Агрегатное состояние парафина. Агрегатные состояния вещества
Определение
Агрегатные состояния вещества (от латинского aggrego -- присоединяю, связываю) -- это состояния одного и того же вещества твердое, жидкое, газообразное.
При переходе из одного состояния в другое происходит скачкообразное изменение энергии, энтропии, плотности и других характеристик вещества.
Твердые и жидкие тела
Определение
Твердыми телами называются тела, отличающиеся постоянством формы и объема.
В них межмолекулярные расстояния малы и потенциальная энергия молекул сравнима с кинетической. Твёрдые тела делятся на два вида: на кристаллические и аморфные. В состоянии термодинамического равновесия пребывают лишь кристаллические тела. Аморфные же тела по сути представляют метастабильные состояния, которые по своему строению приближаются к неравновесным, медленно кристаллизующимся жидкостям. В аморфном теле идет очень медленный процесс кристаллизации, процесс постепенного перехода вещества в кристаллическую фазу. Отличие кристалла от аморфного твёрдого тела заключается прежде всего в анизотропии его свойств. Свойства кристаллического тела зависят от направления в пространстве. Различного рода процессы, такие как теплопроводность, электропроводность, свет, звук, распространяются в различных направлениях твёрдого тела по-разному. Аморфные же тела (стекло, смолы, пластмассы) изотpопны, как и жидкости. Отличие аморфных тел от жидкостей состоит только в том, что последние текучи, в них невозможны статические деформации сдвига.
Кристаллические тела обладают правильным молекулярным строением. Именно правильному строению кристалла обязана анизотропия его свойств. Правильное расположение атомов кристалла образует так называемую кристаллическую решётку. В различных направлениях расположение атомов в решётке различно, что и ведет к анизотропии. Атомы (или ионы, или целые молекулы) в кристаллической решётке совершают беспорядочное колебательное движение около средних положений, которые и рассматриваются как узлы кристаллической решётки. Чем больше температура, тем больше энергия колебаний, а следовательно, и средняя амплитуда колебаний. В зависимости от амплитуды колебаний находится размер кристалла. Рост амплитуды колебаний ведет к росту размеров тела. Так объясняется тепловое расширение твёрдых тел.
Определение
Жидкими называют тела, которые имеют определенный объем, но не имеют упругости формы.
Жидкости отличаются сильным межмолекулярным взаимодействием и малой сжимаемостью. Жидкость занимает промежуточное положение между твёрдым телом и газом. Жидкости, как и газы, изотpопны. Кроме того, жидкость обладает текучестью. В ней, как и в газах, отсутствуют касательные напряжения (напряжения на сдвиг) тел. Жидкости тяжелы, т.е. их удельные веса сравнимы с удельными весами твёрдых тел. Вблизи температур кристаллизации их теплоемкости и другие тепловые характеристики близки к соответствующим характеристикам твёрдых тел. В жидкостях наблюдается до известной степени правильное расположение атомов, но лишь в малых областях. Здесь атомы тоже совершают колебательное движение возле узлов квазикpисталлической ячейки, но в отличие от атомов твёрдого тела они время от времени перескакивают от одного узла к другому. В результате движение атомов будет весьма сложным: оно колебательное, но вместе с тем центр колебаний перемещается в пространстве.
Газ, испарение, конденсация и плавление
Определение
Газ -- такое состояние вещества, в котором расстояния между молекулами велики.
Силами взаимодействия между молекулами при невысоких давлениях можно пренебречь. Частицы газа заполняют весь объем, который предоставлен газу. Газы можно рассматривать как сильно перегретые или ненасыщенные пары. Особым видом газа является плазма -- это частично ли полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Плазма представляет собой газ из заряженных частиц, которые взаимодействуют между собой с помощью электрических сил на большом расстоянии, но не имеют ближнего и дальнего расположения частиц.
Вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое.
Определение
Испарение -- это процесс изменения агрегатного состояния вещества, при котором с поверхности жидкости или твердого тела вылетают молекулы, кинетическая энергия которых превышает потенциальную энергию взаимодействия молекул.
Испарение -- это фазовый переход. При испарении часть жидкости или твердого тела переходит в пар. Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью называется насыщенным паром. При этом изменение внутренней энергии тела:
\[\triangle \ U=\pm mr\ \left(1\right),\]
где m -- масса тела, r -- удельная теплота парообразования (Дж/кг).
