Агрегатні стани речовин та їхня зміна

Як відомо, багато речовин у природі можуть знаходитися в трьох станах: твердому, рідкому і газоподібному.

Сильніше всього проявляється взаємодія частинок речовини в твердому стані. Відстань між молекулами приблизно дорівнює їх власним розмірами. Це призводить до досить сильному взаємодії, що практично позбавляє частки можливості рухатися: вони коливаються близько деякого положення рівноваги. Вони зберігають форму і об'єм.

Властивості рідин також пояснюються їх будовою. Частинки речовини в рідинах взаємодіють менш інтенсивно, ніж у твердих тілах, і тому можуть стрибками змінювати своє місце розташування - рідини не зберігають свою форму - вони текучі.

Газ є збори молекул, безладно рухаються по всіх напрямках незалежно один від одного. Гази не мають власної форми, займають весь наданий їм об'єм і легко стискуються.

Існує ще один стан речовини - плазма.

Метою даної роботи є - розглянути існуючі агрегатні стани речовини, виявити всі їхні переваги і недоліки.

Для цього необхідно виконати і розглянути наступні агрегатні сотояния:

газ

рідини

тверді речовини

плазма

Агрегатний стан речовини - газ

Гази (французьке gaz; назву запропоновано голланскім вченим Я. Б. Гельмонтом), агрегатний стан речовини, в якому його частки не пов'язані або дуже слабко пов'язані силами взаємодії і рухаються вільно, заповнюючи весь наданий їм об'єм. Речовина в газоподібному стані широко поширене в природі. Гази утворюють атмосферу Землі, в значних кількостях містяться в твердих породах земних, розчинені у воді океанів, морів і річок. Сонце, зірки, хмари міжзоряного речовини складаються з газів - нейтральних або іонізованних (плазми). Зустрічаються в природних умовах гази являють собою, як правило, суміші хімічно індивідуальних газів.

Мають ряд характерних властивостей. Вони повністю заповнюють посудину, в якому знаходяться, і приймають його форму. На відміну від твердих тіл і рідин, об'єм газів істотно залежить від тиску й температури. Коефіцієнт об'ємного розширення газів у звичайних умовах (0-100 ° С) на два порядки вище, ніж у рідин, і становить у середньому 0,003663 град -1.

Будь-яка речовина можна перевести в газоподібний стан належним добором тиску і температури. Тому можливу область існування газоподібного стану графічно зручно зобразити у змінних: тиск - р, температура - Т. При температурах нижче критичної Т до ця область обмежена кривими сублімації (сублімації) / пароутворення. Це означає, що при будь-якому тиску нижче критичного р до існує температура Т, обумовлена ​​кривої сублімації або пароутворення, вище якої речовина стає газоподібним. Газ в цих станах зазвичай називають пором речовини.

При температурах нижче Т к можна сконденсувати гази - перевести його в інший агрегатний стан (тверде або рідке). При цьому фазове перетворення газу в рідину або тверде тіло відбувається стрибкоподібно: дуже мале зміна тиску призводить до кінцевого зміни ряду властивостей речовини (наприклад, щільності, ентальпії, теплоємності та ін.) Процеси конденсації газів, особливо скраплення газів, мають важливе технічне значення.

У зв'язку з тим, що область газового стану дуже обширна, властивості газів при зміні температури і тиску можуть змінюватися в широких межах. Так, в нормальних умовах (при 0 ° С і атмосферному тиску) щільність газів приблизно в 1000 разів менше щільності того ж речовини в твердому або рідкому стані. При кімнатній температурі, але тиску, в 10 17 разів меншим атмосферного (межа, досягнутий сучасної вакуумної технікою), щільність газів становить близько 10 -20 г / см 3. У космічних умовах щільність газів може бути ще на 10 порядків менше (~ 10 - 30 / см 3).

З іншого боку, при високих тисках речовина, яка при надкритичних температурах можна вважати газом, володіє величезною щільністю (наприклад, в центрі деяких зірок ~ 10 9 г / см 3). Залежно від умов в широких межах змінюються й інші властивості газів - теплопровідність, в'язкість і т. д.

Молекулярно-кінетична теорія газів. Молекулярно-кінетична теорія розглядає гази як сукупність слабо взаємодіючих частинок (молекул або атомів), що знаходяться в безперервному хаотичному (тепловому) русі. На основі цих простих уявлень кінетичної теорії вдається пояснити основні фізичні властивості газів, особливо повно - властивості розріджених газів.

У досить розріджених газів середні відстані між молекулами виявляються значно більше радіуса дії міжмолекулярних сил. Так, наприклад, при нормальних умовах в 1см 3 газу знаходиться 19 жовтня молекул і середня відстань між ними складає ~ 10 -6 см.

