Това, което се нарича фаза, е състоянието на агрегиране на веществото. Обща характеристика на агрегатното състояние на материята

Цели на урока:

• задълбочават и обобщават знанията за агрегатните състояния на материята, изучават в какви състояния могат да съществуват веществата.

Цели на урока:

Образователни - формулирайте представа за свойствата на твърди вещества, газове, течности.

Развиващи - развитие на речеви умения на учениците, анализ, изводи върху преминатия и изучен материал.

Образователни - внушаване на умствена работа, създаване на всички условия за повишаване на интереса към изучавания предмет.

Ключови термини:

Агрегатно състояние- това е състояние на материята, което се характеризира с определени качествени свойства: - способност или невъзможност за запазване на форма и обем; - наличие или липса на близък и далечен ред; - от други.

Фиг.6. Агрегатно състояние на вещество при промяна на температурата.

Когато веществото премине от твърдо състояние в течно състояние, това се нарича топене; обратният процес се нарича кристализация. Когато дадено вещество преминава от течност в газ, този процес се нарича изпаряване, а в течност от газ - кондензация. И преходът директно към газ от твърдо вещество, заобикаляйки течността, е сублимация, обратният процес е десублимация.

1.Кристализация; 2. Топене; 3. Кондензация; 4. Изпаряване;

5. Сублимация; 6. Десублимация.

Ние виждаме тези примери за преходи през цялото време в ежедневието. Когато ледът се топи, той се превръща във вода, а водата от своя страна се изпарява, създавайки пара. Ако го погледнем в обратната посока, парата, кондензирайки, започва да се превръща обратно във вода, а водата от своя страна замръзва и се превръща в лед. Миризмата на всяко твърдо тяло е сублимация. Някои молекули излизат от тялото и се образува газ, който отделя миризмата. Пример за обратния процес са шарките върху стъкло през зимата, когато парите във въздуха замръзват и се утаяват върху стъклото.

Видеото показва промяна в агрегатното състояние на дадено вещество.

Контролен блок.

1. След замръзване водата се превърна в лед. Промениха ли се водните молекули?

2.Медицинският етер се използва на закрито. И поради това там обикновено мирише силно на него. В какво състояние е етерът?

3.Какво се случва с формата на течността?

4.Лед. Какво състояние на водата е това?

5. Какво се случва, когато водата замръзне?

Домашна работа.

Отговори на въпросите:

1. Възможно ли е да се напълни половината обем на съд с газ? Защо?

2. Могат ли азотът и кислородът да съществуват в течно състояние при стайна температура?

3. Могат ли желязото и живакът да съществуват в газообразно състояние при стайна температура?

4. В един мразовит зимен ден над реката се образува мъгла. Какво състояние на материята е това?

Ние вярваме, че материята има три агрегатни състояния. Всъщност има най-малко петнадесет от тях и списъкът с тези състояния продължава да расте всеки ден. Това са: аморфно твърдо тяло, твърдо тяло, неутрониева, кварк-глуонна плазма, силно симетрична материя, слабо симетрична материя, фермионен кондензат, кондензат на Бозе-Айнщайн и странна материя.

В ежедневната практика се налага да се занимаваме не с отделни атоми, молекули и йони, а с реални субстанции – сбор от голям брой частици. В зависимост от естеството на тяхното взаимодействие се разграничават четири вида агрегатно състояние: твърдо, течно, газообразно и плазмено. Едно вещество може да се трансформира от едно агрегатно състояние в друго в резултат на подходящ фазов преход.

Наличието на дадено вещество в едно или друго агрегатно състояние се определя от силите, действащи между частиците, разстоянието между тях и характеристиките на тяхното движение. Всяко агрегатно състояние се характеризира с набор от определени свойства.

Свойства на веществата в зависимост от тяхното агрегатно състояние:

В съответствие със степента на подреденост в системата всяко агрегатно състояние се характеризира със собствена връзка между кинетичната и потенциалната енергия на частиците. В твърдите тела потенциалът преобладава над кинетиката, тъй като частиците заемат определени позиции и вибрират само около тях. При газовете има обратна връзка между потенциалната и кинетичната енергия, като следствие от факта, че газовите молекули винаги се движат хаотично и между тях почти няма кохезионни сили, така че газът заема целия обем. При течностите кинетичната и потенциалната енергия на частиците са приблизително еднакви, между частиците има нетвърда връзка, поради което течностите се характеризират с течливост и постоянен обем.

Когато частиците на дадено вещество образуват правилна геометрична структура и енергията на връзките между тях е по-голяма от енергията на топлинните вибрации, което предотвратява разрушаването на съществуващата структура, това означава, че веществото е в твърдо състояние. Но започвайки от определена температура, енергията на топлинните вибрации надвишава енергията на връзките между частиците. В този случай частиците, въпреки че остават в контакт, се движат една спрямо друга. В резултат на това се нарушава геометричната структура и веществото преминава в течно състояние. Ако топлинните вибрации се увеличат толкова много, че връзката между частиците практически се губи, веществото придобива газообразно състояние. В „идеален“ газ частиците се движат свободно във всички посоки.

С повишаване на температурата веществото преминава от подредено състояние (твърдо) в неподредено състояние (газообразно); течното състояние е междинно в реда на частиците.

Четвъртото агрегатно състояние се нарича плазма - газ, състоящ се от смес от неутрални и йонизирани частици и електрони. Плазмата се образува при свръхвисоки температури (10 5 -10 7 0 C) поради значителната енергия на сблъсък на частици, които имат максимално разстройство на движение. Задължителна характеристика на плазмата, както и на другите състояния на материята, е нейната електрическа неутралност. Но в резултат на неуреденото движение на частиците в плазмата могат да се появят отделни заредени микрозони, поради което тя се превръща в източник на електромагнитно излъчване. В плазмено състояние материята съществува върху звезди и други космически обекти, както и по време на термоядрени процеси.

