Определение
Агрегатные состояния вещества (от латинского aggrego -- присоединяю, связываю) -- это состояния одного и того же вещества твердое, жидкое, газообразное.
При переходе из одного состояния в другое происходит скачкообразное изменение энергии, энтропии, плотности и других характеристик вещества.
Твердые и жидкие тела
Определение
Твердыми телами называются тела, отличающиеся постоянством формы и объема.
В них межмолекулярные расстояния малы и потенциальная энергия молекул сравнима с кинетической. Твёрдые тела делятся на два вида: на кристаллические и аморфные. В состоянии термодинамического равновесия пребывают лишь кристаллические тела. Аморфные же тела по сути представляют метастабильные состояния, которые по своему строению приближаются к неравновесным, медленно кристаллизующимся жидкостям. В аморфном теле идет очень медленный процесс кристаллизации, процесс постепенного перехода вещества в кристаллическую фазу. Отличие кристалла от аморфного твёрдого тела заключается прежде всего в анизотропии его свойств. Свойства кристаллического тела зависят от направления в пространстве. Различного рода процессы, такие как теплопроводность, электропроводность, свет, звук, распространяются в различных направлениях твёрдого тела по-разному. Аморфные же тела (стекло, смолы, пластмассы) изотpопны, как и жидкости. Отличие аморфных тел от жидкостей состоит только в том, что последние текучи, в них невозможны статические деформации сдвига.
Кристаллические тела обладают правильным молекулярным строением. Именно правильному строению кристалла обязана анизотропия его свойств. Правильное расположение атомов кристалла образует так называемую кристаллическую решётку. В различных направлениях расположение атомов в решётке различно, что и ведет к анизотропии. Атомы (или ионы, или целые молекулы) в кристаллической решётке совершают беспорядочное колебательное движение около средних положений, которые и рассматриваются как узлы кристаллической решётки. Чем больше температура, тем больше энергия колебаний, а следовательно, и средняя амплитуда колебаний. В зависимости от амплитуды колебаний находится размер кристалла. Рост амплитуды колебаний ведет к росту размеров тела. Так объясняется тепловое расширение твёрдых тел.
Определение
Жидкими называют тела, которые имеют определенный объем, но не имеют упругости формы.
Жидкости отличаются сильным межмолекулярным взаимодействием и малой сжимаемостью. Жидкость занимает промежуточное положение между твёрдым телом и газом. Жидкости, как и газы, изотpопны. Кроме того, жидкость обладает текучестью. В ней, как и в газах, отсутствуют касательные напряжения (напряжения на сдвиг) тел. Жидкости тяжелы, т.е. их удельные веса сравнимы с удельными весами твёрдых тел. Вблизи температур кристаллизации их теплоемкости и другие тепловые характеристики близки к соответствующим характеристикам твёрдых тел. В жидкостях наблюдается до известной степени правильное расположение атомов, но лишь в малых областях. Здесь атомы тоже совершают колебательное движение возле узлов квазикpисталлической ячейки, но в отличие от атомов твёрдого тела они время от времени перескакивают от одного узла к другому. В результате движение атомов будет весьма сложным: оно колебательное, но вместе с тем центр колебаний перемещается в пространстве.
Газ, испарение, конденсация и плавление
Определение
Газ -- такое состояние вещества, в котором расстояния между молекулами велики.
Силами взаимодействия между молекулами при невысоких давлениях можно пренебречь. Частицы газа заполняют весь объем, который предоставлен газу. Газы можно рассматривать как сильно перегретые или ненасыщенные пары. Особым видом газа является плазма -- это частично ли полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Плазма представляет собой газ из заряженных частиц, которые взаимодействуют между собой с помощью электрических сил на большом расстоянии, но не имеют ближнего и дальнего расположения частиц.
Вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое.
Определение
Испарение -- это процесс изменения агрегатного состояния вещества, при котором с поверхности жидкости или твердого тела вылетают молекулы, кинетическая энергия которых превышает потенциальную энергию взаимодействия молекул.
