В ежедневната практика се налага да се занимаваме не с отделни атоми, молекули и йони, а с реални вещества – съвкупност от голям брой частици. В зависимост от естеството на тяхното взаимодействие се разграничават четири вида агрегатно състояние: твърдо, течно, газообразно и плазмено. Едно вещество може да се трансформира от едно агрегатно състояние в друго в резултат на подходящ фазов преход.
Наличието на вещество в едно или друго агрегатно състояние се определя от силите, действащи между частиците, разстоянието между тях и характеристиките на тяхното движение. Всяко агрегатно състояние се характеризира с набор от определени свойства.
Свойства на веществата в зависимост от тяхното агрегатно състояние:
| състояние | Имот |
| газообразен |
|
| течност |
|
| твърд |
|
В съответствие със степента на подреденост в системата всяко агрегатно състояние се характеризира със собствена връзка между кинетичната и потенциалната енергия на частиците. В твърдите тела потенциалът преобладава над кинетиката, тъй като частиците заемат определени позиции и вибрират само около тях. При газовете има обратна връзка между потенциалната и кинетичната енергия, като следствие от факта, че газовите молекули винаги се движат хаотично и между тях почти няма кохезионни сили, така че газът заема целия обем. При течностите кинетичната и потенциалната енергия на частиците са приблизително еднакви, между частиците има нетвърда връзка, поради което течностите се характеризират с течливост и постоянен обем.
Когато частиците на дадено вещество образуват правилна геометрична структура и енергията на връзките между тях е по-голяма от енергията на топлинните вибрации, което предотвратява разрушаването на съществуващата структура, това означава, че веществото е в твърдо състояние. Но започвайки от определена температура, енергията на топлинните вибрации надвишава енергията на връзките между частиците. В този случай частиците, въпреки че остават в контакт, се движат една спрямо друга. В резултат на това се нарушава геометричната структура и веществото преминава в течно състояние. Ако топлинните вибрации се увеличат толкова много, че връзката между частиците практически се губи, веществото придобива газообразно състояние. В „идеален“ газ частиците се движат свободно във всички посоки.
С повишаване на температурата веществото преминава от подредено състояние (твърдо) в неподредено състояние (газообразно); течното състояние е междинно в реда на частиците.
Четвъртото агрегатно състояние се нарича плазма - газ, състоящ се от смес от неутрални и йонизирани частици и електрони. Плазмата се образува при свръхвисоки температури (10 5 -10 7 0 C) поради значителната енергия на сблъсък на частици, които имат максимално разстройство на движение. Задължителна характеристика на плазмата, както и на другите състояния на материята, е нейната електрическа неутралност. Но в резултат на неуреденото движение на частиците в плазмата могат да се появят отделни заредени микрозони, поради което тя се превръща в източник на електромагнитно излъчване. В плазмено състояние материята съществува върху звезди и други космически обекти, както и по време на термоядрени процеси.
Всяко състояние на агрегиране се определя преди всичко от диапазона на температурите и наляганията, следователно за визуална количествена характеристика се използва фазова диаграма на веществото, която показва зависимостта на състоянието на агрегация от налягането и температурата.
Диаграма на състоянието на вещество с криви на фазов преход: 1 - топене-кристализация, 2 - кипене-кондензация, 3 - сублимация-десублимация
Фазовата диаграма се състои от три основни области, които съответстват на кристалното, течното и газообразното състояние. Отделните области са разделени от криви, отразяващи фазовите преходи:
- твърдо състояние в течност и, обратно, течност в твърдо (крива на топене-кристализация - пунктирана зелена графика)
- течност в газообразно и обратно преобразуване на газ в течност (крива на кипене-кондензация - синя графика)
- твърдо към газообразно и газообразно към твърдо (крива на сублимация-десублимация - червена графика).
Координатите на пресичане на тези криви се наричат тройна точка, в която при условия на определено налягане P = P in и определена температура T = T in веществото може да съществува едновременно в три агрегатни състояния, с течността и твърди тела с еднакво парно налягане. Координатите P in и T in са единствените стойности на налягането и температурата, при които и трите фази могат да съществуват едновременно.
Точка K на фазовата диаграма на състоянието съответства на температурата Tk - така наречената критична температура, при която кинетичната енергия на частиците надвишава енергията на тяхното взаимодействие и следователно линията на разделяне между течната и газовата фаза се изтрива и веществото съществува в газообразно състояние при всяко налягане.
От анализа на фазовата диаграма следва, че при високо налягане, по-голямо от това в тройната точка (P in), нагряването на твърдо вещество завършва с неговото топене, например при P 1 топенето се случва в точката д. По-нататъшното повишаване на температурата от Td до Te води до кипене на веществото при дадено налягане P1. При налягане P 2, по-малко от налягането в тройната точка P in, нагряването на веществото води до прехода му директно от кристално към газообразно състояние (точка р), тоест до сублимация. За повечето вещества налягането в тройната точка е по-ниско от налягането на наситените пари (P in
P е наситена пара, следователно, когато кристалите на такива вещества се нагряват, те не се топят, а се изпаряват, т.е. претърпяват сублимация. Например йодните кристали или „сухият лед“ (твърд CO 2) се държат по този начин.
