Презентация, доклад на тему изменение агрегатных состояний вещества

Агрегатное состояние химических элементов (2 часть):

31	Галлий	Ga	твердое тело	твердое тело
32	Германий	Ge	твердое тело	твердое тело
33	Мышьяк	As	твердое тело	твердое тело
34	Селен	Se	твердое тело	твердое тело
35	Бром	Br	жидкость	жидкость
36	Криптон	Kr	газ	газ
37	Рубидий	Rb	твердое тело	твердое тело
38	Стронций	Sr	твердое тело	твердое тело
39	Иттрий	Y	твердое тело	твердое тело
40	Цирконий	Zr	твердое тело	твердое тело
41	Ниобий	Nb	твердое тело	твердое тело
42	Молибден	Mo	твердое тело	твердое тело
43	Технеций	Tc	твердое тело	твердое тело
44	Рутений	Ru	твердое тело	твердое тело
45	Родий	Rh	твердое тело	твердое тело
46	Палладий	Pd	твердое тело	твердое тело
47	Серебро	Ag	твердое тело	твердое тело
48	Кадмий	Cd	твердое тело	твердое тело
49	Индий	In	твердое тело	твердое тело
50	Олово	Sn	твердое тело	твердое тело
51	Сурьма	Sb	твердое тело	твердое тело
52	Теллур	Te	твердое тело	твердое тело
53	Йод	I	твердое тело	твердое тело
54	Ксенон	Xe	газ	газ
55	Цезий	Cs	твердое тело	твердое тело
56	Барий	Ba	твердое тело	твердое тело
57	Лантан	La	твердое тело	твердое тело
58	Церий	Ce	твердое тело	твердое тело
59	Празеодим	Pr	твердое тело	твердое тело
60	Неодим	Nd	твердое тело	твердое тело

Газообразное состояние

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

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

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

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

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

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

В сборнике приведены вопросы и задачи различной направленности:расчетные, качественные и графические; технического, практического и исторического характера. Задания распределены по темам в соответствии со структурой учебника «Физика. 9 класс» авторов А. В. Перышкина, Е. М. Гутник и позволяют реализовать требования, заявленные ФГОС к метапредметным, предметным и личностным результатам обучения.

Фазовые переходы: изменение агрегатных состояний вещества

При изменении внешних условий (например, если внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается в результате нагревания или охлаждения) могут происходить фазовые переходы — изменения агрегатных состояний вещества.

Фазовые переходы интересны тем, что все живое не Земле существует лишь благодаря тому, что вода умеет превращаться в лед или пар. С кристаллизацией, плавлением, парообразованием и конденсацией связаны многие процессы металлургии и микроэлектроники.

На схеме — названия всех фазовых переходов:

Переход из твердого состояния в жидкое — плавление;

Переход из жидкого состояния в твердое — кристаллизация;

Переход из газообразного состояния в жидкое — конденсация;

Переход из жидкого состояния в газообразное — парообразование;

Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое — сублимация;

Переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое — десублимация.

График фазовых переходов

Если взять процесс превращения льда в воду, воды — в пар, и обратные действия, то мы получим очень информативный график.

Разбираемся по шагам.

AB — нагревание льда

Сначала взяли лед, конечно, при отрицательной температуре,
потому что при нуле лед начинает плавиться. Нагрели лед до температуры плавления (до 0 градусов Цельсия).

BC — плавление льда

После того, как лед нагрелся до температуры плавления, он начинает плавиться. В точке B это еще лед, а в точке C — уже вода. Плавление происходит при постоянной температуре и тем дольше длится, чем больше масса плавящегося вещества. Еще этот процесс зависит от свойств самого вещества, но об этом немного позже.

CD — нагревание воды

Расплавленное вещество уже в жидком состоянии снова начинает нагреваться, и температура увеличивается, пока не достигает температуры кипения. В данном случае нагревается вода — это значит, что ее температура кипения равна 100 градусам Цельсия.

DE — кипение (парообразование) воды

При 100 градусах вода кипит, пока не выкипит целиком. В данном случае процесс, как и плавление, происходит при постоянной температуре. Но парообразование нельзя путать с испарением, потому что парообразование происходит при конкретной температуре, а испарение — при любой.

EF — нагревание пара

Далее полученный пар нагревается, но путем нагревания невозможно дойти до другого фазового перехода — можно пойти только обратно.