Определение
Конденсация -- процесс, обратный парообразованию.
Расчет изменения внутренней энергии происходит по формуле (1).
Определение
Плавление -- процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое, процесс изменения агрегатного состояния вещества.
Когда вещество нагревают увеличивается его внутренняя энергия, следовательно, увеличивается скорость теплового движения молекул. В том случае, если достигнута температура плавления вещества, то кристаллическая решетка твердого тела начинает разрушаться. Связи между частицами разрушаются, возрастает энергия взаимодействия между частицами. Теплота, передаваемая телу, идет на увеличении внутренней энергии этого тела, и часть энергии идет на совершение работы по изменению объема тела при его плавлении. У большинства кристаллических тел объем увеличивается при плавлении, но есть исключения, например, лед, чугун. Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления. Плавление является фазовым переходом, который сопровождается скачкообразным изменением теплоемкости при температуре плавления. Температура плавления зависит от вещества и она не изменяется в ходе процесса. При этом изменение внутренней энергии тела:
\[\triangle U=\pm m\lambda \left(2\right),\]
где $\lambda $ -- удельная теплота плавления (Дж/кг).
Процесс обратный плавлению - кристаллизация. Расчет изменения внутренней энергии происходит по формуле (2).
Изменение внутренней энергии каждого тела системы в случае нагревания или охлаждения можно рассчитать по формуле:
\[\triangle U=mc\triangle T\left(3\right),\]
где c - удельная теплоемкость вещества, Дж/(кгК), $\triangle T$- изменение температуры тела.
При изучении переходов веществ из одних агрегатных состояний в другие невозможно обойтись без так называемого уравнения теплового баланса , которое гласит: суммарное количество теплоты, которое выделяется в теплоизолированной системе, равно количеству теплоты (суммарному), которое в этой системе поглощается.
По своему смыслу, уравнение теплового баланса -- это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в термоизолированных системах.
Пример 1
Задание: В теплоизолированном сосуде находятся вода и лед при температуре $t_i= 0^oС$. Масса воды ($m_{v\ })$ и льда ($m_{i\ })$ соответственно равны 0,5 кг и 60 гр. В воду впускается водяной пар массой $m_{p\ }=$10 гр. при температуре $t_p= 100^oС$. Какой станет температура воды в сосуде после установления теплового равновесия? Теплоемкость сосуда не учитывать.
Решение: Определим, какие процессы происходят в системе, какие агрегатные состояния вещества мы имели и какие получили.
Водяной пар конденсируется, отдавая тепло.
Это тепло идет на плавление льда и, возможно, нагрев имеющейся и полученной изо льда воды.
Проверим сначала, какое количество теплоты выделяется при конденсации имеющейся массы пара:
здесь из справочных материалов имеем $r=2,26 10^6\frac{Дж}{кг}$- удельная теплота парообразования (применима и для конденсации).
Для плавления льда необходимо тепла:
здесь из справочных материалов имеем $\lambda =3,3\cdot 10^5\frac{Дж}{кг}$- удельная теплота плавления льда.
Получаем, что пар отдает тепла больше, чем требуется, только для расплавления имеющегося льда, следовательно уравнение теплового баланса запишем в виде:
Теплота выделяется при конденсации пара массой $m_{p\ }$ и остывании воды, которая образуется из пара от температуры $T_p$ до искомой T. Теплота поглощается при плавлении льда массой $m_{i\ }$ и нагревании воды массой $m_v+m_i$ от температуры $T_i$до $T.\ $ Обозначим $T-T_i=\triangle T$, для разности $T_p-T$ получим:
Уравнение теплового баланса приобретет вид:
\ \ \[\triangle T=\frac{rm_{p\ }+cm_{p\ }100-лm_{i\ }}{c\left(m_v+m_i+m_{p\ }\right)}\left(1.6\right)\]
Проведем вычисления, учитывая, что теплоемкость воды табличная $c=4,2\cdot 10^3\frac{Дж}{кгК}$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i+273=273K$:
$\triangle T=\frac{2,26\cdot 10^6\cdot 10^{-2}+4,2\cdot 10^3\cdot 10^{-2}10^2-6\cdot 10^{-2}\cdot 3,3\cdot 10^5}{4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^{-1}}\approx 3\left(К\right)$тогда T=273+3=276 (K)
Ответ: Температура воды в сосуде после установления теплового равновесия станет равна 276 К.