Анализ на фазовата диаграма на материята Газообразно състояние
При нормални условия (273 K, 101325 Pa) както простите вещества, чиито молекули се състоят от един (He, Ne, Ar) или няколко прости атома (H 2, N 2, O 2), така и сложните могат да бъдат в газообразно състояние състояние вещества с ниска моларна маса (CH 4, HCl, C 2 H 6).
Тъй като кинетичната енергия на газовите частици надвишава тяхната потенциална енергия, молекулите в газообразно състояние непрекъснато се движат произволно. Поради големите разстояния между частиците, силите на междумолекулно взаимодействие в газовете са толкова незначителни, че не са достатъчни, за да привлекат частиците една към друга и да ги задържат заедно. Именно поради тази причина газовете нямат собствена форма и се характеризират с ниска плътност и висока способност за компресиране и разширяване. Поради това газът постоянно притиска стените на съда, в който се намира, еднакво във всички посоки.
За да се изследва връзката между най-важните параметри на газ (налягане P, температура T, количество вещество n, моларна маса M, маса m), се използва най-простият модел на газообразното състояние на веществото - идеален газ, което се основава на следните предположения:
- взаимодействието между газовите частици може да се пренебрегне;
- самите частици са материални точки, които нямат собствен размер.
Най-общото уравнение, описващо модела на идеалния газ, се счита за уравнението Менделеев-Клапейронза един мол вещество:
Но поведението на реалния газ като правило се различава от идеалния. Това се обяснява, първо, с факта, че все още има незначителни сили на взаимно привличане между молекулите на реалния газ, които компресират газа до известна степен. Като се вземе това предвид, общото налягане на газа се увеличава с количеството а/V 2, което отчита допълнителното вътрешно налягане, причинено от взаимното привличане на молекулите. В резултат на това общото налягане на газа се изразява чрез сумата P+ А/V 2. Второ, молекулите на реалния газ имат, макар и малък, добре определен обем b , следователно действителният обем на целия газ в космоса е V— b . Когато заместваме разглежданите стойности в уравнението на Менделеев-Клапейрон, получаваме уравнението на състоянието на реален газ, което се нарича уравнение на ван дер Ваалс:
Където А И b — емпирични коефициенти, които се определят на практика за всеки реален газ. Установено е, че коеф а има по-голяма стойност за газове, които лесно се втечняват (например CO 2, NH 3), а коеф. b - напротив, колкото по-голяма е величината, толкова по-големи са газовите молекули (например газообразни въглеводороди).
Уравнението на Ван дер Ваалс описва поведението на реален газ много по-точно от уравнението на Менделеев-Клапейрон, което въпреки това, поради ясното си физическо значение, се използва широко в практическите изчисления. Въпреки че идеалното състояние на газ е граничен, въображаем случай, простотата на законите, които му съответстват, възможността за тяхното приложение за описание на свойствата на много газове при условия на ниско налягане и високи температури прави модела на идеалния газ много удобно.
Течно агрегатно състояние
Течното състояние на всяко конкретно вещество е термодинамично стабилно в определен диапазон от температури и налягания, характерни за природата (състава) на това вещество. Горната температурна граница на течното състояние е точката на кипене, над която веществото е в газообразно състояние при условия на стабилно налягане. Долната граница на стабилното състояние на съществуване на течност е температурата на кристализация (втвърдяване). Температурите на кипене и кристализация, измерени при налягане 101,3 kPa, се наричат нормални.
Обикновените течности се характеризират с изотропия - еднаквост на физичните свойства във всички посоки в рамките на едно вещество. Понякога се използват други термини за изотропия: инвариантност, симетрия по отношение на избора на посока.
При оформянето на възгледите за природата на течното състояние е важна идеята за критично състояние, открита от Менделеев (1860):
Критичното състояние е равновесно състояние, при което границата на разделяне между течност и нейните пари изчезва, тъй като течността и нейните наситени пари придобиват еднакви физични свойства.
В критично състояние стойностите както на плътностите, така и на специфичните обеми на течността и нейните наситени пари стават еднакви.
Течното състояние на веществото е междинно между газообразно и твърдо. Някои свойства доближават течното състояние до твърдото състояние. Ако твърдите вещества се характеризират с твърдо подреждане на частици, което се простира на разстояния до стотици хиляди междуатомни или междумолекулни радиуси, тогава в течно състояние, като правило, се наблюдават не повече от няколко десетки подредени частици. Това се обяснява с факта, че редът между частиците в различни места на течно вещество бързо възниква и също толкова бързо отново се „разрушава“ от топлинните вибрации на частиците. В същото време общата плътност на „опаковката“ на частиците се различава малко от тази на твърдо вещество, така че плътността на течностите не се различава много от плътността на повечето твърди вещества. Освен това способността на течностите да се компресират е почти толкова ниска, колкото тази на твърдите вещества (около 20 000 пъти по-малка от тази на газовете).
Структурният анализ потвърди, че течностите проявяват т.нар затворете поръчката, което означава, че броят на най-близките „съседи“ на всяка молекула и техните относителни позиции са приблизително еднакви в целия обем.