2. Агрегатний стан речовини - рідина

Рідина, агрегатний стан речовини, проміжне між твердим і газоподібним станами. Ж., зберігаючи окремі риси як твердого тіла, так і газу, має, проте, поряд лише їй властивих особливостей, з яких найбільш характерна - плинність. Подібно до твердого тіла, Ж. зберігає свій об'єм, має вільну поверхню, володіє певною міцністю на розрив при всебічному розтягуванні і т. д. З іншого боку, узята в достатній кількості Ж. приймає форму судини, в якому знаходиться. Принципова можливість безперервного переходу Ж. в газ також свідчить про близькість рідкого і газоподібного станів.

За хімічним складом розрізняють однокомпонентні, або чисті. Ж. і дво-або багатокомпонентні рідкі суміші (розчини). За фізичну природу Ж. діляться на нормальні (звичайні), рідкі кристали з сильно вираженою анізотропією (залежністю властивостей від напрямку) і квантові рідини - рідкі 4 He, 3 He та їх суміші - зі специфічними квантовими властивостями при дуже низьких температурах. Нормальні чисті Ж. мають тільки одну рідку фазу (тобто існує один єдиний вид кожної нормальної Ж.). Гелій 4 He може знаходитися в двох рідких фазах - нормальної й надтекучої, а рідкокристалічні речовини - в нормальній і однієї або навіть двох анізотропних фазах.

Спільним для всіх нормальних Ж., в тому числі і для сумішей, є їх макроскопічну однорідність і изотропность при відсутності зовнішніх впливів. Ці властивості зближують Ж. з газами, але різко відрізняють їх від анізотропних кристалічних твердих тіл. Аморфні тверді тіла (наприклад, скла), з сучасної точки зору, є переохолодженими Ж. і відрізняються від звичайних Ж. тільки чисельними значеннями кінетичних характеристик (істотно більшою в'язкістю та ін.) Область існування нормальної рідкої фази обмежена з боку низьких температур фазовим переходом в твердий стан - кристалізацією або (залежно від величини прикладеного тиску) фазовим переходом в надтекучий стан для 4 He і в рідко-анізотропне стан для рідких кристалів. При тисках нижче критичного тиску р до нормальна рідка фаза обмежена з боку високих температур фазовим переходом в газоподібний стан - випаровуванням. При тисках р>р до фазовий перехід відсутній і за своїми фізичними властивостями Ж. в цій області не відрізняється від щільного газу. Найвища температура T k, при якій ще можливий фазовий перехід Ж. - газ, називається критичною. Значення p k? І T k визначають критичну точку чистої Ж., в якій властивості Ж. і газу стають тотожними. Наявність критичної точки для фазового переходу Ж. - газ дозволяє здійснити безперервний перехід з рідкого стану в газоподібний, минаючи область, де газ і Ж. співіснують. Таким чином, при нагріванні або зменшення щільності властивості Ж. (теплопровідність, в'язкість, Самодифузія та ін), як правило, змінюються у бік зближення з властивостями газів. Поблизу ж температури кристалізації більшість властивостей нормальних Ж. (щільність, стисливість, теплоємність, електропровідність і т. д.) близькі до таких же властивостями відповідних твердих тіл. У табл. наведені значення теплоємності при постійному тиску (С р) ряду речовин в твердому і рідкому станах при температурі кристалізації. Мале відмінність цих теплоємностей показує, що тепловий рух в Ж. і твердих тілах поблизу температури кристалізації має приблизно однаковий характер.

Молекулярна теорія рідини. За своєю природою сили міжмолекулярної взаємодії в Ж. і кристалах однакові і мають приблизно однакові величини. Наявність у Ж. сильного міжмолекулярної взаємодії обумовлює, зокрема, існування поверхневого натягу на межі Ж. з будь-якою ін середовищем. Завдяки поверхневому натягу Ж. прагне прийняти таку форму, при якій її поверхню (при даному обсязі) мінімальна. Невеликі обсяги Ж. мають зазвичай характерну форму краплі. У відсутності зовнішніх сил, коли діють тільки міжмолекулярні сили (наприклад, в умовах невагомості), Ж. набуває форми кулі. Вплив поверхневого натягу на рівновагу і рух вільної поверхні Ж., меж Ж. з твердими тілами або меж між несмешивающимися Ж. відноситься до області капілярних явищ.

3. Агрегатний стан речовини - тверде тіло

Тверде тіло, одне з чотирьох агрегатних станів речовини, що відрізняється від ін агрегатних станів (рідини, газів, плазми) стабільністю форми теплового руху атомів, які роблять малі коливання близько положень рівноваги. Поряд з кристалічним станом Т. т. існує аморфний стан, у тому числі склоподібного стану. Кристали характеризуються далеким порядком в розташуванні атомів. У аморфних тілах дальній порядок відсутній.

Т. т. - основний матеріал, використовуваний людиною. Від крем'яних знарядь неандертальця до сучасних машин і механізмів - у всіх технічних пристосуваннях, створених людиною, використовуються різні властивості Т. т. Якщо на ранніх ступенях розвитку цивілізації використовувалися механічні властивості Т. т., які безпосередньо відчутні людиною (твердість, маса, пластичність, пружність, крихкість і т. п.), і Т. т. застосовувалося лише як конструкційний матеріал, то в сучасному суспільстві використовується величезний арсенал фізичних властивостей Т. т. (електричних, магнітних, теплових та ін), як правило, не доступних безпосередньому людського сприйняття, що виявляються тільки при лабораторних дослідженнях.

Механічні властивості Т. т. (реакції на зовнішні механічні дії - стиснення, розтяг, вигин, удар і т. д.) визначаються силами зв'язку між його структурними частками. Різноманіття цих сил призводить до різноманітності механічних властивостей: одні Т. т. пластичні, інші тендітні. Зазвичай метали, в яких сили зв'язку визначаються колективним дією електронів провідності, більш пластичні, ніж діелектрики; наприклад, деформація Cu при кімнатній температурі у момент розриву досягає декількох десятків%, а NaCI руйнується майже без деформації (крихкість). Механічні характеристики змінюються з температурою, наприклад з підвищенням температури пластичність зазвичай збільшується. У більшості Т. т. реакція на зовнішній механічний вплив залежить від його темпу: крихке при ударі Т. т. може витримати значно більшу статичне навантаження.

При невеликих статичних навантаженнях у всіх Т. т. спостерігається лінійне співвідношення між напругою і деформацією (Гука закон). Така деформація називається пружною. Пружна деформація оборотна: при знятті напруги вона зникає. Для ідеального монокристалу (без дефектів) область оборотної деформації спостерігалася б аж до руйнування, причому межа міцності повинен був би відповідати силам зв'язку між атомами. При великих навантаженнях реакція реального Т. т. істотно залежить від дефектності зразка (від наявності або відсутності дислокацій, від розмірів кристалічних зерен і т. п.) - руйнування починається в самих слабких місцях. Дислокація - найбільш рухливий дефект кристалу, тому саме дислокації в більшості випадків визначають його пластичність. Поява (народження) і переміщення дислокації - елементарні акти пластичності.

Теплові властивості Т. т. У більшості Т. т. теплоємність С при кімнатних температурах наближено підпорядковується Дюлонга і Пті закону: З = 3 R кал / моль (R - газова постійна). Закон Дюлонга і Пті - наслідок того, що за теплові властивості Т. т. при високих температурах відповідальні коливальні рухи атомів, що підкоряються закону равнораспределенія (середня енергія, що припадає на одну коливальну ступінь свободи, дорівнює kT). Спостережувані при високих температурах відхилення від закону Дюлонга і Пті пояснюються підвищенням ролі Слонімського коливань. Зниження температури призводить до зменшення теплоємності; завдяки квантовому "заморожування" середня енергія коливання Ek, обумовлена ​​виразом:, менше kT. При самих низьких температурах частина теплоємності, обумовлена ​​коливаннями решітки, С ~ T 3. Коливальна частина теплоємності Т. т. може бути представлена як теплоємність газу фононів.

Теплопровідність залежить від типу Т. т. Метали мають значно більшу теплопровідність, ніж діелектрики, що пов'язано з участю електронів провідності в перенесенні тепла (див. нижче). Теплопровідність - структурно чутливе властивість. Коефіцієнт теплопровідності залежить від кристалічного стану (моно-або полікристали), наявності або відсутності дефектів і т. п. Явище теплопровідності зручно описувати, використовуючи концепцію квазічастинок. Всі квазічастинки (насамперед фонони) переносять тепло, причому, згідно з кінетичної теорії газів, внесок кожного з газів квазічастинок у коефіцієнт теплопровідності можна записати у вигляді:, де g - чисельний множник, С - теплоємність,? - Середня теплова швидкість, l - довжина вільного пробігу квазічастинок. Величина l визначається розсіюванням квазічастинок, яке в разі фонон-фононних зіткнень - наслідок ангармонійності коливань.

4. Четвертий стан речовини - плазма

Плазма (від грец. Plásma - виліплене, оформлене), частково або повністю іонізованний газ, в якому щільності позитивних і негативних зарядів практично однакові. При досить сильному нагріванні будь-яка речовина випаровується, перетворюючись на газ. Якщо збільшувати температуру і далі, різко посилиться процес термічної іонізації, тобто молекули газу почнуть розпадатися на складові їх атоми, які потім перетворюються в іони. Іонізація газу, крім того, може бути викликана його взаємодією з електромагнітним випромінюванням (фотоіонізація) або бомбардуванням газу зарядженими частинками.