Испарение -- это фазовый переход. При испарении часть жидкости или твердого тела переходит в пар. Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью называется насыщенным паром. При этом изменение внутренней энергии тела:
\[\triangle \ U=\pm mr\ \left(1\right),\]
где m -- масса тела, r -- удельная теплота парообразования (Дж/кг).
Определение
Конденсация -- процесс, обратный парообразованию.
Расчет изменения внутренней энергии происходит по формуле (1).
Определение
Плавление -- процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое, процесс изменения агрегатного состояния вещества.
Когда вещество нагревают увеличивается его внутренняя энергия, следовательно, увеличивается скорость теплового движения молекул. В том случае, если достигнута температура плавления вещества, то кристаллическая решетка твердого тела начинает разрушаться. Связи между частицами разрушаются, возрастает энергия взаимодействия между частицами. Теплота, передаваемая телу, идет на увеличении внутренней энергии этого тела, и часть энергии идет на совершение работы по изменению объема тела при его плавлении. У большинства кристаллических тел объем увеличивается при плавлении, но есть исключения, например, лед, чугун. Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления. Плавление является фазовым переходом, который сопровождается скачкообразным изменением теплоемкости при температуре плавления. Температура плавления зависит от вещества и она не изменяется в ходе процесса. При этом изменение внутренней энергии тела:
\[\triangle U=\pm m\lambda \left(2\right),\]
где $\lambda $ -- удельная теплота плавления (Дж/кг).
Процесс обратный плавлению - кристаллизация. Расчет изменения внутренней энергии происходит по формуле (2).
Изменение внутренней энергии каждого тела системы в случае нагревания или охлаждения можно рассчитать по формуле:
\[\triangle U=mc\triangle T\left(3\right),\]
где c - удельная теплоемкость вещества, Дж/(кгК), $\triangle T$- изменение температуры тела.
При изучении переходов веществ из одних агрегатных состояний в другие невозможно обойтись без так называемого уравнения теплового баланса , которое гласит: суммарное количество теплоты, которое выделяется в теплоизолированной системе, равно количеству теплоты (суммарному), которое в этой системе поглощается.
По своему смыслу, уравнение теплового баланса -- это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в термоизолированных системах.
Пример 1
Задание: В теплоизолированном сосуде находятся вода и лед при температуре $t_i= 0^oС$. Масса воды ($m_{v\ })$ и льда ($m_{i\ })$ соответственно равны 0,5 кг и 60 гр. В воду впускается водяной пар массой $m_{p\ }=$10 гр. при температуре $t_p= 100^oС$. Какой станет температура воды в сосуде после установления теплового равновесия? Теплоемкость сосуда не учитывать.
Решение: Определим, какие процессы происходят в системе, какие агрегатные состояния вещества мы имели и какие получили.
Водяной пар конденсируется, отдавая тепло.
Это тепло идет на плавление льда и, возможно, нагрев имеющейся и полученной изо льда воды.
Проверим сначала, какое количество теплоты выделяется при конденсации имеющейся массы пара:
здесь из справочных материалов имеем $r=2,26 10^6\frac{Дж}{кг}$- удельная теплота парообразования (применима и для конденсации).
Для плавления льда необходимо тепла:
здесь из справочных материалов имеем $\lambda =3,3\cdot 10^5\frac{Дж}{кг}$- удельная теплота плавления льда.