Всяко състояние на агрегиране се определя преди всичко от диапазона на температурите и наляганията, следователно за визуална количествена характеристика се използва фазова диаграма на веществото, която показва зависимостта на състоянието на агрегация от налягането и температурата.

Диаграма на състоянието на вещество с криви на фазов преход: 1 - топене-кристализация, 2 - кипене-кондензация, 3 - сублимация-десублимация

Фазовата диаграма се състои от три основни области, които съответстват на кристалното, течното и газообразното състояние. Отделните области са разделени от криви, отразяващи фазовите преходи:

1. твърдо състояние в течност и, обратно, течност в твърдо (крива на топене-кристализация - пунктирана зелена графика)
2. течност в газообразно и обратно преобразуване на газ в течност (крива на кипене-кондензация - синя графика)
3. твърдо към газообразно и газообразно към твърдо (крива на сублимация-десублимация - червена графика).

Координатите на пресичане на тези криви се наричат ​​тройна точка, в която при условия на определено налягане P = P in и определена температура T = T in веществото може да съществува едновременно в три агрегатни състояния, с течността и твърди тела с еднакво парно налягане. Координатите P in и T in са единствените стойности на налягането и температурата, при които и трите фази могат да съществуват едновременно.

Точка K на фазовата диаграма на състоянието съответства на температурата Tk - така наречената критична температура, при която кинетичната енергия на частиците надвишава енергията на тяхното взаимодействие и следователно линията на разделяне между течната и газовата фаза се изтрива и веществото съществува в газообразно състояние при всяко налягане.

От анализа на фазовата диаграма следва, че при високо налягане, по-голямо от това в тройната точка (P in), нагряването на твърдо вещество завършва с неговото топене, например при P 1 топенето се случва в точката д. По-нататъшното повишаване на температурата от Td до Te води до кипене на веществото при дадено налягане P1. При налягане P 2, по-малко от налягането в тройната точка P in, нагряването на веществото води до прехода му директно от кристално към газообразно състояние (точка р), тоест до сублимация. За повечето вещества налягането в тройната точка е по-ниско от налягането на наситените пари (P in

P е наситена пара, следователно, когато кристалите на такива вещества се нагряват, те не се топят, а се изпаряват, т.е. претърпяват сублимация. Например йодните кристали или „сухият лед“ (твърд CO 2) се държат по този начин.

Газообразно състояние

При нормални условия (273 K, 101325 Pa) както простите вещества, чиито молекули се състоят от един (He, Ne, Ar) или няколко прости атома (H 2, N 2, O 2), така и сложните могат да бъдат в газообразно състояние състояние вещества с ниска моларна маса (CH 4, HCl, C 2 H 6).

Тъй като кинетичната енергия на газовите частици надвишава тяхната потенциална енергия, молекулите в газообразно състояние непрекъснато се движат произволно. Поради големите разстояния между частиците, силите на междумолекулно взаимодействие в газовете са толкова незначителни, че не са достатъчни, за да привлекат частиците една към друга и да ги задържат заедно. Именно поради тази причина газовете нямат собствена форма и се характеризират с ниска плътност и висока способност за компресиране и разширяване. Поради това газът постоянно притиска стените на съда, в който се намира, еднакво във всички посоки.

За да се изследва връзката между най-важните параметри на газ (налягане P, температура T, количество вещество n, моларна маса M, маса m), се използва най-простият модел на газообразното състояние на веществото - идеален газ, което се основава на следните предположения:

• взаимодействието между газовите частици може да се пренебрегне;
• самите частици са материални точки, които нямат собствен размер.

Най-общото уравнение, описващо модела на идеалния газ, се счита за уравнението Менделеев-Клапейронза един мол вещество:

Но поведението на реалния газ като правило се различава от идеалния. Това се обяснява, първо, с факта, че все още има незначителни сили на взаимно привличане между молекулите на реалния газ, които компресират газа до известна степен. Като се вземе това предвид, общото налягане на газа се увеличава с количеството а/V 2, което отчита допълнителното вътрешно налягане, причинено от взаимното привличане на молекулите. В резултат на това общото налягане на газа се изразява чрез сумата P+ А/V 2. Второ, молекулите на реалния газ имат, макар и малък, добре определен обем b , следователно действителният обем на целия газ в космоса е V— b . Когато заместваме разглежданите стойности в уравнението на Менделеев-Клапейрон, получаваме уравнението на състоянието на реален газ, което се нарича уравнение на ван дер Ваалс:

Където А И b — емпирични коефициенти, които се определят на практика за всеки реален газ. Установено е, че коеф а има по-голяма стойност за газове, които лесно се втечняват (например CO 2, NH 3), а коеф. b - напротив, колкото по-голяма е величината, толкова по-големи са газовите молекули (например газообразни въглеводороди).

Уравнението на Ван дер Ваалс описва поведението на реален газ много по-точно от уравнението на Менделеев-Клапейрон, което въпреки това, поради ясното си физическо значение, се използва широко в практическите изчисления. Въпреки че идеалното състояние на газ е граничен, въображаем случай, простотата на законите, които му съответстват, възможността за тяхното приложение за описание на свойствата на много газове при условия на ниско налягане и високи температури прави модела на идеалния газ много удобно.

Течно агрегатно състояние

Течното състояние на всяко конкретно вещество е термодинамично стабилно в определен диапазон от температури и налягания, характерни за природата (състава) на това вещество. Горната температурна граница на течното състояние е точката на кипене, над която веществото е в газообразно състояние при условия на стабилно налягане. Долната граница на стабилното състояние на съществуване на течност е температурата на кристализация (втвърдяване). Температурите на кипене и кристализация, измерени при налягане 101,3 kPa, се наричат ​​нормални.

Обикновените течности се характеризират с изотропия - еднаквост на физичните свойства във всички посоки в рамките на едно вещество. Понякога се използват други термини за изотропия: инвариантност, симетрия по отношение на избора на посока.

