ในทางปฏิบัติในชีวิตประจำวัน เราต้องไม่แยกจากกันกับอะตอม โมเลกุล และไอออน แต่กับสสารจริง ซึ่งก็คือกลุ่มของอนุภาคจำนวนมาก สถานะของการรวมตัวสี่ประเภทนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะของปฏิสัมพันธ์: ของแข็ง, ของเหลว, ก๊าซและพลาสมา สารสามารถเปลี่ยนจากสถานะการรวมกลุ่มหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งอันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนเฟสที่เหมาะสม
การมีอยู่ของสารในสถานะการรวมตัวหนึ่งหรืออีกสถานะหนึ่งนั้นถูกกำหนดโดยแรงที่กระทำระหว่างอนุภาค ระยะห่างระหว่างพวกมันและลักษณะของการเคลื่อนที่ของพวกมัน แต่ละสถานะของการรวมตัวจะมีลักษณะเฉพาะด้วยชุดของคุณสมบัติบางอย่าง
คุณสมบัติของสารขึ้นอยู่กับสถานะการรวมตัว:
| สถานะ | คุณสมบัติ |
| ก๊าซ |
|
| ของเหลว |
|
| แข็ง |
|
ตามระดับของลำดับในระบบ แต่ละสถานะของการรวมตัวจะมีลักษณะเฉพาะด้วยความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของอนุภาค ในของแข็ง ศักยภาพมีชัยเหนือจลนศาสตร์ เนื่องจากอนุภาคครอบครองตำแหน่งที่แน่นอนและสั่นสะเทือนรอบๆ พวกมันเท่านั้น สำหรับก๊าซ มีความสัมพันธ์แบบผกผันระหว่างพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ ซึ่งเป็นผลมาจากการที่โมเลกุลของก๊าซเคลื่อนที่อย่างโกลาหลอยู่เสมอ และแทบไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างพวกมัน ดังนั้นก๊าซจึงครอบครองปริมาตรทั้งหมด ในกรณีของของเหลว พลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของอนุภาคจะใกล้เคียงกัน มีการเชื่อมต่อที่ไม่เข้มงวดระหว่างอนุภาค ดังนั้นของเหลวจึงมีลักษณะเป็นของไหลและปริมาตรคงที่
เมื่ออนุภาคของสารก่อตัวเป็นโครงสร้างทางเรขาคณิตปกติ และพลังงานของพันธะระหว่างพวกมันมากกว่าพลังงานของการสั่นสะเทือนจากความร้อน ซึ่งป้องกันการทำลายโครงสร้างที่มีอยู่ นั่นหมายความว่าสารนั้นอยู่ในสถานะของแข็ง แต่เริ่มจากอุณหภูมิหนึ่ง พลังงานของการสั่นด้วยความร้อนจะมีค่ามากกว่าพลังงานของพันธะระหว่างอนุภาค ในกรณีนี้ อนุภาคแม้ว่าจะยังคงสัมผัสกัน แต่ก็เคลื่อนที่สัมพันธ์กัน ส่งผลให้โครงสร้างทางเรขาคณิตหยุดชะงักและสารผ่านเข้าสู่สถานะของเหลว หากการสั่นสะเทือนจากความร้อนเพิ่มขึ้นมากจนสูญเสียการเชื่อมต่อระหว่างอนุภาค สารจะเกิดสถานะเป็นก๊าซ ในก๊าซ "อุดมคติ" อนุภาคจะเคลื่อนที่อย่างอิสระในทุกทิศทาง
เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น สารจะเปลี่ยนจากสถานะสั่ง (ของแข็ง) ไปยังสถานะไม่เป็นระเบียบ (ก๊าซ) สถานะของเหลวจะอยู่ตรงกลางตามลำดับอนุภาค
สถานะการรวมตัวที่สี่เรียกว่าพลาสมาซึ่งเป็นก๊าซที่ประกอบด้วยส่วนผสมของอนุภาคและอิเล็กตรอนที่เป็นกลางและแตกตัวเป็นไอออน พลาสมาก่อตัวขึ้นที่อุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ (10 5 -10 7 0 C) เนื่องจากพลังงานการชนกันอย่างมีนัยสำคัญของอนุภาคซึ่งมีความผิดปกติของการเคลื่อนที่สูงสุด คุณลักษณะบังคับของพลาสมา เช่นเดียวกับสถานะอื่นๆ ของสสาร คือความเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่จากผลของการเคลื่อนที่ที่ไม่เป็นระเบียบของอนุภาคในพลาสมา ไมโครโซนที่มีประจุแต่ละโซนสามารถปรากฏขึ้นได้ เนื่องจากมันกลายเป็นแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ในสถานะพลาสมา มีสสารอยู่บนดาวฤกษ์และวัตถุอวกาศอื่นๆ ตลอดจนในระหว่างกระบวนการแสนสาหัสนิวเคลียร์
ประการแรกแต่ละสถานะของการรวมตัวจะถูกกำหนดโดยช่วงของอุณหภูมิและความดัน ดังนั้นสำหรับลักษณะเชิงปริมาณที่มองเห็นได้ จึงมีการใช้แผนภาพเฟสของสารซึ่งแสดงการพึ่งพาสถานะของการรวมตัวกับความดันและอุณหภูมิ
แผนภาพสถานะของสารที่มีเส้นโค้งการเปลี่ยนเฟส: 1 - การหลอมละลาย-การตกผลึก, 2 - การเดือด-การควบแน่น, 3 - การระเหิด-การลดระเหิด
แผนภาพเฟสประกอบด้วยบริเวณหลักสามส่วน ซึ่งสอดคล้องกับสถานะผลึก ของเหลว และก๊าซ แต่ละพื้นที่จะถูกคั่นด้วยเส้นโค้งที่สะท้อนถึงการเปลี่ยนเฟส:
- สถานะของแข็งเป็นของเหลว และในทางกลับกัน ของเหลวเป็นของแข็ง (กราฟการหลอมละลาย-การตกผลึก - กราฟสีเขียวจุด)
- การแปลงของเหลวเป็นก๊าซและการแปลงกลับของก๊าซเป็นของเหลว (กราฟการเดือด-ควบแน่น - กราฟสีน้ำเงิน)
- ของแข็งเป็นก๊าซ และจากก๊าซเป็นของแข็ง (เส้นโค้งการระเหิด-การลดระเหิด - กราฟสีแดง)
พิกัดจุดตัดของเส้นโค้งเหล่านี้เรียกว่าจุดสามจุด ซึ่งภายใต้เงื่อนไขของความดันที่แน่นอน P = P ในและอุณหภูมิที่แน่นอน T = T ใน สารสามารถอยู่ร่วมกันในสถานะการรวมตัวสามสถานะในคราวเดียว โดยมีของเหลวและ สถานะของแข็งที่มีความดันไอเท่ากัน พิกัด P in และ T in เป็นค่าความดันและอุณหภูมิเพียงค่าเดียวที่ทั้งสามเฟสสามารถอยู่ร่วมกันได้พร้อมกัน
จุด K บนแผนภาพเฟสของรัฐสอดคล้องกับอุณหภูมิ Tk - ที่เรียกว่าอุณหภูมิวิกฤติซึ่งพลังงานจลน์ของอนุภาคเกินกว่าพลังงานของปฏิกิริยาระหว่างกัน ดังนั้นเส้นแบ่งระหว่างเฟสของเหลวและก๊าซจึงถูกลบ และ สารมีสถานะเป็นก๊าซที่ความดันใดๆ
จากการวิเคราะห์แผนภาพเฟสจะตามมาว่าที่แรงดันสูงมากกว่าที่จุดสามจุด (P in) การให้ความร้อนของสารที่เป็นของแข็งจะสิ้นสุดลงด้วยการหลอมละลาย ตัวอย่างเช่น ที่ P 1 การหลอมจะเกิดขึ้นที่จุดนั้น ง. อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอีกจาก Td ถึง Te นำไปสู่การเดือดของสารที่ความดันที่กำหนด P1 ที่ความดัน P 2 น้อยกว่าความดันที่จุดสามจุด P ใน การให้ความร้อนแก่สารจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงโดยตรงจากผลึกไปเป็นสถานะก๊าซ (จุด ถาม) นั่นคือการระเหิด สำหรับสารส่วนใหญ่ ความดันที่จุดสามจุดจะต่ำกว่าความดันไออิ่มตัว (P นิ้ว
P เป็นไอน้ำอิ่มตัว ดังนั้นเมื่อผลึกของสารดังกล่าวถูกให้ความร้อน พวกมันจะไม่ละลาย แต่ระเหยไป นั่นคือพวกมันผ่านการระเหิด ตัวอย่างเช่น ผลึกไอโอดีนหรือ "น้ำแข็งแห้ง" (CO 2 ที่เป็นของแข็ง) มีพฤติกรรมเช่นนี้
การวิเคราะห์แผนภาพเฟสของสสาร สถานะก๊าซ
ภายใต้สภาวะปกติ (273 K, 1,01325 Pa) ทั้งสารธรรมดาซึ่งมีโมเลกุลประกอบด้วยหนึ่ง (He, Ne, Ar) หรืออะตอมเชิงเดี่ยวหลายอะตอม (H 2, N 2, O 2) และวัตถุเชิงซ้อนสามารถอยู่ในก๊าซได้ สารสถานะที่มีมวลโมลาร์ต่ำ (CH 4, HCl, C 2 H 6)