FG — охлаждение пара

Первый шаг в обратную сторону — охлаждение до температуры кипения.

GH — конденсация пара

Дойдя до температуры кипения (в данном случае 100 градусов), пар начинает переходить в жидкое состояние. Этот процесс также происходит при постоянной температуре.

HI — охлаждение воды

Сконденсировавшись, вода охлаждается, пока не начнет замерзать.

IK — кристаллизация воды

Кристаллизуется (замерзает) вода при той же температуре, что и плавится лед — 0 градусов. Кристаллизация также происходит при постоянной температуре.

KL — охлаждение льда

После кристаллизации лед охлаждается.

С нагреванием и охлаждением все совсем просто — мы либо передаем теплоту телу (веществу), и оно идет на увеличение температуры, либо тело отдает тепло и охлаждается.

В остальных процессах температура не меняется. Это связано с тем, что количество теплоты не всегда зависит от температуры. Формулы для всех процессов выглядят так:

Нагревание Q = cm(tконечная − tначальная) Охлаждение Q = cm(tначальная − tконечная) Q — количество теплоты c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг · ˚C] m — масса tконечная — конечная температура tначальная — начальная температура

Плавление Q = λm Кристаллизация Q = −λm Q — количество теплоты λ — удельная теплота плавления вещества [Дж/кг] m — масса

Парообразование Q = Lm Конденсация Q = −Lm Q — количество теплоты L — удельная теплота парообразования вещества [Дж/кг] m — масса

Онлайн-уроки физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

Точка плавления

Физические агрегатные состояния веществ способны переходить с одного вида в другие — из твердых в жидкие, из жидких в газообразные при изменении их температуры. Изменение температуры ведет к увеличению или к уменьшению кинетической энергии. Переход твердого вещества в жидкое называют плавлением.

Границу перехода из твердого состояния в жидкое задает так называемая точка плавления с температурой, способной возбудить кинетическую энергию в частице, которой будет достаточно, чтобы отделиться от своего стационарного положения кристаллической решетки. Чем больше температура, тем больше передаваемая кинетическая энергия частицам элемента. Чем сильнее сила притяжения между частицами, тем больше необходимо создать кинетической энергии для высвобождения частиц из кристаллической решетки.

К примеру, железо необходимо нагреть до 1538 С для того, чтобы оно начало плавиться, а тугоплавкий вольфрам — до 3422 С.

Во время литья расплавленное (раскаленное добела) железо выливается в приготовленную форму.

При температуре ниже 1535 С железо затвердевает, принимая вид литейной формы.

Температура плавления вещества зависит от сил притяжения составляющих его частиц.

Для гелия эти силы настолько малы, что он становится твердым при давлении по крайней мере в 25 раз выше атмосферного.

Агрегатные состояния вещества

Все вещества в зависимости от условий могут находиться в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Различные агрегатные состояния существуют у каждого вещества. Наглядным примером этому служат лёд, вода и водяной пар.

ЧЕМ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ АГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

Вы уже знаете, что молекулы одного и того же вещества в твёрдом, жидком и газообразном состоянии ничем не отличаются друг от друга. То или иное агрегатное состояние определяется взаимным расположением составляющих вещество молекул, а также характером их движения и взаимодействия.

В газах при атмосферном давлении расстояния между молекулами намного больше размера самих молекул. Именно поэтому притяжение между молекулами газа мало. При обычных температурах средняя кинетическая энергия молекул газа вполне достаточна для совершения работы по преодолению сил их взаимного притяжения, поэтому молекулы газа разлетаются, если газ не сдерживают стенки сосуда.

Плотности жидкостей и твёрдых тел во много раз больше плотности газа, а их молекулы расположены гораздо ближе друг к другу. В этом случае сила взаимного притяжения молекул намного больше и средней кинетической энергии молекул уже недостаточно для того, чтобы совершить работу по преодолению сил межмолекулярного притяжения. Это является причиной того, что молекулы в жидкостях и особенно в твёрдых телах не могут значительно удаляться друг от друга.

https://youtube.com/watch?v=okKuP4B1YWw

ПЕРЕХОД ВЕЩЕСТВА ИЗ ОДНОГО АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ

Вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое. Изменение агрегатного состояния вещества всегда связано с выделением или поглощением некоторого количества теплоты.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое используется для решения огромного числа практических задач. Например, в крупных городах используют снегоплавильные машины, для того чтобы грязный снег с улицы отправлять в канализацию и не загрязнять окружающую среду. На тепловых и атомных электростанциях в паровых турбинах применяют водяной пар. Сжиженный газ (фреон) используют в холодильных установках.