При оформянето на възгледите за природата на течното състояние е важна идеята за критично състояние, открита от Менделеев (1860):

Критичното състояние е равновесно състояние, при което границата на разделяне между течност и нейните пари изчезва, тъй като течността и нейните наситени пари придобиват еднакви физични свойства.

В критично състояние стойностите както на плътностите, така и на специфичните обеми на течността и нейните наситени пари стават еднакви.

Течното състояние на веществото е междинно между газообразно и твърдо. Някои свойства доближават течното състояние до твърдото състояние. Ако твърдите вещества се характеризират с твърдо подреждане на частици, което се простира на разстояния до стотици хиляди междуатомни или междумолекулни радиуси, тогава в течно състояние, като правило, се наблюдават не повече от няколко десетки подредени частици. Това се обяснява с факта, че редът между частиците в различни места на течно вещество бързо възниква и също толкова бързо отново се „разрушава“ от топлинните вибрации на частиците. В същото време общата плътност на „опаковката“ на частиците се различава малко от тази на твърдо вещество, така че плътността на течностите не се различава много от плътността на повечето твърди вещества. Освен това способността на течностите да се компресират е почти толкова ниска, колкото тази на твърдите вещества (около 20 000 пъти по-малка от тази на газовете).

Структурният анализ потвърди, че течностите проявяват т.нар затворете поръчката, което означава, че броят на най-близките „съседи“ на всяка молекула и техните относителни позиции са приблизително еднакви в целия обем.

Нарича се сравнително малък брой частици с различен състав, свързани чрез сили на междумолекулно взаимодействие клъстер . Ако всички частици в течността са идентични, тогава се нарича такъв клъстер сътрудник . В клъстерите и асоциираните групи се наблюдава ред на къси разстояния.

Степента на ред в различни течности зависи от температурата. При ниски температури, малко над точката на топене, степента на подреденост в подреждането на частиците е много висока. С повишаването на температурата тя се понижава и с нагряването свойствата на течността стават все по-подобни на свойствата на газовете, а при достигане на критичната температура разликата между течното и газообразното състояние изчезва.

Близостта на течното състояние до твърдото състояние се потвърждава от стойностите на стандартните енталпии на изпарение DН 0 изпаряване и топене DН 0 топене. Нека си припомним, че стойността на изпарението DH 0 показва количеството топлина, необходимо за превръщането на 1 мол течност в пара при 101,3 kPa; същото количество топлина се изразходва за кондензацията на 1 мол пара в течност при същите условия (т.е. DH 0 изпарение = DH 0 кондензация). Количеството топлина, изразходвано за превръщането на 1 мол твърдо вещество в течност при 101,3 kPa се нарича стандартна енталпия на топене; същото количество топлина се отделя по време на кристализацията на 1 мол течност при условия на нормално налягане (DH 0 топене = DH 0 кристализация). Известно е, че DH 0 изпарение<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.

Въпреки това, други важни свойства на течностите приличат повече на тези на газовете. Така че, подобно на газовете, течностите могат да текат - това свойство се нарича течливост . Те могат да устоят на потока, тоест имат присъщо вискозитет . Тези свойства се влияят от силите на привличане между молекулите, молекулното тегло на течното вещество и други фактори. Вискозитетът на течностите е приблизително 100 пъти по-голям от този на газовете. Точно като газовете, течностите могат да дифундират, но много по-бавно, тъй като течните частици са опаковани по-плътно една до друга от газовите частици.

Едно от най-интересните свойства на течното състояние, което не е характерно нито за газове, нито за твърди вещества, е повърхностно напрежение .

Молекула, разположена в течен обем, се въздейства равномерно от междумолекулни сили от всички страни. На повърхността на течността обаче балансът на тези сили се нарушава, в резултат на което повърхностните молекули са под въздействието на някаква резултатна сила, която е насочена вътре в течността. Поради тази причина повърхността на течността е в състояние на напрежение. Повърхностното напрежение е минималната сила, която задържа частиците течност вътре и по този начин предотвратява свиването на повърхността на течността.

Строеж и свойства на твърдите тела

Повечето известни вещества, както естествени, така и изкуствени, са в твърдо състояние при нормални условия. От всички съединения, известни днес, около 95% са твърди вещества, които са станали важни, защото са в основата не само на структурни, но и на функционални материали.

• Строителните материали са твърди вещества или техни състави, които се използват за производството на инструменти, битови предмети и различни други конструкции.
• Функционалните материали са твърди вещества, чиято употреба се определя от наличието на определени полезни свойства в тях.

Например стоманата, алуминият, бетонът и керамиката принадлежат към структурните материали, докато полупроводниците и фосфорът принадлежат към функционалните материали.

В твърдо състояние разстоянията между частиците на веществото са малки и имат същия порядък като самите частици. Енергиите на взаимодействие между тях са доста високи, което пречи на свободното движение на частиците - те могат да осцилират само около определени равновесни позиции, например около възлите на кристална решетка. Невъзможността на частиците да се движат свободно води до една от най-характерните особености на твърдите тела – наличието на собствена форма и обем. Свиваемостта на твърдите вещества е много ниска, а плътността е висока и зависи малко от промените в температурата. Всички процеси, протичащи в твърдата материя, протичат бавно. Законите на стехиометрията за твърди вещества имат различен и като правило по-широк смисъл, отколкото за газообразни и течни вещества.

Подробното описание на твърдите вещества е твърде обемно за този материал и затова се обсъжда в отделни статии: и.

Определение 1

Агрегатни състояния на материята(от латински “aggrego” означава “добавям”, “свързвам”) - това са състояния на едно и също вещество в твърда, течна и газообразна форма.

При преминаване от едно състояние в друго се наблюдава рязка промяна в енергията, ентропията, плътността и други свойства на веществото.

Твърди вещества и течности

Твърди вещества- това са тела, които се отличават с постоянството на формата и обема си.

В твърдите вещества междумолекулните разстояния са малки и потенциалната енергия на молекулите може да се сравни с кинетичната енергия.

