Визначення

Агрегатні станиречовини (від латинського aggrego - приєдную, зв'язую) - це стани однієї й тієї ж речовини тверде, рідке, газоподібне.

При переході з одного стану в інший відбувається стрибкоподібна зміна енергії, ентропії, густини та інших характеристик речовини.

Тверді та рідкі тіла

Визначення

Твердими тілами називаються тіла, що відрізняються сталістю форми та об'єму.

Вони міжмолекулярні відстані малі і потенційна енергія молекул можна порівняти з кінетичною. Тверді тіла поділяються на два види: на кристалічні та аморфні. В стані термодинамічної рівновагиперебувають лише кристалічні тіла. Аморфні ж тіла по суті представляють метастабільні стани, які за своєю будовою наближаються до нерівноважних рідин, що повільно кристалізуються. В аморфному тілі йде дуже повільний процес кристалізації, поступового переходу речовини в кристалічну фазу. Відмінність кристала від аморфного твердого тіла полягає насамперед анізотропії його властивостей. Властивості кристалічного тіла залежать від напряму у просторі. Різні процеси, такі як теплопровідність, електропровідність, світло, звук, поширюються в різних напрямках твердого тіла по-різному. Аморфні ж тіла (скло, смоли, пластмаси) ізотpопні, як і рідини. Відмінність аморфних тіл від рідин полягає тільки в тому, що останні текучи, у них неможливі статичні деформації зсуву.

Кристалічні тіла мають правильне молекулярною будовою. Саме правильне будову кристала зобов'язана анізотропія його властивостей. Правильне розташування атомів кристала утворює так звану кристалічну решітку. У різних напрямках розташування атомів у ґратах по-різному, як і веде до анізотропії. Атоми (або іони, або цілі молекули) в кристалічній решітці здійснюють безладний коливальний рух біля середніх положень, які розглядаються як вузли кристалічних ґрат. Чим більша температура, тим більша енергія коливань, а отже, і середня амплітуда коливань. Залежно від амплітуди коливань перебуває розмір кристала. Зростання амплітуди коливань веде до зростання розмірів тіла. Так пояснюється теплове розширення твердих тіл.

Визначення

Рідкими називають тіла, які мають певний об'єм, але не мають пружності форми.

Рідини відрізняються сильною міжмолекулярною взаємодією та малою стисливістю. Рідина займає проміжне положення між твердим тілом та газом. Рідини, як і гази, ізотpопні. Крім того, рідина має плинність. У ній, як і газах, відсутні дотичні напруги (напруги на зсув) тел. Рідини важкі, тобто. їх питомі ваги можна порівняти з питомою вагою твердих тіл. Поблизу температур кристалізації їхньої теплоємності та інші теплові характеристики близькі до відповідних характеристик твердих тіл. У рідинах спостерігається певною мірою правильне розташування атомів, але у малих областях. Тут атоми теж здійснюють коливальний рух біля вузлів квазикристалічного осередку, але на відміну від атомів твердого тіла вони час від часу перескакують від одного вузла до іншого. У результаті рух атомів буде дуже складним: він коливальний, але водночас центр коливань переміщається у просторі.

Газ, випаровування, конденсація та плавлення

Визначення

Газ - такий стан речовини, у якому відстані між молекулами великі.

Сил взаємодії між молекулами при невисоких тисках можна знехтувати. Частинки газу заповнюють весь обсяг, наданий газу. Гази можна як сильно перегріті чи ненасичені пари. p align="justify"> Особливим видом газу є плазма - це частково чи повністю іонізований газ, в якому щільності позитивних і негативних зарядів практично однакові. Плазма являє собою газ із заряджених частинок, які взаємодіють між собою за допомогою електричних сил на великій відстані, але не мають ближнього та далекого розташування частинок.

Речовини можуть переходити з одного агрегатного стану до іншого.

Визначення

Випаровування - це процес зміни агрегатного стану речовини, при якому з поверхні рідини або твердого тіла вилітають молекули, кінетична енергія яких перевищує потенційну енергію взаємодії молекул.

Випаровування - це фазовий перехід. При випаровуванні частина рідини чи твердого тіла перетворюється на пар. Речовина в газоподібному стані, що знаходиться в динамічній рівновазі з рідиною, називається насиченою парою. При цьому зміна внутрішньої енергіїтіла:

\[\triangle \ U=\pm mr\ \left(1\right),\]

де m – маса тіла, r – питома теплота пароутворення (Дж/кг).

Визначення

Конденсація - процес, зворотний пароутворення.

Розрахунок зміни внутрішньої енергії відбувається за формулою (1).

Визначення

Плавлення - процес переходу речовини з твердого стану в рідкий процес зміни агрегатного стану речовини.

Коли речовина нагрівають, збільшується його внутрішня енергія, отже, збільшується швидкість теплового руху молекул. У разі, якщо досягнуто температура плавлення речовини, то кристалічні грати твердого тіла починає руйнуватися. Зв'язки між частинками руйнуються, зростає енергія взаємодії між частинками. Теплота, що передається тілу, йде на збільшенні внутрішньої енергії цього тіла, і частина енергії йде на здійснення роботи зі зміни обсягу тіла при його плавленні. Більшість кристалічних тілобсяг збільшується при плавленні, але є винятки, наприклад, лід, чавун. Аморфні тіла немає певної температури плавлення. Плавлення є фазовим переходом, який супроводжується стрибкоподібною зміною теплоємності при температурі плавлення. Температура плавлення залежить від речовини і вона не змінюється під час процесу. При цьому зміна внутрішньої енергії тіла:

\[\triangle U=\pm m\lambda \left(2\right),\]

де $ \ lambda $ - Питома теплота плавлення (Дж / кг).

Процес зворотний плавленню – кристалізація. Розрахунок зміни внутрішньої енергії відбувається за формулою (2).

Зміна внутрішньої енергії кожного тіла системи у разі нагрівання чи охолодження можна розрахувати за такою формулою:

\[\triangle U=mc\triangle T\left(3\right),\]

де c - питома теплоємністьречовини, Дж/(кгК), $\triangle T$- зміна температури тіла.

