Что такое агрегатное состояние

Агрегатное состояние

Агрега́тное состоя́ние — состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств. [1] .

Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда не совсем корректно к агрегатным состояниям причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные состояния, например, жидкие кристаллы или конденсат Бозе — Эйнштейна.

Изменения агрегатного состояния это термодинамические процессы, называемые фазовыми переходами. Выделяют следующие их разновидности: из твёрдого в жидкое — плавление; из жидкого в газообразное — испарение и кипение; из твёрдого в газообразное — сублимация; из газообразного в жидкое или твёрдое — конденсация; из жидкого в твёрдое — кристаллизация. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию.

Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела, сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в частности, могут поляризовать проходящее через них электромагнитное излучение.

Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы от одной фазы к другой, называют критическими явлениями.

Содержание

Твёрдое тело

Состояние, характеризующееся способностью сохранять объём и форму. Атомы твёрдого тела совершают лишь небольшие колебания вокруг состояния равновесия. Присутствует как дальний, так и ближний порядок.

Жидкость

Состояние вещества, при котором оно обладает малой сжимаемостью, то есть хорошо сохраняет объём, однако не способно сохранять форму. Жидкость легко принимает форму сосуда, в который она помещена. Атомы или молекулы жидкости совершают колебания вблизи состояния равновесия, запертые другими атомами, и часто перескакивают на другие свободные места. Присутствует только ближний порядок.

Состояние, характеризующееся хорошей сжимаемостью, отсутствием способности сохранять как объём, так и форму. Газ стремится занять весь объём, ему предоставленный. Атомы или молекулы газа ведут себя относительно свободно, расстояния между ними гораздо больше их размеров.

Плазма

Часто причисляемая к агрегатным состояниям вещества плазма отличается от газа большой степенью ионизации атомов. Большая часть барионного вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной находится в состоянии плазмы. [2]

Сверхкритический флюид

Возникает при одновременном повышении температуры и давления до критической точки, в которой плотность газа сравнивается с плотностью жидкости; при этом исчезает граница между жидкой и газообразной фазами. Сверхкритический флюид отличается исключительно высокой растворяющей способностью.

Конденсат Бозе — Эйнштейна

Получается в результате охлаждения бозе-газа до температур, близких к абсолютному нулю. В результате этого часть атомов оказывается в состоянии со строго нулевой энергией (то есть в низшем из возможных квантовом состоянии). Конденсат Бозе — Эйнштейна проявляет ряд квантовых свойств, таких как сверхтекучесть и резонанс Фишбаха.

Фермионный конденсат

Представляет собой Бозе-конденсацию в режиме БКШ «атомных куперовских пар» в газах состоящих из атомов-фермионов. (В отличие от традиционного режима бозе-эйнштейновской конденсации составных бозонов).

Такие фермионные атомные конденсаты являются «родственниками» сверхпроводников, но с критической температурой порядка комнатной и выше. [3]

Вырожденная материя

    1-я стадия Электронно-вырожденный газ, наблюдается в белых карликах, играет важную роль в эволюции звёзд.
  • 2-я стадия нейтронное состояние в него вещество переходит при сверхвысоком давлении, недостижимом пока в лаборатории, но существующем внутри нейтронных звёзд. При переходе в нейтронное состояние электроны вещества взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. В результате вещество в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть слишком высока (в энергетическом эквиваленте не более сотни МэВ).
  • при сильном повышении температуры (сотни МэВ и выше) в нейтронном состоянии начинают рождаться и аннигилировать разнообразные мезоны. При дальнейшем повышении температуры происходит деконфайнмент, и вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Оно состоит уже не из адронов, а из постоянно рождающихся и исчезающих кварков и глюонов. Возможно [4] , деконфайнмент происходит в два этапа.
  • При дальнейшем неограниченном повышении давления без повышения температуры вещество коллапсирует в чёрную дыру.
  • При одновременном повышении и давления, и температуры к кваркам и глюонам добавляются иные частицы. Что происходит с веществом, пространством и временем при температурах, близких к планковской, пока неизвестно.