Твърдите вещества са разделени на 2 вида:

1. кристален;
2. Аморфен.

Само кристалните тела са в състояние на термодинамично равновесие. Аморфните тела са всъщност метастабилни състояния, които са подобни по структура на неравновесни, бавно кристализиращи течности. В аморфното тяло протича изключително бавен процес на кристализация, процес на постепенно превръщане на веществото в кристална фаза. Разликата между кристала и аморфното твърдо тяло е преди всичко анизотропията на неговите свойства. Свойствата на кристалното тяло се определят в зависимост от посоката в пространството. Различни процеси (например топлопроводимост, електрическа проводимост, светлина, звук) се разпространяват в различни посоки на твърдото тяло по различни начини. Но аморфните тела (например стъкло, смоли, пластмаси) са изотропни, като течностите. Единствената разлика между аморфните тела и течностите е, че последните са течни и в тях не възникват статични деформации на срязване.

Кристалните тела имат правилна молекулна структура. Благодарение на правилната структура кристалът има анизотропни свойства. Правилното подреждане на атомите в кристал създава това, което се нарича кристална решетка. В различни посоки разположението на атомите в решетката е различно, което води до анизотропия. Атомите (йони или цели молекули) в кристалната решетка претърпяват произволно осцилаторно движение близо до средни позиции, които се считат за възли на кристалната решетка. Колкото по-висока е температурата, толкова по-висока е енергията на вибрациите и следователно средната амплитуда на вибрациите. В зависимост от амплитудата на трептенията се определя размерът на кристала. Увеличаването на амплитудата на вибрациите води до увеличаване на размера на тялото. Това обяснява термичното разширение на твърдите тела.

Определение 3

Течни тела- това са тела, които имат определен обем, но нямат еластична форма.

Веществото в течно състояние се характеризира със силни междумолекулни взаимодействия и ниска свиваемост. Течността заема междинно положение между твърдо вещество и газ. Течностите, подобно на газовете, имат изотропни свойства. Освен това течността има свойството течливост. В него, както и в газовете, няма тангенциално напрежение (напрежение на срязване) на телата. Течностите са тежки, т.е. тяхното специфично тегло може да се сравни със специфичното тегло на твърдите вещества. Близо до температурите на кристализация, техният топлинен капацитет и други топлинни свойства са близки до съответните свойства на твърдите тела. В течностите подреждането на атомите се наблюдава до определена степен, но само в малки области. Тук атомите също претърпяват вибрационно движение в близост до възлите на квазикристалната клетка, но за разлика от атомите в твърдо тяло, те периодично прескачат от един възел в друг. В резултат на това движението на атомите ще бъде много сложно: осцилаторно, но в същото време центърът на трептенията се движи в пространството.

Газ- Това е състояние на материята, при което разстоянията между молекулите са огромни.

Силите на взаимодействие между молекулите при ниско налягане могат да бъдат пренебрегнати. Газовите частици запълват целия предвиден за газ обем. Газовете се считат за силно прегряти или ненаситени пари. Специален вид газ е плазмата (частично или напълно йонизиран газ, в който плътностите на положителните и отрицателните заряди са почти еднакви). Тоест плазмата е газ от заредени частици, които взаимодействат помежду си с помощта на електрически сили на голямо разстояние, но нямат частици на близко и далечно разстояние.

Както е известно, веществата са способни да преминават от едно агрегатно състояние в друго.

Определение 5

Изпарениее процес на промяна на състоянието на агрегация на вещество, при което молекули излитат от повърхността на течност или твърдо вещество, чиято кинетична енергия трансформира потенциалната енергия на взаимодействие на молекулите.

Изпарението е фазов преход. Изпарението превръща част от течност или твърдо вещество в пара.

Определение 6

Вещество в газообразно състояние, което е в динамично равновесие с течност, се нарича наситено ферибот. В този случай промяната във вътрешната енергия на тялото е равна на:

∆ U = ± m r (1) ,

където m е масата на тялото, r е специфичната топлина на изпаряване (J l / k g).

Определение 7

Кондензацияе процес, обратен на изпаряването.

Промяната във вътрешната енергия се изчислява по формула (1).

Определение 8

Топенее процес на превръщане на вещество от твърдо състояние в течност, процес на промяна на агрегатното състояние на вещество.

Когато веществото се нагрява, неговата вътрешна енергия се увеличава, следователно скоростта на топлинно движение на молекулите се увеличава. Когато дадено вещество достигне своята точка на топене, кристалната решетка на твърдото вещество се разрушава. Връзките между частиците също се разрушават и енергията на взаимодействие между частиците се увеличава. Топлината, която се предава на тялото, отива за увеличаване на вътрешната енергия на това тяло и част от енергията се изразходва за извършване на работа за промяна на обема на тялото, когато се топи. За много кристални тела обемът се увеличава при топене, но има изключения (например лед, чугун). Аморфните тела нямат определена точка на топене. Топенето е фазов преход, който се характеризира с рязка промяна на топлинния капацитет при температурата на топене. Точката на топене зависи от веществото и остава постоянна през целия процес. Тогава промяната във вътрешната енергия на тялото е равна на:

∆ U = ± m λ (2) ,

където λ е специфичната топлина на топене (J l/k g).

Определение 9

Кристализацияе обратният процес на топене.

Промяната във вътрешната енергия се изчислява по формула (2).

Промяната във вътрешната енергия на всяко тяло от системата при нагряване или охлаждане се изчислява по формулата:

∆ U = m c ∆ T (3) ,

където c е специфичният топлинен капацитет на веществото, J k g K, △ T е промяната в телесната температура.

Определение 10

Когато се разглеждат превръщанията на веществата от едно агрегатно състояние в друго, не може да се мине без т.нар. уравнения на топлинния баланс: общото количество топлина, отделена в топлоизолирана система, е равно на количеството топлина (общо), което се абсорбира в тази система.

