ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Вещество - это совокупность большого количества частиц (атомов, молекул или ионов).
Вещества имеют сложное строение. Частицы в веществе взаимодействуют между собой. Характер взаимодействия частиц в веществе определяет его агрегатное состояние.
Выделяют следующие агрегатные состояния: твердое, жидкое, газ, плазма.
В твердом состоянии частицы, как правило, объединены в правильную геометрическую структуру. Энергия связей частиц больше, чем энергия их тепловых колебаний.
Если температуру тела увеличивать, увеличивается энергия тепловых колебаний частиц. При некоторой температуре энергия тепловых колебаний становится больше, чем энергия связей. При такой температуре связи между частицами разрушаются и образуются снова. При этом частицы совершают различные виды движений (колебания, вращения, перемещения друг относительно друга и т.д.). При этом они еще контактируют между собой. Правильная геометрическая структура нарушена. Вещество находится в жидком состоянии.
При дальнейшем росте температуры тепловые колебания усиливаются, связи между частицами становятся еще слабее и практически отсутствуют. Вещество находится в газообразном состоянии. Самой простой моделью вещества является идеальный газ, в котором считается, что частицы движутся в любых направлениях свободно, взаимодействуют между собой только в момент соударений, при этом выполняются законы упругого удара.
Можно сделать вывод о том, что с ростом температуры вещество переходит от упорядоченной структуры в неупорядоченное состояние.
Плазма - это газообразное вещество, состоящее из смеси нейтральных частиц ионов и электронов.
Разные агрегатные состояния вещества определяют: температура и давление. Низкое давление и высокая температура соответствуют газам. При низких температурах, обычно вещество находится в твердом состоянии. Промежуточные температуры относят к веществам в жидком состоянии. Для характеристики агрегатных состояний вещества часто применяется фазовая диаграмма. Это диаграмма, отражающая зависимость агрегатного состояния от давления и температуры.
Основной особенностью газов является их способность к расширению и сжимаемость. Газы не обладают формой, принимают форму сосуда, в который помещены. Объем газа определяет объем сосуда. Газы могут смешиваться между собой в любых пропорциях.
Жидкость не имеет формы, но имеют объем. Сжимаются жидкости плохо, только при высоком давлении.
Твердые вещества имеют форму и объем. В твердом состоянии могут находиться соединения с металлическими, ионными и ковалентными связями.
ПРИМЕР 1
| Задание | Изобразите фазовую диаграмму состояний для некоего абстрактного вещества. Объясните ее смысл. |
| Решение | Сделаем рисунок.
Диаграмма состояния приведена на рис.1. Она состоит из трех областей, которые соответствуют кристаллическому (твердому) состоянию вещества, жидкости и газообразному состоянию. Данные области разделяются кривыми, которые обозначают границы взаимно обратных процессов: 01 - плавление - кристаллизация; 02 - кипение - конденсация; 03 - сублимация - десублимация. Точка пересечения всех кривых (О) - тройная точка. В этой точке вещество может существовать в трёх агрегатных состояниях. Если температура вещества выше критической () (точка 2), то кинетическая энергия частиц больше потенциальной энергии их взаимодействия, при таких температурах вещество становится газом при всяком давлении. Из фазовой диаграммы видно, что если давление больше, чем , то при увеличении температуры твердое тело плавится. После расплавления, рост давления ведет к увеличению температуры кипения. Если давление меньше, чем , то увеличение температуры твердого тела ведет к его переходу непосредственно в газообразное состояние (сублимация) (точка G). |
ПРИМЕР 2
| Задание | Объясните, что отличает одно агрегатное состояние от другого? |
| Решение | В различных агрегатных состояниях атомы (молекулы) имеют разные расположения. Так атомы (молекулы или ионы) кристаллических решеток расположены упорядоченно, могут совершать небольшие колебания около положений равновесия. Молекулы же газов находятся в неупорядоченном состоянии и могут перемещаться на значительные расстояния. Кроме того, внутренняя энергия веществ в разных агрегатных состояниях (для одинаковых масс вещества) при разных температурах различна. Процессы перехода из одного агрегатного состояния в другое сопровождаются изменением внутренней энергии. Переход: твердое вещество - жидкость - газ, означает увеличение внутренней энергии, так как происходит увеличение кинетической энергии движения молекул. |
Для того чтобы понять, что такое агрегатное состояние вещества, вспомните или представьте себя летом возле речки с мороженным в руках. Замечательная картинка, правда?
Так вот, в этой идиллии кроме получения удовольствия можно еще осуществить физическое наблюдение. Обратите внимание на воду. В реке она жидкая, в составе мороженного в виде льда - твердая, а в небе в виде облаков - газообразная. То есть она находится одновременно в трех различных состояниях. В физике это называется агрегатным состоянием вещества. Различают три агрегатных состояния - твердое, жидкое и газообразное.
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.