Другие состояния

При глубоком охлаждении некоторые (далеко не все) вещества переходят в сверхпроводящее или сверхтекучее состояние. Эти состояния, безусловно, являются отдельными термодинамическими фазами, однако их вряд ли стоит называть новыми агрегатными состояниями вещества в силу их неуниверсальности.

Неоднородные вещества типа паст, гелей, суспензий, аэрозолей и т. д., которые при определённых условиях демонстрируют свойства как твёрдых тел, так и жидкостей и даже газов, обычно относят к классу дисперсных материалов, а не к каким-либо конкретным агрегатным состояниям вещества.

Примечания

  1. Агрегатные состояния вещества — статья из Большой советской энциклопедии
  2. Владимир ЖдановПлазма в космосе. Кругосвет. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.Проверено 21 февраля 2009.
  3. «Фермионный конденсат». scientific.ru. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  4. 1

См. также

  • Точка перехода
  • Агрегатные состояния

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Агрегатное состояние» в других словарях:

агрегатное состояние — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN state of aggregation … Справочник технического переводчика

агрегатное состояние — agregatinė būsena statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Kietoji, skystoji, dujinė ar plazminė medžiagos būsena. atitikmenys: angl. aggregation state vok. Aggregatzustand, m rus. агрегатное состояние, n pranc. état… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

агрегатное состояние — agregatinė būsena statusas T sritis chemija apibrėžtis Medžiagos kietoji, skystoji, dujinė ar plazminė būsena. atitikmenys: angl. aggregative state; state of aggregation rus. агрегатное состояние … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

агрегатное состояние — agregatinė būsena statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. aggregation state vok. Aggregatzustand, m rus. агрегатное состояние, n pranc. état d’agrégation, m … Fizikos terminų žodynas

агрегатное состояние — agregatinė būsena statusas T sritis Energetika apibrėžtis Tos pačios medžiagos kietoji, skystoji, dujinė ar plazminė būsena, kurią lemia atomų (molekulių) išsidėstymas, sąveika ir šiluminis judėjimas. atitikmenys: angl. aggregation state vok.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Агрегатное состояние вещества — ► aggregative state Физическое состояние вещества: твердое (кристаллическое), жидкое или газообразное, в котором может находиться всякое вещество в зависимости от температуры и давления, которые определяют в данном веществе расстояние между… … Нефтегазовая микроэнциклопедия

Газы (агрегатное состояние вещества) — Газы (французское gaz; название предложено голланским учёным Я. Б. Гельмонтом), агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им… … Большая советская энциклопедия

Плазма (агрегатное состояние) — Плазменная лампа, иллюстрирующая некоторые из наиболее сложных плазменных явлений, включая филаментацию. Свечение плазмы обусловлено переходом электронов из высокоэнергетического состояния в состояние с низкой энергией после рекомбинации с ионами … Википедия

Агрегатные состояния вещества

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

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:

  1. Кристаллические;
  2. 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.

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.

Читайте также  Что такое ресивер в компрессоре

Газ, испарение, конденсация и плавление

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.

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.

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

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

Конденсация представляет собой процесс, обратный парообразованию.

Изменение внутренней энергии рассчитывается по формуле ( 1 ) .

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:

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

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:

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

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.

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.

Газ, испарение, конденсация и плавление

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 .

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

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.

Введение: агрегатное состояние вещества

Агрегатное состояниесостояние какого-либо вещества, имеющее определенные свойства: способность сохранять форму и объем, иметь дальний или ближний порядок и другие. При изменении агрегатного состояния вещества происходит изменение физических свойств, а также плотности, энтропии и свободной энергии.

