Агрегатные состояния вещества. переходы из одного состояния в другое

Примечания[править | править код]

↑ Агрегатные состояния вещества // А — Ангоб. — М. : Советская энциклопедия, 1969. — ( : / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 1).
// Физическая энциклопедия : / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия (т. 1—2); Большая Российская энциклопедия (т. 3—5), 1988—1999. — ISBN 5-85270-034-7.
Белоконь, Н. И. Основные принципы термодинамики, 1968. — С. 25.
Владимир Жданов. . Кругосвет. Дата обращения: 21 февраля 2009.
. scientific.ru. Дата обращения: 16 июня 2010.
C. Fuchs, H. Lenske, H.H. Wolter. . arxiv.org (29 июня 1995). Дата обращения: 30 ноября 2012.
. Дата обращения: 4 февраля 2015.
Игорь Иванов. . Элементы.ру (29 июня 2009). Дата обращения: 29 ноября 2012.
В.Л. Коротких. С. 6. old.sinp.msu.ru. Дата обращения: 29 марта 2013.
. Элементы.ру. Дата обращения: 30 октября 2013.
Дата обращения: 1 февраля 2008.

Состояния при большом давлении[править | править код]

Нейтронное состояние

Принципиально отличное от других состояние вещества, состоящее только из нейтронов. В нейтронное состояние вещество переходит при сверхвысоком давлении, недоступном пока в лаборатории, но которое существует внутри нейтронных звезд. При переходе в нейтронное состояние, электроны вещества объединяются с протонами и превращаются в нейтроны. Для этого необходимо, чтобы силы гравитации сжали вещество настолько, чтобы преодолеть отталкивание электронов, обусловленное принципом Паули. В результате в нейтронном состоянии вещество полностью состоит из нейтронов и имеет плотность порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть очень высокой (в энергетическом эквиваленте, в пределах от сотни МэВ).

Газообразное состояние

При нормальных условиях (273 К, 101325 Па) в газообразном состоянии могут находиться как простые вещества, молекулы которых состоят из одного атома (Не, Ne, Ar) или из нескольких несложных атомов (Н₂, N₂, O₂), так и сложные вещества с малой молярной массой (СН₄ , HCl, C₂H₆).

Поскольку кинетическая энергия частиц газа превышает их потенциальную энергию, то молекулы в газообразном состоянии непрерывно хаотически двигаются. Благодаря большим расстояниям между частицами силы межмолекулярного взаимодействия в газах настолько незначительны, что их не хватает для привлечения частиц друг к другу и удержания их вместе. Именно по этой причине газы не имеют собственной формы и характеризуются малой плотностью и высокой способностью к сжатию и к расширению. Поэтому газ постоянно давит на стенки сосуда, в котором он находится, одинаково во всех направлениях.

Для изучения взаимосвязи между важнейшими параметрами газа (давление Р, температура Т, количество вещества n, молярная масса М, масса m) используется простейшая модель газообразного состояния вещества — идеальный газ, которая базируется на следующих допущениях:

взаимодействием между частицами газа можно пренебречь;
сами частицы являются материальными точками, которые не имеют собственного размера.

Наиболее общим уравнением, описывающим модель идеального газа, считается уравнения Менделеева-Клапейрона для одного моля вещества:

Однако поведение реального газа отличается, как правило, от идеального. Это объясняется, во-первых, тем, что между молекулами реального газа все же действуют незначительные силы взаимного притяжения, которые в определенной степени сжимают газ. С учетом этого общее давление газа возрастает на величину a/V2, которая учитывает дополнительное внутреннее давление, обусловленное взаимным притяжением молекул. В результате общее давление газа выражается суммой Р+ а/V2. Во-вторых, молекулы реального газа имеют хоть и малый, но вполне определенный объем b , поэтому действительный объем всего газа в пространстве составляет V — b. При подстановке рассмотренных значений в уравнение Менделеева-Клапейрона получаем уравнение состояния реального газа , которое называется уравнением Ван-дер-Ваальса:

где а и b — эмпирические коэффициенты, которые определяются на практике для каждого реального газа. Установлено, что коэффициент a имеет большую величину для газов, которые легко сжижаются (например, СО₂ , NH₃ ), а коэффициент b — наоборот, тем выше по величине, чем больше размеры имеют молекулы газа (например, газообразные углеводороды).

