Агрегатным состоянием вещества принято называть его способность сохранять свою форму и объем. Дополнительный признак – способы перехода вещества их одного агрегатного состояния в другое. Исходя из этого, выделяют три агрегатных состояния: твердое тело, жидкость и газ. Видимые свойства их таковы:
Твердое тело – сохраняет и форму, и объем. Может переходить как в жидкость путем плавления, так и непосредственно в газ путем сублимации.
- Жидкость – сохраняет объем, но не форму, то есть обладает текучестью. Пролитая жидкость стремится неограниченно растечься по поверхности, на которую вылита. В твердое тело жидкость может перейти путем кристаллизации, а в газ – путем испарения.
- Газ – не сохраняет ни формы, ни объема. Газ вне какого-нибудь вместилища стремится неограниченно расшириться во все стороны. Помешать ему в этом может только сила тяжести, благодаря чему земная атмосфера не рассеивается в космос. В жидкость газ переходит путем конденсации, а непосредственно в твердое тело может перейти путем осаждения.
Фазовые переходы
Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом, так как научный агрегатного состояния – фаза вещества. Например, вода может существовать в твердой фазе (лед), жидкой (обычная вода) и газообразной (водяной пар).
На примере воды также хорошо демонстрируется . Вывешенное во дворе на просушку в морозный безветренный день тут же промерзает, но спустя некоторое время оказывается сухим: лед сублимирует, непосредственно переходя в водяной пар.
Как правило, фазовый переход из твердого тела в жидкость и газ требует нагрева, но температура среды при этом не повышается: тепловая энергия уходит на разрыв внутренних связей в веществе. Это так называемая скрытая теплота . При обратных фазовых переходах (конденсации, кристаллизации) эта теплота выделяется.
Именно поэтому так опасны ожоги паром. Попадая на кожу, он конденсируется. Скрытая теплота испарения/конденсации воды очень велика: вода в этом отношении – аномальное вещество; именно поэтому и возможна жизнь на Земле. При ожоге паром скрытая теплота конденсации воды «прошпаривает» обожженное место очень глубоко, и последствия парового ожога оказываются куда тяжелее, чем от пламени на такой же площади тела.
Псевдофазы
Текучесть жидкой фазы вещества определяется ее вязкостью, а вязкость – характером внутренних связей, которым посвящен следующий раздел. Вязкость жидкости может быть очень высокой, и такая жидкость может течь незаметно для глаза.
Классический пример – стекло. Оно не твердое тело, а очень вязкая жидкость. Обратите внимание, что листы стекла на складах никогда не хранят прислоненными наискось к стене. Уже через несколько дней они прогнутся под собственной тяжестью и окажутся непригодными к употреблению.
Другие примеры псевдотвердых тел – сапожный вар и строительный битум. Если забыть угловатый кусок битума на крыше, за лето он растечется в лепешку и прилипнет к основе. Псевдотвердые тела отличить от настоящих можно по характеру плавления: настоящие при нем либо сохраняют свою форму, пока враз не растекутся (припой при пайке), либо оплывают, пуская лужицы и ручейки (лед). А очень вязкие жидкости постепенно размягчаются, как тот же вар или битум.
Чрезвычайно вязкими жидкостями, текучесть которых не заметна на протяжении многих лет и десятилетий, являются пластики. Высокая их способность сохранять форму обеспечивается огромным молекулярным весом полимеров, во многие тысячи и миллионы атомов водорода.
Структура фаз вещества
В газовой фазе молекулы или атомы вещества отстоят друг от друга очень далеко, во много раз больше, чем расстояние между ними. Взаимодействуют они между собой изредка и нерегулярно, только при столкновениях. Само взаимодействие упругое: столкнулись, как твердые шарики, и тут же разлетелись.
В жидкости молекулы/атомы постоянно «чувствуют» друг друга за счет очень слабых связей химической природы. Эти связи все время рвутся и тут же опять восстанавливаются, молекулы жидкости непрерывно перемещаются относительно друг друга, поэтому жидкость и течет. Но чтобы превратить ее в газ, нужно разорвать все связи сразу, а на это нужно очень много энергии, потому жидкость и сохраняет объем.