Получаем, что пар отдает тепла больше, чем требуется, только для расплавления имеющегося льда, следовательно уравнение теплового баланса запишем в виде:
Теплота выделяется при конденсации пара массой $m_{p\ }$ и остывании воды, которая образуется из пара от температуры $T_p$ до искомой T. Теплота поглощается при плавлении льда массой $m_{i\ }$ и нагревании воды массой $m_v+m_i$ от температуры $T_i$до $T.\ $ Обозначим $T-T_i=\triangle T$, для разности $T_p-T$ получим:
Уравнение теплового баланса приобретет вид:
\ \ \[\triangle T=\frac{rm_{p\ }+cm_{p\ }100-лm_{i\ }}{c\left(m_v+m_i+m_{p\ }\right)}\left(1.6\right)\]
Проведем вычисления, учитывая, что теплоемкость воды табличная $c=4,2\cdot 10^3\frac{Дж}{кгК}$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i+273=273K$:
$\triangle T=\frac{2,26\cdot 10^6\cdot 10^{-2}+4,2\cdot 10^3\cdot 10^{-2}10^2-6\cdot 10^{-2}\cdot 3,3\cdot 10^5}{4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^{-1}}\approx 3\left(К\right)$тогда T=273+3=276 (K)
Ответ: Температура воды в сосуде после установления теплового равновесия станет равна 276 К.
Пример 2
Задание: На рисунке показан участок изотермы, отвечающий переходу вещества из кристаллического в жидкое состояние. Что соответствует этому участку на диаграмме p,T?
Вся совокупность состояний, изображенных на диаграмме p,V горизонтальным отрезком прямой на диаграмме p,T изображается одной точкой, определяющей значения p и T, при которых осуществляется переход из одного агрегатного состояния в другое.
Для того чтобы понять, что такое агрегатное состояние вещества, вспомните или представьте себя летом возле речки с мороженным в руках. Замечательная картинка, правда?
Так вот, в этой идиллии кроме получения удовольствия можно еще осуществить физическое наблюдение. Обратите внимание на воду. В реке она жидкая, в составе мороженного в виде льда - твердая, а в небе в виде облаков - газообразная. То есть она находится одновременно в трех различных состояниях. В физике это называется агрегатным состоянием вещества. Различают три агрегатных состояния - твердое, жидкое и газообразное.
Изменение агрегатных состояний вещества
Изменение агрегатных состояний вещества мы можем наблюдать воочию в природе. Вода с поверхности водоемов испаряется, и образуются облака. Так жидкость переходит в газ. Зимой вода в водоемах замерзает, переходя в твердое состояние, а весной вновь тает, переходя в обратно в жидкость. Что происходит с молекулами вещества при переходе его из одного состояния в другое? Меняются ли они? Отличаются ли, например, молекулы льда от молекул пара? Ответ однозначный: нет. Молекулы остаются абсолютно теми же. Меняется их кинетическая энергия , а соответственно и свойства вещества. Энергия молекул пара достаточно велика, чтобы разлетаться в разные стороны, а при охлаждении пар конденсируется в жидкость, и энергии у молекул все еще достаточно для почти свободного перемещения, но уже недостаточно, чтобы оторваться от притяжения других молекул и улететь. При дальнейшем охлаждении вода замерзает, становясь твердым телом, и энергии молекул уже недостаточно даже для свободного перемещения внутри тела. Они колеблются около одного места, удерживаемые силами притяжения других молекул.
Характер движения и состояния молекул в различных агрегатных состояниях вещества можно отразить на следующей таблице:
|
Агрегатное состояние вещества |
Свойства вещества |
Расстояние между частицами |
Взаимодействие частиц |
Характер движения |
Порядок расположения |
|
Не сохраняет форму и объем |
Гораздо больше размеров самих частиц |
Хаотическое (беспорядочное) непрерывное. Свободно летают, иногда сталкиваясь. |
Беспорядочное |
||
| Жидкость |
Не сохраняет форму, сохраняет объем |
Сравнимо с размерами самих частиц |
Колеблются около положения равновесия, постоянно перескакивая с одного места на другое. |
Беспорядочное |
|
|
Твердое тело |
Сохраняет форму и объем |
Мало по сравнению с размерами самих частиц |
Очень сильное |
Непрерывно колеблются около положения равновесия |
В определенном порядке |
Процессов, в которых происходит изменение агрегатных состояний веществ, всего шесть.
Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением , обратный процесс - кристаллизацией . Когда вещество переходит из жидкости в газ, это называется парообразованием , из газа в жидкость - конденсацией . Переход из твердого состояния сразу в газ, минуя жидкое, называют сублимацией , обратный процесс - десублимацией .
- 1. Плавление
- 2. Кристаллизация
- 3. Парообразование
- 4. Конденсация
- 5. Сублимация
- 6. Десублимация
Примеры всех этих переходов мы с вами не раз наблюдали в жизни. Лед плавится, образуя воду, вода испаряется, образуя пар. В обратную сторону пар, конденсируясь, переходит снова в воду, а вода, замерзая, становится льдом. А если вы думаете, что вы не знаете процессов сублимации и десублимации, то не спешите с выводами. Запах любого твердого тела - это и есть не что иное, как сублимация. Часть молекул вырывается из тела, образуя газ, который мы и можем унюхать. А пример обратного процесса - это узоры на стеклах зимой, когда пар в воздухе, замерзая, оседает на стекле и образует причудливые узоры.
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.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Вещество - это совокупность большого количества частиц (атомов, молекул или ионов).
Вещества имеют сложное строение. Частицы в веществе взаимодействуют между собой. Характер взаимодействия частиц в веществе определяет его агрегатное состояние.
Виды агрегатных состояний
Выделяют следующие агрегатные состояния: твердое, жидкое, газ, плазма.
В твердом состоянии частицы, как правило, объединены в правильную геометрическую структуру. Энергия связей частиц больше, чем энергия их тепловых колебаний.
Если температуру тела увеличивать, увеличивается энергия тепловых колебаний частиц. При некоторой температуре энергия тепловых колебаний становится больше, чем энергия связей. При такой температуре связи между частицами разрушаются и образуются снова. При этом частицы совершают различные виды движений (колебания, вращения, перемещения друг относительно друга и т.д.). При этом они еще контактируют между собой. Правильная геометрическая структура нарушена. Вещество находится в жидком состоянии.
При дальнейшем росте температуры тепловые колебания усиливаются, связи между частицами становятся еще слабее и практически отсутствуют. Вещество находится в газообразном состоянии. Самой простой моделью вещества является идеальный газ, в котором считается, что частицы движутся в любых направлениях свободно, взаимодействуют между собой только в момент соударений, при этом выполняются законы упругого удара.
Можно сделать вывод о том, что с ростом температуры вещество переходит от упорядоченной структуры в неупорядоченное состояние.
Плазма - это газообразное вещество, состоящее из смеси нейтральных частиц ионов и электронов.
Температура и давление в разных агрегатных состояниях вещества
Разные агрегатные состояния вещества определяют: температура и давление. Низкое давление и высокая температура соответствуют газам. При низких температурах, обычно вещество находится в твердом состоянии. Промежуточные температуры относят к веществам в жидком состоянии. Для характеристики агрегатных состояний вещества часто применяется фазовая диаграмма. Это диаграмма, отражающая зависимость агрегатного состояния от давления и температуры.
Основной особенностью газов является их способность к расширению и сжимаемость. Газы не обладают формой, принимают форму сосуда, в который помещены. Объем газа определяет объем сосуда. Газы могут смешиваться между собой в любых пропорциях.
Жидкость не имеет формы, но имеют объем. Сжимаются жидкости плохо, только при высоком давлении.
Твердые вещества имеют форму и объем. В твердом состоянии могут находиться соединения с металлическими, ионными и ковалентными связями.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Изобразите фазовую диаграмму состояний для некоего абстрактного вещества. Объясните ее смысл. |
| Решение | Сделаем рисунок.