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

По същество уравнението на топлинния баланс е законът за запазване на енергията за процесите на топлообмен в топлоизолирани системи.

Пример 1

Термично изолиран съд съдържа вода и лед с температура t i = 0 °C. Масата на водата m υ и леда m i са съответно равни на 0, 5 kg и 60 g. Водна пара с маса m p = 10 g се въвежда във водата при температура t p = 100 ° C. Каква ще бъде температурата на водата в съда след установяване на топлинно равновесие? В този случай не е необходимо да се взема предвид топлинният капацитет на съда.

Снимка 1

Решение

Нека определим какви процеси протичат в системата, какви състояния на материята сме наблюдавали и какво сме получили.

Водната пара кондензира, отделяйки топлина.

Топлинната енергия се използва за топене на леда и може би за загряване на съществуващата вода и водата, получена от леда.

Първо, нека проверим колко топлина се отделя, когато съществуващата маса пара кондензира:

Q p = - r m p ; Q p = 2,26 10 6 10 - 2 = 2,26 10 4 (D w),

тук от референтни материали имаме r = 2,26 · 10 6 J k g - специфичната топлина на изпаряване (използвана също и за кондензация).

За да разтопите лед, ще ви трябва следното количество топлина:

Q i = λ m i Q i = 6 10 - 2 3, 3 10 5 ≈ 2 10 4 (D g),

тук от референтни материали имаме λ = 3, 3 · 10 5 J k g - специфичната топлина на топене на леда.

Оказва се, че парата отделя повече топлина, отколкото е необходимо само за разтопяване на съществуващия лед, което означава, че записваме уравнението на топлинния баланс, както следва:

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

Топлината се отделя, когато пара с маса m p кондензира и водата, образувана от пара, се охлади от температура T p до желаната T . Топлината се абсорбира чрез топене на лед с маса m i и нагряване на вода с маса m υ + m i от температура T i до T. Нека обозначим T - T i = ∆ T за разликата T p - T, която получаваме:

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

Уравнението на топлинния баланс ще изглежда така:

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 .

Нека направим изчисления, като вземем предвид факта, че топлинният капацитет на водата е табличен

c = 4, 2 10 3 J k g K, T p = t p + 273 = 373 K, T i = t i + 273 = 273 K: ∆ T = 2, 26 10 6 10 - 2 + 4, 2 10 3 10 - 2 10 2 - 6 10 - 2 3, 3 10 5 4, 2 10 3 5, 7 10 - 1 ≈ 3 (K),

тогава T = 273 + 3 = 276 K

Отговор:Температурата на водата в съда след установяване на топлинно равновесие ще бъде 276 K.

Пример 2

Фигура 2 показва част от изотермата, която съответства на прехода на веществото от кристално към течно състояние. Какво съответства на тази област на диаграмата p, T?

рисуване 2

Отговор:Целият набор от състояния, които са изобразени в диаграмата p, V чрез хоризонтален сегмент на линията в диаграмата p, T, е показан с една точка, която определя стойностите на p и T, при които трансформацията от едно състояние на агрегиране на друг се случва.

Ако забележите грешка в текста, моля, маркирайте я и натиснете Ctrl+Enter

Състоянието на агрегиране на веществото обикновено се нарича способността му да поддържа своята форма и обем. Допълнителна характеристика са методите за преход на вещество от едно агрегатно състояние в друго. Въз основа на това се разграничават три агрегатни състояния: твърдо, течно и газообразно. Техните видими свойства са:

Здравото тяло запазва както формата, така и обема. Може да премине или в течност чрез топене, или директно в газ чрез сублимация.
- Течност – запазва обем, но не и форма, тоест има течливост. Разлятата течност има тенденция да се разпространява безкрайно върху повърхността, върху която е излята. Една течност може да се превърне в твърдо вещество чрез кристализация, а газ чрез изпаряване.
- Газ – не запазва нито форма, нито обем. Газът извън всеки контейнер има тенденция да се разширява неограничено във всички посоки. Само гравитацията може да му попречи да направи това, поради което земната атмосфера не се разсейва в космоса. Газът преминава в течност чрез кондензация и директно в твърдо вещество чрез утаяване.

Фазови преходи

Преходът на вещество от едно състояние на агрегиране в друго се нарича фазов преход, тъй като научното състояние на агрегиране е фазата на материята. Например, водата може да съществува в твърда фаза (лед), течна (обикновена вода) и газообразна фаза (водна пара).

Примерът с водата също е добре показан. Окачен в двора, за да изсъхне в мразовит, безветрен ден, той веднага замръзва, но след известно време се оказва сух: ледът сублимира, директно се превръща във водна пара.

По правило фазовият преход от твърдо към течност и газ изисква нагряване, но температурата на средата не се повишава: топлинната енергия се изразходва за разрушаване на вътрешни връзки в веществото. Това е така наречената латентна топлина. При обратни фазови преходи (кондензация, кристализация) тази топлина се отделя.

Ето защо изгарянията с пара са толкова опасни. Когато попадне върху кожата, се кондензира. Скритата топлина на изпарение/кондензация на водата е много висока: водата в това отношение е аномално вещество; Ето защо животът на Земята е възможен. При изгаряне с пара, латентната топлина на кондензация на водата „попарва“ изгорената зона много дълбоко и последствията от изгаряне с пара са много по-тежки, отколкото от пламък върху същата област на тялото.

Псевдофази

Течливостта на течната фаза на дадено вещество се определя от неговия вискозитет, а вискозитетът се определя от естеството на вътрешните връзки, които се обсъждат в следващия раздел. Вискозитетът на течността може да бъде много висок и такава течност може да тече незабелязано от окото.

Класически пример е стъклото. Това не е твърдо вещество, а много вискозна течност. Моля, обърнете внимание, че стъклените листове в складовете никога не се съхраняват подпряни диагонално на стената. До няколко дни те ще се огънат под собствената си тежест и ще станат негодни за консумация.