เนื่องจากพลังงานจลน์ของอนุภาคก๊าซเกินพลังงานศักย์ โมเลกุลในสถานะก๊าซจึงเคลื่อนที่แบบสุ่มอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากระยะห่างระหว่างอนุภาคมาก แรงของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลในก๊าซจึงไม่มีนัยสำคัญมากจนไม่เพียงพอที่จะดึงดูดอนุภาคเข้าหากันและจับพวกมันไว้ด้วยกัน ด้วยเหตุนี้ก๊าซจึงไม่มีรูปร่างเป็นของตัวเองและมีความหนาแน่นต่ำและมีความสามารถในการอัดและขยายตัวสูง ดังนั้นก๊าซจึงกดบนผนังของถังที่ตั้งอยู่ตลอดเวลาเท่ากันทุกทิศทาง
เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดของก๊าซ (ความดัน P, อุณหภูมิ T, ปริมาณของสาร n, มวลโมลาร์ M, มวล m) จะใช้แบบจำลองที่ง่ายที่สุดของสถานะก๊าซของสาร - ก๊าซในอุดมคติซึ่งอยู่บนพื้นฐานสมมติฐานดังต่อไปนี้:
- ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคก๊าซสามารถละเลยได้
- อนุภาคเองเป็นจุดวัสดุที่ไม่มีขนาดของตัวเอง
สมการทั่วไปที่สุดที่อธิบายแบบจำลองก๊าซในอุดมคติถือเป็นสมการ เมนเดเลเยฟ-ชาเปรอนต่อสารหนึ่งโมล:
อย่างไรก็ตาม ตามกฎแล้วพฤติกรรมของก๊าซจริงนั้นแตกต่างจากก๊าซในอุดมคติ ประการแรกสิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่ายังมีแรงดึงดูดซึ่งกันและกันระหว่างโมเลกุลของก๊าซจริงซึ่งบีบอัดก๊าซในระดับหนึ่งยังไม่มีนัยสำคัญ เมื่อคำนึงถึงสิ่งนี้ ความดันก๊าซทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณ ก/V 2ซึ่งคำนึงถึงแรงกดดันภายในเพิ่มเติมที่เกิดจากการดึงดูดกันของโมเลกุล เป็นผลให้ความดันก๊าซทั้งหมดแสดงด้วยผลรวม พี+ ก/V 2. ประการที่สอง โมเลกุลของก๊าซจริงมีปริมาตรที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน แม้จะน้อยก็ตาม ข ดังนั้นปริมาตรที่แท้จริงของก๊าซทั้งหมดในอวกาศจึงเท่ากับ วี— ข . เมื่อแทนค่าที่พิจารณาลงในสมการ Mendeleev-Clapeyron เราจะได้สมการสถานะของก๊าซจริงซึ่งเรียกว่า สมการแวนเดอร์วาลส์:
ที่ไหน ก และ ข — ค่าสัมประสิทธิ์เชิงประจักษ์ที่กำหนดในทางปฏิบัติสำหรับก๊าซจริงแต่ละชนิด ได้มีการกำหนดไว้แล้วว่าค่าสัมประสิทธิ์ ก มีค่ามากกว่าสำหรับก๊าซที่กลายเป็นของเหลวได้ง่าย (เช่น CO 2, NH 3) และค่าสัมประสิทธิ์ ข - ในทางตรงกันข้าม ยิ่งมีขนาดใหญ่เท่าใด โมเลกุลของก๊าซก็จะยิ่งใหญ่ขึ้นเท่านั้น (เช่น ก๊าซไฮโดรคาร์บอน)
สมการ van der Waals อธิบายพฤติกรรมของก๊าซจริงได้แม่นยำกว่าสมการ Mendeleev-Clapeyron มาก ซึ่งอย่างไรก็ตาม เนื่องจากความหมายทางกายภาพที่ชัดเจน จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการคำนวณเชิงปฏิบัติ แม้ว่าสถานะในอุดมคติของก๊าซจะเป็นกรณีที่จินตนาการจำกัด แต่ความเรียบง่ายของกฎที่สอดคล้องกับกฎนั้น ความเป็นไปได้ในการประยุกต์เพื่ออธิบายคุณสมบัติของก๊าซหลายชนิดภายใต้สภาวะความดันต่ำและอุณหภูมิสูง ทำให้แบบจำลองก๊าซในอุดมคติเป็นอย่างมาก สะดวก.
สถานะของเหลวของสสาร
สถานะของเหลวของสารเฉพาะใดๆ มีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ในช่วงอุณหภูมิและความดันที่กำหนดซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของธรรมชาติ (องค์ประกอบ) ของสารนี้ ขีดจำกัดอุณหภูมิด้านบนของสถานะของเหลวคือจุดเดือด ซึ่งสูงกว่านั้นสารจะอยู่ในสถานะก๊าซภายใต้สภาวะความดันคงที่ ขีดจำกัดล่างของสถานะคงตัวของการดำรงอยู่ของของเหลวคืออุณหภูมิการตกผลึก (การแข็งตัว) อุณหภูมิจุดเดือดและการตกผลึกที่วัดที่ความดัน 101.3 kPa เรียกว่าปกติ
ของเหลวธรรมดามีลักษณะเฉพาะคือไอโซโทรปี ซึ่งก็คือความสม่ำเสมอของคุณสมบัติทางกายภาพในทุกทิศทางภายในสาร บางครั้งมีการใช้คำอื่นสำหรับไอโซโทรปี: ค่าคงที่ ความสมมาตรที่เกี่ยวข้องกับการเลือกทิศทาง
ในการกำหนดมุมมองเกี่ยวกับธรรมชาติของสถานะของเหลว แนวคิดเรื่องสถานะวิกฤติซึ่งถูกค้นพบโดย Mendeleev (1860) เป็นสิ่งสำคัญ:
สถานะวิกฤติคือสถานะสมดุลซึ่งขีดจำกัดของการแยกระหว่างของเหลวและไอระเหยจะหายไปเนื่องจากของเหลวและไออิ่มตัวของของเหลวได้รับคุณสมบัติทางกายภาพที่เหมือนกัน
ในสถานะวิกฤตค่าของทั้งความหนาแน่นและปริมาตรจำเพาะของของเหลวและไออิ่มตัวจะเท่ากัน
สถานะของเหลวของสารอยู่ระหว่างก๊าซและของแข็ง คุณสมบัติบางอย่างทำให้สถานะของเหลวเข้าใกล้สถานะของแข็งมากขึ้น หากของแข็งมีลักษณะเฉพาะด้วยการเรียงลำดับอนุภาคที่เข้มงวดซึ่งขยายไปเป็นระยะทางไกลถึงรัศมีระหว่างอะตอมหรือระหว่างโมเลกุลมากถึงหลายแสนรัศมีตามกฎแล้วในสถานะของเหลวจะสังเกตเห็นอนุภาคที่ได้รับคำสั่งไม่เกินหลายสิบตัว สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าลำดับระหว่างอนุภาคในสถานที่ต่าง ๆ ของสารของเหลวเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและก็ถูก "กัดเซาะ" อีกครั้งอย่างรวดเร็วโดยการสั่นสะเทือนทางความร้อนของอนุภาค ในเวลาเดียวกัน ความหนาแน่นโดยรวมของ "การอัดแน่น" ของอนุภาคแตกต่างกันเล็กน้อยจากความหนาแน่นของของแข็ง ดังนั้นความหนาแน่นของของเหลวจึงไม่แตกต่างจากความหนาแน่นของของแข็งส่วนใหญ่มากนัก นอกจากนี้ ความสามารถของของเหลวในการบีบอัดยังเกือบต่ำเท่ากับของแข็ง (น้อยกว่าก๊าซประมาณ 20,000 เท่า)
การวิเคราะห์โครงสร้างยืนยันว่าของเหลวจัดแสดงสิ่งที่เรียกว่า ปิดรับออเดอร์ซึ่งหมายความว่าจำนวน "เพื่อนบ้าน" ที่ใกล้ที่สุดของแต่ละโมเลกุลและตำแหน่งสัมพัทธ์ของพวกมันจะเท่ากันโดยประมาณตลอดทั้งปริมาตร
เรียกว่าอนุภาคที่มีองค์ประกอบต่างกันจำนวนค่อนข้างน้อยซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล กลุ่ม . หากอนุภาคทั้งหมดในของเหลวเหมือนกัน จะเรียกว่าคลัสเตอร์ดังกล่าว เชื่อมโยง . มันอยู่ในกระจุกและกลุ่มที่สังเกตลำดับระยะสั้น
ระดับการเรียงลำดับของเหลวต่างๆ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งอยู่เหนือจุดหลอมเหลวเล็กน้อย ระดับความเป็นระเบียบในการจัดเรียงอนุภาคจะสูงมาก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อุณหภูมิจะลดลงและร้อนขึ้น คุณสมบัติของของเหลวจะคล้ายกับคุณสมบัติของก๊าซมากขึ้นเรื่อยๆ และเมื่อถึงอุณหภูมิวิกฤติ ความแตกต่างระหว่างสถานะของเหลวและก๊าซก็จะหายไป