Диаграмма состояния приведена на рис.1. Она состоит из трех областей, которые соответствуют кристаллическому (твердому) состоянию вещества, жидкости и газообразному состоянию. Данные области разделяются кривыми, которые обозначают границы взаимно обратных процессов: 01 - плавление - кристаллизация; 02 - кипение - конденсация; 03 - сублимация - десублимация. Точка пересечения всех кривых (О) - тройная точка. В этой точке вещество может существовать в трёх агрегатных состояниях. Если температура вещества выше критической () (точка 2), то кинетическая энергия частиц больше потенциальной энергии их взаимодействия, при таких температурах вещество становится газом при всяком давлении. Из фазовой диаграммы видно, что если давление больше, чем , то при увеличении температуры твердое тело плавится. После расплавления, рост давления ведет к увеличению температуры кипения. Если давление меньше, чем , то увеличение температуры твердого тела ведет к его переходу непосредственно в газообразное состояние (сублимация) (точка G). |
ПРИМЕР 2
| Задание | Объясните, что отличает одно агрегатное состояние от другого? |
| Решение | В различных агрегатных состояниях атомы (молекулы) имеют разные расположения. Так атомы (молекулы или ионы) кристаллических решеток расположены упорядоченно, могут совершать небольшие колебания около положений равновесия. Молекулы же газов находятся в неупорядоченном состоянии и могут перемещаться на значительные расстояния. Кроме того, внутренняя энергия веществ в разных агрегатных состояниях (для одинаковых масс вещества) при разных температурах различна. Процессы перехода из одного агрегатного состояния в другое сопровождаются изменением внутренней энергии. Переход: твердое вещество - жидкость - газ, означает увеличение внутренней энергии, так как происходит увеличение кинетической энергии движения молекул. |
Агрегатное состояние - это состояние вещества в определенном интервале температур и давлений, характеризуется свойствами: способностью (твердое тело) или неспособностью (жидкость, газ) сохранять объем и форму; наличием или отсутствием дальнего (твердое тело) или ближнего (жидкость) порядка и другими свойствами.
Вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком или газообразном, в настоящее время выделяют дополнительно плазменное (ионное) состояние.
В газообразном состоянии расстояние между атомами и молекулами вещества велико, силы взаимодействия малы и частицы, хаотично перемещаясь в пространстве, обладают большой кинетической энергией , превышающей потенциальную энергию. Материал в газообразном состоянии не имеет ни своей формы, ни объема. Газ заполняет все доступное пространство. Это состояние свойственно для веществ с малой плотностью.
В жидком состоянии сохраняется лишь ближний порядок атомов или молекул , когда в объеме вещества периодически возникают отдельные участки с упорядоченным расположением атомов, однако взаимная ориентация этих участков также отсутствует. Ближний порядок неустойчив и под действием тепловых колебаний атомов может либо исчезать, либо возникать вновь. Молекулы жидкости не имеют определенного положения, и в то же время им недоступна полная свобода перемещения. Материал в жидком состоянии своей формы не имеет, сохраняет лишь объем. Жидкость может занимать только часть объема сосуда, но свободно перетекать по всей поверхности сосуда. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твердым телом и газом.
В твердом веществе порядок расположения атомов становится строго определенным, закономерно упорядоченным, силы взаимодействия частиц взаимно уравновешены, поэтому тела сохраняют свою форму и объем. Закономерно упорядоченное расположение атомов в пространстве характеризует кристаллическое состояние, атомы образуют кристаллическую решетку.
Твердые тела имеют аморфное или кристаллическое строение. Для аморфных тел характерен только ближний порядок в расположении атомов или молекул, хаотичное расположение атомов, молекул или ионов в пространстве. Примерами аморфных тел являются стекло, пек, вар, внешне находящиеся в твердом состоянии, хотя на самом деле они медленно текут, подобно жидкости. Определенной температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет. Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями.