Всего различают шесть процессов, при которых происходит переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.

ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Переход вещества из твёрдого состояния в жидкое называется плавлением. В твёрдых телах, в отличие от жидкостей, частицы расположены упорядоченно. Поэтому, для того чтобы перевести частицы из упорядоченного состояния в неупорядоченное, нужно совершить работу по преодолению сил молекулярного притяжения. Внутренняя энергия вещества при этом увеличивается за счёт увеличения энергии взаимодействия молекул. Примерами плавления могут служить таяние льда, плавление металлов в металлургии и пр.

https://youtube.com/watch?v=es5o-C90krY

Обратный процесс, связанный с переходом вещества из жидкого состояния в твёрдое, называется кристаллизацией или отвердеванием. Пример кристаллизации — замерзание воды. Процесс кристаллизации сопровождается уменьшением внутренней энергии вещества за счёт уменьшения энергии взаимодействия молекул.

ПАРООБРАЗОВАНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Пример парообразования — испарение воды.

Обратный процесс, связанный с переходом вещества из газообразного состояния в жидкое, называется конденсацией (от лат. condense — уплотнение, сгущение). Пример конденсации — образование росы.

СУБЛИМАЦИЯ (ВОЗГОНКА) И ДЕСУБЛИМАЦИЯ

Переход вещества из твёрдого состояния в газообразное (минуя жидкое) называется сублимацией (от лат. sublimo — возношу) или возгонкой. Возгонкой объясняются также запахи, которыми обладают многие твёрдые тела. Вылетая из твёрдого тела, молекулы образуют над ним газ (или пар), который и вызывает запах. Например, разные сорта древесины имеют различный запах.

Переход вещества из газообразного состояния в твёрдое (минуя жидкое) называется десублимацией. Пример десублимации — образование на окнах зимой инея, узоров из кристалликов льда. Данный процесс десублимации может осуществляться только на внутренней поверхности оконного стекла, где молекулы паров воды превращаются в кристаллики льда.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Агрегатные состояния вещества».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Просмотров: 7 037

Изменение жидкостей

Жидкости — это тела, занимающие весь объем, в котором находятся, образующие поверхность, но не способные удерживать упругую форму. Для них свойственно сильное межмолекулярное взаимодействие и низкая сжимаемость, что определяет их положение между газообразным и твердым АС. Жидкости изотропны, текучи и обладают удельным весом, сравнимым с тем же показателем у твердых тел.

Правильное расположение внутренних частиц распространяется на небольшие области — они не только колеблются вокруг узлов так называемой квазикристаллической решетки, но и могут перескакивать между ними. Получается сложная траектория — колебания вокруг центра, перемещающегося в пространстве. Этим объясняется текучесть тел в жидком АС. Если понизить температуру до границ кристаллизации, то различные тепловые свойства жидкостей приблизятся к показателям твердых тел.

Процесс парообразования

Некоторые молекулы жидкости могут преодолеть силы поверхностного натяжения и перейти в парообразную форму, чем объясняется явление испарения, происходящее при любой температуре. Когда она повышается, процесс становится интенсивней и распространяется на весь объем. Появляется все больше пузырьков насыщенного пара, прорывающихся из глубины на поверхность.

При температуре кипения, имеющей определенное значение для каждого жидкого тела, давление пара внутри пузырьков превышает атмосферное, и начинается интенсивный переход жидкости в газообразное АС. При пониженном атмосферном давлении температура кипения той же жидкости становится ниже.

Динамическое равновесие

Когда жидкость находится в открытой емкости, то ее количество обязательно уменьшится вследствие испарения. Но если сосуд закрыть, то этого не произойдет. Сначала начнется процесс испарения и продолжится до тех пор, пока число покинувших жидкость молекул не станет равно возвратившимся назад из паров.

