Як визначити агрегатний стан речовини? Агрегатні стани речовини
Агрегатний стан- стан речовини, що характеризується певними якісними властивостями: здатністю або нездатністю зберігати обсяг і форму, наявністю чи відсутністю далекого та ближнього порядку та іншими. Зміна агрегатного стану може супроводжуватися стрибкоподібною зміною вільної енергії, ентропії, щільності та інших основних фізичних властивостей.
Виділяють три основні агрегатні стани: тверде тіло, рідина та газ. Іноді не зовсім коректно до агрегатних станів зараховують плазму. Існують і інші агрегатні стани, наприклад рідкі кристали або конденсат Бозе - Ейнштейна. Зміни агрегатного стану це термодинамічні процеси, які називаються фазовими переходами. Вирізняють такі їх різновиди: з твердого в рідке - плавлення; з рідкого в газоподібне - випаровування та кипіння; з твердого до газоподібного - сублімація; з газоподібного в рідке або тверде – конденсація; з рідкого в тверде – кристалізація. Відмінною особливістює відсутність різкої межі переходу до плазмового стану.
Визначення агрегатних станів який завжди є строгими. Так, існують аморфні тіла, що зберігають структуру рідини і мають невелику плинність і здатність зберігати форму; рідкі кристали текучи, але при цьому мають деякі властивості твердих тіл, зокрема, можуть поляризувати те, що проходить через них електромагнітне випромінювання. Для опису різних станів у фізиці використовується ширше поняття термодинамічної фази. Явища, що описують переходи від однієї фази в іншу, називають критичними явищами.
Агрегатний стан речовини залежить від фізичних умов, у яких вона знаходиться, головним чином від температури та від тиску. Визначальною величиною є відношення середньої потенційної енергії взаємодії молекул до їхньої середньої кінетичної енергії. Так, для твердого тіла це відношення більше 1, для газів менше 1, а для рідин приблизно дорівнює 1. Перехід з одного агрегатного стану речовини в інше супроводжується стрибкоподібною зміною величини даного відношення, пов'язаною зі стрибкоподібною зміною міжмолекулярних відстаней і міжмолекулярних взаємодій. У газах міжмолекулярні відстані великі, молекули майже взаємодіють друг з одним і рухаються практично вільно, заповнюючи весь обсяг. У рідинах і твердих тілах -конденсованих середовищах - молекули (атоми) розташовані значно ближче другдо друга та взаємодіють сильніше.
Це призводить до збереження рідинами та твердими тілами свого об'єму. Однак, характер руху молекул у твердих тілах та рідинах різний, чим і пояснюється відмінність їх структури та властивостей.
У твердих тіл у кристалоподібному стані атоми здійснюють лише коливання поблизу вузлів кристалічних ґрат; структура цих тіл характеризується високим ступенемупорядкованості - далеким та ближнім порядком. Тепловий рух молекул (атомів) рідини є поєднанням малих коливань біля положень рівноваги і частих перескоків з одного положення рівноваги в інше. Останні і зумовлюють існування в рідинах лише близького порядку розташування частинок, а також властиві їм рухливість і плинність.
а. Тверде тіло- стан, що характеризується здатністю зберігати обсяг та форму. Атоми твердого тіла здійснюють лише невеликі коливання довкола стану рівноваги. Є як далекий, і ближній порядок.
б. Рідина- стан речовини, при якому вона має малу стисливість, тобто добре зберігає об'єм, проте не здатна зберігати форму. Рідина легко набуває форми судини, в яку вона поміщена. Атоми чи молекули рідини здійснюють коливання поблизу стану рівноваги, замкнені іншими атомами, і часто перескакують інші вільні місця. Є лише ближній порядок.
Плавлення- це перехід речовини з твердого агрегатного стану (див. Агрегатні стани речовини) в рідкий. Цей процес відбувається при нагріванні, коли тілу повідомляють кілька теплоти +Q. Наприклад, легкоплавкий метал свинець переходить із твердого стану в рідкий, якщо його нагріти до температури 327 С. Свинець запросто плавиться на газовій плитінаприклад у ложці з нержавіючої сталі (відомо, що температура полум'я газового пальника- 600-850 ° С, а температура плавлення сталі - 1300-1500 ° С).
Якщо, плавлячи свинець, вимірювати його температуру, можна виявити, що спочатку вона плавно зростає, але після деякого моменту залишається постійною, незважаючи на подальше нагрівання. Цей момент відповідає плавленню. Температура тримається постійної до того часу, поки весь свинець не розплавиться, і тільки після цього починає підвищуватися знову. При охолодженні рідкого свинцю спостерігається зворотна картина: температура падає до початку затвердіння і залишається постійної постійно, поки свинець не перейде у тверду фазу, та був знову знижується.