Вільні заряджені частинки - особливо електрони - легко переміщуються під дією електричного поля. Тому в стані рівноваги просторові заряди входять до складу П. негативних електронів і позитивних іонів повинні компенсувати один одного так, щоб повне поле всередині П. було дорівнює нулю. Саме звідси випливає необхідність практично точного рівності густин електронів та іонів у П. - її "квазінейтральності". Порушення квазінейтральності в обсязі, що займається П., веде до негайного появі сильних електричних полів просторових зарядів, тут же відновлюють квазінейтральності. Ступенем іонізації П. a називається відношення числа іонізованих атомів до повного їх числа в одиниці об'єму П. Залежно від величини a говорять про слабо, сильно і повністю іонізованої П.

Термін "Плазма" у фізиці був введений в 1923 американським вченими І. Ленгмюром і Л. Тонксом, які проводили зондові вимірювання (див. нижче) параметрів низькотемпературної газорозрядної П. Кінетика П. розглядалася в роботах Л. Д. Ландау в 1936 і 1946 і А. А. Власова у 1938. У 1942 Х. Альфвен запропонував рівняння магнітної гідродинаміки для пояснення ряду явищ в космічній П. У 1950 І. Є. Тамм і А. Д. Сахаров, а також американський фізик Л. Спіцер запропонували ідею магнітної термоізоляції П. для здійснення УТС. У 50-70-і рр.. 20 в. вивчення П. стимулювався різними практичними застосуваннями П., розвитком астрофізики і космофізики (спостереження космічної П. та пояснення процесів в ній) і фізики верхньої атмосфери Землі - особливо у зв'язку з польотами космічних літальних апаратів, а також інтенсифікацією досліджень з проблеми УТС.

У різкому відміну властивостей П. від властивостей нейтральних газів визначальну роль відіграють два чинники. По-перше, взаємодія частинок П. між собою характеризується кулоновскими силами тяжіння і відштовхування, що зменшуються з відстанню набагато повільніше (тобто значно більше "дальнодіючих"), ніж сили взаємодії нейтральних частинок. З цієї причини взаємодія частинок в П. є, строго кажучи, не "парним", а "колективним" - одночасно взаємодіє один з одним велика кількість частинок. По-друге, електричні і магнітні поля дуже сильно діють на П. (у той час як вони досить слабо діють на нейтральні гази), викликаючи появу в П. об'ємних зарядів і струмів та обумовлюючи цілий ряд специфічних властивостей П. Ці відмінності дозволяють розглядати П. як особливе, четвертий стан речовини.

П. називається ідеальною, якщо потенційна енергія взаємодії частинок мала в порівнянні з їх тепловою енергією. Ця умова виконується, коли число часток у сфері радіуса D велике: N D = (4 / 3) p D 3 n>> 1. У блискавки Т ~ 2 х 10 4 До, n ~ 2,5 × 10 19 (щільність повітря) і, отже, D ~ 10 -7 см, але N D ~ 1 / 10 Таку П. називають слабонеідеальной.

Висновок

Підіб'ємо підсумки виконаної роботи:

Гази - агрегатний стан речовини, в якому його частки не пов'язані або дуже слабко пов'язані силами взаємодії і рухаються вільно, заповнюючи весь наданий їм об'єм. Речовина в газоподібному стані широко поширене в природі. Гази утворюють атмосферу Землі, в значних кількостях містяться в твердих породах земних, розчинені у воді океанів, морів і річок.

Рідина - агрегатний стан речовини, проміжне між твердим і газоподібним станами. Ж., зберігаючи окремі риси як твердого тіла, так і газу, має, проте, поряд лише їй властивих особливостей, з яких найбільш характерна - плинність. Подібно до твердого тіла, Ж. зберігає свій об'єм, має вільну поверхню, володіє певною міцністю на розрив при всебічному розтягуванні і т. д.

Тверде тіло - одне з чотирьох агрегатних станів речовини, що відрізняється від ін агрегатних станів стабільністю форми теплового руху атомів, які роблять малі коливання близько положень рівноваги. Кристали характеризуються далеким порядком в розташуванні атомів. У аморфних тілах дальній порядок відсутній.

Плазма - частково або повністю іонізованний газ, в якому щільності позитивних і негативних зарядів практично однакові. При досить сильному нагріванні будь-яка речовина випаровується, перетворюючись на газ. Якщо збільшувати температуру і далі, різко посилиться процес термічної іонізації, тобто молекули газу почнуть розпадатися на складові їх атоми, які потім перетворюються в іони.