Характер движения и состояния молекул в различных агрегатных состояниях вещества можно отразить на следующей таблице:
|
Агрегатное состояние вещества |
Свойства вещества |
Расстояние между частицами |
Взаимодействие частиц |
Характер движения |
Порядок расположения |
|
Не сохраняет форму и объем |
Гораздо больше размеров самих частиц |
Хаотическое (беспорядочное) непрерывное. Свободно летают, иногда сталкиваясь. |
Беспорядочное |
||
| Жидкость |
Не сохраняет форму, сохраняет объем |
Сравнимо с размерами самих частиц |
Колеблются около положения равновесия, постоянно перескакивая с одного места на другое. |
Беспорядочное |
|
|
Твердое тело |
Сохраняет форму и объем |
Мало по сравнению с размерами самих частиц |
Очень сильное |
Непрерывно колеблются около положения равновесия |
В определенном порядке |
Процессов, в которых происходит изменение агрегатных состояний веществ, всего шесть.
Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением , обратный процесс - кристаллизацией . Когда вещество переходит из жидкости в газ, это называется парообразованием , из газа в жидкость - конденсацией . Переход из твердого состояния сразу в газ, минуя жидкое, называют сублимацией , обратный процесс - десублимацией .
Примеры всех этих переходов мы с вами не раз наблюдали в жизни. Лед плавится, образуя воду, вода испаряется, образуя пар. В обратную сторону пар, конденсируясь, переходит снова в воду, а вода, замерзая, становится льдом. А если вы думаете, что вы не знаете процессов сублимации и десублимации, то не спешите с выводами. Запах любого твердого тела - это и есть не что иное, как сублимация. Часть молекул вырывается из тела, образуя газ, который мы и можем унюхать. А пример обратного процесса - это узоры на стеклах зимой, когда пар в воздухе, замерзая, оседает на стекле и образует причудливые узоры.
Агрега́тное состоя́ние
- состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.
Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда не совсем корректно к агрегатным состояниям причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные состояния, например, жидкие кристаллы или конденсат Бозе - Эйнштейна. Изменения агрегатного состояния это термодинамические процессы, называемые фазовыми переходами. Выделяют следующие их разновидности: из твёрдого в жидкое - плавление; из жидкого в газообразное - испарение и кипение; из твёрдого в газообразное - сублимация; из газообразного в жидкое или твёрдое - конденсация; из жидкого в твёрдое - кристаллизация. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию.
Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела, сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в частности, могут поляризовать проходящее через них электромагнитное излучение. Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы от одной фазы к другой, называют критическими явлениями.
Агрегатное состояние вещества зависит от физических условий, в которых оно находится, главным образом от температуры и от давления. Определяющей величиной является отношение средней потенциальной энергии взаимодействия молекул к их средней кинетической энергии. Так, для твёрдого тeла это отношение больше 1, для газов меньше 1, а для жидкостей приблизительно равно 1. Переход из одного агрегатного состояния вещества в другое сопровождается скачкообразным изменением величины данного отношения, связанным со скачкообразным изменением межмолекулярных расстояний и межмолекулярных взаимодействий. В газах межмолекулярные расстояния велики, молекулы почти не взаимодействуют друг с другом и движутся практически свободно, заполняя весь объём. В жидкостях и твёрдых телах -конденсированных средах - молекулы (атомы)расположены значительно ближе друг к другу и взаимодействуют сильнее.
Это приводит к сохранению жидкостями и твёрдыми телами своего объёма. Однако, характер движения молекул в твёрдых телах и жидкостях различен, чем и объясняется различие их структуры и свойств.
У твёрдых тел в кристаллообразном состоянии атомы совершают лишь колебания вблизи узлов кристаллической решётки; структура этих тел характеризуется высокой степенью упорядоченности - дальним и ближним порядком. Тепловое движение молекул (атомов) жидкости представляет собой сочетание малых колебаний около положений равновесия и частых перескоков из одного положения равновесия в другое. Последние и обусловливают существование в жидкостях лишь ближнего порядка в расположении частиц, а также свойственные им подвижность и текучесть.
а. Твёрдое тело
- состояние, характеризующееся способностью сохранять объём и форму. Атомы твёрдого тела совершают лишь небольшие колебания вокруг состояния равновесия. Присутствует как дальний, так и ближний порядок.
б. Жидкость
- состояние вещества, при котором оно обладает малой сжимаемостью, то есть хорошо сохраняет объём, однако не способно сохранять форму. Жидкость легко принимает форму сосуда, в который она помещена. Атомы или молекулы жидкости совершают колебания вблизи состояния равновесия, запертые другими атомами, и часто перескакивают на другие свободные места. Присутствует только ближний порядок.
Плавление
- это переход вещества из твердого агрегатного состояния (см. Агрегатные состояния вещества) в жидкое. Этот процесс происходит при нагревании, когда телу сообщают некоторое количество теплоты +Q. Например, легкоплавкий металл свинец переходит из твердого состояния в жидкое, если его нагреть до температуры 327 С. Свинец запросто плавится на газовой плите, например в ложке из нержавеющей стали (известно, что температура пламени газовой горелки - 600-850°С, а температура плавления стали - 1300-1500°С).
Если, плавя свинец, измерять его температуру, то можно обнаружить, что сначала она плавно возрастает, но после некоторого момента остается постоянной, несмотря на дальнейшее нагревание. Этот момент соответствует плавлению. Температура держится постоянной до тех пор, пока весь свинец не расплавится, и только после этого начинает повышаться снова. При охлаждении жидкого свинца наблюдается обратная картина: температура падает до момента начала затвердевания и остается постоянной все время, пока свинец не перейдет в твердую фазу, а потом вновь понижается.
Аналогичным образом ведут себя все чистые вещества. Постоянство температуры при плавлении имеет большое практическое значение, поскольку позволяет градуировать термометры, изготавливать плавкие предохранители и индикаторы, которые расплавляются при строго заданной температуре.
Атомы в кристалле колеблются около своих положений равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний возрастает и достигает некоторой критической величины, после чего кристаллическая решетка разрушается. Для этого требуется дополнительная тепловая энергия, поэтому в процессе плавления температура не повышается, хотя тепло продолжает поступать.
Температура плавления вещества зависит от давления. Для веществ, у которых объем при плавлении возрастает (а таких подавляющее большинство), повышение давления повышает температуру плавления и наоборот. У воды объем при плавлении уменьшается (поэтому, замерзая, вода разрывает трубы), и при повышении давления лед плавится при более низкой температуре. Аналогичным образом ведут себя висмут, галлий и некоторые марки чугунов.
в. Газ
- состояние, характеризующееся хорошей сжимаемостью, отсутствием способности сохранять как объём, так и форму. Газ стремится занять весь объём, ему предоставленный. Атомы или молекулы газа ведут себя относительно свободно, расстояния между ними гораздо больше их размеров.
Часто причисляемая к агрегатным состояниям вещества плазма отличается от газа большой степенью ионизации атомов. Большая часть барионного вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной находится в состоянии плазмы.
г. Сверхкритический флюид
- Возникает при одновременном повышении температуры и давления до критической точки, в которой плотность газа сравнивается с плотностью жидкости; при этом исчезает граница между жидкой и газообразной фазами. Сверхкритический флюид отличается исключительно высокой растворяющей способностью.
д. Конденсат Бозе - Эйнштейна
- получается в результате охлаждения бозе-газа до температур, близких к абсолютному нулю. В результате этого часть атомов оказывается в состоянии со строго нулевой энергией (то есть в низшем из возможных квантовом состоянии). Конденсат Бозе - Эйнштейна проявляет ряд квантовых свойств, таких как сверхтекучесть и резонанс Фишбаха.
е. Фермионный конденсат
- представляет собой Бозе-конденсацию в режиме БКШ «атомных куперовских пар» в газах состоящих из атомов-фермионов. (В отличие от традиционного режима бозе-эйнштейновской конденсации составных бозонов).
Такие фермионные атомные конденсаты являются «родственниками» сверхпроводников, но с критической температурой порядка комнатной и выше.
Вырожденная материя - Ферми-газ 1-я стадия Электронно-вырожденный газ, наблюдается в белых карликах, играет важную роль в эволюции звёзд. 2-я стадия нейтронное состояние в него вещество переходит при сверхвысоком давлении, недостижимом пока в лаборатории, но существующем внутри нейтронных звёзд. При переходе в нейтронное состояние электроны вещества взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. В результате вещество в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть слишком высока (в энергетическом эквиваленте не более сотни МэВ).
При сильном повышении температуры (сотни МэВ и выше) в нейтронном состоянии начинают рождаться и аннигилировать разнообразные мезоны. При дальнейшем повышении температуры происходит деконфайнмент, и вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Оно состоит уже не из адронов, а из постоянно рождающихся и исчезающих кварков и глюонов. Возможно, деконфайнмент происходит в два этапа.
При дальнейшем неограниченном повышении давления без повышения температуры вещество коллапсирует в чёрную дыру.
При одновременном повышении и давления, и температуры к кваркам и глюонам добавляются иные частицы. Что происходит с веществом, пространством и временем при температурах, близких к планковской, пока неизвестно.
Другие состояния
При глубоком охлаждении некоторые (далеко не все) вещества переходят в сверхпроводящее или сверхтекучее состояние. Эти состояния, безусловно, являются отдельными термодинамическими фазами, однако их вряд ли стоит называть новыми агрегатными состояниями вещества в силу их неуниверсальности.
Неоднородные вещества типа паст, гелей, суспензий, аэрозолей и т. д., которые при определённых условиях демонстрируют свойства как твёрдых тел, так и жидкостей и даже газов, обычно относят к классу дисперсных материалов, а не к каким-либо конкретным агрегатным состояниям вещества.