При вивченні переходів речовин з одних агрегатних станів в інші неможливо обійтися без так званого рівняння теплового балансу, яке говорить: сумарна кількість теплоти, що виділяється в теплоізольованій системі, дорівнює кількості теплоти (сумарному), яка в цій системі поглинається.

За своїм змістом рівняння теплового балансу - це закон збереження енергії для процесів теплообміну в термоізольованих системах.

Приклад 1

Завдання: У теплоізольованій посудині знаходяться вода та крига при температурі $t_i= 0^oС$. Маса води ($m_(v\))$ і льоду ($m_(i\))$ відповідно дорівнюють 0,5 кг і 60 гр. У воду впускається водяна пара масою $ m_ (p \) = $ 10 гр. за температури $t_p= 100^oС$. Якою стане температура води у посудині після встановлення теплової рівноваги? Теплоємність судини не враховувати.

Рішення: Визначимо, які процеси відбуваються у системі, які агрегатні стани речовини ми мали та які отримали.

Водяна пара конденсується, віддаючи тепло.

Це тепло йдена плавлення льоду і, можливо, нагрівання наявної та отриманої з льоду води.

Перевіримо спочатку, скільки теплоти виділяється при конденсації наявної маси пари:

тут з довідкових матеріалівмаємо $ r = 2,26 10 ^ 6 \ frac (Дж) (кг) $ - питома теплота пароутворення (застосовна і для конденсації).

Для плавлення льоду необхідно тепло:

тут з довідкових матеріалів маємо $ \ lambda = 3,3 \ cdot 10 ^ 5 \ frac (Дж) (кг) $ - питома теплота плавлення льоду.

Отримуємо, що пара віддає тепла більше, ніж потрібно, тільки для розплавлення наявного льоду, отже, рівняння теплового балансу запишемо у вигляді:

Теплота виділяється при конденсації пари масою $m_(p\ )$ і охолодженні води, яка утворюється з пари від температури $T_p$ до шуканої T. Теплота поглинається при плавленні льоду масою $m_(i\ )$ і нагріванні води масою $m_v+ m_i$ від температури $T_i$до $T.\ $ Позначимо $T-T_i=\triangle T$, для різниці $T_p-T$ отримаємо:

Рівняння теплового балансу набуде вигляду:

\ \ \[\triangle T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-лm_(i\ ))(c\left(m_v+m_i+m_(p\ )\right))\left (1.6 \ right) \]

Проведемо обчислення, враховуючи, що теплоємність води таблична $c=4,2\cdot 10^3\frac(Дж)(кгК)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i+273=273K$:

$\triangle T=\frac(2,26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4,2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2)\cdot 3,3\cdot 10^5)(4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^(-1))\approx 3\left(Кright)$тоді T = 273 +3 = 276 (K)

Відповідь: Температура води в посудині після встановлення теплової рівноваги дорівнюватиме 276 До.

Приклад 2

Завдання: На малюнку показана ділянка ізотерми, що відповідає переходу речовини з кристалічного в рідкий стан. Що відповідає цій ділянці на діаграмі p,T?

Уся сукупність станів, зображених на діаграмі p,V горизонтальнимвідрізком прямий на діаграмі p,T зображується однією точкою, що визначає значення p і T, при яких здійснюється перехід з одного агрегатного стану до іншого.

Речовини можуть бути в різних агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному. Молекулярні сили в різних агрегатних станах різні: у твердому стані вони найбільші, у газоподібному – найменші. Відмінністю молекулярних сил пояснюються властивості, що виявляються у різних агрегатних станах:

У твердих тілах відстань між молекулами невелика і переважають сили взаємодії. Тому тверді тіла мають властивість зберігати форму і об'єм. Молекули твердих тіл перебувають у постійному русі, але кожна молекула рухається біля положення рівноваги.

У рідинах відстань між молекулами більша, отже, менша і сили взаємодії. Тому рідина зберігає об'єм, але легко змінює форму.

У газах сили взаємодії дуже невеликі, оскільки відстань між молекулами газу в кілька десятків разів більша за розміри молекул. Тому газ займає весь наданий йому обсяг.

Переходи з одного агрегатного стану речовини до іншого

Визначення

Плавлення речовини$-$ перехід речовини з твердого стану в рідкий.

Цей фазовий перехід завжди супроводжується поглинанням енергії, тобто речовини необхідно підводити теплоту. При цьому внутрішня енергія речовини зростає. Плавання відбувається лише за певної температури, званої температурою плавлення. Кожна речовина має температуру плавлення. Наприклад, у льоду $t_(пл)=0^0\textrm(С)$.

Поки відбувається плавлення, температура речовини не змінюється.

Що треба зробити, що розплавити речовину масою $ m $? Спочатку потрібно його нагріти до температури плавлення $t_(пл)$, повідомивши кількість теплоти $c(\cdot)m(\cdot)(\Delta)T$, де $c$ $-$ питома теплоємність речовини. Потім необхідно підвести кількість теплоти $(\lambda)(\cdot)m$, де $\lambda$ $-$ питома теплота плавлення речовини. Саме плавлення відбуватиметься при постійній температурі, що дорівнює температурі плавлення.

Визначення

Кристалізація (затвердіння) речовини$-$ перехід речовини з рідкого стану у твердий.

Це процес, обернений до плавлення. Кристалізація завжди супроводжується виділенням енергії, тобто від речовини необхідно відводити теплоту. При цьому внутрішня енергія речовини зменшується. Вона відбувається лише за певної температури, що збігається з температурою плавлення.

Поки відбувається кристалізація, температура речовини не змінюється.

Що треба зробити, що речовина масою $ m $ кристалізувалася? Спочатку потрібно його охолодити до температури плавлення $t_(пл)$, відвівши кількість теплоти $c(\cdot)m(\cdot)(\Delta)T$, де $c$ $-$ питома теплоємність речовини. Потім необхідно відвести кількість теплоти $(\lambda)(\cdot)m$, де $\lambda$ $-$ питома теплота плавлення речовини. Кристалізація буде відбуватися при постійній температурі, що дорівнює температурі плавлення.

Визначення

Пароутворення речовини$-$ перехід речовини з рідкого стану в газоподібний.

Цей фазовий перехід завжди супроводжується поглинанням енергії, тобто речовини необхідно підводити теплоту. При цьому внутрішня енергія речовини зростає.

