Агрегатное состояние твердое тело. Агрегатные состояния вещества

Всем, я думаю, известно 3 основных агрегатных состояния вещества: жидкое, твердое и газообразное. Мы сталкиваемся с этими состояниями вещества каждый день и повсюду. Чаще всего их рассматривают на примере воды. Жидкое состояние воды наиболее привычно для нас. Мы постоянно пьем жидкую воду, она течет у нас из крана, да и сами мы на 70% состоим из жидкой воды. Второе агрегатное состояние воды — это обычный лед, который зимой мы видим на улице. В газообразном виде воду тоже легко встретить в повседневной жизни. В газообразном состоянии вода — это, всем нам известный, пар. Его можно увидеть, когда мы, к примеру, кипятим чайник. Да, именно при 100 градусах вода переходит из жидкого состояния в газообразное.

Это три привычных для нас агрегатных состояния вещества. Но знаете ли вы, что их на самом деле 4? Я думаю, хоть раз каждый слышал слово «плазма». А сегодня я хочу, чтобы вы еще и узнали побольше о плазме — четвертом агрегатном состоянии вещества.

Плазма — это частично или полностью ионизированный газ с одинаковой плотностью, как положительных, так и отрицательных зарядов. Плазму можно получить из газа — из 3 агрегатного состояния вещества путем сильного нагревания. Агрегатное состояние вообще, по сути, полностью зависит от температуры. Первое агрегатное состояние — это самая низкая температура, при которой тело сохраняет твердость, второе агрегатное состояние — это температура при которой тело начинает плавиться и становиться жидким, третье агрегатное состояние — это наиболее высокая температура, при ней вещество становиться газом. У каждого тела, вещества температура перехода от одного агрегатного состояние к другому совершенно разная, у кого-то ниже, у кого-то выше, но у всех строго в такой последовательности. А при какой же температуре вещество становиться плазмой? Раз это четвертое состояние, значит, температура перехода к нему выше, чем у каждого предыдущего. И это действительно так. Для того, чтобы ионизировать газ необходима очень высокая температура. Самая низкотемпературная и низкоионизированная (порядка 1%) плазма характеризуется температурой до 100 тысяч градусов. В земных условиях такую плазму можно наблюдать в виде молний. Температура канала молнии может превышать 30 тысяч градусов, что в 6 раз больше, чем температура поверхности Солнца. Кстати, Солнце и все остальные звезды — это тоже плазма, чаще все-таки высокотемпературная. Наука доказывает, что около 99% всего вещества Вселенной — это плазма.

В отличие от низкотемпературной, высокотемпературная плазма обладает практически 100% ионизацией и температурой до 100 миллионов градусов. Это поистине звездная температура. На Земле такая плазма встречается только в одном случае — для опытов термоядерного синтеза. Контролируемая реакция достаточно сложна и энергозатратна, а вот неконтролируемая достаточно зарекомендовала себя как оружие колоссальной мощности – термоядерная бомба, испытанная СССР 12 августа 1953 года.

Плазму классифицируют не только по температуре и степени ионизации, но и по плотности, и по квазинейтральности. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов , то есть число свободных электронов в единице объёма. Ну, с этим, думаю, все понятно. А вот что такое квазинейтральность знают далеко не все. Квазинейтральность плазмы — это одно из важнейших ее свойств, заключающееся в практически точном равенстве плотностей входящих в её состав положительных ионов и электронов. В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний. Почти вся плазма квазинейтральна. Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания.

Мы совсем мало рассмотрели земных примеров плазмы. А ведь их достаточно много. Человек научился применять плазму себе во благо. Благодаря четвертому агрегатному состоянию вещества мы можем пользоваться газоразрядными лампами, плазменными телевизорами, дуговой электросваркой, лазерами. Обычные газоразрядные лампы дневного света — это тоже плазма. Существует в нашем мире также плазменная лампа . Ее в основном используют в науке, чтобы изучить, а главное — увидеть некоторые из наиболее сложных плазменных явлений, включая филаментацию. Фотографию такой лампы можно увидеть на картинке ниже:

Кроме бытовых плазменных приборов, на Земле так же часто можно видеть природную плазму. Об одном из ее примеров мы уже говорили. Это молния. Но помимо молний плазменными явлениями можно назвать северное сияние, “огни святого Эльма”, ионосферу Земли и, конечно, огонь.

Заметьте, и огонь, и молния, и другие проявления плазмы, как мы это называем, горят. Чем обусловлено столь яркое испускание света плазмой? Свечение плазмы обусловлено переходом электронов из высокоэнергетического состояния в состояние с низкой энергией послерекомбинации с ионами. Этот процесс приводит к излучению со спектром, соответствующим возбуждаемому газу. Именно поэтому плазма светиться.

Хотелось бы так же немного рассказать об истории плазмы. Ведь когда-то плазмой назывались лишь такие вещества, как жидка составляющая молока и бесцветная составляющая крови. Все изменилось в 1879 году. Именно в тот год знаменитый английский ученый Уильям Крукс, исследуя электрическую проводимость в газах, открыл явление плазмы. Правда, назвали это состояние вещества плазмой лишь в 1928. И это совершил Ирвинг Ленгмюр.