Аналогічно поводяться всі чисті речовини. Постійність температури при плавленні має велику практичне значення, оскільки дозволяє градуювати термометри, виготовляти плавкі запобіжники та індикатори, які розплавляються за заданої температури.
Атоми в кристалі коливаються біля положень рівноваги. З підвищенням температури амплітуда коливань зростає і досягає деякої критичної величини, після чого кристалічні грати руйнуються. Для цього потрібна додаткова теплова енергіяТому в процесі плавлення температура не підвищується, хоча тепло продовжує надходити.
Температура плавлення залежить від тиску. Для речовин, у яких обсяг під час плавлення зростає (а таких переважна більшість), підвищення тиску підвищує температуру плавлення і навпаки. У води обсяг при плавленні зменшується (тому, замерзаючи, вода розриває труби), і за підвищення тиску лід плавиться за нижчої температури. Аналогічним чином поводяться вісмут, галій та деякі марки чавунів.
в. Газ- стан, що характеризується гарною стисливістю, відсутністю здатності зберігати як обсяг, і форму. Газ прагне зайняти весь обсяг, наданий йому. Атоми або молекули газу поводяться відносно вільно, відстані між ними набагато більші від їх розмірів.
Плазма, що часто зараховується до агрегатних станів речовини, відрізняється від газу великим ступенем іонізації атомів. Більшість баріонної речовини (за масою близько 99,9 %) у Всесвіті перебуває у стані плазми.
м. З верхкритичний флюїд- Виникає при одночасному підвищенні температури та тиску до критичної точки, в якій щільність газу порівнюється із щільністю рідини; при цьому зникає межа між рідкою та газоподібною фазами. Надкритичний флюїд відрізняється виключно високою здатністю, що розчиняє.
буд. Конденсат Бозе – Ейнштейна- Виходить в результаті охолодження бозе-газу до температур, близьких до абсолютного нуля. В результаті цього частина атомів виявляється у стані зі строго нульовою енергією (тобто в нижчому з можливих квантовому стані). Конденсат Бозе - Ейнштейна виявляє низку квантових властивостей, таких як надплинність та резонанс Фішбаха.
е. Ферміонний конденсат- являє собою Бозе-конденсацію в режимі БКШ «атомних куперівських пар» у газах, що складаються з атомів-ферміонів. (На відміну від традиційного режиму бозе-ейнштейнівської конденсації складових бозонів).
Такі ферміонні атомні конденсати є «родичами» надпровідників, але з критичною температурою кімнатної і вище.
Вироджена матерія - Фермі-газ 1-ша стадія Електронно-вироджений газ, що спостерігається в білих карликах, відіграє важливу роль в еволюції зірок. 2-я стадія нейтронний стан у нього речовина переходить при надвисокому тиску, недосяжному поки що в лабораторії, але існуючому всередині нейтронних зірок. При переході в нейтронний стан електрони речовини взаємодіють із протонами і перетворюються на нейтрони. В результаті речовина в нейтронному стані повністю складається з нейтронів і має щільність порядку ядерної. Температура речовини при цьому не повинна бути надто високою (в енергетичному еквіваленті не більше сотні МеВ).
При сильному підвищенні температури (сотні МеВ і вище) у нейтронному стані починають народжуватися та анігілювати різноманітні мезони. При подальшому підвищенні температури відбувається деконфайнмент, і речовина перетворюється на стан кварк-глюонної плазми. Воно складається вже не з адронів, а з кварків і глюонів, що постійно народжуються і зникають. Можливо, деконфайнмент відбувається у два етапи.
При подальшому необмеженому підвищенні тиску без підвищення температури речовина колапсує в чорну дірку.
При одночасному підвищенні тиску і температури до кварків і глюонів додаються інші частинки. Що відбувається з речовиною, простором та часом при температурах, близьких до планківської, поки що невідомо.
Інші стани
При глибокому охолодженні деякі (далеко не всі) речовини переходять у надпровідний або надплинний стан. Ці стани, безумовно, є окремими термодинамічних фаз, проте їх навряд чи варто називати новими агрегатними станами речовини в силу їх неуніверсальності.
Неоднорідні речовини типу паст, гелів, суспензій, аерозолів і т. д., які за певних умов демонструють властивості як твердих тіл, так і рідин і навіть газів, зазвичай відносять до класу дисперсних матеріалів, а не до будь-яких конкретних агрегатних станів речовини .
Залежно від температури та тиску будь-яка речовина здатна приймати різні агрегатні стани. Кожен такий стан характеризується певними якісними властивостями, які залишаються незмінними у межах температур та тисків, необхідних даного агрегатного стану.