Вода в этом отношении отличается от прочих веществ тем, что ее молекулы в жидкости связаны так называемыми водородными связями, довольно прочными. Поэтому вода и может быть жидкостью при нормальной для жизни температуре. Многие вещества с молекулярной массой в десятки и сотни раз больше, чем у воды, в нормальных условиях – газы, как хотя бы обычный бытовой газ.
В твердом теле все его молекулы прочно стоят на своих местах благодаря сильным химическим связям между ними, образуя кристаллическую решетку. Кристаллы правильной формы требуют для своего роста особых условий и потому в природе встречаются редко. Большинство твердых тел представляют собой прочно сцепленные силами механической и электрической природы конгломераты мелких и мельчайших кристалликов – кристаллитов.
Если читателю доводилось видеть, например, треснувшую полуось автомобиля или чугунный колосник, то зерна кристаллитов на сломе там видны простым глазом. А на осколках разбитой фарфоровой или фаянсовой посуды их можно наблюдать под лупой.
Плазма
Физики выделяют и четвертое агрегатное состояние вещества – плазму. В плазме электроны оторваны от атомных ядер, и она представляет собой смесь электрически заряженных частиц. Плазма может быть очень плотной. Например, один кубический сантиметр плазмы из недр звезд – белых карликов, весит десятки и сотни тонн.
Плазму выделяют в отдельное агрегатное состояние потому, что она активно взаимодействует с электромагнитными полями из-за того, что ее частицы заряжены. В свободном пространстве плазма стремится расшириться, остывая и переходя в газ. Но под воздействием электромагнитных полей она может вне сосуда сохранять форму и объем, как твердое тело. Это свойство плазмы используется в термоядерных энергетических реакторах – прообразах энергоустановок будущего.
Важно знать и понимать, каким образом осуществляются переходы между агрегатными состояниями веществ . Схему таких переходов изобразим на рисунке 4.
5 - сублимация (возгонка) - переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое;
6 - десублимация - переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое.
Б. 2 Плавление льда и замерзание воды (кристаллизация)
Если поместить лед в колбу и начать его нагревать с помощью горелки, то можно будет заметить, что его температура начнет повышаться, пока не достигнет температуры плавления (0 o C). Затем начнется процесс плавления, но при этом температура льда повышаться не будет, и только после окончания процесса плавления всего льда температура образовавшейся воды начнет повышаться.
Определение. Плавление - процесс перехода из твердого состояния в жидкое. Этот процесс происходит при постоянной температуре.
Температура, при которой происходит плавление вещества, называется температурой плавления и является измеренной величиной для многих твердых веществ, а потому табличной величиной. Например, температура плавления льда равна 0 o C, а температура плавления золота 1100 o C.
Обратный плавлению процесс - процесс кристаллизации - также удобно рассматривать на примере замерзания воды и превращения ее в лед. Если взять пробирку с водой и начать ее охлаждать, то сначала будет наблюдаться уменьшение температуры воды, пока она не достигнет 0 o C, а затем ее замерзание при постоянной температуре), и уже после полного замерзания дальнейшее охлаждение образовавшегося льда.
Если описанные процессы рассматривать с точки зрения внутренней энергии тела, то при плавлении вся полученная телом энергия расходуется на разрушение кристаллической решетки и ослабление межмолекулярных связей, таким образом, энергия расходуется не на изменение температуры, а на изменение структуры вещества и взаимодействия его частиц. В процессе же кристаллизации обмен энергиями происходит в обратном направлении: тело отдает тепло окружающей среде, а его внутренняя энергия уменьшается, что приводит к уменьшению подвижности частиц, увеличению взаимодействия между ними и отвердеванию тела.
