Что такое кристаллизация в физике: формула

Рассмотрим, в чём заключается физическая суть, условия протекания, особенности процесса кристаллизации. Также разберёмся, как изменяется внутренняя энергия вещества при кристаллизации.

Что такое кристаллизация в физике

Представьте морозный зимний день. Если подышать на стекло c узорами, те растают. Вскоре на этом месте вырастет новый ледяной кристалл. Он начнёт формироваться из уже готового, не полностью растаявшего. В процессе образования появляются ответвления под одним углом. При столкновении друг с другом они образуют так называемые узоры, рисунки.

При понижении температуры жидкости (иногда газа) в определённых условиях она начинает превращаться в твёрдое вещество: вода – в лёд, расплав – в металл. Этот процесс и есть кристаллизация в физике – переход вещества из жидкого (расплав, раствор) или газообразного состояния в твёрдое с образованием кристаллов. Сюда относят преобразование структуры кристаллов: из одной вырисовывается другая. Благодаря её существованию образуются минералы, сплавы металлов, кости и эмаль живых организмов. Химики прибегают к процессу для получения веществ без примесей, отсюда и выражение «кристально чистый».

Для протекания процедуры необходимы центры кристаллизации – зародыши. Ими могут быть как кристаллики вещества, например, нерастаявшие льдинки, так и разнообразные примеси: сажа, пыль. При отсутствии этих центров образуется переохлаждённая жидкость. При переохлаждении вещество может долго находиться в метастабильном состоянии. С достижением определённых условий зародыши или центры появляются спонтанно, и кристаллизация протекает в ускоренном темпе.

Значительно переохлаждённые жидкости называются аморфными: текучесть они теряют, но кристаллическую структуру не приобретают. Это смола, сургуч, воск.

Особенности кристаллизации:

• Начинается после охлаждения жидкой формы вещества до определённой температуры.


• Кристаллы образуются без изменения температуры.


• Кристаллизация протекает при той температуре, что и плавление.

Скорость, степень переохлаждения жидкости и условия роста кристаллов определяют их структуру, форму.

Кристаллы образуются не только из жидкостей, но из газов, например, те же «морозные рисунки» на стекле появляются путём присоединения атомов и молекул воды (паров) из воздуха. Йод при нагревании из твёрдого состояния переходит в газообразное – сублимируется, а при охлаждении, минуя жидкое, кристаллизуется.

Формула процесса

Кристаллизации воды в физике описывается формулой:

Q = λm, где:

• Q – выделившееся при фазовом переходе тепло;


• m – масса или количество вещества;


• λ – его удельная теплота.

Для воды/льда удельная теплота кристаллизации (плавления) =330 (кДж/кг). После подстановки получим выражение: Q = 330m.

В процессе кристаллизации внутренняя энергия вещества снижается за счёт выделения тепловой энергии в окружающую среду в виде скрытой теплоты. Её часть способна превратиться в механическую работу. Например, кристалл во время образования поднимает получаемое вещество над своей массой, на что затрачивается энергия. При создании гипса или льда его частички могут выдавать давление в несколько килограмм. 

Известно, что замерзающая в полной бутылке или банке вода разрывает ёмкость; их разрушает лёд,  образующийся в полостях и трещинах бетонных конструкций.