До характерних властивостей агрегатних станів можна віднести, наприклад, здатність тіла, що знаходиться у твердому стані, зберігати свою форму, або навпаки – здатність рідкого тіла змінювати форму. Однак, іноді межі між різними станами речовини досить розмиті, як у випадках із рідкими кристалами, або так званими « аморфними тілами», які можуть бути пружними як тверді тіла та текучими як рідини.
Перехід між агрегатними станами може відбуватися з виділенням вільної енергії, зміною густини, ентропії або інших фізичних величин. Перехід від одного агрегатного стану до іншого називається фазовим переходом, а явища, що супроводжують такі переходи – критичними явищами.
Список відомих агрегатних станів
Тверде тіло |
||
|---|---|---|
Тверді тіла, атоми чи молекули яких утворюють кристалічну решітку. |
||
Тверді тіла, атоми чи молекули яких утворюють кристалічні грати. |
||
Мезофаза |
||
Рідкий кристал – це такий фазовий стан, під час якого речовина одночасно має як властивості рідин, так і властивості кристалів. |
||
Рідина |
||
Стан речовини при температурах, вище температури плавлення та нижче температури кипіння. |
||
Рідина, температура якої перевищує температуру кипіння. |
||
Рідина, температура якої менша за температуру кристалізації. |
||
Стан рідкої речовини при негативному тиску, що викликається силами Ван-дер-Ваальса (силами тяжіння між молекулами). |
||
Стан рідини при температурі вище критичної точки. |
||
Рідина, на властивості якої впливають квантові ефекти. |
||
Стан речовини, що має дуже слабкі зв'язки між молекулами чи атомами. Не піддається математичному опису ідеального газу. |
||
Газ, на властивості якого впливають квантові ефекти. |
||
Агрегатний стан, представлений набором окремих заряджених частинок, сумарний заряд яких у будь-якому обсязі системи дорівнює нулю. |
||
Стан речовини, при якому вона являє собою набір глюонів, кварків та антикварків. |
||
Короткочасний стан, під час якого глюоні силові полянатягуються між ядрами. Передує кварк-глюонної плазми. |
||
Квантовий газ |
||
Газ, що з ферміонів, на властивості якого впливають квантові ефекти. |
||
Газ, що з бозонів, на властивості якого впливають квантові ефекти. |
||
Усім, я думаю, відомо 3 основні агрегатні стани речовини: рідкий, твердий і газоподібний. Ми стикаємося з цими станами речовини щодня та всюди. Найчастіше їх розглядають на прикладі води. Рідкий стан води є найбільш звичним для нас. Ми постійно п'ємо рідку воду, вона тече у нас із крана, та й самі ми на 70% складаємось із рідкої води. Другий агрегатний стан води - це звичайний лід, який взимку ми бачимо на вулиці. У газоподібному вигляді воду теж легко зустріти в повсякденному житті. У газоподібному стані вода - це, всім нам відомий, пара. Його можна побачити, коли ми, наприклад, кип'ятимо чайник. Так, саме при 100 градусах вода переходить із рідкого стануу газоподібне.
Це три звичні для нас агрегатні стани речовини. Але чи знаєте ви, що їх насправді 4? Я думаю, хоч раз кожен чув слово « плазма». А сьогодні я хочу, щоб ви ще й дізналися більше про плазму — четвертий агрегатний стан речовини.
Плазма - це частково чи повністю іонізований газз однаковою щільністю, як позитивних, і негативних зарядів. Плазму можна отримати з газу - з 3 агрегатного стану речовини шляхом сильного нагрівання. Агрегатний стан взагалі, по суті, залежить від температури. Перший агрегатний стан - це найбільша низька температура, при якій тіло зберігає твердість, другий агрегатний стан - це температура при якій тіло починає плавитися і ставати рідким, третій агрегатний стан - це найбільш висока температура, при ній речовина стає газом. У кожного тіла, речовини температура переходу від одного агрегатного стан до іншого зовсім різна, у когось нижче, у когось вище, але у всіх строго в такій послідовності. А за якої ж температури речовина стає плазмою? Якщо цей четвертий стан, значить, температура переходу до нього вища, ніж у кожного попереднього. І це справді так. Для того, щоб іонізувати газ, потрібна дуже висока температура. Найнижча і низькоіонізована (близько 1%) плазма характеризується температурою до 100 тисяч градусів. У земних умовах таку плазму можна спостерігати як блискавок. Температура каналу блискавки може перевищувати 30 тисяч градусів, що у 6 разів більше, ніж температура поверхні Сонця. До речі, Сонце і решта зірок — це теж плазма, частіше все-таки високотемпературна. Наука доводить, що близько 99% усієї речовини Всесвіту - це плазма.