Пример 2
Задание: На рисунке показан участок изотермы, отвечающий переходу вещества из кристаллического в жидкое состояние. Что соответствует этому участку на диаграмме p,T?
Вся совокупность состояний, изображенных на диаграмме p,V горизонтальным отрезком прямой на диаграмме p,T изображается одной точкой, определяющей значения p и T, при которых осуществляется переход из одного агрегатного состояния в другое.
Агрегатные состояния. Жидкости. Фазы в термодинамике. Фазовые переходы.
Лекция 1.16
Все вещества могут существовать в трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном . Переходы между ними сопровождаются скачкообразным изменением ряда физических свойств (плотности, теплопроводности и др.).
Агрегатное состояние зависит от физических условий, в которых находится вещество. Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии при разных условиях.
Газ - агрегатное состояние вещества, в котором частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия; кинетическая энергия теплового движения его частиц (молекул, атомов) значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействий между ними, поэтому частицы движутся почти свободно, целиком заполняя сосуд, в котором находятся, и принимают его форму. В газообразном состоянии вещество не имеет ни собственного объема, ни собственной формы. Любое вещество можно перевести в газообразное, изменяя давление и температуру.
Жидкость - агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Для нее характерна большая подвижность частиц и малое свободное пространство между ними. Это приводит к тому, что жидкости сохраняют свой объем и принимают форму сосуда. В жидкости молекулы размещаются очень близко друг к другу. Поэтому плотность жидкости гораздо больше плотности газов (при нормальном давлении). Свойства жидкости по всем направлениям одинаковы (изотропны) за исключением жидких кристаллов. При нагревании или уменьшении плотности свойства жидкости, теплопроводность, вязкость меняются, как правило, в сторону сближения со свойствами газов.
Тепловое движение молекул жидкости состоит из сочетания коллективных колебательных движений и происходящих время от времени скачков молекул из одних положений равновесия в другие.
Твердые (кристаллические) тела - агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов. Это движение представляет собой колебания атомов (или ионов), из которых состоит твердое тело. Амплитуда колебаний обычно мала по сравнению с межатомными расстояниями.
Свойства жидкостей.
Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, так же как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком .
Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, т. е. изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах. Например, для изменения объема воды на 1 % нужно увеличить давление приблизительно в 200 раз. Такое увеличение давления по сравнению с атмосферным достигается на глубине около 2 км.
Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. Для не очень больших интервалов температур относительное изменение объема ΔV / V 0 пропорционально изменению температуры ΔT :
| |
Коэффициент β называют температурным коэффициентом объемногорасширения . Этот коэффициент у жидкостей в десятки раз больше, чем у твердых тел. У воды, например, при температуре 20 °С β в ≈ 2·10 –4 К –1 , у стали - β ст ≈ 3,6·10 –5 К –1 , у кварцевого стекла - β кв ≈ 9·10 –6 К –1 .
Тепловое расширение воды имеет интересную и важную для жизни на Земле аномалию. При температуре ниже 4 °С вода расширяется при понижении температуры (β < 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
При замерзании вода расширяется, поэтому лед остается плавать на поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо льдом равна 0 °С. В более плотных слоях воды у дна водоема температура оказывается порядка 4 °С. Благодаря этому, жизнь может существовать в воде замерзающих водоемов.
Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободнойповерхности . Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Поверхностные молекулы силами межмолекулярного притяжения втягиваются внутрь жидкости. Но все молекулы, в том числе и молекулы пограничного слоя, должны находиться в состоянии равновесия. Это равновесие достигается за счет некоторого уменьшения расстояния между молекулами поверхностного слоя и их ближайшими соседями внутри жидкости. При уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания. Если среднее расстояние между молекулами внутри жидкости равно r 0 , то молекулы поверхностного слоя упакованы несколько более плотно, а поэтому они обладают дополнительным запасом потенциальной энергии по сравнению с внутренними молекулами. Следует иметь в виду, что вследствие крайне низкой сжимаемости наличие более плотно упакованного поверхностного слоя не приводит к сколь нибудь заметному изменению объема жидкости. Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т. е. увеличить площадь поверхности жидкости), внешние силы должны совершить положительную работу A внеш, пропорциональную изменению ΔS площади поверхности:
| A внеш = σΔS . |
Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.