Уравнение Ван-дер-Ваальса гораздо точнее описывает поведение реального газа, чем уравнения Менделеева-Клапейрона, которое тем не менее, благодаря наглядному физическому смыслу широко используется в практических расчетах. Хотя идеальное состояние газа является предельным, мнимым случаем, однако простота законов, которые ему отвечают, возможность их применения для описания свойств многих газов в условиях низких давлений и высоких температур делает модель идеального газа очень удобной.

Газообразные вещества

Вещества, находящиеся в газообразном состоянии, не в состоянии сохранить ни форму, ни объем. Все доступное пространство имеющееся количество газа заполняет собой.

Если вещество переходит из жидкого состояние в газообразное, этот процесс называют испарением. Обратный процесс, при котором газ переходит в жидкость, называется конденсацией. Также возможна ситуации, когда твердое тело, минуя жидкую фазу, сразу переходит в газообразное состояние. Такой процесс называется сублимацией или возгонкой.

В газе молекулы вещества взаимодействуют друг с другом слабо и движутся хаотично, периодически сталкиваясь друг с другом.

Разные газы имеют разные химические свойства. Существуют как малоактивные инертные газы, так и взрывчатые газовые смеси.

Рис. 3. Таблица агрегатные состояния вещества.

Что мы узнали?

Жидкость, твердое тело, газ – три агрегатных состояния вещества. Отличаются они по расположению, взаимодействию и характеру движения молекул. Твердые тела сохраняют форму и объем, жидкие – только объем, но не форму, а газы не сохраняют ни форму, ни объем.

/5

Вопрос 1 из 5

Что из перечисленного является характеристикой твердого тела?
- такое тело меняет объем, но не меняет форму
- такое тело меняет форму, но не меняет объем
- такое тело не меняет форму и объем
- такое тело меняет и форму и объем

Слайд 241. Учение об агрегатных состояниях 1.4. Твердое агрегатное состояниеКристаллические тела делятся на

монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллы (монолитные, единые кристаллы) обладают периодически повторяющейся внутренней структурой во всем его объеме.Монокристаллы германия, кремния и др. используют для изготовления полупроводниковой аппаратурыМонокристаллы кварца, германия, фторида лития и др. используют в оптических узлах многих приборов.Монокристаллы алмаза используют при обработке особо твёрдых материаловУкрашения – бриллианты, топазы, сапфиры, рубины и др.Поликристаллическое тело представляет собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов — кристаллитов. Каждый маленький монокристалл поликристаллического тела анизотропен, но поликристаллическое тело изотропно.

Метан и его гомологи

Иногда общим понятием «газ» обозначают природное полезное ископаемое, которое представляет собой целую смесь газообразных продуктов преимущественно органической природы. Именно он содержит такие вещества, как:

метан;
этан;
пропан;
бутан;
этилен;
ацетилен;
пентан и некоторые другие.

В промышленности они являются очень важными, ведь именно пропан-бутановая смесь — это бытовой газ, на котором люди готовят пищу, который используется в качестве источника энергии и тепла.

Многие из них используются для синтеза спиртов, альдегидов, кислот и прочих органических веществ. Ежегодное потребление природного газа исчисляется триллионами кубометров, и это вполне оправданно.

Жидкость

Если температура твердого тела повышена, вероятно, что оно потеряет свою форму. пока его хорошо организованная атомная структура полностью не исчезнет, превратившись в жидкость.

Жидкости обладают способностью течь, потому что их атомы, хотя и продолжают образовывать организованные молекулы, они не так близки друг к другу, у них больше свободы передвижения.

H2O в жидком состоянии — это обычная вода.

В жидком состоянии вещества обладают следующими характеристиками:

Меньше сплоченности.
У них нет конкретной формы.
Беглость.
Мало сжимаемый
Перед простудой они сжимаются.
Они могут представлять собой диффузию.

Твёрдое тело

Твёрдое тело определяется характеристиками, отличающими его от других агрегатных состояний. К ним относятся:

стабильность формы и объёма;
характер теплового движения частиц (в течение продолжительного времени они сохраняют положения равновесия и совершают лишь малые колебания около него).