На відміну від низькотемпературної, високотемпературна плазма має практично 100% іонізацію та температуру до 100 мільйонів градусів. Це справді зоряна температура. На Землі така плазма зустрічається тільки в одному випадку - для дослідів тер-мо-ядерного синтезу. Кон-тро-лі-ру-е-мая реак-ція досить складна і енер-го-за-тратна, а ось некон-тро-лі-ру-е-мая доста-точно заре-ко-мен-до -вала себе як зброя-жі колос-саль-ної потужності-тер-мо-ядер-на бомба, випробувана-на СРСР 12 серпня-ста 1953 року.
Плазму класифікують не лише за температурою та ступенем іонізації, а й за щільністю, і за квазінейтральністю. Словосполучення щільність плазмизазвичай позначає щільність електронів, Тобто кількість вільних електронів в одиниці об'єму. Ну, з цим, гадаю, все зрозуміло. А ось що таке квазінейтральність знають далеко не всі. Квазінейтральність плазми - це одна з найважливіших її властивостей, що полягає в практично точній рівності щільностей позитивних іонів і електронів, що входять до її складу. Через хорошу електричну провідність плазми поділ позитивних і негативних зарядів неможливий на відстанях великих дебаївської довжини і часах великих періоду плазмових коливань. Майже вся плазма квазінейтральна. Прикладом неквазінейтральної плазми пучок електронів. Однак щільність ненейтральних плазм має бути дуже мала, інакше вони швидко розпадуться за рахунок кулонівського відштовхування.
Ми дуже мало розглянули земних прикладів плазми. Адже їх досить багато. Людина навчилася застосовувати плазму собі на благо. Бла-го-даря чет-вер-тому агре-гат-ному стану реч-ства ми можемо користуватися газо-роз-ряд-ними лам-пами, пла-мен-ними теле-ви- зо-рами, дуго-вий елек-тро-зваркою, лазерами. Звичайні газо-розрядні лампи денного світла - це теж плазма. Існує в нашому світі також плазмова лампа. Її переважно використовують у науці, щоб вивчити, а головне — побачити деякі з найскладніших плазмових явищ, включаючи філаментацію. Фотографію такої лампи можна побачити на малюнку нижче:
Крім побутових плазмових приладів, Землі так само часто можна бачити природну плазму. Про один із її прикладів ми вже говорили. Це блискавка. Але крім блискавок плазмовими явищами можна назвати північне сяйво, "вогні святого Ельма", іоносферу Землі і, звичайно, вогонь.
Зверніть увагу, і вогонь, і блискавка, і інші прояви плазми, як ми це називаємо, горять. Чим зумовлене таке яскраве випромінювання світла плазмою? Світіння плазми обумовлено переходом електронів із високоенергетичного стану в стан з низькою енергією післярекомбінації з іонами. Цей процес призводить до випромінювання зі спектром, що відповідає збуджуваного газу. Саме тому плазма світиться.
Хотілося б трохи розповісти про історію плазми. Адже колись плазмою називалися лише такі речовини, як рідка складова молока та безбарвна складова крові. Все змінилося 1879 року. Саме того року знаменитий англійський учений Вільям Крукс, досліджуючи електричну провідністьу газах, що відкрив явище плазми. Щоправда, назвали цей стан речовини плазмою лише 1928. І це зробив Ірвінг Ленгмюр.
На закінчення хочу сказати, що таке цікаве та загадкове явище, як кульова блискавка, про яку я не раз писала на цьому сайті, це, звичайно ж, теж плазмойд, як і звичайна блискавка. Це, мабуть, найнезвичайніший плазмойд із усіх земних плазмових явищ. Адже існує близько 400 різних теорій на рахунок кульової блискавки, але не одна з них не була визнана воістину правильною. У лабораторних умовах схожі, але короткочасні явища вдалося отримати кількома. різними способамиТак що питання про природу кульової блискавки залишається відкритим.
Звичайну плазму, звісно, теж створювали у лабораторіях. Колись це було складним, але зараз подібний експеримент не складає особливих труднощів. Якщо плазма міцно увійшла до нашого побутового арсеналу, то і в лабораторіях над нею чимало експериментують.
Найцікавішим відкриттям у галузі плазми стали експерименти з плазмою у невагомості. Виявляється, у вакуумі плазма кристалізується. Це відбувається так: заряджені частинки плазми починають відштовхуватися один від одного, і, коли у них є обмежений об'єм, вони займають той простір, який їм відведено, розбігаючись у різні боки. Це дуже схоже на кристалічні ґрати. Чи не означає це, що плазма є замикаючою ланкою між першим агрегатним станом речовини та третім? Адже вона стає плазмою завдяки іонізації газу, а у вакуумі плазма знову стає як би твердою. Але це лише моє припущення.