Нарича се сравнително малък брой частици с различен състав, свързани чрез сили на междумолекулно взаимодействие клъстер . Ако всички частици в течността са идентични, тогава се нарича такъв клъстер сътрудник . В клъстерите и асоциираните групи се наблюдава ред на къси разстояния.
Степента на ред в различни течности зависи от температурата. При ниски температури, малко над точката на топене, степента на подреденост в подреждането на частиците е много висока. С повишаването на температурата тя се понижава и с нагряването свойствата на течността стават все по-подобни на свойствата на газовете, а при достигане на критичната температура разликата между течното и газообразното състояние изчезва.
Близостта на течното състояние до твърдото състояние се потвърждава от стойностите на стандартните енталпии на изпарение DН 0 изпаряване и топене DН 0 топене. Нека си припомним, че стойността на изпарението DH 0 показва количеството топлина, необходимо за превръщането на 1 мол течност в пара при 101,3 kPa; същото количество топлина се изразходва за кондензацията на 1 мол пара в течност при същите условия (т.е. DH 0 изпарение = DH 0 кондензация). Количеството топлина, изразходвано за превръщането на 1 мол твърдо вещество в течност при 101,3 kPa се нарича стандартна енталпия на топене; същото количество топлина се отделя по време на кристализацията на 1 мол течност при условия на нормално налягане (DH 0 топене = DH 0 кристализация). Известно е, че DH 0 изпарение<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.
Въпреки това, други важни свойства на течностите приличат повече на тези на газовете. Така че, подобно на газовете, течностите могат да текат - това свойство се нарича течливост . Те могат да устоят на потока, тоест имат присъщо вискозитет . Тези свойства се влияят от силите на привличане между молекулите, молекулното тегло на течното вещество и други фактори. Вискозитетът на течностите е приблизително 100 пъти по-голям от този на газовете. Точно като газовете, течностите могат да дифундират, но много по-бавно, тъй като течните частици са опаковани по-плътно една до друга от газовите частици.
Едно от най-интересните свойства на течното състояние, което не е характерно нито за газове, нито за твърди вещества, е повърхностно напрежение .
Диаграма на повърхностното напрежение на течността Молекула, разположена в течен обем, се въздейства равномерно от междумолекулни сили от всички страни. На повърхността на течността обаче балансът на тези сили се нарушава, в резултат на което повърхностните молекули са под въздействието на някаква резултатна сила, която е насочена вътре в течността. Поради тази причина повърхността на течността е в състояние на напрежение. Повърхностното напрежение е минималната сила, която задържа частиците течност вътре и по този начин предотвратява свиването на повърхността на течността.
Строеж и свойства на твърдите тела
Повечето известни вещества, както естествени, така и изкуствени, са в твърдо състояние при нормални условия. От всички съединения, известни днес, около 95% са твърди вещества, които са станали важни, защото са в основата не само на структурни, но и на функционални материали.
- Строителните материали са твърди вещества или техни състави, които се използват за производството на инструменти, битови предмети и различни други конструкции.
- Функционалните материали са твърди вещества, чиято употреба се определя от наличието на определени полезни свойства в тях.
Например стоманата, алуминият, бетонът и керамиката принадлежат към структурните материали, докато полупроводниците и фосфорът принадлежат към функционалните материали.
В твърдо състояние разстоянията между частиците на веществото са малки и имат същия порядък като самите частици. Енергиите на взаимодействие между тях са доста високи, което пречи на свободното движение на частиците - те могат да осцилират само около определени равновесни позиции, например около възлите на кристална решетка. Невъзможността на частиците да се движат свободно води до една от най-характерните особености на твърдите тела – наличието на собствена форма и обем. Свиваемостта на твърдите вещества е много ниска, а плътността е висока и зависи малко от промените в температурата. Всички процеси, протичащи в твърдата материя, протичат бавно. Законите на стехиометрията за твърди вещества имат различен и като правило по-широк смисъл, отколкото за газообразни и течни вещества.
Подробното описание на твърдите вещества е твърде обемно за този материал и затова се обсъжда в отделни статии: и.
Състояние на материята
вещество- реално съществуващ сбор от частици, свързани с химични връзки и при определени условия в едно от агрегатните състояния. Всяко вещество се състои от набор от много голям брой частици: атоми, молекули, йони, които могат да се комбинират помежду си в асоциирани вещества, наричани още агрегати или клъстери. В зависимост от температурата и поведението на частиците в асоциатите (относителното разположение на частиците, техния брой и взаимодействие в асоциат, както и разпределението на асоциатите в пространството и тяхното взаимодействие помежду си), веществото може да бъде в две основни състояния: на агрегиране - кристален (твърд) или газообразен,и в преходни състояния на агрегиране – аморфен (твърд), течнокристален, течност и пара.Твърдите, течнокристалните и течните агрегатни състояния са кондензирани, докато парообразните и газообразните състояния са силно разредени.
Фаза- това е набор от хомогенни микрорегиони, характеризиращи се с еднакъв ред и концентрация на частици и съдържащи се в макроскопичен обем материя, ограничен от повърхността. В това разбиране фазата е характерна само за веществата в кристално и газообразно състояние, т.к това са хомогенни агрегатни състояния.