В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях наметр квадратный (Дж/м 2) или в ньютонах на метр(1 Н/м = 1 Дж/м 2).
Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальнойэнергией
. Потенциальная энергия E
р поверхности жидкости пропорциональна ее площади: 
(1.16.1)
Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения .
Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (т. е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.
Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки. Поэтому можно записать: (1.16.2)
Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей наединицу длины линии, ограничивающей поверхность (l - длина этой линии).
Из-за действия сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и внутри мыльных пузырей возникает избыточное давление Δp . Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе разреза длиной 2πR и сил избыточного давления, действующих на площадь πR 2 сечения (рис.1.16.1). Условие равновесия записывается в виде
Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (или пара) можно пренебречь). Если эти силы больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом θ, характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол θ называется краевым углом . Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол θ оказывается тупым (рис.1.16.2(2)). В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. В противном случае (угол - острый) жидкость смачивает поверхность (рис.1.16.2(1)). При полномсмачивании θ = 0, при полном несмачивании θ = 180°.
Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах . Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются.
На рис.1.16.3 изображена капиллярная трубка некоторого радиуса r , опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ. Верхний конец капилляра открыт. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей F н сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: F т = F н, где F т = mg = ρh πr 2 g , F н = σ2πr cos θ.
Отсюда следует: 
При полном смачивании θ = 0, cos θ = 1. В этом случае
При полном несмачивании θ = 180°, cos θ = –1 и, следовательно, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде.
В повседневной практике приходится иметь дело не отдельно с индивидуальными атомами, молекулами и ионами, а с реальными веществами — совокупностью большого количества частиц. В зависимости от характера их взаимодействия различают четыре вида агрегатного состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Вещество может превращаться из одного агрегатного состояния в другое в результате соответствующего фазового перехода.
Пребывание вещества в том или ином агрегатном состоянии обусловлено силами, действующими между частицами, расстоянием между ними и особенностями их движения. Каждое агрегатное состояние характеризуется совокупностью определенных свойств.
Свойства веществ в зависимости от агрегатного состояния:
| состояние | свойство |
| газообразное |
|
| жидкое |
|
| твердое |
|
В соответствии со степенью упорядоченности в системе для каждого агрегатного состояния характерно собственное соотношение между кинетической и потенциальной энергиями частиц. В твердых телах потенциальная преобладает над кинетической, так как частицы занимают определенные положения и только колеблются вокруг них. Для газов наблюдается обратное соотношение между потенциальной и кинетической энергиями, как следствие того, что молекулы газа всегда хаотично движутся, а силы сцепления между ними почти отсутствуют, поэтому газ занимает весь объем. В случае жидкостей кинетическая и потенциальная энергии частиц примерно одинаковы, между частицами действует нежесткая связь, поэтому жидкостям присущи текучесть и постоянный при данной объем.
Когда частицы вещества образуют правильную геометрическую структуру, а энергия связей между ними больше энергии тепловых колебаний, что предотвращает разрушение сложившейся структуры — значит, вещество находится в твердом состоянии. Но начиная с некоторой температуры, энергия тепловых колебаний превышает энергию связей между частицами. При этом частицы, хотя и остаются в контакте, перемещаются друг относительно друга. В результате геометрическая структура нарушается и вещество переходит в жидкое состояние. Если тепловые колебания настолько возрастают, что между частицами практически теряется связь, вещество приобретает газообразное состояние. В «идеальном» газе частицы свободно перемещаются во всех направлениях.
При повышении температуры вещество переходит из упорядоченного состояния (твердое) в неупорядоченный состояние (газообразное) жидкое состояние является промежуточным по упорядоченности частиц.
Четвертым агрегатным состоянием называют плазму — газ, состоящий из смеси нейтральных и ионизированных частиц и электронов. Плазма образуется при сверхвысоких температурах (10 5 -10 7 0 С) за счет значительной энергии столкновения частиц, которые имеют максимальную неупорядоченность движения. Обязательным признаком плазмы, как и других состояний вещества, является ее электронейтральность. Но в результате неупорядоченности движения частиц в плазме могут возникать отдельные заряженные микрозоны, благодаря чему она становится источником электромагнитного излучения. В плазменном состоянии существует вещество на , звездах, других космических объектах, а также при термоядерных процессах.