ความใกล้ชิดของสถานะของเหลวกับสถานะของแข็งได้รับการยืนยันโดยค่าของเอนทาลปีมาตรฐานของการระเหย DH 0 การระเหยและการหลอม DН 0 การหลอม ให้เราระลึกว่าค่าของการระเหยของ DH 0 แสดงปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการแปลงของเหลว 1 โมลให้เป็นไอที่ 101.3 kPa; ปริมาณความร้อนที่เท่ากันถูกใช้ไปกับการควบแน่นของไอน้ำ 1 โมลให้เป็นของเหลวภายใต้สภาวะเดียวกัน (เช่น การระเหยของ DH 0 = การควบแน่นของ DH 0) ปริมาณความร้อนที่ใช้ในการแปลงของแข็ง 1 โมลให้เป็นของเหลวที่ 101.3 kPa เรียกว่า เอนทาลปีมาตรฐานของฟิวชัน; ความร้อนปริมาณเท่ากันจะถูกปล่อยออกมาในระหว่างการตกผลึกของของเหลว 1 โมลภายใต้สภาวะความดันปกติ (การหลอม DH 0 = การตกผลึก DH 0) เป็นที่รู้กันว่าการระเหยของ DH 0<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.
อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติที่สำคัญอื่นๆ ของของเหลวมีความคล้ายคลึงกับคุณสมบัติก๊าซมากกว่า เช่นเดียวกับก๊าซ ของเหลวสามารถไหลได้ - เรียกว่าคุณสมบัตินี้ ความลื่นไหล . พวกเขาสามารถต้านทานกระแสได้นั่นคือพวกเขามีโดยธรรมชาติ ความหนืด . คุณสมบัติเหล่านี้ได้รับอิทธิพลจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล น้ำหนักโมเลกุลของสารของเหลว และปัจจัยอื่นๆ ความหนืดของของเหลวมีค่ามากกว่าก๊าซประมาณ 100 เท่า เช่นเดียวกับก๊าซ ของเหลวสามารถแพร่กระจายได้ แต่ช้ากว่ามาก เนื่องจากอนุภาคของของเหลวถูกอัดแน่นเข้าด้วยกันมากกว่าอนุภาคของก๊าซ
คุณสมบัติที่น่าสนใจที่สุดอย่างหนึ่งของสถานะของเหลวซึ่งไม่ใช่ลักษณะของก๊าซหรือของแข็งก็คือ แรงตึงผิว .
แผนภาพแรงตึงผิวของของเหลว โมเลกุลที่อยู่ในปริมาตรของเหลวจะถูกกระทำโดยแรงระหว่างโมเลกุลจากทุกด้านอย่างสม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม บนพื้นผิวของของเหลว ความสมดุลของแรงเหล่านี้ถูกรบกวน ซึ่งเป็นผลมาจากการที่โมเลกุลของพื้นผิวอยู่ภายใต้อิทธิพลของแรงลัพธ์บางส่วนซึ่งพุ่งตรงไปภายในของเหลว ด้วยเหตุนี้พื้นผิวของของเหลวจึงอยู่ในสภาวะตึงเครียด แรงตึงผิวคือแรงขั้นต่ำที่กักเก็บอนุภาคของเหลวไว้ข้างใน และด้วยเหตุนี้จึงป้องกันไม่ให้พื้นผิวของของเหลวหดตัว
โครงสร้างและคุณสมบัติของของแข็ง
สารที่รู้จักส่วนใหญ่ทั้งจากธรรมชาติและสารสังเคราะห์จะอยู่ในสถานะของแข็งภายใต้สภาวะปกติ ในบรรดาสารประกอบทั้งหมดที่รู้จักในปัจจุบัน ประมาณ 95% เป็นของแข็ง ซึ่งมีความสำคัญเนื่องจากเป็นพื้นฐานของวัสดุที่ไม่เพียงแต่เป็นโครงสร้างเท่านั้น แต่ยังรวมถึงวัสดุที่ใช้งานได้จริงด้วย
- วัสดุก่อสร้างคือสารที่เป็นของแข็งหรือส่วนประกอบที่ใช้ในการผลิตเครื่องมือ ของใช้ในครัวเรือน และโครงสร้างอื่นๆ
- วัสดุที่ใช้งานได้คือสารที่เป็นของแข็ง การใช้งานจะถูกกำหนดโดยการมีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์บางอย่างอยู่ในนั้น
ตัวอย่างเช่น เหล็ก อลูมิเนียม คอนกรีต และเซรามิกเป็นของวัสดุโครงสร้าง ในขณะที่เซมิคอนดักเตอร์และฟอสเฟอร์เป็นของวัสดุที่ใช้งานได้จริง
ในสถานะของแข็ง ระยะห่างระหว่างอนุภาคของสารมีขนาดเล็กและมีลำดับความสำคัญเท่ากันกับอนุภาค พลังงานปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมันค่อนข้างสูงซึ่งป้องกันการเคลื่อนที่ของอนุภาคอย่างอิสระ - พวกมันสามารถแกว่งไปรอบ ๆ ตำแหน่งสมดุลบางตำแหน่งเท่านั้นเช่นรอบโหนดของโครงตาข่ายคริสตัล การที่อนุภาคไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระทำให้เกิดคุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุดประการหนึ่งของของแข็งนั่นคือการมีรูปร่างและปริมาตรของตัวเอง ความสามารถในการอัดของของแข็งต่ำมาก และมีความหนาแน่นสูงและขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเพียงเล็กน้อย กระบวนการทั้งหมดที่เกิดขึ้นในของแข็งจะเกิดขึ้นอย่างช้าๆ กฎปริมาณสารสัมพันธ์สำหรับของแข็งมีความหมายที่กว้างกว่ากฎของสารที่เป็นก๊าซและของเหลวตามกฎแล้ว
คำอธิบายโดยละเอียดของของแข็งมีขนาดใหญ่เกินไปสำหรับวัสดุนี้ ดังนั้นจึงมีการกล่าวถึงในบทความแยกต่างหาก:, และ
สถานะของสสาร
สาร- การสะสมของอนุภาคที่มีอยู่จริงซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยพันธะเคมีและภายใต้เงื่อนไขบางประการในสถานะการรวมตัวอย่างใดอย่างหนึ่ง สารใดๆ ประกอบด้วยการรวมตัวกันของอนุภาคจำนวนมาก เช่น อะตอม โมเลกุล ไอออน ซึ่งสามารถรวมตัวเข้าด้วยกันให้รวมตัวกันหรือเรียกอีกอย่างว่ามวลรวมหรือกระจุก ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและพฤติกรรมของอนุภาคในอนุภาค (การจัดเรียงสัมพัทธ์ของอนุภาค จำนวนและปฏิสัมพันธ์ในอนุภาค รวมถึงการกระจายตัวของอนุภาคในอวกาศและปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน) สารสามารถอยู่ในสองสถานะหลักได้ ของการรวมตัว - ผลึก (ของแข็ง) หรือก๊าซและในสถานะเปลี่ยนผ่านของการรวมกลุ่ม – อสัณฐาน (ของแข็ง) ผลึกเหลว ของเหลวและไอสถานะการรวมตัวของของแข็ง ผลึกเหลว และของเหลวจะถูกควบแน่น ในขณะที่สถานะไอและก๊าซจะถูกปล่อยออกมาอย่างมาก
เฟส- นี่คือชุดของ microregions ที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยมีลักษณะการเรียงลำดับและความเข้มข้นของอนุภาคเหมือนกันและบรรจุอยู่ในปริมาตรมหภาคของสสารที่ถูก จำกัด โดยส่วนต่อประสาน ในความเข้าใจนี้ เฟสเป็นลักษณะเฉพาะสำหรับสารที่อยู่ในสถานะผลึกและก๊าซเท่านั้น เนื่องจาก สิ่งเหล่านี้คือสถานะการรวมตัวที่เป็นเนื้อเดียวกัน
เมตาเฟสคือชุดของ microregions ที่ต่างกันซึ่งแตกต่างกันในระดับการเรียงลำดับของอนุภาคหรือความเข้มข้น และบรรจุอยู่ในปริมาตรมหภาคของสสารที่ถูกจำกัดโดยส่วนต่อประสาน ในความเข้าใจนี้ เมตาเฟสเป็นลักษณะเฉพาะของสารที่อยู่ในสถานะการเปลี่ยนผ่านของการรวมกลุ่มที่ต่างกัน เฟสและเมตาเฟสที่ต่างกันสามารถผสมเข้าด้วยกัน ก่อให้เกิดสถานะการรวมกลุ่ม และจากนั้นก็ไม่มีการเชื่อมต่อระหว่างกัน