В заключении хочу сказать, что такое интересное и загадочное явление, как шаровая молния, о которой я не раз писала на этом сайте, это, конечно же, тоже плазмойд, как и обычная молния. Это, пожалуй, самый необычный плазмойд из всех земных плазменных явлений. Ведь существует около 400 самых различных теорий на счет шаровой молнии, но не одна из них не была признана воистину правильной. В лабораторных условиях похожие, но кратковременные явления удалось получить несколькими разными способами, так что вопрос о природе шаровой молнии остаётся открытым.

Обычную плазму, конечно, тоже создавали в лабораториях. Когда-то это было сложным, но сейчас подобный эксперимент не составляет особого труда. Раз уж плазма прочно вошла в наш бытовой арсенал, то и в лабораториях над ней немало экспериментируют.

Интереснейшим открытием в области плазмы стали эксперименты с плазмой в невесомости. Оказывается, в вакууме плазма кристаллизуется. Это происходит так: заряженные частицы плазмы начинают отталкиваться друг от друга, и, когда у них есть ограниченный объем, они занимают то пространство, которое им отведено, разбегаясь в разные стороны. Это весьма похоже на кристаллическую решетку. Не означает ли это, что плазма являеться замыкающим звеном между первым агрегатным состоянием вещества и третьим? Ведь она становиться плазмой благодаря ионизации газа, а в вакууме плазма вновь становиться как бы твердой. Но это только мое предположение.

Кристаллики плазмы в космосе имеют также и достаточно странную структуру. Эту структуру можно наблюдать и изучать только в космосе, в настоящем космическом вакууме. Даже если создать вакуум на Земле и поместить туда плазму, то гравитация будет просто сдавливать всю «картину», образующуюся внутри. В космосе же кристаллы плазмы просто взлетают, образуя объемную трехмерную структуру странной формы. После отправления результатов наблюдения за плазмой на орбите земным ученым, выяснилось, что завихрения в плазме странным образом повторяют структуру нашей галактики. А это значит, что в будущем можно будет понять, как зародилась наша галактика путем изучения плазмы. Ниже на фотографиях показаны та самая кристаллизованная плазма.

Это три привычных для нас агрегатных состояния вещества. Но знаете ли вы, что их на самом деле 4? Я думаю, хоть раз каждый слышал слово «плазма ». А сегодня я хочу, чтобы вы еще и узнали побольше о плазме — четвертом агрегатном состоянии вещества.

В отличие от низкотемпературной, высокотемпературная плазма обладает практически 100% ионизацией и температурой до 100 миллионов градусов. Это поистине звездная температура. На Земле такая плазма встречается только в одном случае - для опы-тов тер-мо-ядер-ного син-теза. Кон-тро-ли-ру-е-мая реак-ция доста-точно сложна и энер-го-за-тратна, а вот некон-тро-ли-ру-е-мая доста-точно заре-ко-мен-до-вала себя как ору-жие колос-саль-ной мощ-но-сти - тер-мо-ядер-ная бомба, испы-тан-ная СССР 12 авгу-ста 1953 года.

Мы совсем мало рассмотрели земных примеров плазмы. А ведь их достаточно много. Чело-век научился при-ме-нять плазму себе во благо. Бла-го-даря чет-вер-тому агре-гат-ному состо-я-нию веще-ства мы можем поль-зо-ваться газо-раз-ряд-ными лам-пами, плаз-мен-ными теле-ви-зо-рами, дуго-вой элек-тро-свар-кой, лазе-рами. Обыч-ные газо-раз-ряд-ные лампы днев-ного света — это тоже плазма. Существует в нашем мире также плазменная лампа . Ее в основном используют в науке, чтобы изучить, а главное — увидеть некоторые из наиболее сложных плазменных явлений, включая филаментацию. Фотографию такой лампы можно увидеть на картинке ниже:

Кроме бытовых плазменных приборов, на Земле так же часто можно видеть природную плазму. Об одном из ее примеров мы уже говорили. Это молния. Но помимо молний плазменными явлениями можно назвать север-ное сия-ние, “огни свя-того Эльма”, ионосферу Земли и, конечно, огонь.

Это все, что мне бы хотелось сказать на тему плазмы. Надеюсь, она вас заинтересовала и удивила. Ведь это воистину удивительное явление, а точнее состояние — 4 агрегатное состояние вещества.

В повседневной практике приходится иметь дело не отдельно с индивидуальными атомами, молекулами и ионами, а с реальными веществами — совокупностью большого количества частиц. В зависимости от характера их взаимодействия различают четыре вида агрегатного состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Вещество может превращаться из одного агрегатного состояния в другое в результате соответствующего фазового перехода.

Пребывание вещества в том или ином агрегатном состоянии обусловлено силами, действующими между частицами, расстоянием между ними и особенностями их движения. Каждое агрегатное состояние характеризуется совокупностью определенных свойств.