Розрізняють два види пароутворення: випаровування та кипіння.

Визначення

Випаровування$-$ пароутворення з поверхні рідини, що відбувається за будь-якої температури.

Швидкість випаровування залежить від:

    температури;

    площі поверхні;

    роду рідини;

    вітру.

Визначення

Кипіння$-$ пароутворення по всьому об'єму рідини, яке відбувається тільки за певної температури, званої температури кипіння.

Кожна речовина має власну температуру кипіння. Наприклад, у води $t_(кіп)=100^0\textrm(С)$. Поки відбувається кипіння, температура речовини не змінюється.

Що треба зробити, щоб речовина масою $m$ википіла? Спочатку потрібно його нагріти до температури кипіння $t_(кіп)$, повідомивши кількість теплоти $c(\cdot)m(\cdot)(\Delta)T$, де $c$ $-$ питома теплоємність речовини. Потім необхідно підвести кількість теплоти $(L)(\cdot)m$, де $L$ $-$ питома теплота пароутворення речовини. Саме кипіння відбуватиметься при постійній температурі, що дорівнює температурі кипіння.

Визначення

Конденсація речовини$-$ перехід речовини з газоподібного стану в рідкий.

Це процес, зворотний пароутворення. Конденсація завжди супроводжується виділенням енергії, тобто від речовини необхідно відводити теплоту. При цьому внутрішня енергія речовини зменшується. Вона відбувається лише за певної температури, що збігається з температурою кипіння.

Поки відбувається конденсація, температура речовини не змінюється.

Що треба зробити, щоб речовина масою $m$ сконденсувалася? Спочатку потрібно його охолодити до температури кипіння $t_(кіп)$, відвівши кількість теплоти $c(\cdot)m(\cdot)(\Delta)T$, де $c$ $-$ питома теплоємність речовини. Потім необхідно відвести кількість теплоти $(L)(\cdot)m$, де $L$ $-$ питома теплота пароутворення речовини. Конденсація відбуватиметься при постійній температурі, що дорівнює температурі кипіння.

Агрегатні стани. Рідини. Фази у термодинаміці. Фазові переходи.

Лекція 1.16

Усі речовини можуть існувати у трьох агрегатних станах - твердому, рідкомуі газоподібному. Переходи між ними супроводжуються стрибкоподібною зміною ряду фізичних властивостей(Щільності, теплопровідності та ін.).

Агрегатний стан залежить від фізичних умов, у яких перебуває речовина. Існування у речовини кількох агрегатних станів обумовлено відмінностями в тепловому русі його молекул (атомів) та їх взаємодії за різних умов.

Газ- агрегатний стан речовини, у якому частки не пов'язані чи дуже слабко пов'язані силами взаємодії; кінетична енергія теплового руху його частинок (молекул, атомів) значно перевершує потенційну енергію взаємодій між ними, тому частинки рухаються майже вільно, повністю заповнюючи посудину, в якій знаходяться, і набувають її форми. У газоподібному стані речовина не має власного обсягу, ні власної форми. Будь-яку речовину можна перевести в газоподібну, змінюючи тиск та температуру.

Рідина- агрегатний стан речовини, проміжний між твердим та газоподібним. Для неї характерна велика рухливість частинок і мале вільне простір з-поміж них. Це призводить до того, що рідини зберігають свій об'єм і набувають форми судини. У рідини молекули розміщуються дуже близько одна до одної. Тому щільність рідини набагато більша за щільність газів (при нормальному тиску). Властивості рідини в усіх напрямках однакові (ізотропні) крім рідких кристалів. При нагріванні чи зменшенні щільності властивості рідини, теплопровідність, в'язкість змінюються, зазвичай, у бік зближення з властивостями газів.

Тепловий рух молекул рідини складається з поєднання колективних коливальних рухів і відбуваються іноді стрибків молекул з одних положень рівноваги до інших.

Тверді (кристалічні) тіла- агрегатний стан речовини, що характеризується стабільністю форми та характером теплового руху атомів. Цей рух є коливаннями атомів (або іонів), з яких складається тверде тіло. Амплітуда коливань зазвичай мала порівняно з міжатомними відстанями.

Властивості рідин.

Молекули речовини в рідкому стані розташовані майже впритул один до одного. На відміну від твердих кристалічних тіл, в яких молекули утворюють упорядковані структури у всьому обсязі кристала і можуть здійснювати теплові коливання біля фіксованих центрів, молекули рідини мають більшу свободу. Кожна молекула рідини, так само як і в твердому тілі, «затиснута» з усіх боків сусідніми молекулами і здійснює теплові коливання біля певного положення рівноваги. Однак, іноді будь-яка молекула може переміститися в сусіднє вакантне місце. Такі перескоки у рідинах відбуваються досить часто; тому молекули не прив'язані до певних центрів, як у кристалах, і можуть переміщатися по всьому об'єму рідини. Цим пояснюється плинність рідин. Через сильну взаємодію між близько розташованими молекулами вони можуть утворювати локальні (нестійкі) упорядковані групи, що містять декілька молекул. Це явище називається ближнім порядком.



Внаслідок щільної упаковки молекул стисливість рідин, тобто зміна об'єму при зміні тиску, дуже мала; вона у десятки та сотні тисяч разів менша, ніж у газах. Наприклад, зміни об'єму води на 1 % потрібно збільшити тиск приблизно 200 раз. Таке збільшення тиску в порівнянні з атмосферним досягається на глибині близько 2 км.

Рідини, як і тверді тіла, змінюють об'єм при зміні температури. Для невеликих інтервалів температур відносна зміна об'єму Δ V / V 0 пропорційно до зміни температури Δ T:

Коефіцієнт β називають температурним коефіцієнтом об'ємного розширення. Цей коефіцієнт у рідин у десятки разів більший, ніж у твердих тіл. У води, наприклад, при температурі 20 °С ? 6 К -1.

Теплове розширення води має цікаву та важливу для життя на Землі аномалію. За температури нижче 4 °С вода розширюється при зниженні температури (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

При замерзанні вода розширюється, тому лід залишається плавати на поверхні замерзаючої водойми. Температура води, що замерзає, під льодом дорівнює 0 °С. У більш щільних шарах води біля дна водоймища температура виявляється близько 4 °С. Завдяки цьому життя може існувати у воді замерзаючих водойм.