Большинство твердых тел имеет кристаллическое строение, которое отличается упорядоченным расположением атомов или молекул в пространстве. Для кристаллической структуры свойственен дальний порядок, когда элементы структуры периодически повторяются; при ближнем порядке такое правильное повторение отсутствует. Характерной особенностью кристаллического тела является способность сохранять форму. Признаком идеального кристалла, моделью которого служит пространственная решетка, является свойство симметрии. Под симметрией понимается теоретическая способность кристаллической решетки твердого тела совмещаться самой с собой при зеркальном отражении ее точек от некоторой плоскости, называемой плоскостью симметрии. Симметрия внешней формы отражает симметрию внутренней структуры кристалла. Кристаллическую структуру имеют, например, все металлы, для которых характерны два типа симметрии: кубическая и гексагональная.
В аморфных структурах с неупорядоченным распределением атомов свойства вещества в разных направлениях одинаковы, т. е стеклообразные (аморфные) вещества изотропны.
Для всех кристаллов характерна анизотропия . В кристаллах расстояния между атомами упорядочены, но в разных направлениях степень упорядоченности может быть неодинаковой, что приводит к различию свойств вещества кристалла в разных направлениях. Зависимость свойств вещества кристалла от направления в его решетке называют анизотропией свойств. Анизотропия проявляется при измерении как физических, так и механических и других характеристик. Существуют свойства (плотность, теплоемкость), не зависящие от направления в кристалле. Большинство же характеристик зависит от выбора направления.
Измерить свойства возможно у объектов, имеющих определенный материальный объем: размеры - от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Эти объекты со строением, идентичным кристаллической ячейке, называются монокристаллами.
Анизотропия свойств проявляется в монокристаллах и практически отсутствует в поликристаллическом веществе, состоящем из множества мелких хаотично ориентированных кристаллов. Поэтому поликристаллические вещества называют квазиизотропными.
Кристаллизация полимеров, молекулы которых могут располагаться упорядоченно с образованием надмолекулярных структур в виде пачек, клубков (глобул), фибрилл и пр., происходит в определенном интервале температур. Сложное строение молекул и их агрегатов определяет специфику поведения полимеров при нагреве. Они не могут перейти в жидкое состояние с низкой вязкостью, не имеют газообразного состояния. В твердом виде полимеры могут находиться в стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем состояниях. Полимеры с линейными или разветвленными молекулами при изменении температуры могут переходить из одного состояния в другое, что проявляется в процессе деформации полимера. На рис. 9 приведена зависимость деформации от температуры.
Рис. 9 Термомеханическая кривая аморфного полимера : t c , t т, t р - температуры стеклования, текучести и начала химического разложения соответственно; I - III - зоны стеклообразного, высокоэластического и вязкотекучего состояния соответственно; Δl - деформация.
Пространственная структура расположения молекул определяет только стеклообразное состояние полимера. При низких температурах все полимеры деформируются упруго (рис. 9, зона I ). Выше температуры стеклования t c аморфный полимер с линейной структурой переходит в высокоэластическое состояние (зона II ), и его деформация в стеклообразном и высокоэластическом состояниях обратима. Нагрев выше температуры текучести t т переводит полимер в вязкотекучее состояние (зона III ). Деформация полимера в вязкотекучем состоянии необратима. Аморфный полимер с пространственной (сетчатой, сшитой) структурой не имеет вязкотекучего состояния, температурная область высокоэластического состояния расширяется до температуры разложения полимера t р. Такое поведение характерно для материалов типа резин.
Температура вещества в любом агрегатном состоянии характеризует среднюю кинетическую энергию его частиц (атомов и молекул). Эти частицы в телах обладают в основном кинетической энергией колебательных движений относительно центра равновесия, где энергия минимальна. При достижении некоторой критической температуры твердый материал теряет свою прочность (устойчивость) и расплавляется, а жидкость превращается в пар: кипит и испаряется. Этими критическими температурами являются температуры плавления и кипения.
При нагреве кристаллического материала при определенной температуре молекулы двигаются настолько энергично, что жесткие связи в полимере нарушаются и кристаллы разрушаются - переходят в жидкое состояние. Температура, при которой кристаллы и жидкость находятся в равновесии, называется точкой плавления кристалла, или точкой затвердевания жидкости. Для иода эта температура равна 114 о С.