Каждое агрегатное состояние определяется, прежде всего, интервалом температур и давлений, поэтому для наглядной количественной характеристики используют фазовую диаграмму вещества, которая показывает зависимость агрегатного состояния от давления и температуры.
Диаграмма состояния вещества с кривыми фазовых переходов: 1 — плавления-кристаллизации, 2 — кипения-конденсации, 3 — сублимации-десублимации
Диаграмма состояния состоит из трех основных областей, которые соответствуют кристаллическому, жидкому и газообразному состояниям. Отдельные области разделяются кривыми, отражающие фазовые переходы:
- твердого состояния в жидкое и, наоборот, жидкого в твердое (кривая плавления-кристаллизации — пунктирный зеленый график)
- жидкого в газообразное и обратного преобразования газа в жидкость (кривая кипения-конденсации — синий график)
- твердого состояния в газообразное и газообразного в твердое (кривая сублимации-десублимации — красный график).
Координаты пересечения этих кривых называются тройной точкой, в которой в условиях определенного давления Р=Р в и определенной температуры Т=T в вещество может сосуществовать сразу в трех агрегатных состояниях, причем жидкое и твердое состояние имеют одинаковое давление пара. Координаты Р в и Т в — это единственные значения давления и температуры, при которых могут одновременно сосуществовать все три фазы.
Точке К на фазовой диаграмме состояния отвечает температура Т к — так называемая критическая температура, при которой кинетическая энергия частиц превышает энергию их взаимодействия и поэтому стирается грань разделения между жидкой и газовой фазами, а вещество существует в газообразном состоянии по любым давлением.
Из анализа фазовой диаграммы следует, что при высоком давлении, большем чем в тройной точке (Р в), нагрев твердого вещества заканчивается его плавлением, например, при Р 1 плавления происходит в точке d . Дальнейшее повышение температуры от Т d к Т е приводит к кипению вещества при данном давлении Р 1 . При давлении Р 2 , меньшем, чем давление в тройной точке Р в, нагрев вещества приводит к его переходу непосредственно из кристаллического в газообразное состояние (точка q ), то есть к сублимации. Для большинства веществ давление в тройной точке ниже, чем давление насыщенного пара (Р в
Р насыщ.пара, поэтому при нагревании кристаллов таких веществ они не плавятся, а испаряются, то есть подвергаются сублимации. Например, так ведут себя кристаллы йода или «сухой лед» (твердый СО 2).
Анализ диаграммы состояния вещества
Газообразное состояние
При нормальных условиях (273 К, 101325 Па) в газообразном состоянии могут находиться как простые вещества, молекулы которых состоят из одного (Не, Ne, Ar) или из нескольких несложных атомов (Н 2 , N 2 , O 2), так и сложные вещества с малой молярной массой (СН 4 , HCl, C 2 H 6).
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 /V 2 , которая учитывает дополнительное внутреннее давление, обусловленное взаимным притяжением молекул. В результате общее давление газа выражается суммой Р+ а /V 2 . 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, СО 2 , NH 3), 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.
Жидкое состояние вещества
Жидкое состояние любого конкретного вещества являются термодинамически устойчивым в определенном интервале температур и давлений, характерных для природы (состава) данного вещества. Верхний температурный предел жидкого состояния — температура кипения, выше которой вещество в условиях устойчивого давления находится в газообразном состоянии. Нижняя граница устойчивого состояния существования жидкости — температура кристаллизации (затвердевания). Температуры кипения и кристаллизации, измеренные при давлении 101,3 кПа, называются нормальными.
Для обычных жидкостей присуща изотропность — единообразие физических свойств во всех направлениях внутри вещества. Иногда для изотропности употребляют и другие термины: инвариантность, симметрия относительно выбора направления.
В формировании взглядов на природу жидкого состояния важное значение имеет представление о критическом состоянии, который был открыт Менделеевым (1860 г.):
Критическое состояние — это равновесное состояние, при котором предел разделения между жидкостью и ее паром исчезает, поскольку жидкость и ее насыщенный пар приобретают одинаковые физические свойства.
В критическом состоянии значение как плотностей, так и удельных объемов жидкости и ее насыщенного пара становятся одинаковыми.