Найбільш цікавою особливістюрідин є наявність вільної поверхні. Рідина, на відміну від газів, не заповнює весь обсяг посудини, в яку вона налита. Між рідиною та газом (або парою) утворюється межа розділу, яка знаходиться в особливих умовахв порівнянні з рештою маси рідини. Молекули в прикордонному шарі рідини, на відміну молекул у її глибині, оточені іншими молекулами тієї ж рідини не з усіх боків. Сили міжмолекулярної взаємодії, що діють на одну з молекул усередині рідини з боку сусідніх молекул, у середньому взаємно компенсовані. Будь-яка молекула в прикордонному шарі притягується молекулами, що знаходяться всередині рідини (силами, що діють на цю молекулу рідини з боку молекул газу (або пари) можна знехтувати). В результаті з'являється деяка сила, що рівнодіє, спрямована вглиб рідини. Поверхневі молекули силами міжмолекулярного тяжіння втягуються усередину рідини. Але всі молекули, у тому числі й молекули прикордонного шару, мають бути в стані рівноваги. Ця рівновага досягається за рахунок деякого зменшення відстані між молекулами поверхневого шару та їх найближчими сусідами всередині рідини. При зменшенні відстані між молекулами з'являються сили відштовхування. Якщо середня відстань між молекулами всередині рідини дорівнює r 0 , то молекули поверхневого шару упаковані трохи щільніше, а тому вони мають додатковий запас потенційної енергіїпроти внутрішніми молекулами. Слід мати на увазі, що внаслідок вкрай низької стисливості наявність більш щільно упакованого поверхневого шару не призводить до помітної зміни об'єму рідини. Якщо молекула переміститься із поверхні всередину рідини, сили міжмолекулярної взаємодії зроблять позитивну роботу. Навпаки, щоб витягнути деяку кількість молекул із глибини рідини на поверхню (тобто збільшити площу поверхні рідини), зовнішні силиповинні здійснити позитивну роботу Aзовніш, пропорційну зміні Δ Sплощі поверхні:

Aзовніш = σΔ S.

Коефіцієнт σ називається коефіцієнтом поверхневого натягу(? > 0). Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу дорівнює роботі, необхідної збільшення площі поверхні рідини при постійній температурі на одиницю.

У СІ коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в джоулях на метрквадратний (Дж/м 2 ) чи ньютонах на метр(1 Н/м = 1 Дж/м 2).

Отже, молекули поверхневого шару рідини мають надмірну порівняно з молекулами всередині рідини. потенційною енергією. Потенціальна енергія Eр поверхні рідини пропорційна її площі: (1.16.1)

Із механіки відомо, що рівноважним станам системи відповідає мінімальне значення її потенційної енергії. Звідси випливає, що вільна поверхня рідини прагне скоротити свою площу. З цієї причини вільна крапля рідини набуває кулястої форми. Рідина поводиться так, ніби по дотичній до її поверхні діють сили, що скорочують (стягують) цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхневого натягу.

Наявність сил поверхневого натягу робить поверхню рідини схожою на пружну розтягнуту плівку, з тією різницею, що пружні сили в плівці залежать від площі її поверхні (тобто від того, як плівка деформована), а сили поверхневого натягу не залежать від площі поверхні рідини.

Сили поверхневого натягу прагнуть скоротити поверхню плівки. Тому можна записати: (1.16.2)

Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу σ може бути визначений як модуль сили поверхневого натягу, що діє наодинці довжини лінії, що обмежує поверхню ( l- Довжина цієї лінії).

Через дію сил поверхневого натягу в краплях рідини та всередині мильних бульбашок виникає надлишковий тиск Δ p. Якщо подумки розрізати сферичну краплю радіусу Rна дві половинки, кожна з них повинна перебувати в рівновазі під дією сил поверхневого натягу, прикладених до межі розрізу довжиною 2π Rі сил надлишкового тиску, що діють на площу R 2 перерізи (рис.1.16.1). Умова рівноваги записується як

Поблизу кордону між рідиною, твердим тілом і газом форма вільної поверхні рідини залежить від сил взаємодії молекул рідини з молекулами твердого тіла (взаємодія з молекулами газу (або пари) може бути знехтувана). Якщо ці сили більші за сили взаємодії між молекулами самої рідини, то рідина змочуєПоверхня твердого тіла. У цьому випадку рідина підходить до поверхні твердого тіла під деяким гострим кутомθ, характерним для цієї пари рідина – тверде тіло. Кут θ називається крайовим кутом. Якщо сили взаємодії між молекулами рідини перевершують сили їхньої взаємодії з молекулами твердого тіла, то крайовий кут θ виявляється тупим (рис.1.16.2(2)). У цьому випадку кажуть, що рідина не змочуєПоверхня твердого тіла. В іншому випадку (кут - гострий) рідина змочуєповерхню (рис.1.16.2 (1)). При повному змочуванніθ = 0, при повному незмочуванніθ = 180 °.

Капілярними явищаминазивають підйом чи опускання рідини в трубках малого діаметра – капілярах. Змочують рідини піднімаються по капілярах, незмочують - опускаються.

На рис.1.16.3 зображено капілярну трубку деякого радіуса r, опущена нижнім кінцем у змочуючу рідину щільності ρ. Верхній кінець капіляра відкрито. Підйом рідини в капілярі триває до тих пір, поки сила тяжіння, що діє на стовп рідини в капілярі, не стане рівною по модулю результуючої. Fн сил поверхневого натягу, що діють уздовж межі зіткнення рідини з поверхнею капіляра: Fт = Fн, де Fт = mg = ρ hπ r 2 g, Fн = σ2π r cos θ.

Звідси випливає:

При повному змочуванні θ = 0, cos θ = 1. У цьому випадку

При повному незмочуванні θ = 180 °, cos θ = -1 і, отже, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Вода майже повністю змочує чисту поверхню скла. Навпаки, ртуть не змочує скляну поверхню. Тому рівень ртуті у скляному капілярі опускається нижче рівня судини.