Каждый химический элемент обладает индивидуальной температурой плавления t пл, разделяющей существование твердого тела и жидкости, и температурой кипения t кип, соответствующей переходу жидкости в газ. При этих температурах вещества находятся в термодинамическом равновесии. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других физических величин.
Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы из одной фазы в другую, называют критическими.
При нагревании вещества претерпевают фазовые превращения. Медь при плавлении (1083 о С) превращается в жидкость, в которой атомы имеют только ближний порядок. При давлении 1 атм медь кипит при 2310 о С и превращается в газообразную медь с беспорядочно расположенными атомами меди. В точке плавления давления насыщенного пара кристалла и жидкости равны.
Материал в целом представляет собой систему.
Система - группа веществ, объединенных физическими, химическими или механическими взаимодействиями. Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей физическими границами раздела (в чугуне: графит + зерна железа; в воде со льдом: лед + вода). Составные части системы - это различные фазы, образующие данную систему. Компоненты системы - это вещества, образующие все фазы (составные части) данной системы.
Материалы, состоящие из двух и более фаз, представляют собой дисперсные системы . Дисперсныесистемы разделяют на золи, поведение которых напоминает поведение жидкостей, и гели с характерными свойствами твердых тел. В золях дисперсионной средой, в которой распределено вещество, является жидкость, в гелях преобладает твердая фаза. Гелями являются полукристаллический металл, бетон, раствор желатина в воде при низкой температуре (при высокой температуре желатин переходит в золь). Гидрозолем называют дисперсию в воде, аэрозолем - дисперсию в воздухе.
Диаграммы состояния.
В термодинамической системе каждая фаза характеризуется такими параметрами, как температура Т , концентрация с и давление Р . Для описания фазовых превращений используется единая энергетическая характеристика - свободная энергия Гиббса ΔG (термодинамический потенциал).
Термодинамика при описании превращений ограничивается рассмотрением состояния равновесия. Равновесное состояние термодинамической системы характеризуется неизменностью термодинамических параметров (температуры и концентрации, так как в технологических обработках Р = const) во времени и отсутствием в ней потоков энергии и вещества - при постоянстве внешних условий. Фазовое равновесие - равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из двух или большего числа фаз.
Для математического описания условий равновесия системы существует правило фаз , выведенное Гиббсом. Оно связывает число фаз (Ф) и компонентов (К) в равновесной системе с вариантностью системы, т. е. числом термодинамических степеней свободы (С).
Число термодинамических степеней свободы (вариантность) системы - это число независимых переменных как внутренних (химический состав фаз), так и внешних (температура), которым можно придавать различные произвольные (в некотором интервале) значения так, чтобы не появились новые и не исчезли старые фазы.
Уравнение правила фаз Гиббса:
С = К - Ф + 1.
В соответствии с этим правилом в системе из двух компонентов (К = 2) возможны следующие варианты степеней свободы:
Для однофазного состояния (Ф = 1) С = 2, т. е. можно менять температуру и концентрацию;
Для двухфазного состояния (Ф = 2) С = 1, т. е. можно менять только один внешний параметр (например, температуру);
Для трехфазного состояния число степеней свободы равно нулю, т. е. нельзя менять температуру без нарушения равновесия в системе (система нонвариантна).
Например, для чистого металла (К = 1) во время кристаллизации, когда имеются две фазы (Ф = 2), число степеней свободы равно нулю. Это означает, что температура кристаллизации не может быть изменена, пока не закончится процесс и не останется одна фаза - твердый кристалл. После окончания кристаллизации (Ф = 1) число степеней свободы равно 1, поэтому можно менять температуру, т. е. охлаждать твердое вещество, не нарушая равновесия.