Други псевдо-твърди вещества са лак за обувки и строителна смола. Ако забравите ъгловата част на покрива, през лятото тя ще се разтече на торта и ще залепне за основата. Псевдотвърдите тела могат да бъдат разграничени от истинските по естеството на топене: истинските с него или запазват формата си, докато незабавно се разпространят (запояват), или плуват, освобождавайки локви и потоци (лед). И много вискозните течности постепенно омекотяват, като смола или битум.

Пластмасите са изключително вискозни течности, чиято течливост не се забелязва в продължение на много години и десетилетия. Тяхната висока способност за запазване на формата се осигурява от огромното молекулно тегло на полимерите, много хиляди и милиони водородни атоми.

Фазова структура на материята

В газовата фаза молекулите или атомите на едно вещество са много далеч една от друга, многократно по-голямо от разстоянието между тях. Те взаимодействат помежду си от време на време и нередовно, само по време на сблъсъци. Самото взаимодействие е еластично: те се сблъскаха като твърди топки и веднага се разпръснаха.

В течността молекулите/атомите непрекъснато се „усещат“ поради много слаби връзки от химическо естество. Тези връзки се прекъсват през цялото време и веднага се възстановяват отново; молекулите на течността непрекъснато се движат една спрямо друга, поради което течността тече. Но за да го превърнете в газ, трябва да разкъсате всички връзки наведнъж, а това изисква много енергия, поради което течността запазва обема си.

В това отношение водата се различава от другите вещества по това, че нейните молекули в течността са свързани чрез така наречените водородни връзки, които са доста силни. Следователно водата може да бъде течност при нормална за живота температура. Много вещества с молекулно тегло, десетки и стотици пъти по-голямо от това на водата, при нормални условия са газове, като обикновения битов газ.

В твърдото вещество всички негови молекули са здраво закрепени поради силни химични връзки между тях, образуващи кристална решетка. Кристалите с правилна форма изискват специални условия за растежа си и затова са рядкост в природата. Повечето твърди вещества са конгломерати от малки и миниатюрни кристали – кристалити – плътно свързани от механични и електрически сили.

Ако читателят някога е виждал, например, напукана полуоска на автомобил или чугунена решетка, тогава зърната от кристалити върху скрап се виждат с невъоръжено око. А върху фрагменти от счупен порцелан или фаянс могат да се наблюдават под лупа.

плазма

Физиците идентифицират и четвърто състояние на материята – плазма. В плазмата електроните се отделят от атомните ядра и тя е смес от електрически заредени частици. Плазмата може да бъде много плътна. Например един кубичен сантиметър плазма от вътрешността на звездите – белите джуджета – тежи десетки и стотици тонове.

Плазмата е изолирана в отделно агрегатно състояние, тъй като активно взаимодейства с електромагнитните полета поради факта, че нейните частици са заредени. В свободното пространство плазмата има тенденция да се разширява, охлажда се и се превръща в газ. Но под въздействието може да запази формата и обема си извън съда, като твърдо тяло. Това свойство на плазмата се използва в термоядрени енергийни реактори - прототипи на електроцентрали на бъдещето.

Агрегатно състояние- това е състоянието на веществото в определен диапазон от температури и налягания, характеризиращо се със свойства: способността (твърдо) или неспособността (течност, газ) да поддържа обем и форма; наличието или отсъствието на далечен (твърд) или близък (течен) ред и други свойства.

Веществото може да бъде в три агрегатни състояния: твърдо, течно или газообразно; понастоящем се разграничава допълнително плазмено (йонно) състояние.

IN газообразенВ това състояние разстоянието между атомите и молекулите на веществото е голямо, силите на взаимодействие са малки и частиците, движещи се хаотично в пространството, имат голяма кинетична енергия, която надвишава потенциалната. Материалът в газообразно състояние няма нито собствена форма, нито обем. Газът запълва цялото налично пространство. Това състояние е типично за вещества с ниска плътност.

IN течностсъстояние се запазва само редът на атомите или молекулите с малък обхват, когато в обема на веществото периодично се появяват отделни области с подредено разположение на атомите, но взаимната ориентация на тези области също отсъства. Близкият ред е нестабилен и под въздействието на топлинните вибрации на атомите може или да изчезне, или да се появи отново. Молекулите на течността нямат определена позиция и в същото време нямат пълна свобода на движение. Материалът в течно състояние няма собствена форма, той запазва само обема си. Течността може да заема само част от обема на съда, но да тече свободно по цялата повърхност на съда. Течното състояние обикновено се счита за междинно между твърдо вещество и газ.

IN твърдВ едно вещество разположението на атомите става строго определено, естествено подредено, силите на взаимодействие между частиците взаимно се балансират, така че телата запазват своята форма и обем. Правилното подреждане на атомите в пространството характеризира кристалното състояние; атомите образуват кристална решетка.

Твърдите вещества имат аморфна или кристална структура. За аморфентелата се характеризират само с близък ред в разположението на атомите или молекулите, хаотично разположение на атоми, молекули или йони в пространството. Примери за аморфни тела са стъкло, смола, вар, които на външен вид са в твърдо състояние, въпреки че всъщност текат бавно, като течност. Аморфните тела, за разлика от кристалните, нямат определена точка на топене. Аморфните твърди вещества заемат междинно положение между кристалните твърди вещества и течностите.

Повечето твърди вещества имат кристаленструктура, характеризираща се с подреденото разположение на атомите или молекулите в пространството. Кристалната структура се характеризира с далечен ред, когато елементите на структурата се повтарят периодично; при ред на къси разстояния няма такова правилно повторение. Характерна особеност на кристалното тяло е способността да поддържа формата си. Знак на идеален кристал, чийто модел е пространствена решетка, е свойството на симетрия. Симетрията се отнася до теоретичната способност на кристалната решетка на твърдо тяло да се подравнява със себе си, когато неговите точки са огледални от определена равнина, наречена равнина на симетрия. Симетрията на външната форма отразява симетрията на вътрешната структура на кристала. Например, всички метали имат кристална структура и се характеризират с два вида симетрия: кубична и шестоъгълна.