โดยปกติแล้วแนวคิดของสถานะการรวมกลุ่ม "พื้นฐาน" และ "การเปลี่ยนแปลง" จะไม่แตกต่างกัน แนวคิดของ "สถานะรวม", "เฟส" และ "มีโซเฟส" มักใช้สลับกัน ขอแนะนำให้พิจารณาสถานะการรวมกลุ่มที่เป็นไปได้ห้าสถานะสำหรับสถานะของสาร: ของแข็ง ผลึกเหลว ของเหลว ไอ ก๊าซการเปลี่ยนเฟสหนึ่งไปอีกเฟสหนึ่งเรียกว่าการเปลี่ยนเฟสของลำดับที่หนึ่งและสอง การเปลี่ยนเฟสลำดับที่หนึ่งมีลักษณะดังนี้:
การเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันของปริมาณทางกายภาพที่อธิบายสถานะของสาร (ปริมาตร ความหนาแน่น ความหนืด ฯลฯ );
อุณหภูมิที่แน่นอนซึ่งเกิดการเปลี่ยนเฟสที่กำหนด
ความร้อนบางอย่างที่บ่งบอกถึงการเปลี่ยนแปลงนี้เพราะว่า พันธะระหว่างโมเลกุลถูกทำลาย
การเปลี่ยนเฟสลำดับที่หนึ่งจะถูกสังเกตในระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะการรวมกลุ่มหนึ่งไปสู่สถานะการรวมกลุ่มอีกสถานะหนึ่ง การเปลี่ยนเฟสของลำดับที่สองจะสังเกตได้เมื่อลำดับของอนุภาคเปลี่ยนแปลงภายในสถานะการรวมกลุ่มเดียว และมีลักษณะเฉพาะโดย:
การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพของสารอย่างค่อยเป็นค่อยไป
การเปลี่ยนแปลงลำดับของอนุภาคของสารภายใต้อิทธิพลของการไล่ระดับของสนามภายนอกหรือที่อุณหภูมิหนึ่งเรียกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟส
ความร้อนของการเปลี่ยนเฟสลำดับที่สองมีค่าเท่ากันและใกล้กับศูนย์
ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการเปลี่ยนเฟสของลำดับที่หนึ่งและสองก็คือ ในระหว่างการเปลี่ยนลำดับที่หนึ่ง ประการแรก พลังงานของอนุภาคของระบบจะเปลี่ยนไป และในกรณีของการเปลี่ยนลำดับที่สอง การเรียงลำดับของอนุภาคของ ระบบเปลี่ยนแปลง
เรียกว่าการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว ละลายและมีลักษณะพิเศษคือมีจุดหลอมเหลว เรียกว่าการเปลี่ยนสถานะของสารจากของเหลวไปเป็นสถานะไอ การระเหยและมีลักษณะเป็นจุดเดือด สำหรับสารบางชนิดที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำและมีปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอ การเปลี่ยนจากสถานะของแข็งไปเป็นไอโดยตรงสามารถทำได้โดยไม่ต้องผ่านสถานะของเหลว การเปลี่ยนแปลงนี้เรียกว่า การระเหิดกระบวนการข้างต้นทั้งหมดสามารถเกิดขึ้นในทิศทางตรงกันข้ามได้: จากนั้นจึงถูกเรียก การแช่แข็ง การควบแน่น การลดระเหิด
สารที่ไม่สลายตัวเมื่อหลอมละลายและเดือดสามารถดำรงอยู่ได้ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดัน ในสถานะการรวมตัวทั้งสี่
สถานะของแข็ง
ที่อุณหภูมิต่ำเพียงพอ สารเกือบทั้งหมดจะอยู่ในสถานะของแข็ง ในสถานะนี้ระยะห่างระหว่างอนุภาคของสารเทียบได้กับขนาดของอนุภาคเองซึ่งทำให้แน่ใจได้ว่ามีปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงและพลังงานศักย์ส่วนเกินที่มีนัยสำคัญเหนือพลังงานจลน์ การเคลื่อนที่ของอนุภาคของของแข็งถูก จำกัด โดย การสั่นสะเทือนและการหมุนเล็กน้อยสัมพันธ์กับตำแหน่ง และไม่มีการเคลื่อนไหวแบบแปล สิ่งนี้นำไปสู่ระเบียบภายในในการจัดเรียงอนุภาค ดังนั้น ของแข็งจึงมีลักษณะเฉพาะด้วยรูปร่าง ความแข็งแรงเชิงกล และปริมาตรคงที่ของตัวเอง (แทบจะอัดไม่ได้) ของแข็งจะถูกแบ่งออกเป็นขึ้นอยู่กับระดับของการเรียงลำดับของอนุภาค ผลึกและสัณฐาน
สารที่เป็นผลึกมีลักษณะเฉพาะคือการมีลำดับในการจัดเรียงอนุภาคทั้งหมด สถานะของแข็งของสารที่เป็นผลึกประกอบด้วยอนุภาคที่ก่อตัวเป็นโครงสร้างที่เป็นเนื้อเดียวกัน โดยมีคุณลักษณะพิเศษคือการทำซ้ำอย่างเข้มงวดของเซลล์หน่วยเดียวกันในทุกทิศทาง เซลล์หน่วยของคริสตัลแสดงลักษณะคาบสามมิติในการจัดเรียงอนุภาค เช่น ตาข่ายคริสตัลของมัน โครงตาข่ายคริสตัลถูกจำแนกประเภทขึ้นอยู่กับประเภทของอนุภาคที่ประกอบเป็นคริสตัลและลักษณะของแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคเหล่านั้น
สารที่เป็นผลึกหลายชนิด ขึ้นอยู่กับสภาวะ (อุณหภูมิ ความดัน) อาจมีโครงสร้างผลึกที่แตกต่างกัน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ความหลากหลายการดัดแปลงคาร์บอนแบบโพลีมอร์ฟิกที่รู้จักกันดี: กราไฟท์, ฟูลเลอรีน, เพชร, คาร์ไบน์
สารอสัณฐาน (ไม่มีรูปร่าง)สถานะนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับโพลีเมอร์ โมเลกุลขนาดยาวโค้งงอและพันกันกับโมเลกุลอื่นได้ง่าย ซึ่งนำไปสู่ความผิดปกติในการจัดเรียงอนุภาค
ความแตกต่างระหว่างอนุภาคอสัณฐานและอนุภาคผลึก:
ไอโซโทรปี – คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่เหมือนกันของร่างกายหรือสิ่งแวดล้อมในทุกทิศทาง เช่น ความเป็นอิสระของคุณสมบัติจากทิศทาง
ไม่มีจุดหลอมเหลวคงที่
แก้ว ควอตซ์ผสม และโพลีเมอร์หลายชนิดมีโครงสร้างอสัณฐาน สารอสัณฐานมีความเสถียรน้อยกว่าผลึก ดังนั้นเมื่อเวลาผ่านไปร่างกายอสัณฐานจึงสามารถเปลี่ยนเป็นสถานะที่เสถียรยิ่งขึ้น - ผลึกได้
สถานะของเหลว
เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พลังงานของการสั่นด้วยความร้อนของอนุภาคจะเพิ่มขึ้น และสำหรับสารแต่ละชนิดก็จะมีอุณหภูมิ โดยเริ่มจากที่พลังงานของการสั่นด้วยความร้อนมีมากกว่าพลังงานของพันธะ อนุภาคสามารถเคลื่อนที่ได้หลากหลาย โดยเคลื่อนที่โดยสัมพันธ์กัน พวกมันยังคงสัมผัสกันแม้ว่าโครงสร้างทางเรขาคณิตที่ถูกต้องของอนุภาคจะหยุดชะงัก - สารนั้นมีอยู่ในสถานะของเหลว เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอนุภาค สถานะของของเหลวจึงมีลักษณะเฉพาะด้วยการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน การแพร่กระจาย และความผันผวนของอนุภาค คุณสมบัติที่สำคัญของของเหลวคือความหนืดซึ่งเป็นลักษณะของแรงที่สัมพันธ์กันซึ่งขัดขวางการไหลของของเหลวอย่างอิสระ
ของเหลวมีตำแหน่งตรงกลางระหว่างสถานะก๊าซและของแข็งของสาร โครงสร้างที่เป็นระเบียบมากกว่าแก๊ส แต่น้อยกว่าของแข็ง
สถานะไอและก๊าซ
สถานะไอ-ก๊าซมักจะไม่สามารถแยกแยะได้
แก๊ส – นี่คือระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันที่มีการคายประจุสูงซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลแต่ละโมเลกุลที่อยู่ห่างกัน ซึ่งถือได้ว่าเป็นเฟสไดนามิกเดียว
ไอน้ำ - นี่คือระบบที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันที่มีการคายประจุสูง ซึ่งเป็นส่วนผสมของโมเลกุลและสารตัวเล็กๆ ที่ไม่เสถียรซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลเหล่านี้
ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุลอธิบายคุณสมบัติของก๊าซในอุดมคติตามหลักการต่อไปนี้: โมเลกุลเกิดการเคลื่อนที่แบบสุ่มอย่างต่อเนื่อง ปริมาตรของโมเลกุลของก๊าซนั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับระยะทางระหว่างโมเลกุล ไม่มีแรงดึงดูดหรือแรงผลักระหว่างโมเลกุลของก๊าซ พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลก๊าซเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ เนื่องจากพลังของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลไม่มีนัยสำคัญและการมีอยู่ของปริมาตรอิสระขนาดใหญ่ ก๊าซจึงมีลักษณะดังนี้: อัตราการเคลื่อนที่ของความร้อนและการแพร่กระจายของโมเลกุลสูง ความปรารถนาของโมเลกุลที่จะครอบครองปริมาตรมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ รวมถึงความสามารถในการอัดสูง .
ระบบเฟสก๊าซแบบแยกเดี่ยวมีลักษณะเฉพาะด้วยพารามิเตอร์สี่ตัว ได้แก่ ความดัน อุณหภูมิ ปริมาตร และปริมาณของสาร ความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์เหล่านี้อธิบายโดยสมการก๊าซในอุดมคติของสถานะ:
R = 8.31 กิโลจูล/โมล – ค่าคงที่ก๊าซสากล
สสารทั้งหมดสามารถมีอยู่ได้ในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งจากสี่รูปแบบ แต่ละสถานะเป็นสถานะเฉพาะของการรวมตัวของสาร ในธรรมชาติของโลก มีเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่แสดงในสามสิ่งในคราวเดียว นี่คือน้ำ มองเห็นได้ง่ายทั้งระเหย ละลาย และแข็งตัว นั่นก็คือ ไอน้ำ น้ำ และน้ำแข็ง นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้ที่จะเปลี่ยนแปลงสถานะมวลรวมของสสาร ความยากที่ใหญ่ที่สุดสำหรับพวกเขาคือพลาสมาเท่านั้น เงื่อนไขนี้ต้องมีเงื่อนไขพิเศษ
มันคืออะไรมันขึ้นอยู่กับอะไรและมีลักษณะอย่างไร?
หากร่างกายผ่านเข้าสู่สถานะอื่นของสสารไม่ได้หมายความว่ามีสิ่งอื่นปรากฏขึ้น สารยังคงเหมือนเดิม ถ้าของเหลวมีโมเลกุลของน้ำ น้ำแข็งและไอน้ำก็จะมีโมเลกุลเหมือนกัน เฉพาะตำแหน่งความเร็วในการเคลื่อนที่และพลังปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันเท่านั้นที่จะเปลี่ยนแปลง
เมื่อศึกษาหัวข้อ “สถานะของการรวมตัว (เกรด 8)” จะพิจารณาเพียงสามเท่านั้น ได้แก่ของเหลว แก๊ส และของแข็ง การแสดงอาการขึ้นอยู่กับสภาพทางกายภาพของสิ่งแวดล้อม ลักษณะของเงื่อนไขเหล่านี้แสดงอยู่ในตาราง
| ชื่อของสถานะของการรวมกลุ่ม | แข็ง | ของเหลว | แก๊ส |
| คุณสมบัติของมัน | คงรูปทรงมีปริมาตร | มีปริมาตรคงที่รับรูปร่างของภาชนะ | ไม่มีปริมาตรและรูปร่างคงที่ |
| การจัดเรียงโมเลกุล | ที่ส่วนยอดของโครงตาข่ายคริสตัล | ไม่เป็นระเบียบ | วุ่นวาย |
| ระยะห่างระหว่างพวกเขา | เทียบได้กับขนาดของโมเลกุล | ประมาณเท่ากับขนาดของโมเลกุล | ใหญ่กว่าขนาดของมันอย่างเห็นได้ชัด |
| โมเลกุลเคลื่อนที่อย่างไร | แกว่งไปมารอบโหนดขัดแตะ | อย่าเคลื่อนออกจากจุดสมดุล แต่บางครั้งก็ก้าวกระโดดครั้งใหญ่ | ผิดปกติกับการชนกันเป็นครั้งคราว |
| พวกเขาโต้ตอบกันอย่างไร? | ถูกดึงดูดอย่างแรง | ถูกดึงดูดเข้าหากันอย่างแรง | ไม่ดึงดูด แรงผลักจะปรากฏขึ้นระหว่างการกระแทก |
สถานะแรก: แข็ง
ความแตกต่างพื้นฐานจากโมเลกุลอื่นคือโมเลกุลมีสถานที่ที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด เมื่อผู้คนพูดถึงสถานะการรวมตัวที่มั่นคง พวกเขามักจะหมายถึงคริสตัล โครงสร้างขัดแตะของพวกมันมีความสมมาตรและเป็นงวดอย่างเคร่งครัด ดังนั้นจึงถูกเก็บรักษาไว้เสมอไม่ว่าร่างกายจะแพร่กระจายไปไกลแค่ไหนก็ตาม การเคลื่อนที่แบบสั่นสะเทือนของโมเลกุลของสารไม่เพียงพอที่จะทำลายโครงตาข่ายนี้
แต่ก็มีร่างกายอสัณฐานเช่นกัน พวกเขาขาดโครงสร้างที่เข้มงวดในการจัดเรียงอะตอม พวกเขาอาจจะอยู่ที่ไหนก็ได้ แต่สถานที่แห่งนี้มั่นคงราวกับอยู่ในร่างผลึก ความแตกต่างระหว่างสารอสัณฐานและสารที่เป็นผลึกก็คือ สารเหล่านี้ไม่มีอุณหภูมิหลอมเหลว (การแข็งตัว) จำเพาะ และมีลักษณะเป็นของเหลว ตัวอย่างที่ชัดเจนของสารดังกล่าว: แก้วและพลาสติก
สถานะที่สอง: ของเหลว
สถานะของสสารนี้เป็นลูกผสมระหว่างของแข็งกับก๊าซ ดังนั้นจึงรวมคุณสมบัติบางอย่างตั้งแต่ตัวแรกและตัวที่สองเข้าด้วยกัน ดังนั้นระยะห่างระหว่างอนุภาคและปฏิสัมพันธ์ของพวกมันจึงใกล้เคียงกับระยะห่างในกรณีของคริสตัล แต่ตำแหน่งและความเคลื่อนไหวนั้นใกล้ชิดกับแก๊สมากขึ้น ดังนั้นของเหลวจึงไม่คงรูปร่างไว้ แต่จะกระจายไปทั่วภาชนะที่เทลงไป
สถานะที่สาม: แก๊ส
สำหรับวิทยาศาสตร์ที่เรียกว่า "ฟิสิกส์" สถานะของการรวมกลุ่มในรูปของก๊าซไม่ได้อยู่ในตำแหน่งสุดท้าย ท้ายที่สุดเธอศึกษาโลกรอบตัวเธอและอากาศในนั้นก็เป็นเรื่องธรรมดามาก
ลักษณะเฉพาะของสถานะนี้คือไม่มีแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลเลย นี่เป็นการอธิบายการเคลื่อนไหวอย่างอิสระของพวกเขา เนื่องจากสารก๊าซเต็มปริมาตรทั้งหมดที่ให้ไว้ ยิ่งกว่านั้นทุกอย่างสามารถถ่ายโอนไปยังสถานะนี้ได้คุณเพียงแค่ต้องเพิ่มอุณหภูมิตามจำนวนที่ต้องการ
สถานะที่สี่: พลาสมา
สถานะการรวมตัวของสารนี้คือก๊าซที่ถูกแตกตัวเป็นไอออนทั้งหมดหรือบางส่วน ซึ่งหมายความว่าจำนวนอนุภาคที่มีประจุลบและประจุบวกในนั้นเกือบจะเท่ากัน สถานการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อแก๊สถูกทำให้ร้อน จากนั้นจะมีการเร่งกระบวนการไอออไนซ์ด้วยความร้อนอย่างรวดเร็ว ประกอบด้วยความจริงที่ว่าโมเลกุลถูกแบ่งออกเป็นอะตอม อย่างหลังก็กลายเป็นไอออน
ภายในจักรวาล สถานะนี้เป็นเรื่องธรรมดามาก เพราะมันประกอบด้วยดวงดาวและสื่อกลางระหว่างดวงดาวทั้งหมด มันเกิดขึ้นน้อยมากภายในขอบเขตของพื้นผิวโลก นอกเหนือจากไอโอโนสเฟียร์และลมสุริยะแล้ว พลาสมาจะเกิดขึ้นได้เฉพาะในช่วงที่เกิดพายุฝนฟ้าคะนองเท่านั้น ในการเกิดฟ้าผ่า สภาวะต่างๆ จะถูกสร้างขึ้นโดยก๊าซในบรรยากาศจะเปลี่ยนสถานะเป็นสถานะที่สี่ของสสาร
แต่ไม่ได้หมายความว่าพลาสมาไม่ได้ถูกสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการ สิ่งแรกที่เราจัดการได้คือการปล่อยก๊าซ ขณะนี้พลาสมาเติมหลอดฟลูออเรสเซนต์และโฆษณานีออน
การเปลี่ยนแปลงระหว่างรัฐต่างๆ เกิดขึ้นได้อย่างไร?