Поведение систем в зависимости от температуры и концентрации описывается диаграммой состояния. Диаграмма состояния воды — система с одним компонентом H 2 O, поэтому наибольшее число фаз, которые одновременно могут находиться в равновесии, равно трем (рис. 10). Эти три фазы — жидкость, лед, пар. Число степеней свободы в этом случае равно нулю, т.е. нельзя изменить ни давление, ни температуру, чтобы не исчезла ни одна из фаз. Обычный лед, жидкая вода и водяной пар могут существовать в равновесии одновременно только при давлении 0,61 кПа и температуре 0,0075°С. Точка сосуществования трех фаз называется тройной точкой (O ).
Кривая ОС разделяет области пара и жидкости и представляет собой зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры. Кривая ОС показывает те взаимосвязанные значения температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом, поэтому она называется кривой равновесия жидкость — пар или кривой кипения.
Рис 10 Диаграмма состояния воды
Кривая ОВ отделяет область жидкости от области льда. Она является кривой равновесия твердое состояние — жидкость и называется кривой плавления. Эта кривая показывает те взаимосвязанные пары значений температуры и давления, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии.
Кривая OA называется кривой сублимации и показывает взаимосвязанные пары значений давления и температуры, при которых в равновесии находятся лед и водяной пар.
Диаграмма состояния — наглядный способ представления областей существования различных фаз в зависимости от внешних условий, например от давления и температуры. Диаграммы состояния активно используются в материаловедении на разных технологических этапах получения изделия.
Жидкость отличается от твердого кристаллического тела малыми значениями вязкости (внутреннего трения молекул) и высокими значениями текучести (величина, обратная вязкости). Жидкость состоит из множества агрегатов молекул, внутри которых частицы расположены в определенном порядке, подобно порядку в кристаллах. Природа структурных единиц и межчастичного взаимодействия определяет свойства жидкости. Различают жидкости: моноатомные (сжиженные благородные газы), молекулярные (вода), ионные (расплавленные соли), металлические (расплавленные металлы), жидкие полупроводники. В большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической (жидкой) фазой.
Жидкие вещества чаще всего представляет собой растворы. Раствор однороден, но не является химически чистым веществом, состоит из растворенного вещества и растворителя (примеры растворителя - вода или органические растворители: дихлорэтан, спирт, четыреххлористый углерод и др.), поэтому представляет собой смесь веществ. Пример - раствор спирта в воде. Однако растворами также являются смеси газообразных (например, воздух) или твердых (сплавы металлов) веществ.
При охлаждении в условиях малой скорости образования центров кристаллизации и сильного увеличения вязкости может возникнуть стеклообразное состояние. Стекла - это изотропные твердые материалы, получаемые переохлаждением расплавленных неорганических и органических соединений.
Известно много веществ, переход которых из кристаллического состояния в изотропное жидкое осуществляется через промежуточное жидкокристаллическое состояние. Оно характерно для веществ, молекулы которых имеют форму длинных стержней (палочек) с асимметричным строением. Такие фазовые переходы, сопровождаемые тепловыми эффектами, вызывают скачкообразное изменение механических, оптических, диэлектрических и других свойств.
Жидкие кристаллы , подобно жидкости, могут принимать форму удлиненной капли или форму сосуда, обладают высокой текучестью, способны к слиянию. Они получили широкое применение в разных областях науки и техники. Их оптические свойства сильно зависят от небольших изменений внешних условий. Эта особенность используется в электрооптических устройствах. В частности, жидкие кристаллы применяют при изготовлении электронных наручных часов, визуальной аппаратуры и др.
К числу основных агрегатных состояний относится плазма - частично или полностью ионизированный газ. По способу образования различают два вида плазмы: термическую, возникающую при нагревании газа до высоких температур, и газообразную, образующуюся при электрических разрядах в газовой среде.
Плазмохимические процессы заняли прочное место в ряде отраслей техники. Они применяются для резки и сварки тугоплавких металлов, синтеза разных веществ, широко используют плазменные источники света, перспективно применение плазмы в термоядерных энергетических установках и пр.