Как и почему происходят эти удивительные превращения? Чтобы разобраться в этом, вспомним, что все вокруг состоит из атомов и молекул. Атомы и молекулы различных веществ взаимодействуют друг с другом, и именно связь между ними определяет, какое у вещества агрегатное состояние .

Выделяют четыре типа агрегатных веществ:

Кажется, что химия открывает нам свои тайны в этих удивительных превращениях. Однако это не так. Переход из одного агрегатного состояния в другое, а также броуновское движение или диффузия относятся к физическим явлениям, поскольку в этих превращениях не происходит изменений молекул вещества и сохраняется их химический состав.

Газообразное состояние

На молекулярном уровне газ представляет собой хаотически движущиеся, сталкивающиеся со стенками сосуда и между собой молекулы, которые друг с другом практически не взаимодействуют. Поскольку молекулы газа между собой не связаны, то газ заполняет весь предоставленный ему объем, взаимодействуя и изменяя направление только при ударах друг о друга.

К сожалению, невооруженным глазом и даже с помощью светового микроскопа увидеть молекулы газа невозможно. Однако газ можно потрогать. Конечно, если вы просто попробуете ловить молекулы газов, летающие вокруг, в ладони, то у вас ничего не получится. Но наверняка все видели (или делали это сами), как кто-то накачивал воздухом шину автомобиля или велосипеда, и из мягкой и сморщенной она становилась накачанной и упругой. А кажущуюся «невесомость» газов опровергнет опыт, описанный на странице 39 учебника «Химия 7 класс» под редакцией О.С. Габриеляна.

Это происходит потому, что в замкнутый ограниченный объем шины попадает большое количество молекул, которым становится тесно, и они начинают чаще ударяться друг о друга и о стенки шины, а в результате суммарное воздействие миллионов молекул на стенки воспринимается нами как давление.

Но если газ занимает весь предоставленный ему объем, почему тогда он не улетает в космос и не распространяется по всей вселенной, заполняя межзвездное пространство? Значит, что-то все-таки удерживает и ограничивает газы атмосферой планеты?

Совершенно верно. И это — сила земного тяготения. Для того чтобы оторваться от планеты и улететь, молекулам нужно развить скорость, превышающую «скорость убегания» или вторую космическую скорость, а подавляющее большинство молекул движутся значительно медленнее.

Тогда возникает следующий вопрос: почему молекулы газов не падают на землю, а продолжают летать? Оказывается, благодаря солнечной энергии молекулы воздуха имеют солидный запас кинетической энергии, который позволяет им двигаться против сил земного притяжения.

Сборник вопросов и задач. Физика. 9 класс

Жидкое состояние

При повышении давления и/или снижении температуры газы можно перевести в жидкое состояние. Еще на заре ХIХ века английскому физику и химику Майклу Фарадею удалось перевести в жидкое состояние хлор и углекислый газ, сжимая их при очень низких температурах. Однако некоторые из газов не поддались ученым в то время, и, как оказалось, дело было не в недостаточном давлении, а в неспособности снизить температуру до необходимого минимума.

Жидкость, в отличие от газа, занимает определенный объем, однако она также принимает форму заполняемого сосуда ниже уровня поверхности. Наглядно жидкость можно представить как круглые бусины или крупу в банке. Молекулы жидкости находятся в тесном взаимодействии друг с другом, однако свободно перемещаются относительно друг друга.

Читайте также  Какой холодильник лучше ноу фрост или капельный

Если на поверхности останется капля воды, через какое-то время она исчезнет. Но мы же помним, что благодаря закону сохранения массы-энергии, ничто не пропадает и не исчезает бесследно. Жидкость испарится, т.е. изменит свое агрегатное состояние на газообразное.

Испарениеэто процесс преобразования агрегатного состояния вещества, при котором молекулы, чья кинетическая энергия превышает потенциальную энергию межмолекулярного взаимодействия, поднимаются с поверхности жидкости или твердого тела.