В аморфни структури с неподредено разпределение на атомите свойствата на веществото в различни посоки са еднакви, т.е. стъкловидните (аморфни) вещества са изотропни.

Всички кристали се характеризират с анизотропия. В кристалите разстоянията между атомите са подредени, но в различни посоки степента на подреждане може да не е еднаква, което води до различия в свойствата на кристалното вещество в различни посоки. Зависимостта на свойствата на кристалното вещество от посоката в неговата решетка се нарича анизотропияИмоти. Анизотропията се проявява при измерване както на физични, така и на механични и други характеристики. Има свойства (плътност, топлинен капацитет), които не зависят от посоката в кристала. Повечето от характеристиките зависят от избора на посока.

Възможно е да се измерват свойствата на обекти, които имат определен материален обем: размери - от няколко милиметра до десетки сантиметри. Тези обекти със структура, идентична на кристалната клетка, се наричат ​​монокристали.

Анизотропията на свойствата се проявява в единични кристали и практически липсва в поликристално вещество, състоящо се от множество малки произволно ориентирани кристали. Следователно поликристалните вещества се наричат ​​квазиизотропни.

Кристализацията на полимери, чиито молекули могат да бъдат подредени по подреден начин с образуването на надмолекулни структури под формата на пакети, спирали (глобули), фибрили и др., Протича в определен температурен диапазон. Сложната структура на молекулите и техните агрегати определя специфичното поведение на полимерите при нагряване. Те не могат да преминат в течно състояние с нисък вискозитет и нямат газообразно състояние. В твърда форма полимерите могат да бъдат в стъкловидно, силно еластично и вискозно състояние. Полимерите с линейни или разклонени молекули могат да преминават от едно състояние в друго при промяна на температурата, което се проявява в процеса на деформация на полимера. На фиг. Фигура 9 показва зависимостта на деформацията от температурата.

Ориз. 9 Термомеханична крива на аморфен полимер: T° С , T T, T p - съответно температури на встъкляване, течливост и начало на химичното разлагане; I - III - зони съответно на стъкловидно, високоеластично и вискозно състояние на потока; Δ л- деформация.

Пространствената структура на разположението на молекулите определя само стъкловидното състояние на полимера. При ниски температури всички полимери се деформират еластично (фиг. 9, зона I). Над температурата на встъкляване T c аморфен полимер с линейна структура преминава в силно еластично състояние ( зона II), а деформацията му в стъкловидно и силно еластично състояние е обратима. Нагряване над точката на течливост T t прехвърля полимера в състояние на вискозен поток ( зона III). Деформацията на полимер в състояние на вискозен поток е необратима. Аморфен полимер с пространствена (мрежова, напречно свързана) структура няма състояние на вискозен поток; температурната област на силно еластичното състояние се разширява до температурата на разлагане на полимера TР. Това поведение е типично за материали като гума.

Температурата на веществото във всяко състояние на агрегиране характеризира средната кинетична енергия на неговите частици (атоми и молекули). Тези частици в телата притежават главно кинетичната енергия на вибрационни движения спрямо центъра на равновесие, където енергията е минимална. Когато се достигне определена критична температура, твърдият материал губи своята здравина (стабилност) и се стопява, а течността се превръща в пара: кипи и се изпарява. Тези критични температури са точките на топене и кипене.

Когато кристален материал се нагрее до определена температура, молекулите се движат толкова енергично, че твърдите връзки в полимера се разкъсват и кристалите се разрушават – преминават в течно състояние. Температурата, при която кристалите и течността са в равновесие, се нарича точка на топене на кристала или точка на втвърдяване на течността. За йода тази температура е 114 o C.

Всеки химичен елемент има индивидуална точка на топене T pl, разделящ съществуването на твърдо вещество и течност и точката на кипене T kip, съответстващ на прехода на течност в газ. При тези температури веществата са в термодинамично равновесие. Промяната в агрегатното състояние може да бъде придружена от рязка промяна в свободната енергия, ентропията, плътността и др. физични величини.

За да опишем различните състояния в физиката използва по-широка концепциятермодинамична фаза. Явленията, които описват преходи от една фаза към друга, се наричат ​​критични.

При нагряване веществата претърпяват фазови трансформации. Когато медта се разтопи (1083 o C), тя се превръща в течност, в която атомите имат само близък ред. При налягане от 1 atm медта кипи при 2310 o C и се превръща в газообразна мед с хаотично подредени медни атоми. В точката на топене наляганията на наситените пари на кристала и течността са равни.

Материалът като цяло е система.

Система- група от комбинирани вещества физически,химични или механични взаимодействия. Фазанаречена хомогенна част от система, отделена от другите части физически интерфейсни граници (в чугун: графит + железни зърна; във вода с лед: лед + вода).Компонентисистеми са различните фази, които изграждат дадена система. Системни компоненти- това са веществата, които образуват всички фази (компоненти) на дадена система.

Материали, състоящи се от две или повече фази са разпръснатосистеми Дисперсните системи се делят на золи, чието поведение наподобява поведението на течности, и гелове с характерните свойства на твърди вещества. В золите дисперсионната среда, в която се разпределя веществото, е течна, в геловете преобладава твърдата фаза. Геловете са полукристален метал, бетон, разтвор на желатин във вода при ниски температури (при високи температури желатинът се превръща в зол). Хидрозолът е дисперсия във вода, а аерозолът е дисперсия във въздуха.

Диаграми на състоянието.

В една термодинамична система всяка фаза се характеризира с параметри като температура T, концентрация си натиск Р. За описание на фазовите трансформации се използва една единствена енергийна характеристика - свободната енергия на Гибс ΔG(термодинамичен потенциал).