Можно сказать, что замкнутая система придет в динамическое (подвижное) равновесие, так как процесс обмена молекул будет продолжаться и дальше, т. е. испарение и конденсация в замкнутой системе происходят одновременно и компенсируют друг друга. Пар, который находится в таком равновесии с соответствующей жидкостью, называется насыщенным. Изменение внутренней энергии вещества определяется по формуле: ΔU = ± mr, где m — масса тела, r — удельная теплота парообразования.

Динамическое равновесие у разных жидкостей наступает при разной плотности пара. Это зависит от силы межмолекулярного взаимодействия. Если они велики как, например, у ртути, то только незначительное число самых быстрых молекул может покидать поверхность жидкости, а равновесие наступает при малой плотности пара. У летучих жидкостей молекулы разлетаются очень быстро, поэтому нужна высокая плотность для наступления равновесия.

Об аморфности твёрдых веществ

ТВ являются аморфными, потому что они, как и кристаллические, способны достаточно долго сохранять форму. Однако через длительное время форма тел, образованная из таких веществ, меняется, что делает их похожими в этом отношении на жидкости. Так, установленная вертикально восковая свеча со временем утолщится в нижней части.

Можно попробовать проделать эту же процедуру с обычной жевательной резинкой или кусочком пластилина. Результат окажется тем же. Размягчение ускоряется пропорционально повышению температуры. Аморфные вещества, в отличие от кристаллических, не обладают определенной температурой плавления.

В аморфных веществах, как и в кристаллах, частицы, из которых они состоят, не распределены по всему объему. Частицы, составляющие аморфное вещество, расположены беспорядочно, и только ближние атомы или соседние молекулы расположены упорядоченно.

Как кусок горной породы, камень преимущественно содержит оксид кремния (IV), обладающий атомной кристаллической решеткой, поэтому он такой твердый. Тем не менее оксид кремния (IV) может быть не только кристаллическим ТВ, но и аморфным.

Существуют ли межмолекулярные взаимодействия в газах?

Газообразное состояние вещества по ряду параметров отличается от жидкого и твердого. Между структурными частицами газов существуют большие промежутки, намного превышающие размеры молекул. При этом силы притяжения совсем не действуют. Газообразное агрегатное состояние характерно для веществ, присутствующих в составе воздуха: азота, кислорода, диоксида углерода. На рисунке ниже первый куб заполнен газом, второй жидкостью, а третий — твердым вещество.

Многие жидкости являются летучими, с их поверхности отрываются и переходят в воздух молекулы вещества. Например, если к отверстию открытой бутылки с соляной кислотой поднести ватку, смоченную в нашатырном спирте, то появляется белый дым. Прямо в воздухе происходит химическая реакция между соляной кислотой и аммиаком, получается хлорид аммония. В каком агрегатном состоянии находится это вещество? Его частички, образующие белый дым, представляют собой мельчайшие твердые кристаллы соли. Этот опыт надо проводить под вытяжкой, вещества являются токсичными.

Испарение и кипение. Удельная теплота парообразования

Испарение — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар). Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое. Испарение (парообразование), переход вещества из конденсированной (твердой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода.

Существует более развёрнутое понятие испарения в высшей физике

Испарение — это процесс, при котором с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом Ek > Eп.

Рисунок 11 — Испарение над кружкой чая

Удельная теплота испарения (парообразования) (L) — физическая величина, показывающая количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества, взятому при температуре кипения, чтобы перевести его из жидкого состояния в газообразное. Удельная теплота испарения измеряется в Дж/кг.

Кипение — процесс парообразования в жидкости (переход вещества из жидкого в газообразное состояние), с возникновением границ разделения фаз. Температура кипения при атмосферном давлении приводится обычно как одна из основных физико-химических характеристик химически чистого вещества.

Кипение является фазовым переходом первого рода. Кипение происходит гораздо более интенсивно, чем испарение с поверхности, из-за образования очагов парообразования, обусловленных как достигнутой температурой кипения, так и наличием примесей.

На процесс образования пузырьков можно влиять с помощью давления, звуковых волн, ионизации. В частности, именно на принципе вскипания микрообъёмов жидкости от ионизации при прохождении заряженных частиц работает пузырьковая камера.

Рисунок 12 — Кипящая вода

Количество теплоты при кипении, испарении жидкости и конденсации пара: Q=mL

Удельной теплотой плавления называют количество теплоты, которое требуется для расплавления одного грамма вещества. Удельная теплота плавления измеряется в джоулях на килограмм и рассчитывается, как частное от деления количества теплоты на массу плавящегося вещества.