Испарение с поверхности твердых тел называется сублимацией или возгонкой. Наиболее простым способом наблюдать возгонку является использование нафталина для борьбы с молью. Если вы ощущаете запах жидкости или твердого тела, значит происходит испарение. Ведь нос как раз и улавливает ароматные молекулы вещества.

Жидкости окружают человека повсеместно. Свойства жидкостей также знакомы всем — это вязкость, текучесть. Когда заходит разговор о форме жидкости, то многие говорят, что жидкость не имеет определенной формы. Но так происходит только на Земле. Благодаря силе земного притяжения капля воды деформируется.

Однако многие видели как космонавты в условиях невесомости ловят водяные шарики разного размера. В условиях отсутствия гравитации жидкость принимает форму шара. А обеспечивает жидкости шарообразную форму сила поверхностного натяжения. Мыльные пузыри – отличный способ познакомиться с силой поверхностного натяжения на Земле.

Еще одно свойство жидкости — вязкость. Вязкость зависит от давления, химического состава и температуры. Большинство жидкостей подчиняются закону вязкости Ньютона, открытому в ХIХ веке. Однако есть ряд жидкостей с высокой вязкостью, которые при определенных условиях начинают вести себя как твердые тела и не подчиняются закону вязкости Ньютона. Такие растворы называются неньютоновскими жидкостями. Самый простой пример неньютоновской жидкости — взвесь крахмала в воде. Если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело.

Твёрдое состояние

Если у жидкости, в отличие от газа, молекулы движутся уже не хаотически, а вокруг определенных центров, то в твёрдом агрегатном состоянии вещества атомы и молекулы имеют четкую структуру и похожи на построенных солдат на параде. И благодаря кристаллической решетке твердые вещества занимают определенный объем и имеют постоянную форму.

Между твердыми и жидкими телами существует промежуточная группа аморфных веществ, представители которой с одной стороны за счет высокой вязкости долго сохраняют свою форму, а с другой – частицы в нем строго не упорядочены и находятся в особом конденсированном состоянии. К аморфным веществам относится целый ряд веществ: смола, стекло, янтарь, каучук, полиэтилен, поливинилхлорид, полимеры, сургуч, различные клеи, эбонит и пластмассы. Про аморфные тела подробно можно прочитать на странице 40 учебника «Химия 7 класс» под редакцией О.С. Габриеляна.

При определенных условиях вещества, находящиеся в агрегатном состоянии жидкости, могут переходить в твердое, а твердые тела, наоборот, при нагревании плавиться и переходить в жидкое.

Это происходит потому, что при нагревании увеличивается внутренняя энергия, соответственно молекулы начинают двигаться быстрее, а при достижении температуры плавления кристаллическая решетка начинает разрушаться и изменяется агрегатное состояние вещества. У большинства кристаллических тел объем увеличивается при плавлении, но есть исключения, например – лед, чугун.

В зависимости от вида частиц, образующих кристаллическую решетку твердого тела, выделяют следующую структуру:

У одних веществ изменение агрегатных состояний происходит легко, как, например, у воды, для других веществ нужны особые условия (давление, температура). Но в современной физике ученые выделяют еще одно независимое состояние вещества — плазма.

Плазмаионизированный газ с одинаковой плотностью как положительных, так и отрицательных зарядов. В живой природе плазма есть на солнце, или при вспышке молнии. Северное сияние и даже привычный нам костер, согревающий своим теплом во время вылазки на природу, также относится к плазме.

Искусственно созданная плазма добавляет яркости любому городу. Огни неоновой рекламы — это всего лишь низкотемпературная плазма в стеклянных трубках. Привычные нам лампы дневного света тоже заполнены плазмой.

Плазму делят на низкотемпературную — со степенью ионизации около 1% и температурой до 100 тысяч градусов, и высокотемпературную — ионизация около 100% и температурой в 100 млн градусов (именно в таком состоянии находится плазма в звездах).