Метафазае колекция от хетерогенни микрорегиони, които се различават един от друг по степента на подреждане на частиците или тяхната концентрация и се съдържат в макроскопичен обем материя, ограничен от интерфейса. В това разбиране метафазата е характерна само за вещества, които са в хетерогенни преходни състояния на агрегиране. Различните фази и метафази могат да се смесват помежду си, образувайки едно състояние на агрегиране и тогава няма интерфейс между тях.
Обикновено понятията „основно“ и „преходно“ агрегатно състояние не се разграничават. Понятията „агрегатно състояние“, „фаза“ и „мезофаза“ често се използват взаимозаменяемо. Препоръчително е да се разгледат пет възможни състояния на агрегиране на състоянието на веществата: твърдо, течнокристално, течно, парообразно, газообразно.Преходът на една фаза към друга фаза се нарича фазов преход от първи и втори ред. Фазовите преходи от първи ред се характеризират с:
Резки промени във физичните величини, които описват състоянието на веществото (обем, плътност, вискозитет и др.);
Определена температура, при която се извършва даден фазов преход
Определена топлина, която характеризира този преход, т.к междумолекулните връзки се разкъсват.
Фазовите преходи от първи ред се наблюдават по време на прехода от едно състояние на агрегиране в друго състояние на агрегиране. Фазовите преходи от втори ред се наблюдават, когато редът на частиците се променя в рамките на едно състояние на агрегиране и се характеризира с:
Постепенна промяна във физичните свойства на веществото;
Промяна в подреждането на частиците на веществото под въздействието на градиент на външни полета или при определена температура, наречена температура на фазов преход;
Топлината на фазовите преходи от втори ред е равна и близка до нула.
Основната разлика между фазовите преходи от първи и втори ред е, че по време на преходите от първи ред се променя на първо място енергията на частиците на системата, а в случай на преходи от втори ред - подреждането на частиците на системата се променя.
Преходът на веществото от твърдо към течно състояние се нарича топенеи се характеризира със своята точка на топене. Преминаването на веществото от течно в парообразно състояние се нарича изпарениеи се характеризира с точка на кипене. За някои вещества с ниско молекулно тегло и слаби междумолекулни взаимодействия е възможен директен преход от твърдо състояние към парообразно състояние, заобикаляйки течното състояние. Този преход се нарича сублимация.Всички горепосочени процеси могат да възникнат и в обратна посока: тогава те се наричат замразяване, кондензация, десублимация.
Вещества, които не се разлагат при топене и кипене, могат да съществуват в зависимост от температурата и налягането във всичките четири агрегатни състояния.
В твърдо състояние
При достатъчно ниска температура почти всички вещества са в твърдо състояние. В това състояние разстоянието между частиците на веществото е сравнимо с размера на самите частици, което осигурява тяхното силно взаимодействие и значителен излишък на тяхната потенциална енергия над кинетичната енергия.Движението на частиците от твърдо вещество е ограничено само от незначителни вибрации и ротации спрямо тяхната позиция и нямат транслационно движение. Това води до вътрешен ред в подреждането на частиците. Следователно твърдите тела се характеризират със собствена форма, механична якост и постоянен обем (те са практически несвиваеми). В зависимост от степента на подреденост на частиците твърдите тела се делят на кристален и аморфен.
Кристалните вещества се характеризират с наличието на ред в подреждането на всички частици. Твърдата фаза на кристалните вещества се състои от частици, които образуват хомогенна структура, характеризираща се със строга повторяемост на една и съща елементарна клетка във всички посоки. Единичната клетка на кристала характеризира триизмерната периодичност в подреждането на частиците, т.е. неговата кристална решетка. Кристалните решетки се класифицират в зависимост от вида на частиците, които изграждат кристала, и природата на привличащите сили между тях.
Много кристални вещества, в зависимост от условията (температура, налягане), могат да имат различни кристални структури. Това явление се нарича полиморфизъм.Добре известни полиморфни модификации на въглерода: графит, фулерен, диамант, карбин.
Аморфни (безформени) вещества.Това състояние е характерно за полимерите. Дългите молекули лесно се огъват и преплитат с други молекули, което води до нередности в подреждането на частиците.
Разликата между аморфните и кристалните частици:
изотропия – еднакви физични и химични свойства на тяло или среда във всички посоки, т.е. независимост на свойствата от посоката;
няма фиксирана точка на топене.
Стъклото, стопеният кварц и много полимери имат аморфна структура. Аморфните вещества са по-малко стабилни от кристалните и следователно всяко аморфно тяло може с течение на времето да премине в енергийно по-стабилно състояние - кристално.
Течно състояние
С повишаването на температурата енергията на топлинните вибрации на частиците се увеличава и за всяко вещество има температура, започвайки от която енергията на топлинните вибрации надвишава енергията на връзките. Частиците могат да извършват различни движения, движейки се една спрямо друга. Те все още остават в контакт, въпреки че правилната геометрична структура на частиците е нарушена - веществото съществува в течно състояние. Поради подвижността на частиците течното състояние се характеризира с Брауново движение, дифузия и летливост на частиците. Важно свойство на течността е вискозитетът, който характеризира взаимосвързаните сили, които пречат на свободния поток на течността.