Жидкое состояние вещества является промежуточным между газообразным и твердым. Некоторые свойства приближают жидкое состояние к твердому. Если для твердых веществ характерна жесткая упорядоченность частиц, которая распространяется на расстояние до сотен тысяч межатомных или межмолекулярных радиусов, то в жидком состоянии наблюдается, как правило, не более нескольких десятков упорядоченных частиц. Объясняется это тем, что упорядоченность между частицами в разных местах жидкого вещества быстро возникает, и так же быстро снова «размывается» тепловым колебаниям частиц. Вместе с тем общая плотность «упаковки» частиц мало отличается от твердого вещества, поэтому плотность жидкостей не сильно отличается от плотности большинства твердых тел. К тому же способность жидкостей к сжатию почти такая же мала, что и в твердых тел (примерно в 20000 раз меньше, чем у газов).
Структурный анализ подтвердил, что в жидкостях наблюдается так называемый ближний порядок , который означает, что число ближайших «соседей» каждой молекулы и их взаимное расположение примерно одинаковы по всему объему.
Относительно небольшое количество различных по составу частиц, соединенных силами межмолекулярного взаимодействия, называется кластером . Если все частицы в жидкости одинаковы, то такой кластер называется ассоциатом . Именно в кластерах и ассоциатах наблюдается ближний порядок.
Степень упорядоченности в различных жидкостях зависит от температуры. При низких температурах, незначительно превышающих температуру плавления, степень упорядоченности размещения частиц очень большая. С повышением температуры она уменьшается и по мере нагревания свойства жидкости все больше приближаются к свойствам газов, а по достижении критической температуры разница между жидким и газообразным состоянием исчезает.
Близость жидкого состояния к твердому подтверждается значениями стандартных энтальпий испарения DН 0 испарения и плавления DН 0 плавления. Напомним, что величина DН 0 испарения показывает количество теплоты, которая нужна для преобразования 1 моля жидкости в пар при 101,3 кПа; такое же количество теплоты расходуется на конденсацию 1 моля пара в жидкость при тех же условиях (т.е. DН 0 испарения = DН 0 конденсации). Количество теплоты, затрачиваемое на превращение 1 моля твердого вещества в жидкость при 101,3 кПа, называется стандартной энтальпией плавления ; такое же количество теплоты высвобождается при кристаллизации 1 моля жидкости в условиях нормального давления (DН 0 плавления = DН 0 кристаллизации). Известно, что DН 0 испарения << DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.
Однако другие важные свойства жидкостей больше напоминают свойства газов. Так, подобно газам, жидкости могут течь — это свойство называется текучестью . Они могут сопротивляться течению, то есть им присуща вязкость . На эти свойства влияют силы притяжения между молекулами, молекулярная масса жидкого вещества и другие факторы. Вязкость жидкостей примерно в 100 раз больше, чем у газов. Так же, как и газы, жидкости способны диффундировать, но гораздо медленнее, поскольку частицы жидкости упакованы плотнее, чем частицы газа.
Одной из самых интересных свойств жидкого состояния, которая не характерна ни для газов, ни для твердых веществ, является поверхностное натяжение .
Схема поверхностного натяжения жидкости
На молекулу, находящуюся в объеме жидкости, со всех сторон равномерно действуют межмолекулярные силы. Однако на поверхности жидкости баланс этих сил нарушается, вследствие чего поверхностные молекулы находятся под действием некоторой результирующей силы, которая направлена внутрь жидкости. По этой причине поверхность жидкости находится в состоянии натяжения. Поверхностное натяжение — это минимальная сила, которая удерживает частицы жидкости внутри и тем самым предотвращает сокращении поверхности жидкости.
Строение и свойства твердых веществ
Большинство известных веществ как природного, так и искусственного происхождения при обычных условиях находятся в твердом состоянии. Из всех известных на сегодня соединений около 95% относятся к твердым веществам, которые приобрели важное значение, поскольку является основой не только конструкционных, но и функциональных материалов.
- Конструкционные материалы — это твердые вещества или их композиции, которые используются для изготовления орудий труда, предметов быта, и различных других конструкций.
- Функциональные материалы — это твердые вещества, использование которых обусловлено наличием в них тех или иных полезных свойств.
Например, сталь, алюминий, бетон, керамика принадлежат к конструкционным материалам, а полупроводники, люминофоры — к функциональным.