От внешних факторов зависит, в каких состояниях находится вещество, поэтому между последними существуют переходы. Твёрдое тело имеет следующие связи:

при плавлении превращается в жидкость;
при возгонке — в газ.

Необходимым условием обоих переходов является повышенная температура. В газообразное состояние переходят далеко не все вещества. Те, что характеризуются сложным строением, могут просто распасться при повышении температуры вследствие протекания химических реакций.

У твёрдых тел есть внутренняя классификация. Они делятся на следующие виды:

Кристаллические. Назвать вещество кристаллом можно при наличии соответствующей решётки, то есть пространственной периодичности с упорядоченным взаимным расположением атомов и молекул, повторяющимся на неограниченно больших расстояниях. Естественная форма кристалла — правильный многогранник. Это наиболее устойчивый вид, характеризующийся минимумом потенциальной энергии, а также анизотропными свойствами.
Аморфные. Этот класс веществ характеризуется колебанием атомов вокруг беспорядочно расположенных точек. При этом закономерность в расположении сохраняется только для соседних частиц. Иногда аморфное вещество представляют как жидкость с бесконечно большой вязкостью. Примером является стекло. Состояние является метастабильным, но его кристаллизация происходит не всегда.

Такие механические свойства, как твёрдость, пластичность, упругость, делают твёрдое тело прекрасным конструкционным материалом.

Твёрдое состояние

Если у жидкости, в отличие от газа, молекулы движутся уже не хаотически, а вокруг определенных центров, то в твёрдом агрегатном состоянии вещества
атомы и молекулы имеют четкую структуру и похожи на построенных солдат на параде. И благодаря кристаллической решетке твердые вещества занимают определенный объем и имеют постоянную форму.

При определенных условиях вещества, находящиеся в агрегатном состоянии жидкости, могут переходить в твердое, а твердые тела, наоборот, при нагревании плавиться и переходить в жидкое.

Это происходит потому, что при нагревании увеличивается внутренняя энергия, соответственно молекулы начинают двигаться быстрее, а при достижении температуры плавления кристаллическая решетка начинает разрушаться и изменяется агрегатное состояние вещества. У большинства кристаллических тел объем увеличивается при плавлении, но есть исключения, например – лед, чугун.

В зависимости от вида частиц, образующих кристаллическую решетку твердого тела, выделяют следующую структуру:

молекулярную,

металлическую.

У одних веществ
изменение агрегатных состояний
происходит легко, как, например, у воды, для других веществ нужны особые условия (давление, температура). Но в современной физике ученые выделяют еще одно независимое состояние вещества — плазма.

Плазма
— ионизированный газ с одинаковой плотностью как положительных, так и отрицательных зарядов
. В живой природе плазма есть на солнце, или при вспышке молнии. Северное сияние и даже привычный нам костер, согревающий своим теплом во время вылазки на природу, также относится к плазме.

Искусственно созданная плазма добавляет яркости любому городу. Огни неоновой рекламы — это всего лишь низкотемпературная плазма в стеклянных трубках. Привычные нам лампы дневного света тоже заполнены плазмой.

Плазму делят на низкотемпературную — со степенью ионизации около 1% и температурой до 100 тысяч градусов, и высокотемпературную — ионизация около 100% и температурой в 100 млн градусов (именно в таком состоянии находится плазма в звездах).

Низкотемпературная плазма в привычных нам лампах дневного света широко применяется в быту.

Высокотемпературная плазма используется в реакциях термоядерного синтеза и ученые не теряют надежду использовать ее в качестве замены атомной энергии, однако контроль в этих реакциях очень сложен. А неконтролируемая термоядерная реакция зарекомендовала себя как оружие колоссальной мощности, когда 12 августа 1953 года СССР испытал термоядерную бомбу.

Купить

Для проверки усвоения материала предлагаем небольшой тест.

1. Что не относится к агрегатным состояниям:

жидкость

свет +

2. Вязкость ньютоновских жидкостей подчиняется:

закону Бойля-Мариотта

закону Архимеда

закону вязкости Ньютона +

3. Почему атмосфера Земли не улетает в открытый космос:

потому что молекулы газа не могут развить вторую космическую скорость

потому что на молекулы газа воздействует сила земного притяжения +

оба ответа правильные

4. Что не относится к аморфным веществам:

сургуч
железо +

5.При охлаждении объем увеличивается у:

льда +

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Вещество
— это совокупность большого количества частиц (атомов, молекул или ионов).