Течностите заемат междинно положение между газообразните и твърдите състояния на веществата. По-подредена структура от газ, но по-малко от твърдо тяло.
Парни и газообразни състояния
Паро-газообразното състояние обикновено не се разграничава.
Газ - това е силно разредена хомогенна система, състояща се от отделни молекули, далеч една от друга, която може да се разглежда като единична динамична фаза.
пара - Това е силно разредена нехомогенна система, която е смес от молекули и нестабилни малки сътрудници, състоящи се от тези молекули.
Молекулярно-кинетичната теория обяснява свойствата на идеален газ въз основа на следните принципи: молекулите претърпяват непрекъснато произволно движение; обемът на газовите молекули е незначителен в сравнение с междумолекулните разстояния; между газовите молекули няма сили на привличане или отблъскване; средната кинетична енергия на газовите молекули е пропорционална на абсолютната им температура. Поради незначителността на силите на междумолекулно взаимодействие и наличието на голям свободен обем, газовете се характеризират с: високи скорости на топлинно движение и молекулна дифузия, желанието на молекулите да заемат възможно най-голям обем, както и висока свиваемост .
Изолирана газофазова система се характеризира с четири параметъра: налягане, температура, обем и количество вещество. Връзката между тези параметри се описва от уравнението на състоянието на идеалния газ:
R = 8,31 kJ/mol – универсална газова константа.
Цялата материя може да съществува в една от четирите форми. Всеки от тях е специфично агрегатно състояние на дадено вещество. В природата на Земята само един е представен в три от тях едновременно. Това е вода. Лесно се вижда и изпарено, и разтопено, и втвърдено. Тоест пара, вода и лед. Учените са се научили да променят агрегатните състояния на материята. Най-голямата трудност за тях е само плазмата. Това условие изисква специални условия.
Какво представлява, от какво зависи и как се характеризира?
Ако едно тяло е преминало в друго агрегатно състояние, това не означава, че се е появило нещо друго. Същността остава същата. Ако течността имаше водни молекули, тогава ледът и парата щяха да имат същите молекули. Ще се променят само тяхното местоположение, скорост на движение и сили на взаимодействие помежду си.
При изучаването на темата „Състояния на агрегация (8 клас)“ се разглеждат само три от тях. Това са течност, газ и твърдо вещество. Техните прояви зависят от физическите условия на околната среда. Характеристиките на тези условия са представени в таблицата.
| Име на агрегатното състояние | твърдо | течност | газ |
| Неговите свойства | запазва формата си с обем | има постоянен обем, приема формата на съд | няма постоянен обем и форма |
| Молекулярно подреждане | във възлите на кристалната решетка | безпорядък | хаотичен |
| Разстояние между тях | сравними с размера на молекулите | приблизително равен на размера на молекулите | значително по-големи от техния размер |
| Как се движат молекулите | осцилират около решетъчен възел | не се движат от точката на равновесие, но понякога правят големи скокове | непостоянен със случайни сблъсъци |
| Как си взаимодействат? | са силно привлечени | са силно привлечени един от друг | не се привличат, при ударите се появяват отблъскващи сили |
Първо състояние: твърдо
Основната му разлика от другите е, че молекулите имат строго определено място. Когато хората говорят за твърдо агрегатно състояние, най-често имат предвид кристали. Решетъчната им структура е симетрична и строго периодична. Следователно винаги се запазва, независимо колко далеч се разпространява тялото. Вибрационното движение на молекулите на дадено вещество не е достатъчно, за да разруши тази решетка.
Но има и аморфни тела. При тях липсва строга структура в подреждането на атомите. Те могат да бъдат навсякъде. Но това място е също толкова стабилно, колкото и в кристалното тяло. Разликата между аморфните вещества и кристалните вещества е, че те нямат определена температура на топене (втвърдяване) и се характеризират с течливост. Ярки примери за такива вещества: стъкло и пластмаса.
Второ състояние: течност
Това състояние на материята е кръстоска между твърдо вещество и газ. Следователно той съчетава някои свойства от първото и второто. По този начин разстоянието между частиците и тяхното взаимодействие е подобно на това, което беше в случая с кристалите. Но местоположението и движението е по-близо до газа. Поради това течността не запазва формата си, а се разнася по целия съд, в който е налята.
Трето състояние: газ
За науката, наречена "физика", агрегатното състояние под формата на газ не е на последно място. В крайна сметка тя изучава света около себе си и въздухът в него е много разпространен.
Особеностите на това състояние са, че между молекулите практически няма сили на взаимодействие. Това обяснява свободното им движение. Поради което газообразното вещество запълва целия предоставен му обем. Освен това всичко може да бъде прехвърлено в това състояние, просто трябва да увеличите температурата с необходимото количество.
Четвърто състояние: плазма
Това агрегатно състояние на дадено вещество е газ, който е напълно или частично йонизиран. Това означава, че броят на отрицателно и положително заредените частици в него е почти еднакъв. Тази ситуация възниква при нагряване на газ. Тогава има рязко ускоряване на процеса на термична йонизация. Състои се в това, че молекулите са разделени на атоми. След това последните се превръщат в йони.