Кристаліки плазми в космосі мають також досить дивну структуру. Цю структуру можна спостерігати і вивчати лише у космосі, у справжньому космічному вакуумі. Навіть якщо створити вакуум на Землі і помістити туди плазму, то гравітація просто стискатиме всю «картину», що утворюється всередині. У космосі кристали плазми просто злітають, утворюючи об'ємну тривимірну структуру дивної форми. Після відправлення результатів спостереження за плазмою на орбіті земним ученим, з'ясувалося, що завихрення у плазмі дивним чином повторюють структуру нашої галактики. А це означає, що у майбутньому можна буде зрозуміти, як зародилася наша галактика шляхом вивчення плазми. Нижче на фотографіях показана та сама кристалізована плазма.
Це все, що мені хотілося б сказати на тему плазми. Сподіваюся, вона вас зацікавила та здивувала. Адже це воістину дивовижне явище, а точніше стан - 4 агрегатний стан речовини.
У повсякденній практиці доводиться мати справу не окремо з індивідуальними атомами, молекулами та іонами, а з реальними речовинами – сукупністю великої кількостічастинок. Залежно від характеру їхньої взаємодії розрізняють чотири види агрегатного стану: твердий, рідкий, газоподібний та плазмовий. Речовина може перетворюватися з одного агрегатного стану на інший в результаті відповідного фазового переходу.
Перебування речовини в тому чи іншому агрегатному стані обумовлено силами, що діють між частинками, відстанню між ними та особливостями їхнього руху. Кожен агрегатний стан характеризується сукупністю певних властивостей.
Властивості речовин, залежно від агрегатного стану:
| стан | властивість |
| газоподібне |
|
| рідке |
|
| тверде |
|
Відповідно до ступеня упорядкованості в системі для кожного агрегатного стану характерне власне співвідношення між кінетичною та потенційною енергіями частинок. У твердих тілах потенційна переважає над кінетичною, тому що частинки займають певні положення і лише вагаються навколо них. Для газів спостерігається зворотне співвідношення між потенційною та кінетичною енергіями, як наслідок того, що молекули газу завжди хаотично рухаються, а сили зчеплення між ними майже відсутні, тому газ займає весь об'єм. У разі рідин кінетична та потенційна енергії частинок приблизно однакові, між частинками діє нежорсткий зв'язок, тому рідинам притаманні плинність і постійний при даній обсяг.
Коли частинки речовини утворюють правильну геометричну структуру, а енергія зв'язків між ними більше енергії теплових коливань, що запобігає руйнуванню структури, що склалася — отже, речовина знаходиться в твердому стані. Але, починаючи з деякої температури, енергія теплових коливань перевищує енергію зв'язків між частинками. При цьому частинки, хоч і залишаються в контакті, переміщуються одна щодо одної. В результаті геометрична структура порушується і речовина перетворюється на рідкий стан. Якщо теплові коливання настільки зростають, що між частинками практично втрачається зв'язок, речовина набуває газоподібного стану. В «ідеальному» газі частки вільно переміщуються у всіх напрямках.
При підвищенні температури речовина переходить з упорядкованого стану (твердий) в неупорядкований стан (газоподібний) рідкий стан є проміжним за впорядкованістю частинок.
Четвертим агрегатним станом називають плазму - газ, що складається з суміші нейтральних та іонізованих частинок та електронів. Плазма утворюється при надвисоких температурах (105-1070С) за рахунок значної енергії зіткнення частинок, які мають максимальну невпорядкованість руху. Обов'язковою ознакою плазми, як і інших станів речовини є її електронейтральність. Але внаслідок невпорядкованості руху частинок у плазмі можуть виникати окремі заряджені мікрозони, завдяки чому вона стає джерелом електромагнітного випромінювання. У плазмовому стані існує речовина на , зірках, інших космічних об'єктах, а також при термоядерних процесах.
Кожен агрегатний стан визначається, насамперед, інтервалом температур та тисків, тому для наочної кількісної характеристики використовують фазову діаграму речовини, яка показує залежність агрегатного стану від тиску та температури.
Діаграма стану речовини з кривими фазових переходів: 1 – плавлення-кристалізації, 2 – кипіння-конденсації, 3 – сублімації-десублімації
Діаграма стану складається з трьох основних областей, які відповідають кристалічному, рідкому та газоподібному станам. Окремі області поділяються кривими, що відбивають фазові переходи:
- твердого стану в рідкий і, навпаки, рідкого в твердий (крива плавлення-кристалізації - пунктирний зелений графік)
- рідкого в газоподібне та зворотного перетворення газу в рідину (крива кипіння-конденсації - синій графік)
- твердого стану в газоподібний та газоподібний у твердий (крива сублімації-десублімації — червоний графік).