График плавления и кристаллизации
Полезно уметь графически изобразить процессы плавления и кристаллизации вещества на графике. По осям графика расположены: ось абсцисс - время, ось ординат - температура вещества. В качестве исследуемого вещества примем лед при отрицательной температуре, т. е. такой, который при получении тепла не начнет сразу плавиться, а будет нагревать до температуры плавления. Опишем участки на графике, которые представляют собой отдельные тепловые процессы:
Начальное состояние - a: нагревание льда до температуры плавления 0 o C;
a - b: процесс плавления при постоянной температуре 0 o C;
b - точка с некоторой температурой: нагревание образовавшейся из льда воды до некоторой температуры;
Точка с некоторой температурой - c: охлаждение воды до температуры замерзания 0 o C;
c - d: процесс замерзания воды при постоянной температуре 0 o C;
d - конечное состояние: остывание льда до некоторой отрицательной температуры.
Агрегатные состояния вещества (от лат. aggrego — присоединяю) — это состояния одного и того же вещества в различных интервалах (промежутках) температур и давлений .
Агрегатными состояниями принято считать газообразное , жидкое и твердое . Самыми простыми примерами существования одного и того же вещества в этих трех агре-гатных состояниях, которые наблюдаются в повседневной жизни, являются лед, вода и водяной пар . Невидимый водяной пар всегда присутствует и в окружающем нас воздухе. Вода существует в интервале температур от 0 °С до 100 °С, лед — при температуре ниже 0 °С. При температуре выше 100 ºС и нормальном атмосферном давлении молекулы воды существуют только в газообразном состоянии — в виде водяного пара. Вода, лед и водяной пар — это одно и то же вещество с химической формулой Н 2 О .
Многие вещества в обыденной жизни мы наблюдаем только в одном из агрегатных состояний. Так, кислород в окружающем нас воздухе представляет собой газ. Но при температуре -193°С он превращается в жидкость. Охладив эту жидкость до -219 ºС, мы получим твердый кислород. И на-оборот, железо в обычных условиях твердое. Однако при температуре 1535 °С железо плавится и пре-вращается в жидкость. Над расплавленным железом будет находиться газ — пар из атомов железа.
Различные агрегатные состояния существуют у каждого вещества. Отличаются эти вещества не молекулами, а тем, как эти молекулы расположены и как движутся. Расположение молекул воды в трех агрегатных состояниях показано на рисунке:
Переход из одного агрегатного состояния в другое. При определенных условиях вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое. Все возможные при этом превращения отображены на рисунке:
Всего различают шесть процессов, при которых происходят агрегатные превращения вещества . Переход вещества из твердого (кристаллического) состояния в жидкое называется плавле-нием кристаллизацией , или отвердеванием . Пример плавле-ния — таяние льда, обратный процесс происходит при замерзании воды.
Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием , обратный процесс называется конденсацией . Пример парообразования — испарение воды, обратный процесс можно наблюдать при выпадении росы.
Переход вещества из твердого состояния сразу в газообразное (минуя жидкое) называется сублимацией , или возгонкой , обратный процесс называется десублимацией . Например, графит можно нагреть до тысячи, двух тысяч и даже трех тысяч градусов и, тем не менее, в жидкость он не превратится: он будет сублимироваться, т. е. из твердого состояния сразу переходить в газообразное. Непосредственно в газообразное состояние (минуя жидкое) переходит и так называемый сухой лед (твердый оксид углерода СО 2 ), который можно увидеть в контейнерах для транспортировки мороженого. Все запахи, которыми обладают твердые тела (например, нафталин), также обусловлены возгонкой: вылетая из твердого тела, молекулы образуют над ним газ (или пар), обладающий запахом.
Примером десублимации является образование на окнах зимой узоров из кристалликов льда. Эти красивые узоры образуются при десублимации водяного пара, находящегося в воздухе.
Переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое играют важную роль не только в природе, но и в технике. Так, воду, превращенную в пар, можно использовать а паровых турбинах на электростанциях. Из расплавленных металлов на заводах получают различные сплавы: сталь, чугун, латунь и т. д. Для понимания этих процессов надо знать, что происходит с вещест-вом при изменении его агрегатного состояния и при каких условиях это изменение возможно.