Низкотемпературная плазма в привычных нам лампах дневного света широко применяется в быту.

Высокотемпературная плазма используется в реакциях термоядерного синтеза и ученые не теряют надежду использовать ее в качестве замены атомной энергии, однако контроль в этих реакциях очень сложен. А неконтролируемая термоядерная реакция зарекомендовала себя как оружие колоссальной мощности, когда 12 августа 1953 года СССР испытал термоядерную бомбу.

Агрегатные состояния

В мире множество веществ, которые могут принимать разную форму. Вода в чайнике жидкая, а если начать ее кипятить, то она станет паром. Если эту же воду поставить в морозильную камеру, то она затвердевает. Вещества на нашей планете как актеры, которые могут играть разные роли.

Агрегатное состояние – принятие химическими веществами разной формы в зависимости от изменений внешней среды. Всего существует четыре состояния – газовое, жидкое, твердое, плазменное. Но к агрегатным относятся только три состояния– газ, жидкость и твердые вещества. В плазменном состоянии не сохраняется атомно-молекулярный состав вещества, а в трех других – сохраняется.

Агрегатное состояние вещества и фазовые переходы. Гуглдиск

Процесс перехода одного состояния в другое называется фазовым переходом. Он характеризуется изменением структуры связей между атомами, молекулами или ионами. Фазовый переход сопровождается поглощением или выделением теплоты. Ему сопутствуют скачкообразные изменения физических и химических свойств — плотности, растворимости и др.

Вещество изменяет агрегатное состояние при следующих условиях.

  • Плавление – переход вещества из твердого состоянияв жидкое (таяние льда).
  • Затвердевание – обратный плавлению процесс (зимние узоры на стекле).
  • Парообразование – переход вещества из жидкого состояния вгазообразное (выделение пара из кипящего чайника).
  • Конденсация – обратный парообразованию процесс (появление капель воды при принятии горячего душа).
  • Сублимация, или возгонка – переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую стадию(переход сухого льда в состояние углекислого газа).
  • Десублимация – обратный сублимации процесс (появление инея на деревьях).

Газообразное состояние

Газ – состояние, при котором частицы вещества слабо связаны друг с другом, занимают все пространство и движутся хаотично. Расстояния между атомами и молекулами значительно превышают их размеры. Газовое состояние можно сравнить с футбольным полем, на котором быстро и независимо друг от друга передвигаются спортсмены. Футболисты, как и молекулыв газообразном состоянии, взаимодействуют только когда сталкиваются или близко подходят друг к другу.

Расположение молекул газа.

Газообразное состояние находится в виде различных запахов. У газов нет формы и объема, поэтому частицы распространяются по всему пространству. Например, запах газа из невыключеннойплиты быстро охватывает всю квартиру благодаря хаотичности движения молекул и их стремлению заполнить все помещение.

Газы обладают следующими особенными свойствами.

  • Равномерность заполнения всего объема.
  • Небольшая плотность при высокой скорости диффузии.
  • Легкое сжатие.

Газообразноеагрегатное состояние веществаможно оценивать как насыщенный и ненасыщенный пар. Если число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул пара, возвращающихся в жидкость, то возникает динамическое равновесие между паром и жидкостью – состояние насыщенного пара. В ненасыщенном такого равновесия нет.

При нахождении жидкости в открытом сосуде, объем вещества уменьшается из-за испарения. Если поместить ту же жидкость в закрытый сосуд, объем вещества останется прежним. Сначала начнется процесс испарения и продолжается до тех пор, пока число покинувших жидкость молекул не станет равно возвратившимся назад из паров. Т.е. в закрытом сосуде возникает динамическое равновесие. Изменение внутренней энергии вещества определяется по формуле:

ΔU = ± mr, где m — масса тела, r — удельная теплота парообразования.