Координати перетину цих кривих називаються потрійною точкою, в якій в умовах певного тиску Р=Р і певної температури Т=T речовина може співіснувати відразу в трьох агрегатних станах, причому рідкий і твердий стан мають однаковий тиск пари. Координати Р і Т — це єдині значення тиску і температури, при яких можуть одночасно співіснувати всі три фази.
Точці К на фазовій діаграмі стану відповідає температура Т к - так звана критична температура, при якій кінетична енергія частинок перевищує енергію їх взаємодії і тому стирається грань поділу між рідкою та газовою фазами, а речовина існує в газоподібному стані за будь-яким тиском.
З аналізу фазової діаграми випливає, що при високому тиску, більшому ніж у потрійній точці (Р в), нагрівання твердої речовини закінчується його плавленням, наприклад, при Р 1 плавлення відбувається в точці d. Подальше підвищення від Т d до Т е призводить до кипіння речовини при даному тиску Р 1 . При тиску Р 2 меншому, ніж тиск у потрійній точці Р в, нагрівання речовини призводить до його переходу безпосередньо з кристалічного в газоподібний стан (точка q), тобто до сублімації. Для більшості речовин тиск у потрійній точці нижчий, ніж тиск насиченої пари (Р в
Р насич.пара, тому при нагріванні кристалів таких речовин вони не плавляться, а випаровуються, тобто піддаються сублімації. Наприклад, так поводяться кристали йоду або «сухий лід» (твердий СО 2).
Аналіз діаграми стану речовини Газоподібний стан
За нормальних умов (273 К, 101325 Па) у газоподібному стані можуть перебувати як прості речовини, молекули яких складаються з одного (Не, Ne, Ar) або з декількох нескладних атомів (Н 2 , N 2 , O 2), так і складні речовини з малою молярною масою (СН 4 HCl, C 2 H 6).
Оскільки кінетична енергія частинок газу перевищує їхню потенційну енергію, то молекули в газоподібному стані безперервно хаотично рухаються. Завдяки великим відстаням між частинками сили міжмолекулярної взаємодії в газах настільки незначні, що їх не вистачає для залучення частинок одна до одної та утримання їх разом. Саме з цієї причини гази не мають власної форми і характеризуються малою щільністю та високою здатністю до стиснення та розширення. Тому газ постійно тисне на стінки судини, в якій він знаходиться, однаково у всіх напрямках.
Для вивчення взаємозв'язку між найважливішими параметрами газу (тиск Р, температура Т, кількість речовини n, молярна маса М, маса m) використовується найпростіша модель газоподібного стану речовини ідеальний газ, що базується на таких припущеннях:
- взаємодію між частинками газу можна знехтувати;
- самі частки є матеріальними точками, які мають власного розміру.
Найбільш загальним рівнянням, що описує модель ідеального газу, вважається рівняння Менделєєва-Клапейронадля одного моля речовини:
Однак поведінка реального газу відрізняється, як правило, від ідеального. Це пояснюється, по-перше, тим, що між молекулами реального газу все ж таки діють незначні сили взаємного тяжіння, які до певної міри стискають газ. З огляду на це загальний тиск газу зростає на величину a/V 2яка враховує додатковий внутрішній тиск, зумовлений взаємним тяжінням молекул. В результаті загальний тиск газу виражається сумою Р+ а/V 2. По-друге, молекули реального газу мають хоч і малий, але цілком певний обсяг b тому дійсний обсяг всього газу в просторі становить V - b . При підстановці розглянутих значень рівняння Менделєєва-Клапейрона отримуємо рівняння стану реального газу, що називається рівнянням Ван-дер-Ваальса:
де а і b - Емпіричні коефіцієнти, які визначаються на практиці для кожного реального газу. Встановлено, що коефіцієнт a має велику величину для газів, які легко зріджуються (наприклад, 2, NH 3), а коефіцієнт b навпаки, тим вище за величиною, чим більше розміри мають молекули газу (наприклад, газоподібні вуглеводні).
Рівняння Ван-дер-Ваальса набагато точніше описує поведінку реального газу, ніж рівняння Менделєєва-Клапейрона, яке завдяки наочному фізичному змісту широко використовується в практичних розрахунках. Хоча ідеальний стан газу є граничним, уявним випадком, проте простота законів, які йому відповідають, можливість їх застосування для опису властивостей багатьох газів в умовах низьких тисків та високих температур робить модель ідеального газу дуже зручною.