Свойства веществ в зависимости от агрегатного состояния:

*состояние*	*свойство*
*газообразное*	Способность занимать весь объем и принимать форму сосуда; Сжимаемость; Быстрая диффузия в результате хаотического движения молекул; Значительное превышение кинетической энергии частиц над потенциальной, Е кинетич. > Е потенц.
*жидкое*	Способность принимать форму той части сосуда, которую занимает вещество; Невозможность расширяться до заполнения всей емкости; Небольшая сжимаемость; Медленная диффузия; Текучесть; Соизмеримость потенциальной и кинетической энергии частиц, Е кинетич. ≈ Е потенц.
*твердое*	Способность сохранять собственные форму и объем; Очень незначительная сжимаемость (под большим давлением) Очень медленная диффузия за счет колебательного движения частиц; Отсутствие текучести; Значительное превышение потенциальной энергии частиц над кинетической, Е кинетич. <Е потенц.

В соответствии со степенью упорядоченности в системе для каждого агрегатного состояния характерно собственное соотношение между кинетической и потенциальной энергиями частиц. В твердых телах потенциальная преобладает над кинетической, так как частицы занимают определенные положения и только колеблются вокруг них. Для газов наблюдается обратное соотношение между потенциальной и кинетической энергиями, как следствие того, что молекулы газа всегда хаотично движутся, а силы сцепления между ними почти отсутствуют, поэтому газ занимает весь объем. В случае жидкостей кинетическая и потенциальная энергии частиц примерно одинаковы, между частицами действует нежесткая связь, поэтому жидкостям присущи текучесть и постоянный при данной объем.

Когда частицы вещества образуют правильную геометрическую структуру, а энергия связей между ними больше энергии тепловых колебаний, что предотвращает разрушение сложившейся структуры — значит, вещество находится в твердом состоянии. Но начиная с некоторой температуры, энергия тепловых колебаний превышает энергию связей между частицами. При этом частицы, хотя и остаются в контакте, перемещаются друг относительно друга. В результате геометрическая структура нарушается и вещество переходит в жидкое состояние. Если тепловые колебания настолько возрастают, что между частицами практически теряется связь, вещество приобретает газообразное состояние. В «идеальном» газе частицы свободно перемещаются во всех направлениях.

При повышении температуры вещество переходит из упорядоченного состояния (твердое) в неупорядоченный состояние (газообразное) жидкое состояние является промежуточным по упорядоченности частиц.

Четвертым агрегатным состоянием называют плазму — газ, состоящий из смеси нейтральных и ионизированных частиц и электронов. Плазма образуется при сверхвысоких температурах (10 5 -10 7 0 С) за счет значительной энергии столкновения частиц, которые имеют максимальную неупорядоченность движения. Обязательным признаком плазмы, как и других состояний вещества, является ее электронейтральность. Но в результате неупорядоченности движения частиц в плазме могут возникать отдельные заряженные микрозоны, благодаря чему она становится источником электромагнитного излучения. В плазменном состоянии существует вещество на , звездах, других космических объектах, а также при термоядерных процессах.

Каждое агрегатное состояние определяется, прежде всего, интервалом температур и давлений, поэтому для наглядной количественной характеристики используют фазовую диаграмму вещества, которая показывает зависимость агрегатного состояния от давления и температуры.

Диаграмма состояния вещества с кривыми фазовых переходов: 1 — плавления-кристаллизации, 2 — кипения-конденсации, 3 — сублимации-десублимации

Диаграмма состояния состоит из трех основных областей, которые соответствуют кристаллическому, жидкому и газообразному состояниям. Отдельные области разделяются кривыми, отражающие фазовые переходы:

твердого состояния в жидкое и, наоборот, жидкого в твердое (кривая плавления-кристаллизации — пунктирный зеленый график)
жидкого в газообразное и обратного преобразования газа в жидкость (кривая кипения-конденсации — синий график)
твердого состояния в газообразное и газообразного в твердое (кривая сублимации-десублимации — красный график).

Координаты пересечения этих кривых называются тройной точкой, в которой в условиях определенного давления Р=Р в и определенной температуры Т=T в вещество может сосуществовать сразу в трех агрегатных состояниях, причем жидкое и твердое состояние имеют одинаковое давление пара. Координаты Р в и Т в — это единственные значения давления и температуры, при которых могут одновременно сосуществовать все три фазы.

Точке К на фазовой диаграмме состояния отвечает температура Т к — так называемая критическая температура, при которой кинетическая энергия частиц превышает энергию их взаимодействия и поэтому стирается грань разделения между жидкой и газовой фазами, а вещество существует в газообразном состоянии по любым давлением.