Жидкие и твердые тела

Твердыми телами называют те тела, отличительной чертой которого является постоянство объема и формы.

Межмолекулярные расстояния в твердых телах довольно малы, потенциальная энергия молекул аналогична кинетической энергии. Такие тела подразделяют на две разновидности: аморфные и кристаллические. В состоянии термодинамического равновесия могут быть только твердые тела кристаллического типа. Если говорить об аморфных телах, то им свойственно метастабильное состояние — по своему строению они сходны с неравновесными жидкостями, которые долго кристаллизуются. В аморфном теле процесс кристаллизации (постепенный переход в другую фазу) протекает очень медленно. Главное отличное кристаллов от аморфных тел — это анизотропия его свойств. Направление в пространстве оказывает существенное влияние на характеристики кристаллического тела. Такие процессы как электропроводность и теплопроводность, звук и свет, распространяются в разных направлениях в зависимости от твёрдого тела. В случае аморфных тел (пластмассы, смолы и так далее) наблюдается изотропия, аналогичная жидкостям. Единственное их отличие в том, что жидкостям свойственна текучесть и статическая деформация сдвига в них оказывается невозможной.

Для кристаллических тел является характерным правильное молекулярное строение. Именно благодаря этому оказывается возможной анизотропия его характеристик. Правильным образом расположенные атомы кристалла образуют кристаллическую решётку. Расположение атомов в таких решётках может меняться в разных направлениях, что и приводит к анизотропии. Ионы, атомы или даже целые молекулы в такой решётке совершают беспорядочные движения колебательного характера, рассматриваемые в качестве её узлов. Чем большей будет температура, тем большей окажется энергия колебаний и как следствие — возрастёт среднее значение амплитуды колебаний. Размер кристалла находится в зависимости от данных колебаний. Растущая амплитуда колебаний является причиной роста размеров тела. Таким образом, объясняется расширение твёрдых тел под действием тепла.

Жидкими являются те тела, которые обладают конкретным объемом, но при этом лишенные упругости формы.

Жидкостям свойственно сильное межмолекулярное взаимодействие и малая способность изменения объема. Такое состояние является промежуточным между газом и твердым телом. Аналогично газам, жидкости изотропны и не имеют касательных напряжений тел. Помимо этого, им свойственна текучесть. Жидкости характеризуются тяжестью, следовательно, их удельный вес соответствует удельному весу тел, находящихся в твердом состоянии. Вблизи температурных значений кристаллизации их теплоемкость и прочие тепловые показатели находятся довольно близко к аналогичным показателям твёрдых тел.

До определенной степени в жидкостях может быть зафиксировано правильное расположение атомов, но исключительно в малых областях. Тут атомами также совершается движение колебательного типа в районе узлов квазикристаллической ячейки, но они отличаются от атомов твёрдых тел тем, что с той или иной периодичностью перескакивают между узлами. Вследствие этого движение атомов усложняется: оно становится колебательным, но при этом центр колебаний будет перемещаться в пространстве.

Металлы Яна — Теллера

Металлы Яна — Теллера — это новейшее дитя в мире состояний вещества, поскольку ученым удалось успешно создать их впервые лишь в 2015 году. Если эксперименты подтвердятся другими лабораториями, эти металлы могут изменить мир, так как они обладают свойствами как изолятора, так и сверхпроводника.

Ученые во главе с химиком Космасом Прассидесом экспериментировали, вводя рубидий в структуру молекул углерода-60 (в простом народе известных под фуллеренами), что приводило к тому, что фуллерены принимают новую форму. Этот металл назван в честь эффекта Яна — Теллера, который описывает, как давление может изменять геометрическую форму молекул в новых электронных конфигурациях. В химии давление достигается не только за счет сжатия чего-то, но и за счет добавления новых атомов или молекул в ранее существовавшую структуру, изменяя ее основные свойства.

Когда исследовательская группа Прассидеса начала добавлять рубидий в молекулы углерода-60, молекулы углерода изменялись от изоляторов к полупроводникам. Тем не менее из-за эффекта Яна — Теллера молекулы пытались остаться в старой конфигурации, что создавало вещество, которое пыталось быть изолятором, но обладало электрическими свойствами сверхпроводника. Переход между изолятором и сверхпроводником никогда не рассматривался, пока не начались эти эксперименты.