В твердом состоянии расстояния между частицами вещества маленькие и имеют по величине такой же порядок, что и сами частицы. Энергии взаимодействия между ними достаточно велики, что предотвращает свободное движение частиц — они могут только колебаться относительно определенных равновесных положений, например, вокруг узлов кристаллической решетки. Неспособность частиц к свободному перемещению приводит к одной из самых характерных особенностей твердых веществ — наличие собственной формы и объема. Способность к сжатию у твердых веществ очень незначительна, а плотность высокая и мало зависит от изменения температуры. Все процессы, происходящие в твердом веществе, происходят медленно. Законы стехиометрии для твердых веществ имеют другой и, как правило, более широкий смысл, чем для газообразных и жидких веществ.
Подробное описание твердых веществ слишком объемно для этого материала и поэтому рассматривается в отдельных статьях: , и .
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.
Агрегатное состояние вещества
Вещество – реально существующая совокупность частиц, связанных между собой химическими связями и находящихся при определенных условиях в одном из агрегатных состояний. Любое вещество состоит из совокупности очень большого числа частиц: атомов, молекул, ионов, которые могут объединяться между собой в ассоциаты, называемые также агрегатами или кластерами. В зависимости от температуры и поведения частиц в ассоциатах (взаимное расположение частиц, их число и взаимодействие в ассоциате, а также распределение ассоциатов в пространстве и их взаимодействии между собой) вещество может находиться в двух основных агрегатных состояниях – кристаллическом (твердом) или газообразном, и в переходных агрегатных состояниях – аморфном (твердом), жидкокристаллическом, жидком и парообразном. Твердое, жидкокристаллическое и жидкое агрегатные состояния являются конденсированными, а парообразное и газообразное – сильно разряженными.
Фаза – это совокупность однородных микрообластей, характеризующихся одинаковой упорядоченностью и концентрацией частиц и заключенных в макроскопическом объеме вещества, ограниченном поверхностью раздела. В таком понимании фаза характерна только для веществ, находящихся в кристаллическом и газообразном состояниях, т.к. это однородные агрегатные состояния.
Метафаза – это совокупность разнородных микрообластей, отличающихся друг от друга степенью упорядоченности частиц или их концентрацией и заключенных в макроскопическом объеме вещества, ограниченном поверхностью раздела. В таком понимании метафаза характерна только для веществ, находящихся в неоднородных переходных агрегатных состояний. Разные фазы и метафазы могут смешиваться между друг с другом, образуя одно агрегатное состояние, и тогда между ними нет поверхности раздела.
Обычно не разделяют понятия «основное» и «переходное» агрегатные состояния. Понятия «агрегатное состояние», «фаза» и «мезофаза» часто используют как синонимы. Целесообразно рассматривать для состояния веществ пять возможных агрегатных состояний: твердое, жидкокристаллическое, жидкое, парообразное, газообразное. Переход одной фазы в другую фазу называют фазовым переходом первого и второго рода. Фазовые переходы первого рода характеризуются:
Скачкообразным изменением физических величие, описывающих состояние вещества (объем, плотность, вязкость и т.д.);
Определенной температурой, при которой совершается данный фазовый переход
Определенной теплотой, характеризующий данный переход, т.к. рвутся межмолекулярные связи.
Фазовые переходы первого рода наблюдаются при переходе из одного агрегатного состояния в другое агрегатное состояние. Фазовые переходы второго рода наблюдаются при изменении упорядоченности частиц в пределах одного агрегатного состояния, характеризуются:
Постепенное изменение физических свойств вещества;
Изменение упорядоченности частиц вещества под действием градиента внешних полей или при определенной температуры, называемой температурой фазового перехода;
Теплота фазовых переходов второго рода равна и близка к нулю.
Главное различие фазовых переходов первого и второго рода заключается в том, что при переходах первого рода, прежде всего, изменяется энергия частиц системы, а в случае переходов второго рода – упорядоченность частиц системы.
Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением и характеризуется температурой плавления. Переход вещества из жидкого в парообразное состояние называется испарением и характеризуется температурой кипения. Для некоторых веществ с небольшой молекулярной массой и слабым межмолекулярным взаимодействием возможен непосредственный переход из твердого состояния в парообразное, минуя жидкое. Такой переход называется сублимацией. Все перечисленные процессы могут протекать и в обратном направлении: тогда их называют замерзанием, конденсацией, десублимацией.