Във Вселената това състояние е много често срещано. Защото съдържа всички звезди и средата между тях. Среща се изключително рядко в границите на земната повърхност. Освен йоносферата и слънчевия вятър, плазмата е възможна само по време на гръмотевична буря. При светкавици се създават условия, при които атмосферните газове преминават в четвърто агрегатно състояние.
Но това не означава, че плазмата не е създадена в лабораторията. Първото нещо, което успяхме да възпроизведем, беше газоразряд. Плазмата вече изпълва флуоресцентни лампи и неонова реклама.
Как се осъществява преходът между състоянията?
За да направите това, трябва да създадете определени условия: постоянно налягане и определена температура. В този случай промяната в агрегатното състояние на веществото е придружена от освобождаване или поглъщане на енергия. Освен това този преход не се случва със светкавична скорост, а изисква определено време. През цялото това време условията трябва да останат непроменени. Преходът възниква при едновременното съществуване на вещество в две форми, които поддържат топлинно равновесие.
Първите три състояния на материята могат взаимно да се трансформират едно в друго. Има директни процеси и обратни. Те имат следните имена:
- топене(твърдо към течно) и кристализация, например, топене на лед и втвърдяване на вода;
- изпаряване(от течно към газообразно) и кондензация, пример е изпаряването на вода и нейното производство от пара;
- сублимация(от твърдо в газообразно) и десублимация, например, изпаряването на сухия аромат за първия от тях и мразовитите шарки върху стъклото за втория.
Физика на топене и кристализация
Ако твърдо вещество се нагрява, то при определена температура, т.нар точка на топенена конкретно вещество ще започне промяна в агрегатното състояние, което се нарича топене. Този процес включва усвояване на енергия, която се нарича количество топлинаи се обозначава с буквата Q. За да го изчислите, трябва да знаете специфична топлина на топене, което се обозначава λ . И формулата приема следния израз:
Q = λ * m, където m е масата на веществото, което участва в топенето.
Ако настъпи обратният процес, тоест кристализация на течността, тогава условията се повтарят. Единствената разлика е, че се освобождава енергия и във формулата се появява знак минус.
Физика на изпарението и кондензацията
Тъй като веществото продължава да се нагрява, то постепенно ще се приближи до температурата, при която започва интензивното му изпарение. Този процес се нарича изпаряване. Отново се характеризира с усвояване на енергия. Само за да го изчислите, трябва да знаете специфична топлина на изпарение r. И формулата ще бъде така:
Q = r * m.
Обратният процес или кондензация протича с отделяне на същото количество топлина. Следователно във формулата отново се появява минус.
В зависимост от температурата и налягането, всяко вещество е способно да приеме различни агрегатни състояния. Всяко такова състояние се характеризира с определени качествени свойства, които остават непроменени в рамките на температурите и наляганията, необходими за дадено състояние на агрегиране.
Характерните свойства на агрегатните състояния включват например способността на тялото в твърдо състояние да запазва формата си или обратното, способността на течното тяло да променя формата си. Понякога обаче границите между различните състояния на материята са доста размити, както в случая с течните кристали или така наречените „аморфни твърди тела“, които могат да бъдат еластични като твърди вещества и течни като течности.
Преходът между агрегатните състояния може да настъпи с освобождаване на свободна енергия, промяна на плътността, ентропията или други физически величини. Преходът от едно агрегатно състояние към друго се нарича фазов преход, а явленията, съпътстващи тези преходи, се наричат критични явления.
Списък на известни агрегатни състояния
Твърди |
||
|---|---|---|
Твърди вещества, чиито атоми или молекули не образуват кристална решетка. |
||
Твърди вещества, чиито атоми или молекули образуват кристална решетка. |
||
Мезофаза |
||
Течният кристал е фазово състояние, по време на което веществото едновременно притежава свойствата на течности и свойства на кристали. |
||
Течност |
||
Състоянието на веществото при температури над точката на топене и под точката на кипене. |
||
Течност, чиято температура надвишава точката на кипене. |
||
Течност, чиято температура е по-ниска от температурата на кристализация. |
||
Състоянието на течно вещество под отрицателно налягане, причинено от силите на Ван дер Ваалс (сили на привличане между молекулите). |
||
Състоянието на течност при температура над критичната точка. |
||
Течност, чиито свойства се влияят от квантови ефекти. |
||
Състоянието на вещество, което има много слаби връзки между молекули или атоми. Идеалният газ не може да бъде описан математически. |
||
Газ, чиито свойства се влияят от квантови ефекти. |
||
Агрегатно състояние, представено от набор от отделни заредени частици, чийто общ заряд във всеки обем на системата е нула. |
||
Състояние на материята, в което тя е колекция от глуони, кварки и антикварки. |
||
Краткотрайно състояние, по време на което глуонните силови полета са разпънати между ядрата. Предшества кварк-глуонна плазма. |
||
Квантов газ |
||
Газ, съставен от фермиони, чиито свойства се влияят от квантови ефекти. |
||
Газ, съставен от бозони, чиито свойства се влияят от квантови ефекти. |
||
Определение 1
Агрегатни състояния на материята(от латински “aggrego” означава “добавям”, “свързвам”) - това са състояния на едно и също вещество в твърда, течна и газообразна форма.