Интересно в металлах Яна — Теллера то, что они становятся сверхпроводниками при высоких температурах (-135 градусов по Цельсию, а не при 243,2 градуса, как обычно). Это приближает их к приемлемым уровням для массового производства и экспериментов. Если все подтвердится, возможно, мы будем на шаг ближе к созданию сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, что, в свою очередь, произведет революцию во многих отраслях нашей жизни.

Как образуются снег и град?

В природе никогда не останавливается процесс круговорота воды. С листьев деревьев и кустарников, травы, почвы, с поверхности рек, озер и морей пар поднимается вверх. Там пар сгущается, из него образуются облака. Густые облака растут в тучи, и в форме дождя, града или снега вода вновь выпадает на землю.

Вода, испаряется всегда, при 100оС кипит, при более высоких температурах существует только как пар.

Обычный пар невиден. Выходящие из чайника светлые клубы – это не пар, а мелкие капельки воды, образованные при попадании невидимых частиц горячего пара в воздух комнаты. Это конденсированный водяной пар, как и туман над полями летним вечером.

                                                                              

Наличие водяного пара в воздухе имеет свой предел. Наступает момент, когда уравнивается количество испарившихся молекул и количество молекул возвращающихся обратно в жидкость. В 1 м3 воздуха может быть 9,5 г пара при 10оС, а при 20оС – не больше 17 г. В таком состоянии воздух считается насыщенным. Если его количество будет больше, наступит перенасыщение воздуха паром и в любой момент пар начнет сгущаться в мелкие водяные капли.

Атмосферный воздух всегда содержит мельчайшие пылинки, кристаллики, которые становятся центрами конденсации, притягивая к себе частицы пара. Пар сгущается вокруг таких центров в виде водяной оболочки, которая выглядит, как капля воды.

Теплый воздух с паром воды, поднимаясь вверх, при охлаждении все больше приближается к насыщенному состоянию. Достигнув холодных температур, пар конденсирует в капли воды, которые образуют нижние слои облаков.

Оставшийся пар вместе с воздухом попадет выше, утягивая за собой часть водяных капель. Там, где атмосфера уже имеет температуру ниже 0оС, эти капли замерзают, образуя градины. Если капли мелкие, застывают они в виде снежинок.

Постепенно градины или снежинки укрупняются за счет прилипания к ним других капель, и наступает момент, когда сила тяжести перебарывает выталкивающую силу воздуха, и выпадает град или снег.

Летом, когда воздух вблизи земли теплый, снежинки при падении успевают растаять, и идет дождь. Зимой и около земли холодно, поэтому снежинки не только не тают, а еще и обрастают новыми кристаллами.

Градины не всегда успевают растаять в воздухе, так как имеют более плотную структуру, чем снежинки. Выпадение града довольно частое явление в летнее время.

На строение снежинок оказывает влияние температура зимнего воздуха.

Тогда снежинки все сильнее обрастают кристаллами, ветвятся. Выпадает снег хлопьями. Воздух холоднее — пара меньше, образуются снежные иголки, пластинки. О таком снегопаде говорят, что снег выпадает «крупой». 

 Снежные хлопья                                                                      «Алмазная пыль» 

При сильных морозах снежинки почти не растут, образуя «алмазную» пыль.

Вот так проявляют себя в природе тепловые процессы парообразования, кристаллизации и плавления.

§ 12. Агрегатные состояния вещества

В зависимости от условий одно и то же вещество может находиться в различных состояниях, например в твёрдом, жидком или газообразном. Наглядным примером этому служат лёд, вода и водяной пар. Эти состояния называют агрегатными состояниями.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое широко используют в практике. В металлургии, например, плавят металлы, чтобы получить из них сплавы: чугун, сталь, бронзу, латунь и др. Пар, полученный из воды при её нагревании, используют на электростанциях в паровых турбинах и для многих других технических целей. Сжиженными газами пользуются в холодильных установках.

В природе изменение агрегатных состояний происходит в широких масштабах. С поверхности океанов, морей, озёр и рек испаряется вода, а при охлаждении водяного пара образуются облака, роса, туман или снег. Реки и озёра зимой замерзают, а весной снег и лёд тают.