Переход веществиз газообразногов жидкое состояние, называется сжижением. Увеличение давления и понижение температуры приводит к уменьшению расстояний между молекулами, увеличению силы взаимодействия и превращению в жидкость. Сжижение характеризуется критической температурой. Она определяется в точке, в которой переход газа в жидкость невозможен.

Жидкое состояние

Жидкость – состояние, в котором происходит заполнение частицами всего объема. В отличие от газов, у жидкости есть поверхность. Также для нее характерно высокое межмолекулярное взаимодействие и низкая сжимаемость. Частицы в жидкости располагаются как гости, приглашенные в небольшую квартиру. Приглашенные, как и молекулы, свободно передвигаются в пространстве и ведут себя по-разному. Из-за того, что гостей много, человеку необходимо постоянно оглядываться, чтобы ни на кого не натолкнуться. Присутствующиенаходятся близко друг к другу.

Жидкие вещества. Гуглдиск:

Жидкое агрегатное состояниеобладает особенным свойством – текучестью. Она объясняется тем, что частицы колеблются внутри квазикристаллической решетки и перемещаются между ними. Получается сложная траектория — колебания вокруг центра, перемещающегося в пространстве.

Твердое состояние

Твердому состоянию свойственна высокая степень упорядоченности частиц. Каждая молекулаколеблется около среднего положения, оставаясь жестко связанной с соседями и образуя кристаллическую решетку. Твердое агрегатное состояние напоминает воинскую часть, в которой все подчиняется строгим правилам. В строю, как и в твердых веществах, каждому солдату предоставлено определенное место. Самостоятельное перемещение внутри строя запрещается. Солдаты стоят плотно плечом к плечу, расстояния между ними маленькие. Столкновения внутри строя невозможны.

Твердые вещества имеют форму и сохраняют свой объем. Их классифицируют на несколько видов.

  • Аморфные – вещества, в которых относительно упорядоченные частицы имеют сильные ковалентные, полярные и неполярные, ионные, металлические связи.
  • Кристаллические – вещества, в которых частицы расположены строго по своим местам.

Аморфные тела по свойствам напоминают жидкости,так как их молекулы передвигаются между хаотично расположенными условными центрами. Примерами аморфных веществ служат пластмассы, смолы и другие неметаллы. Примеры кристаллических тел – железо, серебро и другие металлы.

Читайте также  Сумка холодильник как выбрать

Нагревание кристаллических веществ ведет к нарушению расположения частиц и увеличению расстояний между ними. При достижении температуры плавленияпроисходит перестройка молекул, и твердое тело превращаетсяв жидкое. Количество теплоты, которое необходимо для расплавления некоторой массы веществ, подчиняется формуле:

Q = km, где k — удельная теплота плавления этого вещества, m — его масса.

Плазма

Плазма – не выдумка из фантастических фильмов и книг, а ионизированный газ. Она характеризуется одновременным присутствием нейтральных и заряженных частиц. Ионизаторы воздуха строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.

Получить плазму сложно, т.к. для этого вещество необходимо нагревать до температур порядка сотен тысяч градусов и выше. Полученная смесь состоит из электронов, ядер и положительно заряженных ионов. Плазма электронейтральна, но обладает высокой проводимостью. Внутри нее происходят непрерывные разрежения и сгущения, сопровождающиеся образованием плазмоидов — упорядоченных структур правильной формы. Хотя плазма на нашей планете – редкое явление, каждый человек хотя бы раз в жизни сталкивался с ней. Плазменное состояние характерно для северного сияния и молний. В масштабах Вселенной основная масса вещества находится в виде плазмы.

Сводная таблица агрегатных состояний

Области применения агрегатных состояний

Способность веществ переходить из одного агрегатного состояния в другой активно используется человеком. На ней основаны многие промышленные процессы.

  • Способность металлов плавиться и принимать различную форму используется в черной и цветной металлургии.
  • При получении соли и других химических соединений применяется выпаривание, при котором вещество получается после испарения жидкости.
  • Инертные газы используются в осветительных приборах.
  • Жидкий кислород применяется в медицине в качестве средства анестезии.