Питання про те, що такий агрегатний стан, які особливості і властивості мають тверді речовини, рідини і гази, розглядаються в декількох навчальних курсах. Існує три класичні стани матерії, зі своїми характерними рисами будови. Їх розуміння є важливим моментом у збагненні наук про Землю, живих організмів, виробничої діяльності. Ці питання вивчають фізика, хімія, географія, геологія, фізична хімія та інші наукові дисципліни. Речовини, що знаходяться за певних умов в одному з трьох базових типів стану можуть змінюватися при підвищенні або зниженні температури, тиску. Розглянемо можливі переходи з одних агрегатних станів до інших, як вони здійснюються в природі, техніці та повсякденному житті.

Що таке агрегатний стан?

Слово латинського походження "aggrego" у перекладі російською означає «приєднувати». Науковий термін відноситься до стану одного і того ж тіла, речовини. Існування при певних температурних значеннях та різному тиску твердих тіл, газів та рідин характерно для всіх оболонок Землі. Крім трьох базових агрегатних станів існує ще й четвертий. При підвищеній температурі та незмінному тиску газ перетворюється на плазму. Щоб краще зрозуміти, що таке агрегатний стан, необхідно згадати про найдрібніших частиноках, з яких складаються речовини та тіла.

На схемі зверху показані: а - газ; b - рідина; с – тверде тіло. На подібних малюнках кружальцями позначаються структурні елементи речовин. Це умовне позначення, насправді атоми, молекули, іони є суцільними кульками. Атоми складаються із позитивно зарядженого ядра, навколо якого на великій швидкості рухаються негативно заряджені електрони. Знання про мікроскопічну будову речовини допомагають краще зрозуміти відмінності між різними агрегатними формами.

Уявлення про мікросвіт: від Стародавньої Греції до XVII століття

Перші відомості про частинки, з яких складено фізичні тіла, з'явилися в Стародавню Грецію. Мислителі Демокріт та Епікур ввели таке поняття, як атом. Вони вважали, що ці дрібні неподільні частинки різних речовин мають форму, певні розміри, здатні до руху і взаємодії один з одним. Атомістика стала найпередовішим свого часу вченням Стародавню Грецію. Але її розвиток загальмувався у середні віки. Бо тоді вчених переслідувала інквізиція римської католицької церкви. Тому до нового часу був чіткої концепції, що таке агрегатний стан речовини. Тільки після XVII століття вчені Р. Бойль, М. Ломоносов, Д. Дальтон, А. Лавуазьє сформулювали положення атомно-молекулярної теорії, що не втратили свого значення й у наші дні.

Атоми, молекули, іони - мікроскопічні частинки будови матерії

Значний прорив у розумінні мікросвіту стався у XX столітті, коли було винайдено електронний мікроскоп. З урахуванням відкриттів, зроблених вченими раніше, вдалося скласти струнку картину мікросвіту. Для розуміння особливостей різних агрегатних станів матерії достатньо знати назви та особливості основних структурних частинок, які утворюють різні речовини.

  1. Атоми – хімічно неподільні частки. Зберігаються в хімічних реакціяхале руйнуються в ядерних. Метали та багато інших речовин атомарної будови мають твердий агрегатний стан за звичайних умов.
  2. Молекули — частки, які руйнуються та утворюються у хімічних реакціях. кисень, вода, вуглекислий газ, сірка. Агрегатний стан кисню, азоту, діоксидів сірки, вуглецю, кисню за звичайних умов - газоподібний.
  3. Іони - заряджені частинки, на які перетворюються атоми і молекули, коли приєднують або втрачають електрони - мікроскопічні негативно заряджені частинки. Іонну будову мають багато солі, наприклад кухонна, залізний та мідний купорос.

Є речовини, частинки яких певним чином розташовані у просторі. Упорядковане взаємне становище атомів, іонів, молекул називають кристалічною решіткою. Зазвичай іонні та атомарні кристалічні решітки характерні для твердих речовин, молекулярні – для рідин та газів. Високою твердістю відрізняється алмаз. Його атомні кристалічні грати утворені атомами вуглецю. Але м'який графіт теж складається з атомів цього хімічного елемента. Тільки вони по-іншому розташовані у просторі. Звичайний агрегатний стан сірки - тверде, але за високих температур речовина перетворюється на рідину і аморфну ​​масу.

Речовини у твердому агрегатному стані

Тверді тіла за звичайних умов зберігають обсяг і форму. Наприклад, піщинка, крупинка цукру, солі, шматок гірської породи чи металу. Якщо нагрівати цукор, то речовина починає плавитися, перетворюючись на в'язку коричневу рідину. Припинимо нагрівання – знову отримаємо тверду речовину. Отже, одна з головних умов переходу твердого тіла в рідину – його нагрівання чи підвищення внутрішньої енергії частинок речовини. Твердий агрегатний стан солі, яку використовують у їжу, також можна змінити. Але щоб розплавити кухонну сіль, потрібна вища температура, ніж при нагріванні цукру. Справа в тому, що цукор складається з молекул, а кухонна сіль - із заряджених іонів, які сильніше притягуються один до одного. Тверді речовини в рідкому вигляді не зберігають своєї форми, тому що кристалічні решітки руйнуються.

Рідкий агрегатний стан солі під час розплавлення пояснюється розривом зв'язку між іонами в кристалах. Звільняються заряджені частинки, які можуть переносити електричні заряди. Розплави солей проводять електрику, є провідниками. У хімічній, металургійній та машинобудівній промисловості тверді речовини перетворюють на рідкі для отримання з них нових сполук або надання їм різної форми. Велике поширення набули сплави металів. Є кілька способів їх одержання, пов'язаних із змінами агрегатного стану твердої сировини.

Рідина - один з базових агрегатних станів

Якщо налити в круглодонну колбу 50 мл води, можна помітити, що речовина відразу ж набуде форми хімічної судини. Але як тільки ми виллємо воду з колби, рідина відразу ж розтечеться по поверхні столу. Об'єм води залишиться той самий - 50 мл, а її форма зміниться. Перелічені особливості характерні рідкої форми існування матерії. Рідинами є багато органічних речовин: спирти, олії, кислоти.

Молоко - емульсія, тобто рідина, в якій знаходяться крапельки жиру. Корисна рідка копалина - нафта. Видобувають її із свердловин за допомогою бурових вишок на суші та в океані. Морська вода також є сировиною для промисловості. Її відмінність від прісної водирічок та озер полягає у вмісті розчинених речовин, в основному солей. При випаровуванні з поверхні водойм в пароподібний стан переходять лише молекули Н 2 Про розчинені речовини залишаються. На цій властивості засновані методи отримання корисних речовин з морської водита способи її очищення.

При повному видаленні солей одержують дистильовану воду. Вона вирує при 100 °С, замерзає при 0 °С. Розсоли киплять і перетворюються на лід за інших температурних показників. Наприклад, вода у Північному Льодовитому океанізамерзає при температурі поверхні 2 °С.

Агрегатний стан ртуті за звичайних умов - рідина. Цим сріблясто-сірим металом зазвичай заповнюють медичні термометри. При нагріванні стовпчик ртуті піднімається за шкалою, відбувається розширення речовини. Чому ж у використовується підфарбований червоною фарбою спирт, а не ртуть? Пояснюється це властивостями рідкого металу. При 30-градусних морозах агрегатний стан ртуті змінюється, речовина стає твердою.

Якщо медичний термометр розбився, а ртуть вилилася, збирати руками сріблясті кульки небезпечно. Шкідливо вдихати пари ртуті, ця речовина дуже токсична. Дітям у разі треба звернутися по допомогу до батьків, дорослим.

Газоподібний стан

Гази не здатні зберігати свій обсяг, ні форму. Заповнимо колбу доверху киснем (його хімічна формулаПро 2). Як тільки ми відкриємо колбу, молекули речовини почнуть змішуватись із повітрям у приміщенні. Це відбувається завдяки броунівський рух. Ще давньогрецький вчений Демокріт вважав, що частинки речовини перебувають у постійному русі. У твердих тілах за звичайних умов атоми, молекули, іони не мають змоги залишити кристалічні ґратизвільнитися від зв'язків з іншими частинками. Таке можливе лише при надходженні великої кількості енергії ззовні.

У рідинах відстань між частинками трохи більша, ніж у твердих тілах, їм потрібно менше енергії для розриву міжмолекулярних зв'язків. Наприклад, рідкий агрегатний стан кисню спостерігається лише за зниження температури газу до -183 °C. При −223 °C молекули 2 утворюють тверду речовину. При підвищенні температури понад наведені значення кисень перетворюється на газ. Саме в такому вигляді він знаходиться за звичайних умов. На промислових підприємствах діють спеціальні установки для поділу повітря атмосфери та отримання з нього азоту та кисню. Спочатку повітря охолоджують і скраплюють, а потім поступово підвищують температуру. Азот і кисень перетворюються на гази за різних умов.

Атмосфера Землі містить 21% за обсягом кисню та 78% азоту. У рідкому вигляді ці речовини у газовій оболонці планети не зустрічаються. Рідкий кисень має світло-синій колір, їм при високому тиску заповнюють балони для використання у медичних закладах. У промисловості та будівництві зріджені гази необхідні для проведення багатьох процесів. Кисень потрібен для газового зварювання та різання металів, у хімії — для реакцій окислення неорганічних і органічних речовин. Якщо відкрити вентиль кисневого балона, тиск зменшується, рідина перетворюється на газ.

Зріджені пропан, метан та бутан знаходять широке застосування в енергетиці, на транспорті, в промисловості та господарсько-побутовій діяльності населення. Одержують ці речовини з газу або при крекінгу (розщепленні) нафтової сировини. Вуглецеві рідкі та газоподібні суміші відіграють важливу роль в економіці багатьох країн. Але запаси нафти та природного газу сильно виснажені. За оцінками вчених, цієї сировини вистачить на 100-120 років. Альтернативне джерело енергії – повітряний потік (вітер). Використовуються для роботи електростанцій швидкоплинні річки, припливи на берегах морів та океанів.

Кисень, як і інші гази, може перебувати у четвертому агрегатному стані, являючи собою плазму. Незвичайний перехід із твердого стану в газоподібний характерна рисакристалічний йод. Речовина темно-фіолетового кольору піддається сублімації - перетворюється на газ, минаючи рідкий стан.

Як здійснюються переходи з однієї агрегатної форми матерії до іншої?

Зміни агрегатного стану речовин не пов'язані з хімічними перетвореннями, це фізичні явища. При підвищенні температури багато твердих тіл плавляться, перетворюються на рідини. Подальше підвищення температури може призвести до випаровування, тобто газоподібного стану речовини. У природі та господарстві такі переходи характерні для однієї з основних речовин на Землі. Лід, рідина, пара - це стан води за різних зовнішніх умов. З'єднання те саме, його формула — Н 2 О. При температурі 0 °С і нижче цього значення вода кристалізується, тобто перетворюється на лід. При підвищенні температури кристалики, що виникли, руйнуються — лід тане, знову виходить рідка вода. При її нагріванні утворюється випаровування - перетворення води в газ - йде навіть при низьких температурах. Наприклад, замерзлі калюжі поступово зникають, бо вода випаровується. Навіть у морозну погоду мокра білизна висихає, але тільки цей процес більш тривалий, ніж у спекотний день.

Всі перелічені переходи води з одного стану до іншого мають велике значення для природи Землі. Атмосферні явища, клімат та погода пов'язані з випаровуванням води з поверхні Світового океану, перенесенням вологи у вигляді хмар та туману на сушу, випаданням опадів (дощу, снігу, граду). Ці явища становлять основу Світового кругообігу води у природі.

Як змінюються агрегатні стани сірки?

За звичайних умов сірка - це яскраві блискучі кристали або світло-жовтий порошок, тобто це тверда речовина. Агрегатний стан сірки змінюється під час нагрівання. Спочатку при підвищенні температури до 190 ° C жовта речовина плавиться, перетворюючись на рухому рідину.

Якщо швидко вилити рідку сірку в холодну воду, виходить коричнева аморфна маса. При подальшому нагріванні розплаву сірки він стає більш в'язким, темніє. При температурі понад 300 °C агрегатний стан сірки знову змінюється, речовина набуває властивостей рідини, стає рухомою. Ці переходи виникають завдяки здатності атомів елемента утворювати ланцюжки різної довжини.

Чому речовини можуть бути в різних фізичних станах?

Агрегатний стан сірки простої речовини- Тверде за звичайних умовах. Діоксид сірки - газ, сірчана кислота— масляниста рідина важча за воду. На відміну від соляної та азотної кислотвона не летюча, з її поверхні не випаровуються молекули. Який агрегатний стан має пластична сірка, яку одержують при нагріванні кристалів?

В аморфному вигляді речовина має структуру рідини, маючи незначну плинність. Але пластична сірка одночасно зберігає форму (як тверда речовина). Існують рідкі кристали, що мають низку характерних властивостей твердих речовин. Таким чином, стан речовини за різних умов залежить від її природи, температури, тиску та інших зовнішніх умов.

Які існують особливості у будові твердих тіл?

Існуючі відмінності між основними агрегатними станами матерії пояснюються взаємодією між атомами, іонами та молекулами. Наприклад, чому твердий агрегатний стан речовини призводить до здатності тіл зберігати обсяг і форму? У кристалічній решітці металу чи солі структурні частинки притягуються друг до друга. У металах позитивно заряджені іони взаємодіють із так званим «електронним газом» — скупченням вільних електронів у шматку металу. Кристали солей виникають завдяки тяжінню різноіменно заряджених частинок - іонів. Відстань між перерахованими структурними одиницями твердих тіл набагато менша, ніж розміри самих частинок. У цьому випадку діє електростатичне тяжіння, воно надає міцності, а відштовхування недостатньо сильне.

Щоб зруйнувати твердий агрегатний стан речовини, треба докласти зусиль. Метали, солі, атомні кристали плавляться за дуже високих температур. Наприклад, залізо стає рідким за нормальної температури вище 1538 °З. Тугоплавким є вольфрам, з нього виготовляють нитки розжарювання електричних лампочок. Існують сплави, які стають рідкими при температурах понад 3000 °С. Багато хто на Землі перебуває у твердому стані. Добувають цю сировину за допомогою техніки у шахтах та кар'єрах.

Для відриву навіть одного іона від кристала необхідно витратити велика кількістьенергії. Але ж достатньо розчинити сіль у воді, щоб кристалічні грати розпалися! Це явище пояснюється дивовижними властивостямиводи як полярного розчинника. Молекули Н 2 Про взаємодіють із іонами солі, руйнуючи хімічний зв'язок між ними. Таким чином, розчинення – це не просте перемішування різних речовин, а фізико-хімічна взаємодія між ними.

Як взаємодіють молекули рідин?

Вода може бути рідиною, твердою речовиною та газом (паром). Це її основні агрегатні стани за звичайних умов. Молекули води складаються з одного атома кисню, з яким пов'язані два атоми водню. Виникає поляризація хімічного зв'язкуу молекулі, на атомах кисню утворюється частковий негативний заряд. Водень стає позитивним полюсом у молекулі, притягується атомом кисню іншої молекули. Це отримало назву «водневий зв'язок».

Рідкий агрегатний стан характеризують відстані між структурними частинками, які можна порівняти з їх розмірами. Тяжіння існує, але воно слабке, тому вода не зберігає форму. Пароутворення відбувається через руйнування зв'язків, що йде на поверхні рідини навіть за кімнатної температури.

Чи існують міжмолекулярні взаємодії у газах?

Газоподібний стан речовини за низкою параметрів відрізняється від рідкого та твердого. Між структурними частинками газів існують великі проміжки, які набагато перевищують розміри молекул. При цьому сили тяжіння не діють. Газоподібний агрегатний стан характерний для речовин, присутніх у складі повітря: азоту, кисню, діоксиду вуглецю. На малюнку нижче перший куб заповнений газом, другою рідиною, а третій - твердою речовиною.

Багато рідин є летючими, з їхньої поверхні відриваються і переходять у повітря молекули речовини. Наприклад, якщо до отвору відкритої пляшки з соляною кислотоюпіднести ватку, змочену в нашатирному спирті, з'являється білий дим. Прямо в повітрі відбувається хімічна реакція між соляною кислотою та аміаком, виходить хлорид амонію. У якому агрегатному стані знаходиться ця речовина? Його частинки, що утворюють білий дим, є найдрібнішими твердими кристалами солі. Цей досвід слід проводити під витяжкою, речовини є токсичними.

Висновок

Агрегатний стан газу вивчали багато видатні фізики та хіміки: Авогадро, Бойль, Гей-Люссак, Клайперон, Менделєєв, Ле-Шательє. Вчені сформулювали закони, що пояснюють поведінку газоподібних речовин у хімічних реакціях за зміни зовнішніх умов. Відкриті закономірності не лише увійшли до шкільних та вузівських підручників фізики та хімії. Багато хімічні виробництва засновані на знаннях про поведінку та властивості речовин, що перебувають у різних агрегатних станах.

Усім, я думаю, відомо 3 основні агрегатні стани речовини: рідкий, твердий і газоподібний. Ми стикаємося з цими станами речовини щодня та всюди. Найчастіше їх розглядають на прикладі води. Рідкий стан води є найбільш звичним для нас. Ми постійно п'ємо рідку воду, вона тече у нас із крана, та й самі ми на 70% складаємось із рідкої води. Другий агрегатний стан води - це звичайний лід, який взимку ми бачимо на вулиці. У газоподібному вигляді воду також легко зустріти у повсякденному житті. У газоподібному стані вода - це, всім нам відомий, пара. Його можна побачити, коли ми, наприклад, кип'ятимо чайник. Так, саме за 100 градусів вода переходить з рідкого стану в газоподібний.

Це три звичні для нас агрегатні стани речовини. Але чи знаєте ви, що їх насправді 4? Я думаю, хоч раз кожен чув слово «плазма». А сьогодні я хочу, щоб ви ще й дізналися більше про плазму — четвертий агрегатний стан речовини.

Плазма - це частково або повністю іонізований газ з однаковою щільністю як позитивних, так і негативних зарядів. Плазму можна отримати з газу - з 3 агрегатного стану речовини шляхом сильного нагрівання. Агрегатний стан взагалі, по суті, залежить від температури. Перший агрегатний стан - це найнижча температура, при якій тіло зберігає твердість, другий агрегатний стан - це температура, при якій тіло починає плавитися і ставати рідким, третій агрегатний стан - це найбільш висока температура, при ній речовина стає газом. У кожного тіла, речовини температура переходу від одного агрегатного стан до іншого зовсім різна, у когось нижче, у когось вище, але у всіх строго в такій послідовності. А за якої ж температури речовина стає плазмою? Якщо цей четвертий стан, значить, температура переходу до нього вища, ніж у кожного попереднього. І це справді так. Для того, щоб іонізувати газ, потрібна дуже висока температура. Найнижча і низькоіонізована (близько 1%) плазма характеризується температурою до 100 тисяч градусів. У земних умовах таку плазму можна спостерігати як блискавок. Температура каналу блискавки може перевищувати 30 тисяч градусів, що у 6 разів більше, ніж температура поверхні Сонця. До речі, Сонце і решта зірок — це теж плазма, частіше все-таки високотемпературна. Наука доводить, що близько 99% усієї речовини Всесвіту - це плазма.

На відміну від низькотемпературної, високотемпературна плазма має практично 100% іонізацію та температуру до 100 мільйонів градусів. Це справді зоряна температура. На Землі така плазма зустрічається лише в одному випадку – для дослідів термоядерного синтезу. Контрольована реакція досить складна і енерговитратна, а ось неконтрольована досить зарекомендувала себе як зброя колосальної потужності – термоядерна бомба, випробувана СРСР 12 серпня 1953 року.

Плазму класифікують не лише за температурою та ступенем іонізації, а й за щільністю, і за квазінейтральністю. Словосполучення щільність плазмизазвичай позначає щільність електронів, Тобто кількість вільних електронів в одиниці об'єму. Ну, з цим, гадаю, все зрозуміло. А ось що таке квазінейтральність знають далеко не всі. Квазінейтральність плазми - це одна з найважливіших її властивостей, що полягає в практично точній рівності щільностей позитивних іонів і електронів, що входять до її складу. Через хорошу електричну провідність плазми поділ позитивних і негативних зарядів неможливий на відстанях великих дебаївської довжини і часах великих періоду плазмових коливань. Майже вся плазма квазінейтральна. Прикладом неквазінейтральної плазми пучок електронів. Однак щільність ненейтральних плазм має бути дуже мала, інакше вони швидко розпадуться за рахунок кулонівського відштовхування.

Ми дуже мало розглянули земних прикладів плазми. Адже їх досить багато. Людина навчилася використовувати плазму собі на благо. Завдяки четвертому агрегатному стану речовини ми можемо користуватися газорозрядними лампами, плазмовими телевізорами, дуговим електрозварюванням, лазерами. Звичайні газорозрядні лампи денного світла це теж плазма. Існує в нашому світі також плазмова лампа. Її переважно використовують у науці, щоб вивчити, а головне — побачити деякі з найскладніших плазмових явищ, включаючи філаментацію. Фотографію такої лампи можна побачити на малюнку нижче:

Крім побутових плазмових приладів, Землі так само часто можна бачити природну плазму. Про один із її прикладів ми вже говорили. Це блискавка. Але, крім блискавок, плазмовими явищами можна назвати північне сяйво, “вогні святого Ельма”, іоносферу Землі і, звичайно, вогонь.

Зверніть увагу, і вогонь, і блискавка, і інші прояви плазми, як ми це називаємо, горять. Чим зумовлене таке яскраве випромінювання світла плазмою? Світіння плазми обумовлено переходом електронів із високоенергетичного стану в стан з низькою енергією післярекомбінації з іонами. Цей процес призводить до випромінювання зі спектром, що відповідає збуджуваного газу. Саме тому плазма світиться.

Хотілося б трохи розповісти про історію плазми. Адже колись плазмою називалися лише такі речовини, як рідка складова молока та безбарвна складова крові. Все змінилося 1879 року. Саме того року знаменитий англійський вчений Вільям Крукс, досліджуючи електричну провідність у газах, відкрив явище плазми. Щоправда, назвали цей стан речовини плазмою лише 1928. І це зробив Ірвінг Ленгмюр.

Наприкінці хочу сказати, що таке цікаве та загадкове явище, як кульова блискавка, Про яку я не раз писала на цьому сайті, це, звичайно ж, теж плазмойд, як і звичайна блискавка. Це, мабуть, найнезвичайніший плазмойд із усіх земних плазмових явищ. Адже існує близько 400 різних теорій на рахунок кульової блискавки, але не одна з них не була визнана воістину правильною. У лабораторних умовах схожі, але короткочасні явища вдалося отримати кількома. різними способамиТак що питання про природу кульової блискавки залишається відкритим.

Звичайну плазму, звісно, ​​теж створювали у лабораторіях. Колись це було складним, але зараз подібний експеримент не складає особливих труднощів. Якщо плазма міцно увійшла до нашого побутового арсеналу, то і в лабораторіях над нею чимало експериментують.

Найцікавішим відкриттям у галузі плазми стали експерименти з плазмою у невагомості. Виявляється, у вакуумі плазма кристалізується. Це відбувається так: заряджені частинки плазми починають відштовхуватися один від одного, і, коли у них є обмежений об'єм, вони займають той простір, який їм відведено, розбігаючись у різні боки. Це дуже схоже на кристалічні ґрати. Чи не означає це, що плазма є замикаючою ланкою між першим агрегатним станом речовини та третім? Адже вона стає плазмою завдяки іонізації газу, а у вакуумі плазма знову стає як би твердою. Але це лише моє припущення.

Кристаліки плазми в космосі мають також досить дивну структуру. Цю структуру можна спостерігати і вивчати лише у космосі, у справжньому космічному вакуумі. Навіть якщо створити вакуум на Землі і помістити туди плазму, то гравітація просто стискатиме всю «картину», що утворюється всередині. У космосі ж кристали плазми просто злітають, утворюючи об'ємну тривимірну структуру дивної форми. Після відправлення результатів спостереження за плазмою на орбіті земним ученим, з'ясувалося, що завихрення у плазмі дивним чином повторюють структуру нашої галактики. А це означає, що у майбутньому можна буде зрозуміти, як зародилася наша галактика шляхом вивчення плазми. Нижче на фотографіях показана та сама кристалізована плазма.