Из анализа фазовой диаграммы следует, что при высоком давлении, большем чем в тройной точке (Р в), нагрев твердого вещества заканчивается его плавлением, например, при Р 1 плавления происходит в точке d . Дальнейшее повышение температуры от Т d к Т е приводит к кипению вещества при данном давлении Р 1 . При давлении Р 2 , меньшем, чем давление в тройной точке Р в, нагрев вещества приводит к его переходу непосредственно из кристаллического в газообразное состояние (точка q ), то есть к сублимации. Для большинства веществ давление в тройной точке ниже, чем давление насыщенного пара (Р в

Р насыщ.пара, поэтому при нагревании кристаллов таких веществ они не плавятся, а испаряются, то есть подвергаются сублимации. Например, так ведут себя кристаллы йода или «сухой лед» (твердый СО 2).

Анализ диаграммы состояния вещества

Газообразное состояние

При нормальных условиях (273 К, 101325 Па) в газообразном состоянии могут находиться как простые вещества, молекулы которых состоят из одного (Не, Ne, Ar) или из нескольких несложных атомов (Н 2 , N 2 , O 2), так и сложные вещества с малой молярной массой (СН 4 , HCl, C 2 H 6).

Поскольку кинетическая энергия частиц газа превышает их потенциальную энергию, то молекулы в газообразном состоянии непрерывно хаотически двигаются. Благодаря большим расстояниям между частицами силы межмолекулярного взаимодействия в газах настолько незначительны, что их не хватает для привлечения частиц друг к другу и удержания их вместе. Именно по этой причине газы не имеют собственной формы и характеризуются малой плотностью и высокой способностью к сжатию и к расширению. Поэтому газ постоянно давит на стенки сосуда, в котором он находится, одинаково во всех направлениях.

Для изучения взаимосвязи между важнейшими параметрами газа (давление Р, температура Т, количество вещества n, молярная масса М, масса m) используется простейшая модель газообразного состояния вещества — идеальный газ , которая базируется на следующих допущениях:

взаимодействием между частицами газа можно пренебречь;
сами частицы являются материальными точками, которые не имеют собственного размера.

Наиболее общим уравнением, описывающим модель идеального газа, считается уравнения Менделеева-Клапейрона для одного моля вещества:

Однако поведение реального газа отличается, как правило, от идеального. Это объясняется, во-первых, тем, что между молекулами реального газа все же действуют незначительные силы взаимного притяжения, которые в определенной степени сжимают газ. С учетом этого общее давление газа возрастает на величину a /V 2 , которая учитывает дополнительное внутреннее давление, обусловленное взаимным притяжением молекул. В результате общее давление газа выражается суммой Р+ а /V 2 . Во-вторых, молекулы реального газа имеют хоть и малый, но вполне определенный объем b , поэтому действительный объем всего газа в пространстве составляет V — b . При подстановке рассмотренных значений в уравнение Менделеева-Клапейрона получаем уравнение состояния реального газа, которое называется уравнением Ван-дер-Ваальса :

где а и b — эмпирические коэффициенты, которые определяются на практике для каждого реального газа. Установлено, что коэффициент a имеет большую величину для газов, которые легко сжижаются (например, СО 2 , NH 3), а коэффициент b — наоборот, тем выше по величине, чем больше размеры имеют молекулы газа (например, газообразные углеводороды).

Уравнение Ван-дер-Ваальса гораздо точнее описывает поведение реального газа, чем уравнения Менделеева-Клапейрона, которое тем не менее, благодаря наглядному физическому смыслу широко используется в практических расчетах. Хотя идеальное состояние газа является предельным, мнимым случаем, однако простота законов, которые ему отвечают, возможность их применения для описания свойств многих газов в условиях низких давлений и высоких температур делает модель идеального газа очень удобной.

Жидкое состояние вещества

Жидкое состояние любого конкретного вещества являются термодинамически устойчивым в определенном интервале температур и давлений, характерных для природы (состава) данного вещества. Верхний температурный предел жидкого состояния — температура кипения, выше которой вещество в условиях устойчивого давления находится в газообразном состоянии. Нижняя граница устойчивого состояния существования жидкости — температура кристаллизации (затвердевания). Температуры кипения и кристаллизации, измеренные при давлении 101,3 кПа, называются нормальными.

Для обычных жидкостей присуща изотропность — единообразие физических свойств во всех направлениях внутри вещества. Иногда для изотропности употребляют и другие термины: инвариантность, симметрия относительно выбора направления.

В формировании взглядов на природу жидкого состояния важное значение имеет представление о критическом состоянии, который был открыт Менделеевым (1860 г.):

Критическое состояние — это равновесное состояние, при котором предел разделения между жидкостью и ее паром исчезает, поскольку жидкость и ее насыщенный пар приобретают одинаковые физические свойства.

В критическом состоянии значение как плотностей, так и удельных объемов жидкости и ее насыщенного пара становятся одинаковыми.

Жидкое состояние вещества является промежуточным между газообразным и твердым. Некоторые свойства приближают жидкое состояние к твердому. Если для твердых веществ характерна жесткая упорядоченность частиц, которая распространяется на расстояние до сотен тысяч межатомных или межмолекулярных радиусов, то в жидком состоянии наблюдается, как правило, не более нескольких десятков упорядоченных частиц. Объясняется это тем, что упорядоченность между частицами в разных местах жидкого вещества быстро возникает, и так же быстро снова «размывается» тепловым колебаниям частиц. Вместе с тем общая плотность «упаковки» частиц мало отличается от твердого вещества, поэтому плотность жидкостей не сильно отличается от плотности большинства твердых тел. К тому же способность жидкостей к сжатию почти такая же мала, что и в твердых тел (примерно в 20000 раз меньше, чем у газов).

Структурный анализ подтвердил, что в жидкостях наблюдается так называемый ближний порядок , который означает, что число ближайших «соседей» каждой молекулы и их взаимное расположение примерно одинаковы по всему объему.

Относительно небольшое количество различных по составу частиц, соединенных силами межмолекулярного взаимодействия, называется кластером . Если все частицы в жидкости одинаковы, то такой кластер называется ассоциатом . Именно в кластерах и ассоциатах наблюдается ближний порядок.

Степень упорядоченности в различных жидкостях зависит от температуры. При низких температурах, незначительно превышающих температуру плавления, степень упорядоченности размещения частиц очень большая. С повышением температуры она уменьшается и по мере нагревания свойства жидкости все больше приближаются к свойствам газов, а по достижении критической температуры разница между жидким и газообразным состоянием исчезает.

Близость жидкого состояния к твердому подтверждается значениями стандартных энтальпий испарения DН 0 испарения и плавления DН 0 плавления. Напомним, что величина DН 0 испарения показывает количество теплоты, которая нужна для преобразования 1 моля жидкости в пар при 101,3 кПа; такое же количество теплоты расходуется на конденсацию 1 моля пара в жидкость при тех же условиях (т.е. DН 0 испарения = DН 0 конденсации). Количество теплоты, затрачиваемое на превращение 1 моля твердого вещества в жидкость при 101,3 кПа, называется стандартной энтальпией плавления ; такое же количество теплоты высвобождается при кристаллизации 1 моля жидкости в условиях нормального давления (DН 0 плавления = DН 0 кристаллизации). Известно, что DН 0 испарения << DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.

Однако другие важные свойства жидкостей больше напоминают свойства газов. Так, подобно газам, жидкости могут течь — это свойство называется текучестью . Они могут сопротивляться течению, то есть им присуща вязкость . На эти свойства влияют силы притяжения между молекулами, молекулярная масса жидкого вещества и другие факторы. Вязкость жидкостей примерно в 100 раз больше, чем у газов. Так же, как и газы, жидкости способны диффундировать, но гораздо медленнее, поскольку частицы жидкости упакованы плотнее, чем частицы газа.

Одной из самых интересных свойств жидкого состояния, которая не характерна ни для газов, ни для твердых веществ, является поверхностное натяжение .

Схема поверхностного натяжения жидкости

На молекулу, находящуюся в объеме жидкости, со всех сторон равномерно действуют межмолекулярные силы. Однако на поверхности жидкости баланс этих сил нарушается, вследствие чего поверхностные молекулы находятся под действием некоторой результирующей силы, которая направлена внутрь жидкости. По этой причине поверхность жидкости находится в состоянии натяжения. Поверхностное натяжение — это минимальная сила, которая удерживает частицы жидкости внутри и тем самым предотвращает сокращении поверхности жидкости.

Строение и свойства твердых веществ

Большинство известных веществ как природного, так и искусственного происхождения при обычных условиях находятся в твердом состоянии. Из всех известных на сегодня соединений около 95% относятся к твердым веществам, которые приобрели важное значение, поскольку является основой не только конструкционных, но и функциональных материалов.

Конструкционные материалы — это твердые вещества или их композиции, которые используются для изготовления орудий труда, предметов быта, и различных других конструкций.
Функциональные материалы — это твердые вещества, использование которых обусловлено наличием в них тех или иных полезных свойств.

Например, сталь, алюминий, бетон, керамика принадлежат к конструкционным материалам, а полупроводники, люминофоры — к функциональным.

В твердом состоянии расстояния между частицами вещества маленькие и имеют по величине такой же порядок, что и сами частицы. Энергии взаимодействия между ними достаточно велики, что предотвращает свободное движение частиц — они могут только колебаться относительно определенных равновесных положений, например, вокруг узлов кристаллической решетки. Неспособность частиц к свободному перемещению приводит к одной из самых характерных особенностей твердых веществ — наличие собственной формы и объема. Способность к сжатию у твердых веществ очень незначительна, а плотность высокая и мало зависит от изменения температуры. Все процессы, происходящие в твердом веществе, происходят медленно. Законы стехиометрии для твердых веществ имеют другой и, как правило, более широкий смысл, чем для газообразных и жидких веществ.

Подробное описание твердых веществ слишком объемно для этого материала и поэтому рассматривается в отдельных статьях: , и .

Определение 1

Агрегатные состояния вещества (от лат. “aggrego” означает “присоединяю”, “связываю”) – это состояния одного и того же вещества в твердом, жидком и газообразном виде.

При переходе из одного состояния в другое наблюдается скачкообразное изменение энергии, энтропии, плотности и прочих свойств вещества.

Твердые и жидкие тела

Определение 2

Твердые тела – это тела, которые отличаются постоянством своей формы и объема.

В твердых телах межмолекулярные расстояния маленькие, а потенциальную энергию молекул можно сравнить с кинетической.

Твёрдые тела подразделяются на 2 вида:

Кристаллические;
Аморфные.

В состоянии термодинамического равновесия находятся только лишь кристаллические тела. Аморфные же тела по факту представляют собой метастабильные состояния, которые по строению схожи с неравновесными, медленно кристаллизующимися жидкостями. В аморфном теле происходит чересчур медленный процесс кристаллизации, процесс постепенного преобразования вещества в кристаллическую фазу. Разница кристалла от аморфного твердого тела состоит, в первую очередь, в анизотропии его свойств. Свойства кристаллического тела определяются в зависимости от направления в пространстве. Разнообразные процессы (например, теплопроводность, электропроводность, свет, звук) распространяются в разных направлениях твердого тела по-разному. А вот аморфные тела (например, стекло, смолы, пластмассы) изотропные, как и жидкости. Разница аморфных тел от жидкостей заключается лишь только в том, что последние текучие, в них не происходят статические деформации сдвига.

У кристаллических тел правильное молекулярное строение. Именно за счет правильного строения кристалл имеет анизотропные свойства. Правильное расположение атомов кристалла создает так называемую кристаллическую решетку. В разных направлениях месторасположение атомов в решетке различное, что и приводит к анизотропии. Атомы (ионы либо целые молекулы) в кристаллической решетке совершают беспорядочное колебательное движение возле средних положений, которые и рассматриваются в качестве узлов кристаллической решетки. Чем выше температура, тем выше энергия колебаний, а значит, и средняя амплитуда колебаний. В зависимости от амплитуды колебаний определяется размер кристалла. Увеличение амплитуды колебаний приводит к увеличению размеров тела. Таким образом, объясняется тепловое расширение твердых тел.

Определение 3

Жидкие тела – это тела, имеющие определенный объем, но не имеющие упругой формы.

Для вещества в жидком состоянии характерно сильное межмолекулярное взаимодействие и малая сжимаемость. Жидкость занимает промежуточное положение между твердым телом и газом. Жидкости, также как и газы, обладают изотpопными свойствами. Помимо этого, жидкость обладает свойством текучести. В ней, как и в газах, нет касательного напряжения (напряжения на сдвиг) тел. Жидкости тяжелые, то есть их удельные веса можно сравнить с удельными весами твердых тел. Вблизи температур кристаллизации их теплоемкости и прочие тепловые свойства близки к соответствующим свойствам твердых тел. В жидкостях наблюдается до заданной степени правильное расположение атомов, но только лишь в маленьких областях. Здесь атомы также проделывают колебательное движение около узлов квазикристаллической ячейки, однако в отличие от атомов твердого тела они периодически перескакивают от одного узла к другому. В итоге движение атомов будет весьма сложное: колебательное, но вместе с тем центр колебаний перемещается в пространстве.

Определение 4

Газ – это такое состояние вещества, при котором расстояния между молекулами огромны.

Силами взаимодействия между молекулами при небольших давлениях можно пренебречь. Частицы газа заполоняют весь объем, который предоставлен для газа. Газы рассматривают как сильно перегретые либо ненасыщенные пары. Особый вид газа – плазма (частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов почти одинаковые). То есть плазма – это газ из заряженных частиц, взаимодействующих между собой при помощи электрических сил на большом расстоянии, но не имеющих ближнего и дальнего расположения частиц.

Как известно, вещества способны переходить из одного агрегатного состояния в другое.

Определение 5

Испарение – это процесс изменения агрегатного состояния вещества, при котором с поверхности жидкости либо твердого тела вылетают молекулы, кинетическая энергия которых преобразовывает потенциальную энергию взаимодействия молекул.

Испарение является фазовым переходом. При испарении часть жидкости или твердого тела преобразуется в пар.

Определение 6

Вещество в газообразном состоянии, которое находится в динамическом равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром . При этом изменение внутренней энергии тела равняется:

∆ U = ± m r (1) ,

где m – это масса тела, r – это удельная теплота парообразования (Д ж / к г) .

Определение 7

Конденсация представляет собой процесс, обратный парообразованию.

Изменение внутренней энергии рассчитывается по формуле (1) .

Определение 8

Плавление – это процесс преобразования вещества из твердого состояния в жидкое, процесс изменения агрегатного состояния вещества.

При нагревании вещества растет его внутренняя энергия, поэтому увеличивается скорость теплового движения молекул. При достижении веществом своей температуры плавления кристаллическая решетка твердого тела разрушается. Связи между частицами также разрушаются, растет энергия взаимодействия между частицами. Теплота, которая передается телу, идет на увеличение внутренней энергии данного тела, и часть энергии расходуется на совершение работы по изменению объема тела при его плавлении. У многих кристаллических тел объем увеличивается при плавлении, однако есть исключения (к примеру, лед, чугун). Аморфные тела не обладают определенной температурой плавления. Плавление представляет собой фазовый переход, который характеризуется скачкообразным изменением теплоемкости при температуре плавления. Температура плавления зависит от вещества и она остается неизменной в ходе процесса. Тогда изменение внутренней энергии тела равняется:

∆ U = ± m λ (2) ,

где λ – это удельная теплота плавления (Д ж / к г) .

Определение 9

Кристаллизация представляет собой процесс, обратный плавлению.

Изменение внутренней энергии рассчитывается по формуле (2) .

Изменение внутренней энергии каждого тела системы при нагревании или охлаждении вычисляется по формуле:

∆ U = m c ∆ T (3) ,

где c – это удельная теплоемкость вещества, Д ж к г К, △ T – это изменение температуры тела.

Определение 10

При рассматривании преобразований веществ из одних агрегатных состояний в другие нельзя обойтись без так называемого уравнения теплового баланса : суммарное количество теплоты, выделяемое в теплоизолированной системе, равняется количеству теплоты (суммарному), которое в данной системе поглощается.

Q 1 + Q 2 + Q 3 + . . . + Q n = Q " 1 + Q " 2 + Q " 3 + . . . + Q " k .

По сути, уравнение теплового баланса – это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в термоизолированных системах.

Пример 1

В теплоизолированном сосуде находятся вода и лед с температурой t i = 0 ° C . Масса воды m υ и льда m i соответственно равняется 0 , 5 к г и 60 г. В воду впускают водяной пар массой m p = 10 г при температуре t p = 100 ° C . Какой будет температура воды в сосуде после того, как установится тепловое равновесие? При этом теплоемкость сосуда учитывать не нужно.

Рисунок 1

Решение

Определим, какие процессы осуществляются в системе, какие агрегатные состояния вещества мы наблюдали и какие получили.

Водяной пар конденсируется, отдавая при этом тепло.

Тепловая энергия идет на плавление льда и, может быть, нагревание имеющейся и полученной изо льда воды.

Прежде всего, проверим, сколько теплоты выделяется при конденсации имеющейся массы пара:

Q p = - r m p ; Q p = 2 , 26 · 10 6 · 10 - 2 = 2 , 26 · 10 4 (Д ж) ,

здесь из справочных материалов у нас есть r = 2 , 26 · 10 6 Д ж к г – удельная теплота парообразования (применяется и для конденсации).

Для плавления льда понадобится следующее количество тепла:

Q i = λ m i Q i = 6 · 10 - 2 · 3 , 3 · 10 5 ≈ 2 · 10 4 (Д ж) ,

здесь из справочных материалов у нас есть λ = 3 , 3 · 10 5 Д ж к г – удельная теплота плавления льда.

Выходит, что пар отдает тепла больше, чем необходимо, только для расплавления имеющегося льда, значит, уравнение теплового баланса запишем следующим образом:

r m p + c m p (T p - T) = λ m i + c (m υ + m i) (T - T i) .

Теплота выделяется при конденсации пара массой m p и остывании воды, образуемой из пара от температуры T p до искомой T . Теплота поглощается при плавлении льда массой m i и нагревании воды массой m υ + m i от температуры T i до T . Обозначим T - T i = ∆ T для разности T p - T получаем:

T p - T = T p - T i - ∆ T = 100 - ∆ T .

Уравнение теплового баланса будет иметь вид:

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 .

Сделаем вычисления с учетом того, что теплоемкость воды табличная

c = 4 , 2 · 10 3 Д ж к г К, T p = t p + 273 = 373 К, T i = t i + 273 = 273 К: ∆ 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 (К) ,

тогда T = 273 + 3 = 276 К

Ответ: Температура воды в сосуде после установления теплового равновесия будет равняться 276 К.

Пример 2

На рисунке 2 изображен участок изотермы, который отвечает переходу вещества из кристаллического в жидкое состояние. Что соответствует данному участку на диаграмме p , T ?

Рисунок 2

Ответ: Вся совокупность состояний, которые изображены на диаграмме p , V горизонтальным отрезком прямой на диаграмме p , T показано одной точкой, которая определяет значения p и T , при которых происходит преобразование из одного агрегатного состояния в другое.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Агрегатным состоянием вещества принято называть его способность сохранять свою форму и объем. Дополнительный признак – способы перехода вещества их одного агрегатного состояния в другое. Исходя из этого, выделяют три агрегатных состояния: твердое тело, жидкость и газ. Видимые свойства их таковы:

Твердое тело – сохраняет и форму, и объем. Может переходить как в жидкость путем плавления, так и непосредственно в газ путем сублимации.
- Жидкость – сохраняет объем, но не форму, то есть обладает текучестью. Пролитая жидкость стремится неограниченно растечься по поверхности, на которую вылита. В твердое тело жидкость может перейти путем кристаллизации, а в газ – путем испарения.
- Газ – не сохраняет ни формы, ни объема. Газ вне какого-нибудь вместилища стремится неограниченно расшириться во все стороны. Помешать ему в этом может только сила тяжести, благодаря чему земная атмосфера не рассеивается в космос. В жидкость газ переходит путем конденсации, а непосредственно в твердое тело может перейти путем осаждения.

Фазовые переходы

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом, так как научный агрегатного состояния – фаза вещества. Например, вода может существовать в твердой фазе (лед), жидкой (обычная вода) и газообразной (водяной пар).

На примере воды также хорошо демонстрируется . Вывешенное во дворе на просушку в морозный безветренный день тут же промерзает, но спустя некоторое время оказывается сухим: лед сублимирует, непосредственно переходя в водяной пар.

Как правило, фазовый переход из твердого тела в жидкость и газ требует нагрева, но температура среды при этом не повышается: тепловая энергия уходит на разрыв внутренних связей в веществе. Это так называемая скрытая теплота . При обратных фазовых переходах (конденсации, кристаллизации) эта теплота выделяется.

Именно поэтому так опасны ожоги паром. Попадая на кожу, он конденсируется. Скрытая теплота испарения/конденсации воды очень велика: вода в этом отношении – аномальное вещество; именно поэтому и возможна жизнь на Земле. При ожоге паром скрытая теплота конденсации воды «прошпаривает» обожженное место очень глубоко, и последствия парового ожога оказываются куда тяжелее, чем от пламени на такой же площади тела.

Псевдофазы

Текучесть жидкой фазы вещества определяется ее вязкостью, а вязкость – характером внутренних связей, которым посвящен следующий раздел. Вязкость жидкости может быть очень высокой, и такая жидкость может течь незаметно для глаза.

Классический пример – стекло. Оно не твердое тело, а очень вязкая жидкость. Обратите внимание, что листы стекла на складах никогда не хранят прислоненными наискось к стене. Уже через несколько дней они прогнутся под собственной тяжестью и окажутся непригодными к употреблению.

Другие псевдотвердых тел – сапожный вар и строительный . Если забыть угловатый кусок на крыше, за лето он растечется в лепешку и прилипнет к основе. Псевдотвердые тела отличить от настоящих можно по характеру плавления: настоящие при нем либо сохраняют свою форму, пока враз не растекутся (припой при ), либо оплывают, пуская лужицы и ручейки (лед). А очень вязкие жидкости постепенно размягчаются, как тот же вар или битум.

Чрезвычайно вязкими жидкостями, текучесть которых не заметна на протяжении многих лет и десятилетий, являются пластики. Высокая их способность сохранять форму обеспечивается огромным молекулярным весом полимеров, во многие тысячи и миллионы атомов водорода.

Структура фаз вещества

В газовой фазе молекулы или атомы вещества отстоят друг от друга очень далеко, во много раз больше, чем расстояние между ними. Взаимодействуют они между собой изредка и нерегулярно, только при столкновениях. Само взаимодействие упругое: столкнулись, как твердые шарики, и тут же разлетелись.

В жидкости молекулы/атомы постоянно «чувствуют» друг друга за счет очень слабых связей химической природы. Эти связи все время рвутся и тут же опять восстанавливаются, молекулы жидкости непрерывно перемещаются относительно друг друга, поэтому жидкость и течет. Но чтобы превратить ее в газ, нужно разорвать все связи сразу, а на это нужно очень много энергии, потому жидкость и сохраняет объем.

Вода в этом отношении отличается от прочих веществ тем, что ее молекулы в жидкости связаны так называемыми водородными связями, довольно прочными. Поэтому вода и может быть жидкостью при нормальной для жизни температуре. Многие вещества с молекулярной массой в десятки и сотни раз больше, чем у воды, в нормальных условиях – газы, как хотя бы обычный бытовой газ.

В твердом теле все его молекулы прочно стоят на своих местах благодаря сильным химическим связям между ними, образуя кристаллическую решетку. Кристаллы правильной формы требуют для своего роста особых условий и потому в природе встречаются редко. Большинство твердых тел представляют собой прочно сцепленные силами механической и электрической природы конгломераты мелких и мельчайших кристалликов – кристаллитов.

Если читателю доводилось видеть, например, треснувшую полуось автомобиля или чугунный колосник, то зерна кристаллитов на сломе там видны простым глазом. А на осколках разбитой фарфоровой или фаянсовой посуды их можно наблюдать под лупой.

Плазма

Физики выделяют и четвертое агрегатное состояние вещества – плазму. В плазме электроны оторваны от атомных ядер, и она представляет собой смесь электрически заряженных частиц. Плазма может быть очень плотной. Например, один кубический сантиметр плазмы из недр звезд – белых карликов, весит десятки и сотни тонн.

Плазму выделяют в отдельное агрегатное состояние потому, что она активно взаимодействует с электромагнитными полями из-за того, что ее частицы заряжены. В свободном пространстве плазма стремится расшириться, остывая и переходя в газ. Но под воздействием она может вне сосуда сохранять форму и объем, как твердое тело. Это свойство плазмы используется в термоядерных энергетических реакторах – прообразах энергоустановок будущего.