Таким образом, без различных агрегатных состояний невозможно было бы представить жизнь на планете. Фазовые переходы веществ используются практически во всех областях жизнедеятельности.

Молекулярная физика. Свойства тел в разных агрегатных состояниях.

Агрегатные состояния вещества (от лат. aggrego — присоединяю) — это состояния одного и того же вещества в различных интервалах (промежутках) температур и давлений.

Агрегатными состояниями принято считать газообразное, жидкое и твердое. Самыми простыми примерами существования одного и того же вещества в этих трех агре­гатных состояниях, которые наблюдаются в повседневной жизни, являются лед, вода и водяной пар. Невидимый водяной пар всегда присутствует и в окружающем нас воздухе. Вода существует в интервале температур от 0 °С до 100 °С, лед — при температуре ниже 0 °С. При температуре выше 100 ºС и нормальном атмосферном давлении молекулы воды существуют только в газообразном состоянии — в виде водяного пара. Вода, лед и водяной пар — это одно и то же вещество с химической формулой Н2О.

Многие вещества в обыденной жизни мы наблюдаем только в одном из агрегатных состояний. Так, кислород в окружающем нас воздухе представляет собой газ. Но при температуре -193°С он превращается в жидкость. Охладив эту жидкость до -219 ºС, мы получим твердый кислород. И на­оборот, железо в обычных условиях твердое. Однако при температуре 1535 °С железо плавится и пре­вращается в жидкость. Над расплавленным железом будет находиться газ — пар из атомов железа.

Различные агрегатные состояния существуют у каждого вещества. Отличаются эти вещества не молекулами, а тем, как эти молекулы расположены и как движутся. Расположение молекул воды в трех агрегатных состояниях показано на рисунке:

Переход из одного агрегатного состояния в другое. При определенных условиях вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое. Все возможные при этом превращения отображены на рисунке:

Молекулярная физика Свойства тел в разных агрегатных состояниях

Всего различают шесть процессов, при которых происходят агрегатные превращения вещества. Переход вещества из твердого (кристаллического) состояния в жидкое называется плавле­нием, обратный процесс называется кристаллизацией, или отвердеванием. Пример плавле­ния — таяние льда, обратный процесс происходит при замерзании воды.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, обратный процесс называется конденсацией. Пример парообразования — испарение воды, обратный процесс можно наблюдать при выпадении росы.

Переход вещества из твердого состояния сразу в газообразное (минуя жидкое) называется сублимацией, или возгонкой, обратный процесс называется десублимацией. Например, графит можно нагреть до тысячи, двух тысяч и даже трех тысяч градусов и, тем не менее, в жидкость он не превратится: он будет сублимироваться, т. е. из твердого состояния сразу переходить в газообразное. Непосредственно в газообразное состояние (минуя жидкое) переходит и так называемый сухой лед (твердый оксид углерода СО2), который можно увидеть в контейнерах для транспортировки мороженого. Все запахи, которыми обладают твердые тела (например, нафталин), также обусловлены возгонкой: вылетая из твердого тела, молекулы образуют над ним газ (или пар), обладающий запахом.

Примером десублимации является образование на окнах зимой узоров из кристалликов льда. Эти красивые узоры образуются при десублимации водяного пара, находящегося в воздухе.

Переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое играют важную роль не только в природе, но и в технике. Так, воду, превращенную в пар, можно использовать а паровых турбинах на электростанциях. Из расплавленных металлов на заводах получают различные сплавы: сталь, чугун, латунь и т. д. Для понимания этих процессов надо знать, что происходит с вещест­вом при изменении его агрегатного состояния и при каких условиях это изменение возможно.

Агрегатные состояния вещества и их свойства

Одно и то же вещество может пребывать в различных состояниях.