Рідкий стан речовини
Рідкий стан будь-якої конкретної речовини термодинамічно стійким у певному інтервалі температур і тисків, характерних для природи (складу) даної речовини. Верхня температурна межа рідкого стану - температура кипіння, вище за яку речовина в умовах стійкого тиску знаходиться в газоподібному стані. Нижня межа стійкого стану існування рідини – температура кристалізації (затвердіння). Температури кипіння та кристалізації, виміряні при тиску 101,3 кПа, називаються нормальними.
Для звичайних рідин властива ізотропність - однаковість фізичних властивостей у всіх напрямках усередині речовини. Іноді для ізотропності використовують інші терміни: інваріантність, симетрія щодо вибору напрями.
У формуванні поглядів на природу рідкого стану важливе значення має уявлення про критичний стан, який був відкритий Менделєєвим (1860):
Критичний стан — це рівноважний стан, при якому межа поділу між рідиною та її парою зникає, оскільки рідина та її насичена пара набувають однакових фізичних властивостей.
У критичному стані значення як густин, так і питомих обсягів рідини та її насиченої пари стають однаковими.
Рідкий стан речовини є проміжним між газоподібним та твердим. Деякі властивості наближають рідкий стан до твердого. Якщо для твердих речовин характерна жорстка впорядкованість частинок, яка поширюється на відстань до сотень тисяч міжатомних або міжмолекулярних радіусів, то в рідкому стані спостерігається, як правило, не більше кількох десятків упорядкованих частинок. Пояснюється це тим, що впорядкованість між частинками у різних місцях рідкої речовини швидко виникає, і так само швидко знову розмивається тепловим коливанням частинок. Разом з тим загальна густина «упаковки» частинок мало відрізняється від твердої речовини, тому густина рідин не сильно відрізняється від густини більшості твердих тіл. До того ж здатність рідин до стиснення майже така ж мала, що й у твердих тіл (приблизно в 20 000 разів менше, ніж у газів).
Структурний аналіз підтвердив, що у рідинах спостерігається так званий ближній порядок, Що означає, що число найближчих «сусідів» кожної молекули та їх взаємне розташування приблизно однакові по всьому об'єму.
Відносно невелика кількість різних за складом частинок, з'єднаних силами міжмолекулярної взаємодії, називається кластером . Якщо всі частинки в рідині однакові, такий кластер називається асоціатом . Саме в кластерах та асоціатах спостерігається ближній порядок.
Ступінь упорядкованості у різних рідинах залежить від температури. При низьких температурах, що трохи перевищують температуру плавлення, ступінь упорядкованості розміщення часток дуже великий. З підвищенням температури вона зменшується і в міру нагрівання властивості рідини дедалі більше наближаються до властивостей газів, а після досягнення критичної температури різниця між рідким та газоподібним станом зникає.
Близькість рідкого стану до твердого підтверджується значеннями стандартних ентальпій випаровування DН 0 випаровування та плавлення DН 0 плавлення. Нагадаємо, що величина DН 0 випаровування показує кількість теплоти, яка потрібна для перетворення 1 молячи рідини в пару при 101,3 кПа; така ж кількість теплоти витрачається на конденсацію 1 молячи пару в рідину за тих же умов (тобто DН 0 випаровування = DН 0 конденсації). Кількість теплоти, що витрачається на перетворення 1 моля твердої речовини на рідину при 101,3 кПа, називається стандартною ентальпією плавлення; така ж кількість теплоти вивільняється при кристалізації 1 молячи рідини в умовах нормального тиску (DН 0 плавлення = DН 0 кристалізації). Відомо, що DН 0 випаровування<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.
Однак інші важливі властивості рідини більше нагадують властивості газів. Так, подібно до газів, рідини можуть текти — ця властивість називається плинністю . Вони можуть чинити опір течії, тобто їм властива в'язкість . На ці властивості впливають сили тяжіння між молекулами, молекулярна маса рідкої речовини та інші фактори. В'язкість рідин приблизно в 100 разів більша, ніж у газів. Так само, як і гази, рідини здатні дифундувати, але набагато повільніше, оскільки частинки рідини упаковані щільніше, ніж частинки газу.
Однією з найцікавіших властивостей рідкого стану, яка не характерна ні для газів, ні для твердих речовин, є поверхневий натяг .
Схема поверхневого натягу рідини На молекулу, що у обсязі рідини, з усіх боків поступово діють міжмолекулярні сили. Однак на поверхні рідини баланс цих сил порушується, внаслідок чого поверхневі молекули знаходяться під дією деякої результуючої сили, яка спрямована всередину рідини. З цієї причини поверхня рідини перебуває у стані натягу. Поверхневий натяг - це мінімальна сила, яка утримує частинки рідини всередині і тим самим запобігає скороченню поверхні рідини.