При преминаване от едно състояние в друго се наблюдава рязка промяна в енергията, ентропията, плътността и други свойства на веществото.
Твърди вещества и течности
Определение 2Твърди вещества- това са тела, които се отличават с постоянството на формата и обема си.
В твърдите вещества междумолекулните разстояния са малки и потенциалната енергия на молекулите може да се сравни с кинетичната енергия.
Твърдите вещества са разделени на 2 вида:
- кристален;
- Аморфен.
Само кристалните тела са в състояние на термодинамично равновесие. Аморфните тела са всъщност метастабилни състояния, които са подобни по структура на неравновесни, бавно кристализиращи течности. В аморфното тяло протича изключително бавен процес на кристализация, процес на постепенно превръщане на веществото в кристална фаза. Разликата между кристала и аморфното твърдо тяло е преди всичко анизотропията на неговите свойства. Свойствата на кристалното тяло се определят в зависимост от посоката в пространството. Различни процеси (например топлопроводимост, електрическа проводимост, светлина, звук) се разпространяват в различни посоки на твърдото тяло по различни начини. Но аморфните тела (например стъкло, смоли, пластмаси) са изотропни, като течностите. Единствената разлика между аморфните тела и течностите е, че последните са течни и в тях не възникват статични деформации на срязване.
Кристалните тела имат правилна молекулна структура. Благодарение на правилната структура кристалът има анизотропни свойства. Правилното подреждане на атомите в кристал създава това, което се нарича кристална решетка. В различни посоки разположението на атомите в решетката е различно, което води до анизотропия. Атомите (йони или цели молекули) в кристалната решетка претърпяват произволно осцилаторно движение близо до средни позиции, които се считат за възли на кристалната решетка. Колкото по-висока е температурата, толкова по-висока е енергията на вибрациите и следователно средната амплитуда на вибрациите. В зависимост от амплитудата на трептенията се определя размерът на кристала. Увеличаването на амплитудата на вибрациите води до увеличаване на размера на тялото. Това обяснява термичното разширение на твърдите тела.
Определение 3
Течни тела- това са тела, които имат определен обем, но нямат еластична форма.
Веществото в течно състояние се характеризира със силни междумолекулни взаимодействия и ниска свиваемост. Течността заема междинно положение между твърдо вещество и газ. Течностите, подобно на газовете, имат изотропни свойства. Освен това течността има свойството течливост. В него, както и в газовете, няма тангенциално напрежение (напрежение на срязване) на телата. Течностите са тежки, т.е. тяхното специфично тегло може да се сравни със специфичното тегло на твърдите вещества. Близо до температурите на кристализация, техният топлинен капацитет и други топлинни свойства са близки до съответните свойства на твърдите тела. В течностите подреждането на атомите се наблюдава до определена степен, но само в малки области. Тук атомите също претърпяват вибрационно движение в близост до възлите на квазикристалната клетка, но за разлика от атомите в твърдо тяло, те периодично прескачат от един възел в друг. В резултат на това движението на атомите ще бъде много сложно: осцилаторно, но в същото време центърът на трептенията се движи в пространството.
Определение 4Газ- Това е състояние на материята, при което разстоянията между молекулите са огромни.
Силите на взаимодействие между молекулите при ниско налягане могат да бъдат пренебрегнати. Газовите частици запълват целия предвиден за газ обем. Газовете се считат за силно прегряти или ненаситени пари. Специален вид газ е плазмата (частично или напълно йонизиран газ, в който плътностите на положителните и отрицателните заряди са почти еднакви). Тоест плазмата е газ от заредени частици, които взаимодействат помежду си с помощта на електрически сили на голямо разстояние, но нямат частици на близко и далечно разстояние.
Както е известно, веществата са способни да преминават от едно агрегатно състояние в друго.
Определение 5
Изпарениее процес на промяна на състоянието на агрегация на вещество, при което молекули излитат от повърхността на течност или твърдо вещество, чиято кинетична енергия трансформира потенциалната енергия на взаимодействие на молекулите.
Изпарението е фазов преход. Изпарението превръща част от течност или твърдо вещество в пара.
Определение 6
Вещество в газообразно състояние, което е в динамично равновесие с течност, се нарича наситено ферибот. В този случай промяната във вътрешната енергия на тялото е равна на:
∆ U = ± m r (1) ,
където m е масата на тялото, r е специфичната топлина на изпаряване (J l / k g).
Определение 7
Кондензацияе процес, обратен на изпаряването.
Промяната във вътрешната енергия се изчислява по формула (1).
Определение 8
Топенее процес на превръщане на вещество от твърдо състояние в течност, процес на промяна на агрегатното състояние на вещество.