Например, вода при низких температурах превращается в лед, при комнатной температуре вода жидкая, а из носика горячего чайника, когда горячая вода в нем кипит, мы наблюдаем струйку пара.

Кроме того, мы привыкли любоваться облаками в небе. Облака – это большие скопления водяного пара, частичек воды и кристалликов льда – снежинок.

То есть, вода, может находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях. Эти состояния называют агрегатными состояниями вещества.

Примечания:

  1. Пар – это газ. Процесс, при котором образуется пар, называется парообразованием.
  2. Даже при низких температурах вода испаряется. То есть, водяной пар в воздухе содержится даже при минусовой температуре.
  3. То, в каком состоянии будет находиться вещество, зависит от температуры и давления.

В природе агрегатные состояния воды изменяются часто. С поверхностей водоемов – рек, озер, морей и океанов, вода испаряется. Затем пар собирается в облака, эти облака переносятся ветром за многие километры. И на больших расстояниях от морей и рек, благодаря превращению воды в жидкость, по утрам выпадает роса, или идет дождь.

  • из жидкого в газообразное состояние – парообразование (парообразование на поверхности — это испарение);
  • из газообразного в жидкое состояние – конденсация;

В различных агрегатных состояниях могут находиться любые вещества в природе.

  • при комнатной температуре – это твердое тело;
  • нагретое до температуры 1540 градусов Цельсия — превращается в жидкость;
  • а если его нагреть до температуры 2861 градус по шкале Цельсия, оно превратится в газ.

Благодаря тому, что металлы, и другие вещества можно превращать в жидкости при высоких температурах, из них изготавливают нужные нам части машин и другие предметы.

Важно! При переходе из одного агрегатного состояние в другое, молекулы вещества не изменяются. Изменяется лишь расстояние между ними и их взаимное действие на соседние молекулы.

Свойства агрегатных состояний

Физики изучили различные вещества, их свойства и то, при каких условиях эти вещества меняют свое агрегатное состояние.

Важно: Газы не имеют своей формы и не имеют своего объема. Они займут весь предложенный объем.

В газах расстояние между молекулами гораздо больше размеров самих молекул.

Притяжение между молекулами мало. А скорости молекул достаточно высоки. А чем выше скорость, тем больше энергия движения (кинетическая энергия) молекулы.

Поэтому, молекулы газа могут свободно перемещаться по всему объему, предоставленному этому газу. А если газ выпустить из баллона, то молекулы газа разлетятся во все стороны.

Примечание: При комнатной температуре молекулы воздуха движутся в среднем со скоростью, примерно 500 метров в секунду.

Жидкости

Важно: Жидкости не имеют своей формы, они займут предложенную им форму. Но, жидкости имеют свой объем.

В жидкостях молекулы располагаются очень близко, так, что они касаются друг друга. Поэтому, жидкости сжать не получается!

Однако, молекулы жидкости все еще могут передвигаться по всему объему жидкости. Но скорости молекул во много раз меньше, чем в газах. Поэтому, молекулы в жидкостях будут двигаться гораздо медленней.

Примечание:

  • Когда мы сжимаем тело, мы уменьшаем расстояние между его молекулами.
  • Физики иногда вместо слов «сжимать тело» говорят «уменьшать объем тела».

Твердые тела

Важно: Твердые тела имеют свою форму. Они, так же, имеют свой объем.

В твердых телах молекулы, как и в жидкостях, располагаются очень близко друг к другу. Однако, в твердых телах маленькие частички образуют решетчатую структуру. Поэтому, двигаться по твердому телу они не могут. Но под воздействием температуры они могут вибрировать (колебаться), оставаясь при этому на месте.

Все твердые тела по упорядоченности расположения маленьких частиц можно разделить на аморфные и кристаллические тела.

Различают аморфные и кристаллические твердые тела. То, будет ли твердое тело аморфным, или кристаллическим, зависит от того, насколько упорядочены мельчайшие частицы, из которых состоит это твердое тело — молекулы.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: