Agregatno stanje supstanci. Agregatno stanje materije - Hipermarket znanja U kom obliku agregatnog stanja

DEFINICIJA

Supstanca je skup velikog broja čestica (atoma, molekula ili jona).

Supstance imaju složenu strukturu. Čestice u materiji međusobno djeluju. Priroda interakcije čestica u tvari određuje njeno agregacijsko stanje.

Tipovi agregacijskih stanja

Razlikuju se sljedeća agregatna stanja: čvrsta, tečna, plinovita, plazma.

U čvrstom stanju, čestice se obično kombinuju u pravilnu geometrijsku strukturu. Energija veze čestica je veća od energije njihovih termičkih vibracija.

Ako se tjelesna temperatura poveća, povećava se energija toplinskih vibracija čestica. Na određenoj temperaturi energija toplinskih vibracija postaje veća od energije veza. Na ovoj temperaturi, veze između čestica se prekidaju i ponovo formiraju. U tom slučaju čestice vrše različite vrste kretanja (oscilacije, rotacije, pomjeranja jedna u odnosu na drugu, itd.). Istovremeno, oni su i dalje u kontaktu jedni s drugima. Ispravna geometrijska struktura je slomljena. Supstanca je u tečnom stanju.

Daljnjim porastom temperature toplinske fluktuacije se intenziviraju, veze između čestica postaju još slabije i praktički izostaju. Supstanca je u gasovitom stanju. Najjednostavniji model materije je idealni plin, u kojem se vjeruje da se čestice kreću slobodno u bilo kojem smjeru, međusobno djeluju samo u trenutku sudara, a zakoni elastičnog udara su zadovoljeni.

Možemo zaključiti da s povećanjem temperature supstanca prelazi iz uređene strukture u neuređeno stanje.

Plazma je plinovita tvar koja se sastoji od mješavine neutralnih čestica, jona i elektrona.

Temperatura i pritisak u različitim agregatnim stanjima

Različita stanja agregacije tvari određena su temperaturom i pritiskom. Nizak pritisak i visoka temperatura odgovaraju gasovima. Na niskim temperaturama supstanca je obično u čvrstom stanju. Međutemperature se odnose na supstance u tečnom stanju. Za karakterizaciju agregatnih stanja supstance često se koristi fazni dijagram. Ovo je dijagram koji pokazuje ovisnost agregacijskog stanja o tlaku i temperaturi.

Glavna karakteristika plinova je njihova sposobnost širenja i kompresibilnost. Plinovi nemaju oblik, oni poprimaju oblik posude u kojoj su smješteni. Zapremina gasa određuje zapreminu kontejnera. Plinovi se mogu miješati jedan s drugim u bilo kojoj proporciji.

Tečnosti nemaju oblik, ali imaju zapreminu. Tečnosti se ne kompresuju dobro, samo pod visokim pritiskom.

Čvrste materije imaju oblik i zapreminu. U čvrstom stanju mogu postojati jedinjenja sa metalnim, jonskim i kovalentnim vezama.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

PRIMJER 2

Agregatna stanja. Tečnosti. Faze u termodinamici. Fazni prijelazi.

Predavanje 1.16

Sve supstance mogu postojati u tri agregatna stanja - čvrsta, tečna I gasoviti. Prijelazi između njih su praćeni naglim promjenama brojnih fizičkih svojstava (gustina, toplinska provodljivost, itd.).

Stanje agregacije zavisi od fizičkih uslova u kojima se supstanca nalazi. Postojanje nekoliko agregacionih stanja u supstanci je posledica razlika u toplotnom kretanju njenih molekula (atoma) i njihovoj interakciji u različitim uslovima.

Gas- stanje agregacije tvari u kojem čestice nisu povezane ili su vrlo slabo povezane interakcijskim silama; kinetička energija toplinskog kretanja njegovih čestica (molekula, atoma) znatno premašuje potencijalnu energiju interakcija među njima, pa se čestice kreću gotovo slobodno, potpuno ispunjavajući posudu u kojoj se nalaze i poprimajući svoj oblik. U gasovitom stanju, supstanca nema ni svoju zapreminu ni svoj oblik. Bilo koja tvar se može pretvoriti u plin promjenom tlaka i temperature.

Tečnost- stanje agregacije supstance, između čvrstog i gasovitog. Odlikuje se velikom pokretljivošću čestica i malim slobodnim prostorom između njih. To uzrokuje da tekućine zadrže svoj volumen i poprime oblik posude. U tečnosti, molekuli se nalaze veoma blizu jedan drugom. Zbog toga je gustina tečnosti mnogo veća od gustine gasova (pri normalnom pritisku). Svojstva tečnosti su ista (izotropna) u svim pravcima, sa izuzetkom tečnih kristala. Zagrijavanjem ili smanjenjem gustine, svojstva tečnosti, toplotna provodljivost i viskoznost se po pravilu menjaju ka svojstvima gasova.

Toplotno kretanje molekula tekućine sastoji se od kombinacije kolektivnih vibracijskih kretanja i skokova molekula koji se s vremena na vrijeme javljaju iz jednog ravnotežnog položaja u drugi.

Čvrsta (kristalna) tijela- stanje agregacije tvari, koje karakterizira stabilnost oblika i priroda toplinskog kretanja atoma. Ovo kretanje je vibracija atoma (ili jona) koji čine čvrstu materiju. Amplituda vibracija je obično mala u odnosu na međuatomske udaljenosti.

Svojstva tečnosti.

Molekuli tvari u tekućem stanju nalaze se gotovo blizu jedan drugom. Za razliku od čvrstih kristalnih tijela, u kojima molekuli formiraju uređene strukture po cijelom volumenu kristala i mogu vršiti termičke vibracije oko fiksnih centara, tekući molekuli imaju veću slobodu. Svaki molekul tečnosti, baš kao i u čvrstom stanju, sa svih strana je „u sendviču“ od strane susednih molekula i podleže termičkim vibracijama oko određenog ravnotežnog položaja. Međutim, s vremena na vrijeme se bilo koji molekul može preseliti na obližnje slobodno mjesto. Takvi skokovi u tečnostima se dešavaju prilično često; stoga molekuli nisu vezani za specifične centre, kao u kristalima, i mogu se kretati po cijeloj zapremini tečnosti. Ovo objašnjava fluidnost tečnosti. Zbog jake interakcije između blisko lociranih molekula, oni mogu formirati lokalne (nestabilne) uređene grupe koje sadrže nekoliko molekula. Ovaj fenomen se zove zatvori red.

Zbog gustog pakiranja molekula, kompresibilnost tekućina, tj. promjena volumena s promjenom tlaka, vrlo je mala; to je desetine i stotine hiljada puta manje nego u gasovima. Na primjer, da biste promijenili volumen vode za 1%, potrebno je povećati pritisak otprilike 200 puta. Ovo povećanje pritiska u odnosu na atmosferski pritisak postiže se na dubini od oko 2 km.

Tečnosti, poput čvrstih materija, menjaju zapreminu sa promenama temperature. Za ne baš velike temperaturne opsege, relativna promjena volumena Δ V / V 0 je proporcionalno promjeni temperature Δ T:

Koeficijent β se naziva temperaturni koeficijent volumetrijskog širenja. Ovaj koeficijent za tečnosti je desetine puta veći nego za čvrste materije. Za vodu, na primjer, na temperaturi od 20 °C β ≈ 2 10 –4 K –1, za čelik – β st ≈ 3,6 10 –5 K –1, za kvarcno staklo – β kV ≈ 9 10 – 6 K – 1.

Toplotno širenje vode ima zanimljivu i važnu anomaliju za život na Zemlji. Na temperaturama ispod 4 °C, voda se širi kako temperatura pada (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

Kada se voda zamrzne, ona se širi, tako da led ostaje da pluta na površini vode koja se smrzava. Temperatura vode koja se smrzava ispod leda je 0 °C. U gušćim slojevima vode na dnu rezervoara temperatura je oko 4 °C. Zahvaljujući tome, život može postojati u vodi ledenih rezervoara.

Najzanimljivija karakteristika tečnosti je prisustvo slobodna površina. Tečnost, za razliku od plinova, ne ispunjava cijeli volumen posude u koju se sipa. Interfejs se formira između tečnosti i gasa (ili pare), koji je pod posebnim uslovima u poređenju sa ostatkom tečnosti. Molekuli u graničnom sloju tečnosti, za razliku od molekula u njenoj dubini, nisu sa svih strana okruženi drugim molekulima iste tečnosti. Sile međumolekulske interakcije koje djeluju na jedan od molekula unutar tekućine iz susjednih molekula su u prosjeku međusobno kompenzirane. Bilo koji molekul u graničnom sloju privučen je molekulima koji se nalaze unutar tekućine (mogu se zanemariti sile koje djeluju na dati molekul tekućine iz molekula plina (ili pare). Kao rezultat, pojavljuje se određena rezultantna sila, usmjerena duboko u tekućinu. Površinski molekuli se uvlače u tečnost silama međumolekularne privlačnosti. Ali svi molekuli, uključujući molekule graničnog sloja, moraju biti u stanju ravnoteže. Ova ravnoteža se postiže blagim smanjenjem udaljenosti između molekula površinskog sloja i njihovih najbližih susjeda unutar tekućine. Kako se udaljenost između molekula smanjuje, javljaju se odbojne sile. Ako je prosječna udaljenost između molekula unutar tekućine r 0, tada su molekuli površinskog sloja pakirani nešto gušće, pa stoga imaju dodatnu rezervu potencijalne energije u odnosu na unutrašnje molekule. Treba imati na umu da zbog izuzetno niske kompresibilnosti, prisustvo gušće zbijenog površinskog sloja ne dovodi do bilo kakve primjetne promjene u zapremini tečnosti. Ako se molekula kreće s površine u tekućinu, sile međumolekularne interakcije će obaviti pozitivan rad. Naprotiv, da bi se izvukao određeni broj molekula iz dubine tečnosti na površinu (tj. povećao površinu tečnosti), spoljne sile mora raditi pozitivno A eksterno, proporcionalno promjeni Δ S površina:

Koeficijent σ naziva se koeficijent površinskog napona (σ > 0). Dakle, koeficijent površinske napetosti jednak je radu potrebnom za povećanje površine tekućine pri konstantnoj temperaturi za jednu jedinicu.

U SI, koeficijent površinske napetosti se mjeri u džulima po metar kvadratnom (J/m2) ili u njutnima po metru (1 N/m = 1 J/m2).

Posljedično, molekuli površinskog sloja tekućine imaju višak od potencijalna energija. Potencijalna energija E p površine tečnosti proporcionalno je njenoj površini: (1.16.1)

Iz mehanike je poznato da ravnotežna stanja sistema odgovaraju minimalnoj vrijednosti njegove potencijalne energije. Iz toga slijedi da slobodna površina tekućine teži smanjenju svoje površine. Iz tog razloga slobodna kap tečnosti poprima sferni oblik. Tečnost se ponaša kao da sile koje djeluju tangencijalno na njenu površinu skupljaju (vuku) ovu površinu. Ove sile se zovu sile površinskog napona.

Prisutnost sila površinskog napona čini da površina tekućine izgleda kao elastični rastegnuti film, s jedinom razlikom što elastične sile u filmu zavise od njegove površine (tj. od toga kako je film deformiran) i površinske napetosti sile ne zavise od površine tečnosti.

Sile površinske napetosti teže smanjenju površine filma. Stoga možemo napisati: (1.16.2)

Dakle, koeficijent površinske napetosti σ može se definirati kao modul sile površinske napetosti koja djeluje po jedinici dužine linije koja graniči površinu ( l- dužina ove linije).

Usljed djelovanja sila površinskog napona u kapima tekućine i unutar mjehurića sapuna nastaje višak tlaka Δ str. Ako mentalno isečete sferni pad radijusa R na dvije polovine, tada svaka od njih mora biti u ravnoteži pod djelovanjem sila površinskog napona primijenjenih na granicu reza dužine 2π R i sile viška pritiska koje djeluju na površinu π R 2 sekcije (slika 1.16.1). Uslov ravnoteže se zapisuje kao

U blizini granice između tečnosti, čvrste supstance i gasa, oblik slobodne površine tečnosti zavisi od sila interakcije između molekula tečnosti i čvrstih molekula (interakcija sa molekulima gasa (ili pare) može se zanemariti). Ako su ove sile veće od sila interakcije između molekula same tečnosti, onda je tečnost wets površine čvrste materije. U ovom slučaju, tečnost se približava površini čvrste materije pod određenim oštrim uglom θ, karakterističnim za dati par tečnost-čvrsto telo. Ugao θ se naziva kontaktni ugao. Ako sile interakcije između tekućih molekula premašuju sile njihove interakcije sa čvrstim molekulima, tada se kontaktni ugao θ ispostavlja tupim (slika 1.16.2(2)). U ovom slučaju kažu da je tečnost ne mokri površine čvrste materije. Inače (ugao - akutni) tečnost wets površine (slika 1.16.2(1)). At potpuno vlaženjeθ = 0, at potpuno nekvašenjeθ = 180°.

Kapilarni fenomeni zove se porast ili pad tečnosti u cevima malog prečnika - kapilare. Vlažeće tečnosti se dižu kroz kapilare, a nemokriće se spuštaju.

Slika 1.16.3 prikazuje kapilarnu cijev određenog radijusa r, spušten na donjem kraju u tekućinu za vlaženje gustine ρ. Gornji kraj kapilare je otvoren. Podizanje tečnosti u kapilari se nastavlja sve dok sila gravitacije koja deluje na stub tečnosti u kapilari ne postane jednaka po veličini rezultanti F n sile površinske napetosti koje djeluju duž granice kontakta tekućine s površinom kapilare: F t = F n, gdje F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.

Ovo implicira:

Sa potpunim vlaženjem θ = 0, cos θ = 1. U ovom slučaju

Sa potpunim nekvašenjem θ = 180°, cos θ = –1 i, prema tome, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Čistu staklenu površinu voda gotovo u potpunosti navlaži. Naprotiv, živa ne vlaži u potpunosti staklenu površinu. Zbog toga nivo žive u staklenoj kapilari pada ispod nivoa u posudi.

Stanje materije

Supstanca- stvarno postojeća zbirka čestica povezanih hemijskim vezama i pod određenim uslovima u jednom od agregacionih stanja. Svaka supstanca se sastoji od skupa vrlo velikog broja čestica: atoma, molekula, iona, koji se međusobno mogu kombinovati u asociate, koji se nazivaju i agregati ili klasteri. U zavisnosti od temperature i ponašanja čestica u asocijacijama (relativni raspored čestica, njihov broj i interakcija u asocijaciji, kao i distribucija asociata u prostoru i njihova međusobna interakcija), supstanca može biti u dva glavna stanja. agregacije - kristalni (čvrsti) ili gasoviti, iu prelaznim stanjima agregacije – amorfni (čvrsti), tečni kristali, tečni i para.Čvrsta, tečno kristalna i tečna agregatna stanja su kondenzovana, dok su parna i gasovita stanja jako ispražnjena.

Faza- ovo je skup homogenih mikroregiona, koje karakteriše isti poredak i koncentracija čestica i sadržanih u makroskopskom volumenu materije ograničenim interfejsom. U ovom shvatanju, faza je karakteristična samo za supstance u kristalnom i gasovitom stanju, jer ovo su homogena stanja agregacije.

Metafaza je skup heterogenih mikroregija koje se međusobno razlikuju po stepenu uređenosti čestica ili njihovoj koncentraciji i sadržane su u makroskopskom volumenu materije ograničenim interfejsom. U ovom shvatanju, metafaza je karakteristična samo za supstance koje su u heterogenim prelaznim stanjima agregacije. Različite faze i metafaze mogu se miješati jedna s drugom, formirajući jedno stanje agregacije, i tada između njih nema međusklopa.

Obično se ne razlikuju koncepti “osnovnog” i “tranzicijskog” stanja agregacije. Koncepti “agregatnog stanja”, “faze” i “mezofaze” se često koriste naizmjenično. Preporučljivo je razmotriti pet mogućih agregacijskih stanja za stanje tvari: čvrsta, tečna kristalna, tečna, para, gasovita. Prijelaz jedne faze u drugu fazu naziva se fazni prijelaz prvog i drugog reda. Fazne prelaze prvog reda karakteriziraju:

Nagle promjene fizičkih veličina koje opisuju stanje tvari (zapremina, gustina, viskoznost, itd.);

Određena temperatura na kojoj se javlja dati fazni prijelaz

Određena toplina koja karakterizira ovaj prijelaz, jer intermolekularne veze su prekinute.

Fazni prijelazi prvog reda se uočavaju tokom prijelaza iz jednog agregacijskog stanja u drugo agregacijsko stanje. Fazni prijelazi drugog reda se uočavaju kada se redosljed čestica mijenja unutar jednog agregacijskog stanja i karakteriziraju:

Postepena promjena fizičkih svojstava tvari;

Promjena u poretku čestica tvari pod utjecajem gradijenta vanjskih polja ili na određenoj temperaturi, nazvana temperatura faznog prijelaza;

Toplina faznih prelaza drugog reda je jednaka i blizu nule.

Osnovna razlika između faznih prelaza prvog i drugog reda je u tome što se tokom prelaza prvog reda menja pre svega energija čestica sistema, au slučaju prelaza drugog reda redosled čestica sistema. sistem se menja.

Prijelaz tvari iz čvrstog u tečnost naziva se topljenje i karakteriše ga tačka topljenja. Prijelaz tvari iz tekućeg u parno stanje naziva se isparavanje a karakteriše ga tačka ključanja. Za neke tvari male molekularne težine i slabih međumolekularnih interakcija moguć je direktan prijelaz iz čvrstog u parno stanje, zaobilazeći tekuće stanje. Ova tranzicija se zove sublimacija. Svi gore navedeni procesi mogu se odvijati i u suprotnom smjeru: tada se nazivaju smrzavanje, kondenzacija, desublimacija.

Supstance koje se ne raspadaju pri topljenju i ključanju mogu postojati, zavisno od temperature i pritiska, u sva četiri agregatna stanja.

Čvrsto stanje

Na dovoljno niskoj temperaturi, gotovo sve tvari su u čvrstom stanju. U ovom stanju, udaljenost između čestica tvari je usporediva s veličinom samih čestica, što osigurava njihovu snažnu interakciju i značajan višak njihove potencijalne energije u odnosu na kinetičku energiju manje vibracije i rotacije u odnosu na njihov položaj i nemaju translacijsko kretanje. To dovodi do unutrašnjeg reda u rasporedu čestica. Zbog toga se čvrste tvari odlikuju vlastitim oblikom, mehaničkom čvrstoćom i konstantnom zapreminom (praktički su nestišljive). U zavisnosti od stepena uređenosti čestica, čvrste materije se dele na kristalno i amorfno.

Kristalne supstance karakteriše prisustvo reda u rasporedu svih čestica. Čvrsta faza kristalnih supstanci sastoji se od čestica koje formiraju homogenu strukturu, koju karakteriše striktna ponovljivost iste jedinične ćelije u svim pravcima. Jedinična ćelija kristala karakteriše trodimenzionalnu periodičnost u rasporedu čestica, tj. svoju kristalnu rešetku. Kristalne rešetke se klasificiraju ovisno o vrsti čestica koje čine kristal i prirodi privlačnih sila između njih.

Mnoge kristalne supstance, u zavisnosti od uslova (temperatura, pritisak), mogu imati različite kristalne strukture. Ovaj fenomen se zove polimorfizam. Dobro poznate polimorfne modifikacije ugljika: grafit, fuleren, dijamant, karbin.

Amorfne (bezoblične) supstance. Ovo stanje je tipično za polimere. Duge molekule se lako savijaju i prepliću s drugim molekulima, što dovodi do nepravilnosti u rasporedu čestica.

Razlika između amorfnih čestica i kristalnih:

izotropija – ista fizička i hemijska svojstva tela ili sredine u svim pravcima, tj. nezavisnost imovine od pravca;

nema fiksne tačke topljenja.

Staklo, topljeni kvarc i mnogi polimeri imaju amorfnu strukturu. Amorfne tvari su manje stabilne od kristalnih, pa se stoga svako amorfno tijelo može s vremenom pretvoriti u energetski stabilnije stanje - kristalno.

Tečno stanje

Kako temperatura raste, energija toplotnih vibracija čestica raste, a za svaku supstancu postoji temperatura od koje energija toplotnih vibracija premašuje energiju veza. Čestice mogu obavljati različite pokrete, krećući se jedna u odnosu na drugu. Oni i dalje ostaju u kontaktu, iako je ispravna geometrijska struktura čestica poremećena - supstanca postoji u tekućem stanju. Zbog pokretljivosti čestica, tečno stanje karakteriziraju Brownovo kretanje, difuzija i hlapljivost čestica. Važna osobina tečnosti je viskoznost, koja karakteriše međusobne sile koje ometaju slobodan protok tečnosti.

Tečnosti zauzimaju međupoložaj između gasovitog i čvrstog stanja supstanci. Više uređena struktura od gasa, ali manje od čvrste.

Parna i gasovita stanja

Paro-gasovito stanje se obično ne razlikuje.

plin – ovo je visoko pražnjeni homogeni sistem koji se sastoji od pojedinačnih molekula udaljenih jedan od drugog, koji se može smatrati jednom dinamičkom fazom.

Steam - Ovo je visoko ispražnjeni nehomogen sistem, koji je mješavina molekula i nestabilnih malih saradnika koji se sastoje od ovih molekula.

Teorija molekularne kinetike objašnjava svojstva idealnog gasa na osnovu sledećih principa: molekuli prolaze kroz kontinuirano nasumično kretanje; zapremina molekula gasa je zanemarljiva u odnosu na međumolekularne udaljenosti; ne postoje privlačne ili odbojne sile između molekula gasa; prosječna kinetička energija molekula plina proporcionalna je njegovoj apsolutnoj temperaturi. Zbog neznatnosti sila međumolekularne interakcije i prisustva velikog slobodnog volumena, plinove karakteriziraju: visoka stopa toplinskog kretanja i molekularne difuzije, želja molekula da zauzmu što veći volumen, kao i visoka kompresibilnost .

Izolovani sistem gasne faze karakterišu četiri parametra: pritisak, temperatura, zapremina i količina supstance. Odnos između ovih parametara opisuje jednačina stanja idealnog gasa:

R = 8,31 kJ/mol – univerzalna plinska konstanta.

Sva materija može postojati u jednom od četiri oblika. Svaki od njih je specifično stanje agregacije neke supstance. U prirodi Zemlje samo jedan je predstavljen u tri od njih odjednom. Ovo je voda. Lako se vidi i ispareno, i rastopljeno, i stvrdnuto. Odnosno, para, voda i led. Naučnici su naučili da menjaju agregatna stanja materije. Najveća poteškoća za njih je samo plazma. Ovo stanje zahteva posebne uslove.

Šta je to, od čega zavisi i kako se karakteriše?

Ako je tijelo prešlo u drugo stanje materije, to ne znači da se pojavilo nešto drugo. Supstanca ostaje ista. Kada bi tečnost imala molekule vode, onda bi led i para imali iste molekule. Promijenit će se samo njihova lokacija, brzina kretanja i sile međusobne interakcije.

Prilikom proučavanja teme „Stanja agregacije (8. razred)“ razmatraju se samo tri od njih. To su tečni, gasoviti i čvrsti. Njihove manifestacije zavise od fizičkih uslova okoline. Karakteristike ovih stanja prikazane su u tabeli.

Prvo stanje: čvrsto

Njegova fundamentalna razlika od ostalih je u tome što molekuli imaju strogo određeno mjesto. Kada ljudi govore o čvrstom agregatnom stanju, najčešće misle na kristale. Njihova rešetkasta struktura je simetrična i striktno periodična. Stoga je uvijek očuvan, bez obzira na to koliko se tijelo širi. Vibraciono kretanje molekula supstance nije dovoljno da uništi ovu rešetku.

Ali postoje i amorfna tijela. Nedostaje im stroga struktura u rasporedu atoma. Mogli bi biti bilo gdje. Ali ovo mjesto je stabilno kao u kristalnom tijelu. Razlika između amorfnih i kristalnih supstanci je u tome što nemaju određenu temperaturu topljenja (stvrdnjavanja) i odlikuju se fluidnošću. Živopisni primjeri takvih tvari: staklo i plastika.

Drugo stanje: tečnost

Ovo stanje materije je ukrštanje čvrstog i gasnog. Stoga kombinuje neka svojstva iz prve i druge. Dakle, udaljenost između čestica i njihova interakcija je slična onome što je bilo u slučaju kristala. Ali lokacija i kretanje je bliže gasu. Stoga tečnost ne zadržava svoj oblik, već se širi po posudi u koju se sipa.

Treće stanje: gas

Za nauku koja se zove „fizika“, stanje agregacije u obliku gasa nije na poslednjem mestu. Uostalom, ona proučava svijet oko sebe, a zrak u njemu je vrlo čest.

Posebnosti ovog stanja su da praktično ne postoje sile interakcije između molekula. To objašnjava njihovo slobodno kretanje. Zbog čega plinovita tvar ispunjava cijeli volumen koji joj se daje. Štoviše, sve se može prebaciti u ovo stanje, samo trebate povećati temperaturu za potrebnu količinu.

Četvrto stanje: plazma

Ovo stanje agregacije tvari je plin koji je potpuno ili djelomično ioniziran. To znači da je broj negativno i pozitivno nabijenih čestica u njemu gotovo isti. Ova situacija se dešava kada se gas zagreva. Zatim dolazi do naglog ubrzanja procesa termalne jonizacije. Sastoji se u činjenici da su molekuli podijeljeni na atome. Potonji se zatim pretvaraju u jone.

Unutar Univerzuma ovo stanje je vrlo često. Zato što sadrži sve zvijezde i medij između njih. Javlja se izuzetno rijetko unutar granica Zemljine površine. Osim jonosfere i solarnog vjetra, plazma je moguća samo za vrijeme grmljavine. U bljeskovima munje stvaraju se uslovi u kojima se atmosferski gasovi pretvaraju u četvrto stanje materije.

Ali to ne znači da plazma nije stvorena u laboratoriji. Prva stvar koju smo uspjeli reproducirati je plinsko pražnjenje. Plazma sada puni fluorescentne lampe i neonske reklame.

Kako se ostvaruje tranzicija između stanja?

Da biste to učinili, morate stvoriti određene uvjete: konstantan pritisak i određenu temperaturu. U ovom slučaju, promjena agregatnog stanja tvari je praćena oslobađanjem ili apsorpcijom energije. Štaviše, ova tranzicija se ne događa brzinom munje, već zahtijeva određeno vrijeme. Za cijelo to vrijeme uslovi moraju ostati nepromijenjeni. Prijelaz se događa uz istovremeno postojanje tvari u dva oblika koji održavaju toplinsku ravnotežu.

Prva tri stanja materije mogu se međusobno transformisati jedno u drugo. Postoje direktni i obrnuti procesi. Imaju sljedeća imena:

• topljenje(čvrsto u tečno) i kristalizacija, na primjer, otapanje leda i očvršćavanje vode;
• isparavanje(iz tečnog u gasovito) i kondenzacije, primjer je isparavanje vode i njena proizvodnja iz pare;
• sublimacija(iz čvrstog u gasovito) i desublimacija, na primjer, isparavanje suhe arome za prvu od njih i smrznute šare na staklu za drugu.

Fizika topljenja i kristalizacije

Ako se čvrsta tvar zagrije, tada na određenoj temperaturi, tzv tačka topljenja određena supstanca, započet će promjena agregatnog stanja, nazvana topljenje. Ovaj proces uključuje apsorpciju energije, što se tzv količinu toplote i označava se slovom Q. Da biste ga izračunali, moraćete da znate specifična toplota fuzije, što je označeno λ . I formula poprima sljedeći izraz:

Q = λ * m, gdje je m masa tvari koja učestvuje u topljenju.

Ako dođe do obrnutog procesa, odnosno kristalizacije tečnosti, tada se uslovi ponavljaju. Jedina razlika je u tome što se energija oslobađa, a u formuli se pojavljuje znak minus.

Fizika isparavanja i kondenzacije

Kako se tvar nastavlja zagrijavati, postepeno će se približavati temperaturi na kojoj počinje njeno intenzivno isparavanje. Ovaj proces se zove vaporizacija. Ponovo ga karakterizira apsorpcija energije. Samo da biste to izračunali morate znati specifična toplota isparavanja r. A formula će biti ovakva:

Q = r * m.

Obrnuti proces ili kondenzacija se događa s oslobađanjem iste količine topline. Stoga se u formuli ponovo pojavljuje minus.

Stanje agregacije- stanje materije koje karakterišu određena kvalitativne osobine: sposobnost ili nemogućnost održavanja volumena i oblika, prisustvo ili odsustvo reda dugog i kratkog dometa i dr. Promjena agregacijskog stanja može biti praćena naglom promjenom slobodne energije, entropije, gustine i drugih osnovnih fizičkih svojstava.
Postoje tri glavna agregatna stanja: čvrsto, tečno i gasovito. Ponekad nije sasvim ispravno klasifikovati plazmu kao stanje agregacije. Postoje i druga stanja agregacije, na primjer, tekući kristali ili Bose-Einstein kondenzat. Promjene u agregacijskom stanju su termodinamički procesi koji se nazivaju fazni prijelazi. Razlikuju se sljedeće varijante: od čvrstog do tekućeg - topljenje; iz tečnog u gasovito - isparavanje i ključanje; od čvrstog do gasovitog - sublimacija; iz gasovitog u tečno ili čvrsto - kondenzacija; iz tečnog u čvrstu - kristalizacija. Posebnost je odsustvo oštre granice prijelaza u stanje plazme.
Definicije stanja agregacije nisu uvijek stroge. Dakle, postoje amorfna tijela koja zadržavaju strukturu tekućine i imaju nisku fluidnost i sposobnost zadržavanja oblika; tečni kristali su fluidni, ali u isto vrijeme imaju neka svojstva čvrstih tijela, posebno mogu polarizirati elektromagnetno zračenje koje prolazi kroz njih. Za opisivanje različitih stanja u fizici koristi se širi koncept termodinamičke faze. Pojave koje opisuju prelaze iz jedne faze u drugu nazivaju se kritične pojave.
Stanje agregacije supstance zavisi od fizičkih uslova u kojima se nalazi, uglavnom od temperature i pritiska. Odredjujuća veličina je omjer prosječne potencijalne energije interakcije molekula i njihove prosječne kinetičke energije. Dakle, za čvrstu supstancu je ovaj odnos veći od 1, za gasove manji od 1, a za tečnosti približno jednak 1. Prelazak iz jednog agregacionog stanja supstance u drugo prati nagla promena u vrijednost ovog omjera, povezana s naglom promjenom međumolekulskih udaljenosti i međumolekularnih interakcija. U plinovima su međumolekulske udaljenosti velike, molekule jedva stupaju u interakciju jedni s drugima i kreću se gotovo slobodno, ispunjavajući cijeli volumen. U tekućinama i čvrstim tvarima - kondenziranoj tvari - molekuli (atomi) su smješteni mnogo bliže jedan drugom i jače međusobno djeluju.
To dovodi do toga da tekućine i čvrste tvari zadržavaju svoj volumen. Međutim, priroda kretanja molekula u čvrstim materijama i tečnostima je različita, što objašnjava razliku u njihovoj strukturi i svojstvima.
U čvrstim materijama u kristalnom stanju, atomi vibriraju samo u blizini čvorova kristalne rešetke; strukturu ovih tela karakteriše visok stepen uređenosti – poredak dugog i kratkog dometa. Toplotno kretanje molekula (atoma) tečnosti je kombinacija malih vibracija oko ravnotežnih položaja i čestih skokova iz jednog ravnotežnog položaja u drugi. Potonji određuju postojanje u tečnostima samo kratkog reda u rasporedu čestica, kao i njihovu inherentnu pokretljivost i fluidnost.
A. Solid- stanje koje karakteriše sposobnost održavanja volumena i oblika. Atomi čvrste supstance podležu samo malim vibracijama oko ravnotežnog stanja. Postoji i dugoročni i kratkoročni poredak.
b. Tečnost- stanje materije u kojem ima nisku stišljivost, odnosno dobro zadržava svoj volumen, ali nije u stanju zadržati oblik. Tečnost lako poprima oblik posude u koju se nalazi. Atomi ili molekuli tečnosti vibriraju blizu ravnotežnog stanja, zaključani drugim atomima, i često skaču na druga slobodna mjesta. Prisutan je samo poredak kratkog dometa.
Topljenje- ovo je prelazak supstance iz čvrstog agregatnog stanja (vidi Agregatna stanja materije) u tečno. Ovaj proces se dešava kada se zagreje, kada se telu prenese određena količina toplote +Q. Na primjer, nisko topivo metalno olovo prelazi iz čvrstog u tekuće stanje ako se zagrije na temperaturu od 327 C. Olovo se lako topi na plinskom štednjaku, na primjer u žlici od nerđajućeg čelika (poznato je da plamen temperatura plinskog gorionika je 600-850°C, a temperatura topljenja čelika - 1300-1500°C).
Ako, dok topite olovo, izmjerite njegovu temperaturu, otkrit ćete da se ona u početku lagano povećava, ali nakon određenog trenutka ostaje konstantna, uprkos daljem zagrijavanju. Ovaj trenutak odgovara topljenju. Temperatura ostaje konstantna dok se svo olovo ne otopi, a tek onda ponovo počinje da raste. Kada se tečno olovo ohladi, uočava se suprotna slika: temperatura opada dok ne počne skrućivanje i ostaje konstantna sve vrijeme dok olovo ne pređe u čvrstu fazu, a zatim ponovo pada.
Sve čiste supstance se ponašaju na sličan način. Konstantnost temperature tokom topljenja je od velike praktične važnosti, jer vam omogućava kalibraciju termometara i izradu osigurača i indikatora koji se tope na strogo određenoj temperaturi.
Atomi u kristalu osciliraju oko svojih ravnotežnih položaja. Sa povećanjem temperature, amplituda vibracija se povećava i dostiže određenu kritičnu vrijednost, nakon čega se kristalna rešetka uništava. Ovo zahteva dodatnu toplotnu energiju, tako da se temperatura ne povećava tokom procesa topljenja, iako toplota nastavlja da teče.
Tačka topljenja neke supstance zavisi od pritiska. Za supstance čija se zapremina povećava tokom topljenja (a njih je velika većina), povećanje pritiska povećava tačku topljenja i obrnuto. Kada se voda topi, njen volumen se smanjuje (dakle, kada se voda zamrzne, puca cijevi), a kada se pritisak poveća, led se topi na nižoj temperaturi. Bizmut, galijum i neke marke livenog gvožđa ponašaju se na sličan način.
V. Gas- stanje koje karakteriše dobra kompresibilnost, nedostatak sposobnosti zadržavanja volumena i oblika. Plin ima tendenciju da zauzme cjelokupni volumen koji mu se daje. Atomi ili molekuli plina ponašaju se relativno slobodno, udaljenosti između njih su mnogo veće od njihovih veličina.
Plazma, koja se često klasifikuje kao agregatno stanje materije, razlikuje se od gasa po visokom stepenu jonizacije atoma. Većina barionske materije (oko 99,9% mase) u Univerzumu je u stanju plazme.
grad C superkritični fluid- Javlja se uz istovremeno povećanje temperature i pritiska do kritične tačke u kojoj se gustina gasa upoređuje sa gustinom tečnosti; u ovom slučaju, granica između tekuće i plinovite faze nestaje. Superkritični fluid ima izuzetno veliku moć rastvaranja.
d. Bose-Einstein kondenzat- dobija se kao rezultat hlađenja Bose gasa na temperature blizu apsolutne nule. Kao rezultat toga, neki atomi se nađu u stanju sa striktno nultom energijom (to jest, u najnižem mogućem kvantnom stanju). Bose-Einstein kondenzat pokazuje niz kvantnih svojstava, kao što su superfluidnost i Fischbachova rezonanca.
e. Fermion kondenzat- predstavlja Bose kondenzaciju u BCS modu “atomskih Cooperovih parova” u gasovima koji se sastoje od atoma fermiona. (Za razliku od tradicionalnog režima Bose-Einstein kondenzacije složenih bozona).
Takvi fermionski atomski kondenzati su "rođaci" supravodnika, ali s kritičnom temperaturom reda sobne temperature i više.
Degenerisana materija – Fermi gas Faza 1 Gas degenerisan od elektrona, primećen kod belih patuljaka, igra važnu ulogu u evoluciji zvezda. 2. faza, neutronsko stanje, materija prelazi u njega pod ultravisokim pritiskom, što se još ne može postići u laboratoriji, ali postoji unutar neutronskih zvijezda. Tokom prijelaza u neutronsko stanje, elektroni tvari stupaju u interakciju s protonima i pretvaraju se u neutrone. Kao rezultat toga, materija u neutronskom stanju sastoji se u potpunosti od neutrona i ima gustoću reda nuklearne. Temperatura tvari ne bi trebala biti previsoka (u energetskom ekvivalentu, ne više od sto MeV).
Sa snažnim porastom temperature (stotine MeV i više), razni mezoni počinju da se rađaju i anihiliraju u neutronskom stanju. Daljnjim povećanjem temperature dolazi do dekonfiniranja i tvar prelazi u stanje kvark-gluonske plazme. Više se ne sastoji od hadrona, već od stalnog rađanja i nestajanja kvarkova i gluona. Možda se dekonfinacija odvija u dvije faze.
S daljnjim neograničenim povećanjem tlaka bez povećanja temperature, supstanca kolabira u crnu rupu.
Uz istovremeni porast i tlaka i temperature, kvarkovima i gluonima se dodaju druge čestice. Šta se dešava sa materijom, prostorom i vremenom na temperaturama bliskim Planckovim još uvek nije poznato.
Druge države
Tokom dubokog hlađenja, neke (ne sve) supstance prelaze u supravodljivo ili superfluidno stanje. Ova stanja su, naravno, odvojene termodinamičke faze, ali se teško mogu nazvati novim agregatnim stanjima materije zbog njihove neuniverzalnosti.
Heterogene supstance kao što su paste, gelovi, suspenzije, aerosoli, itd., koje pod određenim uslovima pokazuju svojstva i čvrstih i tečnih, pa čak i gasova, obično se klasifikuju kao dispergovani materijali, a ne u neka specifična agregatna stanja materije.