Термодинамиката при описание на трансформациите е ограничена до разглеждане на равновесното състояние. Равновесно състояниетермодинамичната система се характеризира с неизменност на термодинамичните параметри (температура и концентрация, тъй като при технологични обработки Р= const) във времето и липсата на потоци енергия и материя в него – при постоянни външни условия. Фазово равновесие- равновесното състояние на термодинамична система, състояща се от две или повече фази.

За да се опишат математически условията на равновесие на една система, има фазово правило, извлечен от Гибс. Той свързва броя на фазите (F) и компонентите (K) в една равновесна система с променливостта на системата, т.е. броя на термодинамичните степени на свобода (C).

Броят на термодинамичните степени на свобода (вариация) на една система е броят на независимите променливи, както вътрешни (химичен състав на фазите), така и външни (температура), на които могат да бъдат дадени различни произволни (в определен диапазон) стойности така че да не се появяват нови фази и да не изчезват стари фази .

Уравнение на фазовото правило на Гибс:

C = K - F + 1.

В съответствие с това правило в система от два компонента (K = 2) са възможни следните степени на свобода:

За еднофазно състояние (F = 1) C = 2, т.е. можете да промените температурата и концентрацията;

За двуфазно състояние (F = 2) C = 1, т.е. може да се промени само един външен параметър (например температура);

За трифазно състояние броят на степените на свобода е нула, т.е. температурата не може да се промени, без да се наруши равновесието в системата (системата е инвариантна).

Например, за чист метал (K = 1) по време на кристализация, когато има две фази (F = 2), броят на степените на свобода е нула. Това означава, че температурата на кристализация не може да се промени, докато процесът не приключи и остане една фаза - твърдият кристал. След края на кристализацията (Ф = 1) броят на степените на свобода е 1, така че можете да промените температурата, т.е. да охладите твърдото вещество, без да нарушавате равновесието.

Поведението на системите в зависимост от температурата и концентрацията се описва с фазова диаграма. Фазовата диаграма на водата е система с един компонент H 2 O, следователно най-големият брой фази, които могат едновременно да бъдат в равновесие, е три (фиг. 10). Тези три фази са течност, лед, пара. Броят на степените на свобода в този случай е нула, т.е. Нито налягането, нито температурата могат да се променят, без някоя от фазите да изчезне. Обикновен лед, течна вода и водна пара могат да съществуват в равновесие едновременно само при налягане от 0,61 kPa и температура от 0,0075 ° C. Точката, в която съществуват три фази, се нарича тройна точка ( О).

Извивка операционна системаразделя парната и течната област и представлява зависимостта на налягането на наситените водни пари от температурата. Кривата OS показва онези взаимосвързани стойности на температурата и налягането, при които течната вода и водната пара са в равновесие помежду си, поради което се нарича крива на равновесие течност-пара или крива на кипене.

Фигура 10 Диаграма на състоянието на водата

Извивка ОВразделя течната област от ледената област. Това е кривата на равновесие твърдо-течно и се нарича крива на топене. Тази крива показва онези взаимосвързани двойки стойности на температура и налягане, при които ледът и течната вода са в равновесие.

Извивка О.А.наречена крива на сублимация и показва взаимосвързаните двойки стойности на налягане и температура, при които ледът и водната пара са в равновесие.

Фазовата диаграма е визуален начин за представяне на областите на съществуване на различни фази в зависимост от външни условия, като налягане и температура. Диаграмите на състоянието се използват активно в материалознанието на различни технологични етапи от производството на продукта.

Течността се различава от кристално твърдо вещество чрез ниски стойности на вискозитет (вътрешно триене на молекулите) и високи стойности на течливост (реципрочна стойност на вискозитета). Течността се състои от множество агрегати от молекули, в които частиците са подредени в определен ред, подобен на реда в кристалите. Естеството на структурните единици и взаимодействията между частиците определя свойствата на течността. Има течности: едноатомни (втечнени благородни газове), молекулярни (вода), йонни (разтопени соли), метални (разтопени метали), течни полупроводници. В повечето случаи течността е не само агрегатно състояние, но и термодинамична (течна) фаза.

Течните вещества най-често са разтвори. Решениехомогенно, но не химически чисто вещество, се състои от разтворено вещество и разтворител (примери за разтворител са вода или органични разтворители: дихлоретан, алкохол, тетрахлорметан и др.), следователно е смес от вещества. Пример е разтвор на алкохол във вода. Разтворите обаче са и смеси от газообразни (например въздух) или твърди (метални сплави) вещества.

При охлаждане при условия на ниска скорост на образуване на кристализационни центрове и силно увеличение на вискозитета може да възникне стъкловидно състояние. Стъклата са изотропни твърди материали, получени чрез преохлаждане на разтопени неорганични и органични съединения.

Има много известни вещества, чийто преход от кристално състояние към изотропна течност става чрез междинно течнокристално състояние. Характерно е за вещества, чиито молекули имат формата на дълги пръчици (пръчици) с асиметрична структура. Такива фазови преходи, придружени от топлинни ефекти, причиняват резки промени в механичните, оптичните, диелектричните и други свойства.

Течни кристали, като течност, могат да приемат формата на удължена капка или формата на съд, имат висока течливост и са способни да се сливат. Те се използват широко в различни области на науката и технологиите. Техните оптични свойства са силно зависими от малки промени във външните условия. Тази функция се използва в електрооптични устройства. По-специално течните кристали се използват в производството на електронни ръчни часовници, визуално оборудване и др.

Основните състояния на агрегиране включват плазма- частично или напълно йонизиран газ. Въз основа на метода на образуване се разграничават два вида плазма: термична, която възниква при нагряване на газа до високи температури, и газообразна, която се образува при електрически разряди в газова среда.

Плазмохимичните процеси заемат силно място в редица отрасли на технологията. Те се използват за рязане и заваряване на огнеупорни метали, синтез на различни вещества, широко се използват плазмени източници на светлина, използването на плазма в термоядрени електроцентрали е обещаващо и др.