Когато веществото се нагрява, неговата вътрешна енергия се увеличава, следователно скоростта на топлинно движение на молекулите се увеличава. Когато дадено вещество достигне своята точка на топене, кристалната решетка на твърдото вещество се разрушава. Връзките между частиците също се разрушават и енергията на взаимодействие между частиците се увеличава. Топлината, която се предава на тялото, отива за увеличаване на вътрешната енергия на това тяло и част от енергията се изразходва за извършване на работа за промяна на обема на тялото, когато се топи. За много кристални тела обемът се увеличава при топене, но има изключения (например лед, чугун). Аморфните тела нямат определена точка на топене. Топенето е фазов преход, който се характеризира с рязка промяна на топлинния капацитет при температурата на топене. Точката на топене зависи от веществото и остава постоянна през целия процес. Тогава промяната във вътрешната енергия на тялото е равна на:
∆ U = ± m λ (2) ,
където λ е специфичната топлина на топене (J l/k g).
Определение 9
Кристализацияе обратният процес на топене.
Промяната във вътрешната енергия се изчислява по формула (2).
Промяната във вътрешната енергия на всяко тяло от системата при нагряване или охлаждане се изчислява по формулата:
∆ U = m c ∆ T (3) ,
където c е специфичният топлинен капацитет на веществото, J k g K, △ T е промяната в телесната температура.
Определение 10
Когато се разглеждат превръщанията на веществата от едно агрегатно състояние в друго, не може да се мине без т.нар. уравнения на топлинния баланс: общото количество топлина, отделена в топлоизолирана система, е равно на количеството топлина (общо), което се абсорбира в тази система.
Q 1 + Q 2 + Q 3 + . . . + Q n = Q " 1 + Q " 2 + Q " 3 +... + Q " k.
По същество уравнението на топлинния баланс е законът за запазване на енергията за процесите на топлообмен в топлоизолирани системи.
Пример 1
Термично изолиран съд съдържа вода и лед с температура t i = 0 °C. Масата на водата m υ и леда m i са съответно равни на 0, 5 kg и 60 g. Водна пара с маса m p = 10 g се въвежда във водата при температура t p = 100 ° C. Каква ще бъде температурата на водата в съда след установяване на топлинно равновесие? В този случай не е необходимо да се взема предвид топлинният капацитет на съда.
Снимка 1
Решение
Нека определим какви процеси протичат в системата, какви състояния на материята сме наблюдавали и какво сме получили.
Водната пара кондензира, отделяйки топлина.
Топлинната енергия се използва за топене на леда и може би за загряване на съществуващата вода и водата, получена от леда.
Първо, нека проверим колко топлина се отделя, когато съществуващата маса пара кондензира:
Q p = - r m p ; Q p = 2,26 10 6 10 - 2 = 2,26 10 4 (D w),
тук от референтни материали имаме r = 2,26 · 10 6 J k g - специфичната топлина на изпаряване (използвана също и за кондензация).
За да разтопите лед, ще ви трябва следното количество топлина:
Q i = λ m i Q i = 6 10 - 2 3, 3 10 5 ≈ 2 10 4 (D g),
тук от референтни материали имаме λ = 3, 3 · 10 5 J k g - специфичната топлина на топене на леда.
Оказва се, че парата отделя повече топлина, отколкото е необходимо само за разтопяване на съществуващия лед, което означава, че записваме уравнението на топлинния баланс, както следва:
r m p + c m p (T p - T) = λ m i + c (m υ + m i) (T - T i) .
Топлината се отделя, когато пара с маса m p кондензира и водата, образувана от пара, се охлади от температура T p до желаната T . Топлината се абсорбира чрез топене на лед с маса m i и нагряване на вода с маса m υ + m i от температура T i до T. Нека обозначим T - T i = ∆ T за разликата T p - T, която получаваме:
T p - T = T p - T i - ∆ T = 100 - ∆ T .
Уравнението на топлинния баланс ще изглежда така:
r m p + c m p (100 - ∆ T) = λ m i + c (m υ + m i) ∆ T ; c (m υ + m i + m p) ∆ T = r m p + c m p 100 - λ m i ; ∆ T = r m p + c m p 100 - λ m i c m υ + m i + m p .
Нека направим изчисления, като вземем предвид факта, че топлинният капацитет на водата е табличен
c = 4, 2 10 3 J k g K, T p = t p + 273 = 373 K, T i = t i + 273 = 273 K: ∆ T = 2, 26 10 6 10 - 2 + 4, 2 10 3 10 - 2 10 2 - 6 10 - 2 3, 3 10 5 4, 2 10 3 5, 7 10 - 1 ≈ 3 (K),
тогава T = 273 + 3 = 276 K
Отговор:Температурата на водата в съда след установяване на топлинно равновесие ще бъде 276 K.
Пример 2
Фигура 2 показва част от изотермата, която съответства на прехода на веществото от кристално към течно състояние. Какво съответства на тази област на диаграмата p, T?
рисуване 2
Отговор:Целият набор от състояния, които са изобразени в диаграмата p, V чрез хоризонтален сегмент на линията в диаграмата p, T, е показан с една точка, която определя стойностите на p и T, при които трансформацията от едно състояние на агрегиране на друг се случва.
Ако забележите грешка в текста, моля, маркирайте я и натиснете Ctrl+Enter
