ТЕРМОДИНАМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДЕНДРИТНОГО РОСТУ МОНОКРИСТАЛІВ ЛЬОДУ В НЕСТАБІЛЬНИХ УМОВАХ - Научное сообщество
Главная
UA PL EN

Вас приветствует Интернет конференция!

Приветствуйем на нашем сайте

Рік заснування видання - 2011

ТЕРМОДИНАМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДЕНДРИТНОГО РОСТУ МОНОКРИСТАЛІВ ЛЬОДУ В НЕСТАБІЛЬНИХ УМОВАХ

05.03.2026 11:11

[3. Nauki techniczne]

Автор: Бондарчук Максим Володимирович, студент, Волинський Національний Університет імені Лесі Українки, м. Луцьк; Замуруєва Оксана Валеріївна, кандидат фізико-математичних наук, доцент кафедри теоретичної та компʼютерної фізики імені А.В. Свідзинського, Волинський Національний Університет імені Лесі Українки, м. Луцьк; Регей Марія Андріївна, студентка, Дрогобицький державний педагогічний університет ім. Івана Франка, м. Дрогобич; Коняєв Максим Васильович, студент, Волинський Національний Університет імені Лесі Українки, м. Луцьк


Анотація. У роботі розглянуто термодинамічні умови формування монокристалів льоду в атмосфері. Проаналізовано процес дендритного росту та десублімації водяної пари в умовах теплової нестабільності. На основі класифікації Укічіро Накаї показано залежність морфології льодяних кристалів (гексагональних пластинок, стовпчиків, дендритів) від температури та рівня пересичення середовища.

Ключові слова: термодинаміка, монокристал льоду, дендритний ріст, десублімація, діаграма Накаї, фазовий перехід.

За умов теплової нестабільності молекули води хаотично скупчуються, ініціюючи утворення крижаних структур. Подальший ріст відбувається шляхом приєднання нових молекул води до поверхні зародкового кристала, що призводить до збільшення його розмірів. Висока вологість, значна концентрація водяної пари та екстремальні температурні умови є ідеальними факторами для початку дендритного росту.

Дендрит (слово походить з грецької мови і означає «дерево») — це макроскопічна форма, що виникає внаслідок швидкої зміни агрегатного стану та утворення нової розгалуженої структурної сітки, схожої на силует і крону дерева. Цей тип кристалізації є поширеним явищем не лише в метеорології, але й у мінералогії та металургії [1].

Основою такої структури є монокристал — тверде тіло, що характеризується стійкістю та незмінністю внутрішньої будови в усьому своєму об’ємі. Його зовнішня форма жорстко детермінована атомно-кристалічною ґраткою речовини.

Термін «сніжинка» є узагальненим поняттям: ним можна назвати як кінцевий результат дендритного росту (окремий монокристал льоду), так і будь-яке скупчення кристалів, що падає з хмар у зимову пору. Зазвичай окремий кристал має чітко виражену шестикутну форму. При цьому на нього не діють якісь специфічні зовнішні сили, що примусово формували б цей шестикутник. Збільшення кристала відбувається під час його проходження через атмосферні шари з різними термодинамічними характеристиками. Оскільки вологість та температура постійно змінюються на різних відрізках цього шляху, кількість і локалізація молекул води, що приєднуються до кристала, також варіюються. Саме тому, якщо порівнювати окремі відрізки однієї гілки дендрита, вони можуть мати мікроскопічні відмінності [1].

Проте загальна симетрія кристала зберігається, і причиною цьому є однорідність середовища навколо нього в кожен конкретний момент часу. Молекули води осідають на гілки, які відростають від початкового кристалічного шестикутника. Відрощування так званих «гілок сніжинки» — це найефективніший спосіб для кристала зняти структурне напруження та вивільнити надлишкову енергію під час зміни агрегатного стану. Важливим нюансом є той факт, що утворення кристала льоду — це процес десублімації, тобто прямого переходу водяної пари в лід, минаючи перехідний стан у вигляді рідкої краплі. Адже замерзлі краплі води — це переохолоджена мряка чи град, але не сніговий кристал.

Монокристали льоду зазвичай мають гексагональну (шестикутну) форму, і ця закономірність стала настільки буденною, що про інші конфігурації часто забувають. Шестикутна симетрія зумовлена специфічним розташуванням молекул води у кристалічній ґратці льоду: якщо обертати таку просторову модель, виникатиме знайома нам симетрія. Оскільки кристал реалізується у тривимірному просторі, виникає саме об'ємна шестикутна форма. Проте у природі існують й інші поширені морфологічні різновиди. Серед них: колони (мають шестикутну основу, але видовжені по висоті) та пластинки (мають широку основу, але малу висоту). Більшість таких кристалів мають спільну геометричну будову, але в різних пропорціях: дві гексагональні основи та шість прямокутних бічних граней.

Досліджуючи снігові кристали, обов’язково потрібно згадати про праці японського фізика Укічіро Накаї, який у 30-х роках ХХ століття вивчав ріст льоду на кінчику кролячої шерстинки. На основі здобутих під час експериментів даних було узагальнено та виявлено ключові закономірності росту монокристалів льоду. Основними факторами виявилися температура та рівень насичення повітря вологою. Діаграма Накаї демонструє, що в різних температурних діапазонах формуються різні типи кристалів. Узагальнено це виглядає наступним чином:

• від 0 до -4 °C — утворюються плоскі шестикутні пластинки;

• від -4 до -10 °C — відбувається різка зміна осі росту і утворюються видовжені стовпчики та голки;

• від -10 до -22 °C — це найсприятливіший діапазон для росту складних розгалужених дендритів;

• від -22 °C і нижче — утворюються прості призми-стовпчики [2].




Рисунок 1. Діаграма морфології снігових кристалів У. Накаї

Подібні закономірності ми спостерігаємо під час утворення морозних візерунків на вікнах або інших неідеально рівних поверхнях. Для ініціації росту такого кристала необхідний центр нуклеації — мікронерівність, тріщина або подряпина на склі. Взаємодія цих фізичних умов дозволяє отримати складні фрактальні малюнки на вікнах, які є прямим візуальним відображенням законів термодинаміки.

Фізика оточує нас усюди — від молекул повітря в кімнаті до надр Землі. Навіть таке очевидне явище, як сніжинка, є результатом низки складних фізичних процесів, що поєднують у собі термодинаміку макропростору та внутрішні квантово-хімічні особливості речовини на субатомному рівні. Дендритний ріст — це багатогранний процес, що демонструє тісний зв'язок між зовнішніми та внутрішніми силами, які діють на будь-яке фізичне тіло. Термодинаміка настільки глибоко і витончено описує ці явища, що це слугує ідеальною ілюстрацією до тези: «Наука дійсно елегантна».

Література

1. Libbrecht K. G. The science of snowflakes. SnowCrystals.com. URL: https://www.snowcrystals.com/science/science.html (дата звернення: 02.03.2026).

2. Nakaya U. Snow Crystals: Natural and Artificial. Cambridge : Harvard University Press, 1954. 510 p.



Creative Commons Attribution Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
допомога Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter

Другие научные работы даной секции

Конференции

Konferencje 2026

Konferencje 2025

Konferencje 2024

Konferencje 2023

Konferencje 2022

Konferencje 2021



Міжнародна інтернет-конференція з економіки, інформаційних систем і технологій, психології та педагогіки

Наукова спільнота - інтернет конференції

:: LEX-LINE :: Юридична лінія

Інформаційне суспільство: технологічні, економічні та технічні аспекти становлення