Вещества, не разлагающиеся при плавлении и кипении, могут находиться в зависимости от температуры и давления во всех четырех агрегатных состояниях.
Твердое состояние
При достаточно низкой температуре практически все вещества находятся в твердом состоянии. В этом состоянии расстояние между частицами вещества сопоставимы с размерами самих частиц, что обеспечивает их сильное взаимодействие и значительное превышение у них потенциальной энергии над кинетической энергией.. Движение частиц твердого вещества ограничено только незначительными колебаниями и вращениями относительно занимаемого положения, а поступательное движение у них отсутствует. Это приводит к внутренней упорядоченности в расположении частиц. Поэтому для твердых тел характерна собственная форма, механическая прочность, постоянный объем (они практически несжимаемы). В зависимости от степени упорядоченности частиц твердые вещества разделяются на кристаллические и аморфные.
Кристаллические вещества характеризуются наличием порядка в расположении всех частиц. Твердая фаза кристаллических веществ состоит из частиц, которые образуют однородную структуру, характеризующуюся строгой повторяемостью одной и той же элементарной ячейки во всех направлениях. Элементарная ячейка кристалла характеризует трехмерную периодичность в расположении частиц, т.е. его кристаллическую решетку. Кристаллические решетки классифицируются в зависимости от типа частиц, составляющих кристалл, и от природы сил притяжения между ними.
Многие кристаллические вещества в зависимости от условий (температура, давление) могут иметь разную кристаллическую структуру. Это явление называется полиморфизмом. Общеизвестные полиморфные модификации углерода: графит, фуллерен, алмаз, карбин.
Аморфные (бесформенные) вещества. Это состояние характерно для полимеров. Длинные молекулы легко изгибаются и переплетаются с другими молекулами, что приводит к нерегулярности в расположении частиц.
Отличие аморфных частиц от кристаллических:
изотропия – одинаковость физических и химических свойств тела или среды по всем направлениям, т.е. независимость свойств от направления;
отсутствие фиксированной температуры плавления.
Аморфную структуру имеют стекло, плавленый кварц, многие полимеры. Аморфные вещества менее устойчивы, чем кристаллические, и поэтому любое аморфное тело со временем может перейти в энергетически более устойчивое состояние – кристаллическое.
Жидкое состояние
При повышении температуры энергия тепловых колебаний частиц возрастает, и для каждого вещества имеется температура, начиная с которой энергия тепловых колебаний превышает энергию связей. Частицы могут совершать различные движения, смещаясь относительно друг друга. Они еще остаются в контакте, хотя правильная геометрическая структура частиц нарушается – вещество существует в жидком состоянии. Вследствие подвижности частиц для жидкого состояния характерны броуновское движение, диффузия и летучесть частиц. Важным свойством жидкости является вязкость, которая характеризует межассоциатные силы, препятствующие свободному течению жидкости.
Жидкости занимают промежуточное положение между газообразным и твердым состоянием веществ. Более упорядочная структура, чем газ, но менее чем твердое вещество.
Паро – и газообразное состояния
Паро-газообразное состояние обычно не различают.
Газ – это сильно разряженная однородная система, состоящая из отдельных молекул, далеко отстоящих друг от друга, которую можно рассматривать как единую динамическую фазу.
Пар - это сильно разряженная неоднородная система, представляющая собой смесь молекул и неустойчивых небольших ассоциатов, состоящих из этих молекул.
Молекулярно-кинетическая теория объясняет свойства идеального газа, основываясь на следующих положениях: молекулы совершают непрерывное беспорядочное движение; объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с межмолекулярными расстояниями; между молекулами газа не действуют силы притяжения или отталкивания; средняя кинетическая энергия молекул газа пропорциональна его абсолютной температуре. Вследствие незначительности сил межмолекулярного взаимодействия и наличия большого свободного объема для газов характерны: высокая скорость теплового движения и молекулярной диффузии, стремление молекул занять как можно больший объем, а также большая сжимаемость.
Изолированная газофазная система характеризуется четырьмя параметрами: давлением, температурой, объемом, количеством вещества. Связь между данными параметрами описывается уравнением состояния идеального газа:
R = 8,31 кДж/моль – универсальная газовая постоянная.