Вещества имеют сложное строение. Частицы в веществе взаимодействуют между собой. Характер взаимодействия частиц в веществе определяет его агрегатное состояние.

Фотонное вещество

молекулы света

Наука фотонной материи немного сложнее, но постичь ее вполне возможно. Ученые начали создавать фотонную материю, экспериментируя с переохлажденным рубидиевым газом. Когда фотон простреливает газ, он отражается и взаимодействует с молекулами рубидия, теряя энергию и замедляясь. В конце концов, фотон выходит из облака очень медленным.

Странные вещи начинают происходить, когда вы пропускаете два фотона через газ, что порождает явление, известное как блокада Ридберга. Когда атом возбуждается фотоном, близлежащие атомы не могут возбудиться до такой же степени. Возбужденный атом оказывается на пути фотона. Чтобы атом поблизости мог быть возбужден вторым фотоном, первый фотон должен пройти через газ. Фотоны обычно не взаимодействуют между собой, но встречаясь с блокадой Ридберга, они толкают друг друга через газ, обмениваясь энергией и взаимодействуя между собой. Снаружи кажется, что у фотонов есть масса и они действуют как единая молекула, хотя остаются на самом деле безмассовыми. Когда фотоны выходят из газа, они кажутся соединившимися, подобно молекуле света.

Практическое применение фотонной материи пока остается под вопросом, но оно, безусловно, будет найдено. Возможно, даже в световых мечах.

Области применения агрегатных состояний

Способность веществ переходить из одного агрегатного состояния в другой активно используется человеком. На ней основаны многие промышленные процессы.

Способность металлов плавиться и принимать различную форму используется в черной и цветной металлургии.
При получении соли и других химических соединений применяется выпаривание, при котором вещество получается после испарения жидкости.
Инертные газы используются в осветительных приборах.
Жидкий кислород применяется в медицине в качестве средства анестезии.

Таким образом, без различных агрегатных состояний невозможно было бы представить жизнь на планете. Фазовые переходы веществ используются практически во всех областях жизнедеятельности.

Общие понятия

При нормальных внешних условия все вещества находятся в своем привычном состоянии: кислород — в газообразном, вода — в жидком, кристаллы — в твердом. Их изменение вызывает переход одного и того же вещества в разные состояния, которые называются агрегатными. Повышение или понижение температуры и/или давления окружающей среды влияет на характер взаимодействия между частицами, составляющими вещество (молекулами, атомами, ионами), и расстояние между ними.

Бывает три вида агрегатных состояний (АС):

твердое;
жидкое;
газообразное.

Переход вещества из одного АС в другое называется фазовым и сопровождается скачкообразным изменением его физических и химических свойств — плотности, растворимости, кинетической и потенциальной энергии частиц и др. Всего существует шесть процессов, вызывающих изменение агрегатного состояния вещества:

Плавление — преобразование твердого тела в жидкое (таяние льда).
Обратный процесс — кристаллизация или затвердение (морозные узоры на стекле).
Парообразование — переход вещества из жидкого АС в газообразное. Частные случаи — испарение происходит только с поверхности жидкости; кипение, при котором жидкость превращается в пар по всему объему.
Обратный процесс — конденсация.
Сублимация или возгонка — переход из твердого АС сразу в газообразное без жидкой стадии.
Десублимация — обратное преобразование.

Сублимированию в той или иной мере подвержены все твердые тела, но в основном количество частиц, покинувших тело, настолько мало, что процесс практически незаметен. Примеры явной сублимации — графит и сухой лед (оксид углерода). Даже сильное нагревание не приводит их в жидкое состояние, а постепенно превращает в газ. Запахи твердых тел тоже обусловлены возгонкой — отрываясь от поверхности, молекулы скапливаются в пары, обладающие ароматом (камфара, нафталин). Молекулы некоторых органических веществ, например, белков, настолько большие, что не позволяют им принять газообразную форму.