ในการทำเช่นนี้ คุณต้องสร้างเงื่อนไขบางประการ: แรงดันคงที่และอุณหภูมิเฉพาะ ในกรณีนี้การเปลี่ยนแปลงสถานะรวมของสารจะมาพร้อมกับการปล่อยหรือการดูดซึมพลังงาน นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงนี้ไม่ได้เกิดขึ้นที่ความเร็วดุจสายฟ้า แต่ต้องใช้เวลาพอสมควร ตลอดเวลานี้ เงื่อนไขจะต้องไม่เปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นพร้อมกับการดำรงอยู่ของสารในสองรูปแบบที่รักษาสมดุลทางความร้อน
สสารสามสถานะแรกสามารถแปลงร่างซึ่งกันและกันได้ มีกระบวนการโดยตรงและกระบวนการย้อนกลับ พวกเขามีชื่อดังต่อไปนี้:
- ละลาย(ของแข็งเป็นของเหลว) และ การตกผลึกตัวอย่างเช่น การละลายน้ำแข็งและน้ำที่ทำให้แข็งตัว
- การกลายเป็นไอ(จากของเหลวเป็นก๊าซ) และ การควบแน่นตัวอย่างคือการระเหยของน้ำและการผลิตจากไอน้ำ
- การระเหิด(จากของแข็งเป็นแก๊ส) และ การระเหิดตัวอย่างเช่นการระเหยของกลิ่นรสแบบแห้งในครั้งแรกและรูปแบบที่หนาวจัดบนกระจกในครั้งที่สอง
ฟิสิกส์ของการหลอมละลายและการตกผลึก
ถ้าของแข็งได้รับความร้อนก็จะเรียกว่าที่อุณหภูมิหนึ่ง จุดหลอมเหลวการเปลี่ยนแปลงสถานะของการรวมตัวจะเริ่มขึ้นซึ่งเรียกว่าการหลอมละลายของสารเฉพาะ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการดูดซับพลังงานซึ่งเรียกว่า ปริมาณความร้อนและถูกกำหนดโดยจดหมาย ถาม. ในการคำนวณคุณจะต้องรู้ ความร้อนจำเพาะของฟิวชันซึ่งแสดงแทน λ . และสูตรใช้นิพจน์ต่อไปนี้:
ถาม = แล * มโดยที่ m คือมวลของสารที่เกี่ยวข้องกับการหลอมละลาย
หากกระบวนการย้อนกลับเกิดขึ้น นั่นคือ การตกผลึกของของเหลว สภาวะต่างๆ จะเกิดขึ้นซ้ำ ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือพลังงานถูกปล่อยออกมา และเครื่องหมายลบปรากฏในสูตร
ฟิสิกส์ของการกลายเป็นไอและการควบแน่น
ขณะที่สารยังคงได้รับความร้อนอยู่ อุณหภูมิจะค่อยๆ เข้าใกล้จุดเริ่มการระเหยอย่างเข้มข้น กระบวนการนี้เรียกว่าการกลายเป็นไอ มีลักษณะพิเศษคือการดูดซับพลังงานอีกครั้ง เพียงเพื่อคำนวณคุณต้องรู้ ความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอ ร. และสูตรจะเป็นดังนี้:
ถาม = ร * ม.
กระบวนการย้อนกลับหรือการควบแน่นเกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อยความร้อนในปริมาณเท่ากัน ดังนั้นเครื่องหมายลบจึงปรากฏในสูตรอีกครั้ง
ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดัน สารใดๆ ก็สามารถอยู่ในสถานะการรวมตัวที่แตกต่างกันได้ แต่ละสถานะดังกล่าวมีลักษณะเฉพาะด้วยคุณสมบัติเชิงคุณภาพบางอย่างที่ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงภายในอุณหภูมิและความดันที่จำเป็นสำหรับสถานะการรวมตัวที่กำหนด
คุณสมบัติที่เป็นลักษณะเฉพาะของสถานะของการรวมกลุ่มได้แก่ ความสามารถของวัตถุในสถานะของแข็งที่จะคงรูปร่างไว้ หรือในทางกลับกัน ความสามารถของวัตถุของเหลวในการเปลี่ยนรูปร่าง อย่างไรก็ตาม บางครั้งขอบเขตระหว่างสถานะต่างๆ ของสสารค่อนข้างจะเบลอ เช่น ในกรณีของผลึกเหลว หรือที่เรียกว่า "ของแข็งอสัณฐาน" ซึ่งสามารถยืดหยุ่นได้เหมือนของแข็งและของเหลวเหมือนของเหลว
การเปลี่ยนแปลงระหว่างสถานะของการรวมกลุ่มสามารถเกิดขึ้นได้จากการปล่อยพลังงานอิสระ การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่น เอนโทรปี หรือปริมาณทางกายภาพอื่นๆ การเปลี่ยนจากสถานะการรวมกลุ่มหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งเรียกว่าการเปลี่ยนเฟส และปรากฏการณ์ที่มาพร้อมกับการเปลี่ยนผ่านดังกล่าวเรียกว่าปรากฏการณ์วิกฤต
รายการสถานะการรวมที่ทราบ
แข็ง |
||
|---|---|---|
ของแข็งที่อะตอมหรือโมเลกุลไม่ก่อให้เกิดโครงผลึก |
||
ของแข็งที่มีอะตอมหรือโมเลกุลก่อตัวเป็นโครงตาข่ายคริสตัล |
||
มีโซเฟส |
||
ผลึกเหลวเป็นสถานะเฟสที่สารมีทั้งคุณสมบัติของของเหลวและคุณสมบัติของคริสตัลไปพร้อมๆ กัน |
||
ของเหลว |
||
สถานะของสารที่อุณหภูมิเหนือจุดหลอมเหลวและต่ำกว่าจุดเดือด |
||
ของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงเกินจุดเดือด |
||
ของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิการตกผลึก |
||
สถานะของสารของเหลวภายใต้แรงดันลบที่เกิดจากแรง van der Waals (แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล) |
||
สถานะของของเหลวที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดวิกฤต |
||
ของเหลวที่มีคุณสมบัติได้รับอิทธิพลจากผลกระทบควอนตัม |
||
สถานะของสารที่มีพันธะระหว่างโมเลกุลหรืออะตอมอ่อนมาก ก๊าซในอุดมคติไม่สามารถอธิบายได้ทางคณิตศาสตร์ |