Рассмотрим три агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное и два перехода к ним.
Фазовый переход «твердое тело – жидкость»
Из школьного курса физики известны четыре факта об этом переходе.
Факт первый: переход вещества из твердого состояния (фазы) в жидкое называется плавлением , а обратный – кристаллизацией .
Факт второй: при плавлении система поглощает тепло, а при отвердевании – отдает тепло.
Факт третий: в процессе плавления (кристаллизации) температура системы остается постоянной до тех пор, пока вся система не расплавится. Эта температура называется температурой плавления .
Факт четвертый: закон плавления: количество тепла δQ, которое необходимо для плавления вещества массой dm, пропорционально этой массе:
| . | (6.3.1) |
Коэффициент пропорциональности λ есть константа, зависящая только от вещества системы и называемая удельной теплотой плавления.
Этот закон справедлив и для кристаллизации, правда с одним отличием: δQ в этом случае – тепло выделяемое системой. Поэтому в обобщенном виде закон можно записать:
Изменение энтропии в процессе этого фазового перехода можно найти просто, если считать процесс равновесным.Это вполне допустимое приближение, если считать, что разность температур между системой и тем объектом, который поставляет системе тепло, не слишком велика, намного меньше температуры плавления. Тогда можно использовать термодинамический смысл энтропии: с точки зрения термодинамики энтропия – это такая функция состояния системы, изменение которой dS в элементарном равновесном процессе равно отношению порции тепла δQ , которое система получает в этом процессе, к температуре системы Т :
Подставим сюда выражение для δQ, получим:
Из этой формулы следует, что при плавлении энтропия возрастает, а при кристаллизации уменьшается. Физический смысл этого результата достаточно ясен: фазовая область молекулы в твердом теле гораздо меньше, чем в жидкости, так как в твердом теле каждой молекуле доступна только малая область пространства между соседними узлами кристаллической решетки, а в жидкости молекулы занимают всю область пространства. Поэтому при равной температуре энтропия твердого тела меньше энтропии жидкости. Это означает, что твердое тело представляет собой более упорядоченную, и менее хаотичную систему, чем жидкость.
Фазовый переход «жидкость – газ»
Этот переход обладает всеми свойствами перехода «твердое тело – жидкость».
Существует четыре факта, знакомые из школьного курса физики.
Факт первый: переход вещества из жидкости в газовую фазу называется испарением, а обратный переход – конденсацией.
Факт второй: при испарении система поглощает тепло, при конденсации – теряет.
Факт третий: процессы испарения и конденсации протекают в широком диапазоне температур, но фазовым переходом они являются лишь тогда, когда процесс захватывает всю массу вещества. Это происходит при определенной температуре Т к , которая называется температурой кипения . Для каждого вещества температура кипения своя. В процессе фазового перехода «жидкость – газ» температура остается постоянной и равной температуре кипения до тех пор, пока вся система не перейдет из одной фазы в другую.
Факт четвертый: закон испарения: количество тепла δQ, необходимое для испарения вещества массой dm, и которое пропорционально этой массе:
Коэффициент пропорции r в этом выражении есть константа, зависящая от вещества системы, называемая удельной теплотой испарения.
Этот закон справедлив и для конденсации, правда с одним отличием: δQ в этом случае – тепло выделяемое системой. Поэтому закон испарения можно записать в общем виде:
| (6.3.3) |
Где знак плюс относится к испарению, а знак минус – к конденсации.
Применение энтропии в этом процессе можно найти просто, считая процесс равновесным. И опять это вполне допустимое приближение, при условии, что разность температур между системой и «поставщиком» тепла невелика, т.е. намного меньше температуры кипения. Тогда
| . | 6.3.4 |
Из формулы (6.3.4) следует, что при испарении энтропия возрастает, а при конденсации уменьшается.
