно-кинетическое
• 4. статистическое.
• Они подчеркивают разные аспекты понятия ТЕМПЕРАТУРА.

• Характеристика скоростей движения частиц (молекул, атомов, ионов) веществ.
• (молекулярно-кинетическое)
• Долгое время эти две теории развивались параллельно: термодинамическая и молекулярно –кинетическая.

Температура

• В термодинамике согласно закону Бойля-Мариотта:
• Температура - это величина пропорциональная объему газа при постоянном давлении.
• Больцман и Максвелл доказали математически, что температура и кинетическая энергия движения молекул это одно и тоже.
• Чем выше скорость движения молекул, тем выше температура!!!!
• Кинетическая энергия-энергия движения. Это физическая величина, характеризующая движущееся тело.
• С ростом температуры доля быстрых молекул увеличивается, а медленных- уменьшается
• Примеры:
• Средняя скорость молекул азота в атмосфере 474 м/с;
• Гелий( более легкий газ) -1202 м/с;
• Бензин (пары более тяжелые) -272 м/с.

• При понижении температуры кинетические энергии молекул газа уменьшаются и силы взаимодействия между ними начинают оказывать более значительное влияние!!!

Пример конденсации

• При некоторой температуре скорости большинства молекул станут недостаточными для того , чтобы кинетической энергии хватило преодолеть притяжение своих соседей
• Молекулы газа начнут собираться вместе и конденсироваться в жидкость.
• Молекулам уже сложно покинуть каплю (объем) жидкости, но легко путешествовать внутри нее.
• Интенсивность перескоков молекул воды, например, при норм. усл. -10 9 раз в секунду.
• При дальнейшем охлаждении энергии молекул может перестать хватать даже для того, чтобы перескакивать.
• А если нет перемещений, то форма не меняется.

• Такие застывшие жидкости называются аморфными или стеклообразными .
• Большинство твердых тел упорядочиваются при охлаждении образуя КРИСТАЛЛ

Атомы в газе и жидкости

Кристаллическое состояние

• Кристаллы – это твёрдые тела, в которых составляющие в них атомы (ионы, молекулы) расположены строго закономерно, образуя правильную, состоящую из повторяющихся элементов пространственную решетку.
• Монокристалл вырастить сложно!
• Создать подходящие условия роста кристаллов даже небольших, чтобы они были идеальными монокристаллами очень сложно!!!!

• Узлы кристаллической решетки – это равновесные положения, возле которых атомы (ионы или молекулы) колеблются.

Кристаллизация и расплавления

• Чем выше температура, тем больше энергии колебательного движения, и при приближении к температуре плавления все большее число молекул или атомов могут покинуть насиженные места.

• Все твердые тела испаряются, за исключением полимеров – их молекулы слишком большие.

Кристаллизация

Расплавление

Силы притяжения слабее, чем в объеме

Дальний и ближний порядок. Фазовый переход.

• Присоединяясь к атомам растущей грани, новые атомы повторяют симметрию, которая определяется взаимодействием как с ближними соседями, так и с дальними.

• Переход между агрегатными состояниями:
• Твердым и жидким- это фазовый переход 1 рода, который происходит при определенных температуре и давлении.. Соответствующая температура называется температурой плавления или кристаллизации.
• Любому кристаллу присуща упорядоченность и дальний порядок.

• Дальний порядок – мы можем предсказать как расположены атомы вещества на расстояниях, огромных по сравнению с размерами межатомных расстояний.
• Ближний порядок в веществе присутствует в том случае, когда для каждого атома можно с надежностью предсказать количество его ближайших соседей.
• Ближний порядок в кристаллах, в аморфных телах и жидкостях. Его нет в газах!!!

Задача

• Сколькими способами можно расположить 12 сфер вокруг 13-й, считая разными расположениями те, которые нельзя превратить друг в друга, не разрывая контактов сфер?????

Три решения

Икосаэдр- правильный 20 гранник, у него 12 вершит.

Конфигурация в виде икосаэдра обладает наибольшей плотностью.

В жидкостях подобного типа конфигурации очень распространены!

Из-за сильного различия структур жидкости и кристалла плавный фазовый переход между этими состояниями НЕВОЗМОЖЕН!!!

Кристаллизация сопровождается кардинальной перестройкой структуры вещества

Случайное изменение в конфигурации атомов – флуктуация или небольшое внешнее воздействие могут начать процесс кристаллизации, после чего он станет уже самоподдерживающимся!

Гранецентрированная кубическая решетка

Гексагональная решетка

Икосаэдр

Переохлаждение и устойчивость

• Процесс кристаллизации из растворов или расплавов сильно зависят от примесей.
• 1. примеси могут сами по себе центром кристаллизации, при условии, если имеют схожую с веществом кристаллическую структуру.
• 2. если происходит сорбция на их поверхности исходного вещества.
• 3. наличие соприкосновений с твердыми поверхностями.

• Превращение происходит на границе зерен, либо на дислокациях или в пустотах.
• «Если только несколько десятков атомов заняли положение, соответствующее новому порядку, то дальше происходит ориентированный рос зародыша, к которому один за другим начинают переходить атомы от старого, менее удобного порядка или от беспорядка.»

• Внесенный кристаллик в насыщенный раствор всегда запускает и ускоряет кристаллизацию.

• Переохлажденное состояние.
• Хорош отчищенные от примесей вещества, могут оставаться в жидком состоянии при температурах на 10-25% ниже температуры их плавления (метастабильное состояние).

Центры кристаллизации

• Когда жидкость переохлаждена , она готова к фазовому переходу в твердое состояние. Он начнется, когда возникнет центр кристаллизации.
• Центры кристаллизации в чистом веществе появляются спонтанно при многочастичном столкновении атомов.
• Они слабее частиц жидкости и разрушаются притяжением молекул жидкости, но некоторые из них могут преодолеть это ограничение, и становятся нанокристаллами, затем микрокристаллами и потом способны запустить волну кристаллизации.

• При понижении температуры на переохлаждённую жидкость влияют два основных фактора:

1. степень переохлаждения, которая увеличивает склонность жидкости к кристаллизации.

2. увеличение вязкости, которая в свою очередь уменьшает шанс кристаллизации.

Удельная частота образования критических зародышей - это сколько в среднем в данном веществе в единице объема при заданной температуре образуется в секунду зародышей кристаллов