||
ก๊าซที่มีคุณสมบัติได้รับอิทธิพลจากผลกระทบควอนตัม |
||
สถานะของการรวมตัวที่แสดงโดยชุดของอนุภาคที่มีประจุแต่ละอนุภาค ซึ่งประจุรวมในปริมาตรใดๆ ของระบบจะเป็นศูนย์ |
||
สถานะของสสารที่เป็นกลุ่มของกลูออน ควาร์ก และแอนติควาร์ก |
||
สภาวะที่มีอายุสั้นในระหว่างที่สนามแรงกลูออนถูกยืดออกระหว่างนิวเคลียส อยู่ก่อนพลาสมาควาร์ก-กลูออน |
||
ก๊าซควอนตัม |
||
ก๊าซที่ประกอบด้วยเฟอร์มิออนซึ่งคุณสมบัติได้รับอิทธิพลจากผลกระทบควอนตัม |
||
ก๊าซที่ประกอบด้วยโบซอนซึ่งคุณสมบัติได้รับอิทธิพลจากผลกระทบควอนตัม |
||
คำจำกัดความ 1
สถานะรวมของสสาร(จากภาษาละติน "aggrego" หมายถึง "ฉันเพิ่ม", "ฉันเชื่อมต่อ") - สิ่งเหล่านี้คือสถานะของสารชนิดเดียวกันในรูปของแข็ง ของเหลว และก๊าซ
เมื่อเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งจะสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงพลังงานเอนโทรปีความหนาแน่นและคุณสมบัติอื่น ๆ ของสารอย่างกะทันหัน
ของแข็งและของเหลว
คำจำกัดความ 2ของแข็ง- สิ่งเหล่านี้คือร่างกายที่มีความโดดเด่นด้วยรูปร่างและปริมาตรที่คงที่
ในของแข็ง ระยะห่างระหว่างโมเลกุลมีขนาดเล็ก และสามารถเปรียบเทียบพลังงานศักย์ของโมเลกุลกับพลังงานจลน์ได้
ของแข็งแบ่งออกเป็น 2 ประเภท:
- ผลึก;
- อสัณฐาน
มีเพียงวัตถุที่เป็นผลึกเท่านั้นที่อยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ แท้จริงแล้ววัตถุอสัณฐานนั้นเป็นสถานะที่สามารถแพร่กระจายได้ ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายกับไม่มีสมดุล โดยจะค่อยๆ ตกผลึกของเหลว ในร่างกายอสัณฐาน กระบวนการตกผลึกที่ช้ามากเกิดขึ้น ซึ่งเป็นกระบวนการเปลี่ยนสสารอย่างค่อยเป็นค่อยไปเป็นสถานะผลึก ความแตกต่างระหว่างคริสตัลและของแข็งอสัณฐานประการแรกคือคุณสมบัติของแอนไอโซโทรปี คุณสมบัติของตัวผลึกจะขึ้นอยู่กับทิศทางในอวกาศ กระบวนการต่างๆ (เช่น การนำความร้อน การนำไฟฟ้า แสง เสียง) แพร่กระจายไปในทิศทางที่ต่างกันของของแข็งในลักษณะที่ต่างกัน แต่วัตถุอสัณฐาน (เช่น แก้ว เรซิน พลาสติก) นั้นมีไอโซโทรปิกเหมือนกับของเหลว ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวระหว่างวัตถุอสัณฐานและของเหลวก็คือสิ่งหลังนั้นเป็นของเหลว และจะไม่เกิดการเสียรูปของแรงเฉือนแบบสถิตในตัวพวกมัน
เนื้อผลึกมีโครงสร้างโมเลกุลสม่ำเสมอ เนื่องจากโครงสร้างที่ถูกต้องทำให้คริสตัลมีคุณสมบัติแบบแอนไอโซทรอปิก การจัดเรียงอะตอมที่ถูกต้องในคริสตัลจะทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าโครงตาข่ายคริสตัล ในทิศทางที่ต่างกันตำแหน่งของอะตอมในโครงตาข่ายจะแตกต่างกันซึ่งนำไปสู่แอนไอโซโทรปี อะตอม (ไอออนหรือโมเลกุลทั้งหมด) ในโครงผลึกจะเกิดการเคลื่อนที่แบบสุ่มใกล้กับตำแหน่งเฉลี่ย ซึ่งถือเป็นโหนดของโครงตาข่ายคริสตัล ยิ่งอุณหภูมิสูง พลังงานการสั่นสะเทือนก็จะยิ่งสูงขึ้น และแอมพลิจูดการสั่นสะเทือนโดยเฉลี่ยก็สูงขึ้นด้วย ขนาดของคริสตัลจะถูกกำหนด ขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดของการสั่น การเพิ่มความกว้างของการสั่นสะเทือนทำให้ขนาดร่างกายเพิ่มขึ้น สิ่งนี้จะอธิบายการขยายตัวทางความร้อนของของแข็ง
คำจำกัดความ 3
ร่างกายที่เป็นของเหลว- สิ่งเหล่านี้คือร่างกายที่มีปริมาตรหนึ่ง แต่ไม่มีรูปร่างที่ยืดหยุ่น
สารในสถานะของเหลวมีลักษณะเป็นปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลที่รุนแรงและมีการบีบอัดต่ำ ของเหลวมีตำแหน่งตรงกลางระหว่างของแข็งและก๊าซ ของเหลว เช่น ก๊าซ มีคุณสมบัติไอโซโทรปิก นอกจากนี้ของเหลวยังมีคุณสมบัติเป็นของเหลว ในนั้นเช่นเดียวกับในก๊าซไม่มีความเค้นสัมผัส (ความเค้นเฉือน) ของวัตถุ ของเหลวมีน้ำหนักมาก นั่นคือความโน้มถ่วงจำเพาะสามารถเปรียบเทียบได้กับความโน้มถ่วงจำเพาะของของแข็ง อุณหภูมิที่ใกล้เคียงการตกผลึก ความจุความร้อน และคุณสมบัติทางความร้อนอื่นๆ ใกล้เคียงกับคุณสมบัติที่สอดคล้องกันของของแข็ง ในของเหลว การจัดเรียงอะตอมจะถูกสังเกตในระดับที่กำหนด แต่เฉพาะในพื้นที่ขนาดเล็กเท่านั้น ที่นี่อะตอมยังได้รับการเคลื่อนไหวแบบสั่นสะเทือนใกล้กับโหนดของเซลล์ควอซิคริสตัลไลน์ แต่ไม่เหมือนกับอะตอมในวัตถุที่เป็นของแข็ง พวกมันจะกระโดดจากโหนดหนึ่งไปยังอีกโหนดหนึ่งเป็นระยะๆ เป็นผลให้การเคลื่อนที่ของอะตอมจะซับซ้อนมาก: การแกว่ง แต่ในขณะเดียวกันศูนย์กลางของการแกว่งก็เคลื่อนที่ในอวกาศ
คำจำกัดความที่ 4แก๊ส- นี่คือสถานะของสสารซึ่งมีระยะห่างระหว่างโมเลกุลเป็นอย่างมาก.
แรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลที่ความดันต่ำสามารถถูกละเลยได้ อนุภาคของก๊าซจะเติมปริมาตรทั้งหมดสำหรับก๊าซ ก๊าซถือเป็นไอระเหยที่มีความร้อนยวดยิ่งสูงหรือไม่อิ่มตัว ก๊าซชนิดพิเศษคือพลาสมา (ก๊าซไอออไนซ์บางส่วนหรือทั้งหมดซึ่งมีความหนาแน่นของประจุบวกและลบเกือบเท่ากัน) นั่นคือพลาสมาเป็นก๊าซของอนุภาคที่มีประจุซึ่งทำปฏิกิริยาระหว่างกันโดยใช้แรงไฟฟ้าในระยะไกล แต่ไม่มีอนุภาคในระยะใกล้และไกล
ดังที่ทราบกันดีว่าสารสามารถเปลี่ยนจากสถานะการรวมกลุ่มหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งได้
คำจำกัดความที่ 5
การระเหยเป็นกระบวนการเปลี่ยนสถานะการรวมตัวของสาร โดยที่โมเลกุลลอยออกมาจากพื้นผิวของของเหลวหรือของแข็ง พลังงานจลน์จะเปลี่ยนพลังงานศักย์ของอันตรกิริยาของโมเลกุล
การระเหยเป็นการเปลี่ยนเฟส การระเหยจะเปลี่ยนส่วนหนึ่งของของเหลวหรือของแข็งให้เป็นไอ
คำนิยาม 6
สารที่อยู่ในสถานะก๊าซซึ่งอยู่ในสมดุลไดนามิกกับของเหลวเรียกว่าอิ่มตัว เรือข้ามฟาก. ในกรณีนี้การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของร่างกายจะเท่ากับ:
∆ U = ± มr (1) ,
โดยที่ m คือมวลของร่างกาย r คือความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอ (J l / k g)
คำนิยาม 7
การควบแน่นเป็นกระบวนการย้อนกลับไปสู่การกลายเป็นไอ
การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในคำนวณโดยใช้สูตร (1)
คำจำกัดความ 8
ละลายคือกระบวนการเปลี่ยนสารจากสถานะของแข็งให้เป็นของเหลว กระบวนการเปลี่ยนสถานะรวมของสาร
เมื่อสารได้รับความร้อน พลังงานภายในจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นความเร็วของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลจึงเพิ่มขึ้น เมื่อสารถึงจุดหลอมเหลว ตาข่ายคริสตัลของของแข็งจะถูกทำลาย พันธะระหว่างอนุภาคก็ถูกทำลายเช่นกัน และพลังงานปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคก็เพิ่มขึ้น ความร้อนที่ถ่ายโอนไปยังร่างกายจะไปเพิ่มพลังงานภายในของร่างกายนี้ และพลังงานส่วนหนึ่งจะถูกใช้ไปกับการทำงานเพื่อเปลี่ยนปริมาตรของร่างกายเมื่อมันละลาย สำหรับวัตถุที่เป็นผลึกหลายชนิด ปริมาตรจะเพิ่มขึ้นเมื่อหลอมละลาย แต่มีข้อยกเว้นอยู่ (เช่น น้ำแข็ง เหล็กหล่อ) วัตถุอสัณฐานไม่มีจุดหลอมเหลวจำเพาะ การหลอมละลายคือการเปลี่ยนเฟส ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือการเปลี่ยนแปลงความจุความร้อนที่อุณหภูมิหลอมเหลวอย่างกะทันหัน จุดหลอมเหลวขึ้นอยู่กับสารและคงที่ตลอดกระบวนการ จากนั้นการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของร่างกายจะเท่ากับ:
∆ U = ± ม. แลมบ์ (2) ,
โดยที่ แล คือความร้อนจำเพาะของฟิวชัน (J l/k g)
คำนิยาม 9
การตกผลึกเป็นกระบวนการย้อนกลับของการหลอม
การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในคำนวณโดยใช้สูตร (2)
การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของแต่ละร่างกายของระบบเมื่อถูกความร้อนหรือความเย็นคำนวณโดยสูตร:
∆ U = ม ค ∆ T (3) ,
โดยที่ c คือความจุความร้อนจำเพาะของสาร J k g K, △ T คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิร่างกาย
คำนิยาม 10
เมื่อพิจารณาถึงการเปลี่ยนแปลงของสารจากสถานะการรวมกลุ่มหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง เราไม่สามารถทำอะไรได้หากปราศจากสิ่งที่เรียกว่า สมการสมดุลความร้อน: ปริมาณความร้อนทั้งหมดที่ปล่อยออกมาในระบบฉนวนความร้อนจะเท่ากับปริมาณความร้อน (ทั้งหมด) ที่ถูกดูดซับในระบบนี้
ค 1 + ค 2 + ค 3 + . . . + Q n = Q " 1 + Q " 2 + Q " 3 +... + Q " k.
โดยพื้นฐานแล้ว สมการสมดุลความร้อนคือกฎการอนุรักษ์พลังงานสำหรับกระบวนการถ่ายเทความร้อนในระบบฉนวนความร้อน
ตัวอย่างที่ 1
ภาชนะที่หุ้มฉนวนความร้อนประกอบด้วยน้ำและน้ำแข็งซึ่งมีอุณหภูมิ t i = 0 °C มวลของน้ำ m υ และน้ำแข็ง m i ตามลำดับเท่ากับ 0, 5 กก. และ 60 กรัม ไอน้ำที่มีมวล m p = 10 กรัมถูกนำลงไปในน้ำที่อุณหภูมิ t p = 100 ° C อุณหภูมิของน้ำในภาชนะจะเป็นเท่าใดหลังจากสร้างสมดุลความร้อนแล้ว? ในกรณีนี้ ไม่จำเป็นต้องคำนึงถึงความจุความร้อนของภาชนะด้วย
ภาพที่ 1
สารละลาย
ให้เราพิจารณาว่ากระบวนการใดเกิดขึ้นในระบบ สถานะของสสารที่เราสังเกตเห็น และสิ่งที่เราได้รับ
ไอน้ำควบแน่นทำให้เกิดความร้อน
พลังงานความร้อนถูกใช้เพื่อละลายน้ำแข็ง และอาจเพื่อทำให้น้ำที่มีอยู่และน้ำที่ได้จากน้ำแข็งร้อนขึ้น
ก่อนอื่น เรามาตรวจสอบปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาเมื่อมวลไอน้ำที่มีอยู่ควบแน่น:
Q พี = - ร ม พี ; Q p = 2.26 10 6 10 - 2 = 2.26 10 4 (D w)
จากวัสดุอ้างอิงนี้ เรามี r = 2.26 · 10 6 J k g - ความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอ (ใช้สำหรับการควบแน่นด้วย)
ในการละลายน้ำแข็ง คุณจะต้องใช้ความร้อนในปริมาณต่อไปนี้:
Q i = แลม i Q i = 6 10 - 2 3, 3 10 5 µ 2 10 4 (D g)
จากวัสดุอ้างอิงที่เรามี แล = 3, 3 · 10 5 J k g - ความร้อนจำเพาะของการละลายของน้ำแข็ง
ปรากฎว่าไอน้ำให้ความร้อนมากกว่าที่จำเป็นเพียงเพื่อละลายน้ำแข็งที่มีอยู่ ซึ่งหมายความว่าเราเขียนสมการสมดุลความร้อนดังนี้:
r m p + c m p (T p - T) = แลม i + c (m υ + m i) (T - T i) .
ความร้อนจะถูกปล่อยออกมาเมื่อไอน้ำที่มีมวล mp ควบแน่นและน้ำที่เกิดจากไอน้ำทำให้เย็นลงจากอุณหภูมิ T p ถึง T ที่ต้องการ ความร้อนถูกดูดซับโดยการละลายน้ำแข็งที่มีมวล m i และให้น้ำร้อนที่มีมวล m υ + m i จากอุณหภูมิ T i ถึง T ให้เราแสดงว่า T - T i = ∆ T สำหรับความแตกต่าง T p - T ที่เราได้รับ:
ที พี - ที = ที พี - ที ผม - ∆ T = 100 - ∆ ที .
สมการสมดุลความร้อนจะมีลักษณะดังนี้:
r mp + c m p (100 - ∆ T) = แลม i + c (ม υ + ม i) ∆ T ; ค (ม υ + มิ + ม p) ∆ T = r ม p + ค ม พี 100 - แลม ผม ; ∆ T = r m p + c m p 100 - แลม ฉัน ค ม υ + ม i + m p .
มาทำการคำนวณโดยคำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่าความจุความร้อนของน้ำถูกทำเป็นตาราง
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 data 3 (เค),
จากนั้น T = 273 + 3 = 276 K
คำตอบ:อุณหภูมิของน้ำในภาชนะหลังจากสร้างสมดุลความร้อนแล้วจะเป็น 276 เค
ตัวอย่างที่ 2
รูปที่ 2 แสดงส่วนของไอโซเทอร์มที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนผ่านของสารจากผลึกไปเป็นสถานะของเหลว อะไรสอดคล้องกับพื้นที่นี้ในแผนภาพ p, T?
การวาดภาพ 2
คำตอบ:ชุดสถานะทั้งหมดที่แสดงในแผนภาพ p, V โดยส่วนของเส้นแนวนอนในแผนภาพ p, T จะแสดงด้วยจุดเดียวซึ่งกำหนดค่าของ p และ T ซึ่งการเปลี่ยนแปลงจากสถานะการรวมหนึ่งสถานะ ไปสู่อีกสิ่งหนึ่งเกิดขึ้น
หากคุณสังเกตเห็นข้อผิดพลาดในข้อความ โปรดไฮไลต์แล้วกด Ctrl+Enter