Физический смысл этого результата состоит в различии фазовой области молекулы в жидкости и газе. Хотя в жидкости и газе каждой молекуле доступна вся область пространства, занятая системой, но сама эта область для жидкости существенно меньше, чем для газа. В жидкости силы притяжения между молекулами удерживают их на определенном расстоянии друг от друга. Поэтому каждая молекула хотя и имеет возможность свободно мигрировать по области пространства, занятой жидкостью, но не имеет возможности «оторваться от коллектива» остальных молекул: стоит ей оторваться от одной молекулы, как тут же притягивается другая. Поэтому объем жидкости зависит от её количества и никак не связан с объемом сосуда.
Молекулы газа ведут себя иначе. У них гораздо больше свободы, среднее расстояние между ними таково, что силы притяжения очень малы, и молекулы «замечают друг друга» лишь при столкновениях. В результате газ всегда занимает весь объем сосуда.
Поэтому при равных температурах фазовая область молекул газа значительно больше фазовой области молекул жидкости, и энтропия газа больше энтропии жидкости. Газ, по сравнению с жидкостью, гораздо менее упорядоченная, более хаотичная система.
Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой. В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное.
Например, вода может находиться в твердом (лед), жидком (вода) и газообразном (пар) состояниях.
Газ расширяется, пока не заполнит весь отведенный ему объем. Если рассмотреть газ на молекулярном уровне, мы увидим беспорядочно мечущиеся и сталкивающиеся между собой и со стенками сосуда молекулы, которые, однако, практически не вступают во взаимодействие друг с другом. Если увеличить или уменьшить объем сосуда, молекулы равномерно перераспределятся в новом объеме.
В отличие от газа при заданной температуре занимает фиксированный объем, однако и она принимает форму заполняемого сосуда - но только ниже уровня ее поверхности. На молекулярном уровне жидкость проще всего представить в виде молекул-шариков, которые хотя и находятся в тесном контакте друг с другом, однако имеют свободу перекатываться друг относительно друга, подобно круглым бусинам в банке. Налейте жидкость в сосуд - и молекулы быстро растекутся и заполнят нижнюю часть объема сосуда, в результате жидкость примет его форму, но не распространится в полном объеме сосуда.
Твердое тело
имеет собственную форму, не растекается по объему контейнера
и не принимает его форму. На микроскопическом уровне атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жесткие упорядоченные структуры - кристаллические решетки, - так и беспорядочное нагромождение - аморфные тела (именно такова структура полимеров, которые похожи на перепутанные и слипшиеся макароны в миске).
Выше были описаны три классических агрегатных состояния вещества. Имеется, однако, и четвертое состояние, которые физики склонны относить к числу агрегатных. Это плазменное состояние. Плазма характеризуется частичным или полным срывом электронов с их атомных орбит, при этом сами свободные электроны остаются внутри вещества.
Изменение агрегатных состояний вещества мы можем наблюдать воочию в природе. Вода с поверхности водоемов испаряется, и образуются облака. Так жидкость переходит в газ. Зимой вода в водоемах замерзает, переходя в твердое состояние, а весной вновь тает, переходя в обратно в жидкость. Что происходит с молекулами вещества при переходе его из одного состояния в другое? Меняются ли они? Отличаются ли, например, молекулы льда от молекул пара? Ответ однозначный: нет. Молекулы остаются абсолютно теми же. Меняется их кинетическая энергия, а соответственно и свойства вещества.
Энергия молекул пара достаточно велика, чтобы разлетаться в разные стороны, а при охлаждении пар конденсируется в жидкость, и энергии у молекул все еще достаточно для почти свободного перемещения, но уже недостаточно, чтобы оторваться от притяжения других молекул и улететь. При дальнейшем охлаждении вода замерзает, становясь твердым телом, и энергии молекул уже недостаточно даже для свободного перемещения внутри тела. Они колеблются около одного места, удерживаемые силами притяжения других молекул.
Загрузка...