Будова та властивості твердих речовин
Більшість відомих речовин як природного, так і штучного походження за звичайних умов перебувають у твердому стані. З усіх відомих на сьогодні сполук близько 95% відносяться до твердих речовин, які набули важливого значення, оскільки є основою не лише конструкційних, а й функціональних матеріалів.
- Конструкційні матеріали - це тверді речовини або їх композиції, які використовуються для виготовлення знарядь праці, предметів побуту та інших конструкцій.
- Функціональні матеріали - це тверді речовини, використання яких обумовлено наявністю в них тих чи інших корисних властивостей.
Наприклад, сталь, алюміній, бетон, кераміка належать до конструкційних матеріалів, а напівпровідники, люмінофори – до функціональних.
У твердому стані відстані між частинками речовини маленькі і мають за величиною такий самий порядок, що й самі частки. Енергії взаємодії між ними досить великі, що запобігає вільному руху частинок — вони можуть лише коливатися щодо певних рівноважних положень, наприклад, навколо вузлів кристалічних ґрат. Нездатність частинок до вільного переміщення призводить до однієї з характерних особливостей твердих речовин - наявність власної форми та обсягу. Здатність до стиснення у твердих речовин дуже незначна, а щільність висока і залежить від зміни температури. Усі процеси, які у твердому речовині, відбуваються повільно. Закони стехіометрії для твердих речовин мають інший і, як правило, більш широкий зміст, ніж для газоподібних та рідких речовин.
Детальний опис твердих речовин занадто об'ємний для цього матеріалу і тому розглядається в окремих статтях: , і .
Будь-яка речовина складається з молекул, яке фізичні властивості залежать від того, яким чином упорядковані молекули і як вони взаємодіють між собою. У звичайному житті ми спостерігаємо три агрегатні стани речовини - твердий, рідкий і газоподібний.
Наприклад, вода може перебувати в твердому (лід), рідкому (вода) та газоподібному (пар) станах.
Газрозширюється, доки заповнить весь відведений йому обсяг. Якщо розглянути газ на молекулярному рівні, ми побачимо молекули, що безладно мечаються і зіштовхуються між собою і зі стінками судини, які, проте, практично не вступають у взаємодію один з одним. Якщо збільшити чи зменшити об'єм судини, молекули поступово перерозподіляться у новому обсязі.
На відміну від газу при заданій температурі займає фіксований об'єм, проте і вона набуває форми судини, що заповнюється - але тільки нижче рівня її поверхні. На молекулярному рівні рідину найпростіше уявити у вигляді молекул-кульок, які хоч і перебувають у тісному контакті один з одним, проте мають свободу перекочуватися один щодо одного, подібно до круглих намистин у банку. Налийте рідину в посудину - і молекули швидко розтечуться і заповнять нижню частину обсягу судини, в результаті рідина набуде її форми, але не пошириться в повному обсязі судини.
Тверде тіломає власну форму, не розтікається за обсягом контейнера
і не набуває його форми. На мікроскопічному рівні атоми прикріплюються один до одного хімічними зв'язками, і їхнє положення одне щодо одного фіксоване. При цьому вони можуть утворювати як жорсткі впорядковані структури - кристалічні решітки, - так і безладне нагромадження - аморфні тіла (саме така структура полімерів, які схожі на переплутані макарони в мисці).
Вище було описано три класичні агрегатні стани речовини. Є, однак, і четвертий стан, які фізики схильні відносити до агрегатних. Це стан плазми. Плазма характеризується частковим чи повним зривом електронів зі своїми атомних орбіт, у своїй самі вільні електрони залишаються всередині речовини.
Зміна агрегатних станів речовини ми можемо спостерігати на власні очі у природі. Вода з поверхні водойм випаровується, і утворюються хмари. Так рідина перетворюється на газ. Взимку вода у водоймах замерзає, переходячи у твердий стан, а навесні знову тане, переходячи назад у рідину. Що відбувається з молекулами речовини під час переходу його з одного стану в інший? Чи змінюються вони? Чи відрізняються, наприклад, молекули льоду від молекул пари? Відповідь однозначна: ні. Молекули залишаються абсолютно тими самими. Змінюється їхня кінетична енергія, а відповідно і властивості речовини.
Енергія молекул пар досить велика, щоб розлітатися в різні сторони, а при охолодженні пар конденсується в рідину, і енергії у молекул все ще достатньо для майже вільного переміщення, але вже недостатньо, щоб відірватися від тяжіння інших молекул і полетіти. При подальшому охолодженні вода замерзає, стаючи твердим тілом, і енергії молекул недостатньо навіть для вільного переміщення всередині тіла. Вони коливаються близько місця, утримувані силами тяжіння інших молекул.