Для понимания процессов, происходящих в природе, и умения управлять многими из них необходимо знать, когда, при каких условиях вещество находится в том или ином агрегатном состоянии. Следует изучить свойства каждого из этих состояний, а также знать, при каких условиях происходит переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.

Агрегатные состояния ртути: а — твёрдое (сульфид ртути); б — жидкое; в — газообразное

Мы уже знаем, что молекулы одного и того же вещества в твёрдом, жидком и газообразном состоянии ничем не отличаются друг от друга. То или иное агрегатное состояние вещества определяется расположением, характером движения и взаимодействия молекул.

В газах при атмосферном давлении расстояния между молекулами много больше размера самих молекул. В связи с этим притяжение молекул газа мало. Средняя кинетическая энергия молекул газа вполне достаточна, чтобы совершить работу по преодолению сил молекулярного притяжения. Поэтому, если газу не мешают стенки сосуда, его молекулы разлетаются.

В жидкостях и твёрдых телах, плотность которых во много раз больше плотности газа, молекулы расположены ближе друг к другу. Средняя кинетическая энергия их уже недостаточна для того, чтобы совершить работу по преодолению сил молекулярного притяжения.

Поэтому молекулы в жидкостях и особенно в твёрдых телах не могут далеко удаляться друг от друга.

Вопросы:

1. В каких агрегатных состояниях может находиться одно и то же вещество?

2. Какое практическое значение имеют явления перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое?

3. Чем определяется то или иное агрегатное состояние вещества?

4. Каковы особенности молекулярного строения газов, жидкостей и твёрдых тел?

Предыдущая страницаСледующая страница

Струнные сети

Каким состоянием вещества является космический вакуум? Большинство людей не задумываются об этом, но в последние десять лет Сяо Ган-Вэнь из Массачусетского технологического института и Майкл Левин из Гарварда предложили новое состояние вещества, которое могло бы привести нас к открытию фундаментальных частиц после электрона.

Путь к разработке модели струнно-сетевой жидкости начался в середине 90-х годов, когда группа ученых предложила так называемые квазичастицы, которые, казалось, появились в эксперименте, когда электроны проходили между двумя полупроводниками. Возник переполох, поскольку квазичастицы действовали так, будто бы обладали дробным зарядом, что казалось невозможным для физики того времени. Ученые проанализировали данные и предположили, что электрон является не фундаментальной частицей Вселенной и что существуют фундаментальные частицы, которых мы пока не обнаружили. Эта работа принесла им Нобелевскую премию, но позже выяснилось, что в результаты их работы закралась ошибка в эксперименте. О квазичастицах благополучно забыли.

Но не все. Вэнь и Левин взяли за основу идею квазичастиц и предложили новое состояние вещества, струнно-сетевое. Основным свойством такого состояния является квантовая запутанность. Как и в случае с неупорядоченной сверходнородностью, если вы с близкого расстояния взглянете на струнно-сетевое вещество, оно будет похоже на неупорядоченный набор электронов. Но если взглянуть на него как на цельную структуру, вы увидите высокую упорядоченность из-за квантово-запутанных свойств электронов. Вэнь и Левин затем расширили свою работу, чтобы охватить другие частицы и свойства запутанности.

Проработав компьютерные модели для нового состояния вещества, Вэнь и Левин обнаружили, что концы струн-сетей могут производить разнообразные субатомные частицы, включая легендарные «квазичастицы». Еще большим сюрпризом стало то, что при вибрации струнно-сетевого вещества оно делает это в соответствии с уравнениями Максвелла, отвечающими за свет. Вэнь и Левин предположили, что космос наполнен струнными сетями запутанных субатомных частиц и что концы этих струн-сетей представляют собой субатомные частицы, которые мы наблюдаем. Также они предположили, что струнно-сетевая жидкость может обеспечивать существование света. Если космический вакуум заполнен струнно-сетевой жидкостью, это может позволить нам объединить свет и материю.

Все это может показаться очень надуманным, но в 1972 году (за десятки лет до струнно-сетевых предложений) геологи обнаружили в Чили странный материал — гербертсмитит. В этом минерале электроны образуют треугольные структуры, которые, похоже, противоречат всему, что мы знаем о взаимодействии электронов друг с другом. Кроме того, эта треугольная структура была предсказана в рамках струнно-сетевой модели, и ученые работали с искусственным гербертсмититом, чтобы точно подтвердить модель.