Lämpötilasta ja paineesta riippuen mikä tahansa aine pystyy ottamaan erilaisia ​​aggregaatiotiloja. Jokaiselle tällaiselle tilalle on ominaista tietyt laadulliset ominaisuudet, jotka pysyvät muuttumattomina tietyn aggregaatiotilan edellyttämien lämpötilojen ja paineiden puitteissa.

Aggregaattitilojen tunnusomaisia ​​ominaisuuksia ovat esimerkiksi kiinteässä tilassa olevan kappaleen kyky säilyttää muotonsa tai päinvastoin nestemäisen kappaleen kyky muuttaa muotoaan. Joskus rajat aineen eri tilojen välillä ovat kuitenkin melko hämäriä, kuten nestekiteiden tai niin sanottujen "amorfisten kappaleiden" tapauksessa, jotka voivat olla elastisia kuten kiinteitä aineita ja nesteitä kuten nesteitä.

Siirtymä aggregaatiotilojen välillä voi tapahtua vapaan energian vapautuessa, tiheyden, entropian tms. fyysisiä määriä. Siirtymää aggregaatiotilasta toiseen kutsutaan faasisiirtymäksi, ja tällaisiin siirtymiin liittyviä ilmiöitä kutsutaan kriittisiksi ilmiöiksi.

Luettelo tunnetuista aggregaattitiloista

Kiinteä
	Kiinteät aineet, joiden atomit tai molekyylit eivät muodosta kidehilaa.
	Kiinteät aineet, joiden atomit tai molekyylit muodostavat kidehilan.
mesofaasi
	Nestekide on faasitila, jossa aineella on samanaikaisesti sekä nesteiden että kiteiden ominaisuuksia.
Nestemäinen
	Aineen tila sulamispisteen yläpuolella ja kiehumispisteen alapuolella.
	Neste, jonka lämpötila ylittää sen kiehumispisteen.
	Neste, jonka lämpötila on alhaisempi kuin kiteytyslämpötila.
	Nestemäisen aineen tila alipaineessa, jonka aiheuttavat van der Waalsin voimat (molekyylien väliset vetovoimat).
	Nesteen tila kriittisen pisteen yläpuolella olevassa lämpötilassa.
	Neste, jonka ominaisuuksiin vaikuttavat kvanttivaikutukset.
		Aineen tila, jossa on erittäin heikot sidokset molekyylien tai atomien välillä. Ei sovellu ihanteellisen kaasun matemaattiseen kuvaukseen.
	Kaasu, jonka ominaisuuksiin vaikuttavat kvanttivaikutukset.
		Aggregaattitila, jota edustaa joukko yksittäisiä varautuneita hiukkasia, joiden kokonaisvaraus missä tahansa järjestelmän tilavuudessa on nolla.
	Aineen tila, jossa se on kokoelma gluoneja, kvarkeja ja antikvarkeja.
	Hetkellinen tila, jonka aikana gluonin voimakentät venyvät ytimien väliin. Kvarkkigluoniplasma edeltää.
kvanttikaasu
	Kaasu, joka koostuu fermioneista, joiden ominaisuuksiin vaikuttavat kvanttivaikutukset.
	Kaasu, joka koostuu bosoneista, joiden ominaisuuksiin vaikuttavat kvanttivaikutukset.

Luonnossa vettä on kolmessa tilassa:

• kiinteässä tilassa (lumi, rakeet, jää);
• nestemäinen tila (vesi, sumu, kaste ja sade);
• kaasumainen tila (höyry).

Varhaisesta lapsuudesta lähtien he tutkivat koulussa erilaisia ​​veden aggregoituja tiloja: sumua, sadetta, rakeita, lunta, jäätä jne. On niitä, joita tutkitaan yksityiskohtaisesti koulussa. He tapaavat meidät joka päivä elämässä ja vaikuttavat elämään. - tämä on veden tila tietyssä lämpötilassa ja paineessa, joka on ominaista tietyllä aikavälillä.

Veden tilan peruskäsitteitä tulee selventää, että sumutila ja sameustila eivät koske kaasun muodostumista. Ne näkyvät kondensaation aikana. Tämä on veden ainutlaatuinen ominaisuus, joka voi olla kolmessa eri aggregaatiotilassa. Veden kolme tilaa ovat elintärkeitä planeetalle, ne muodostavat hydrologisen kierron, varmistavat veden kiertoprosessin luonnossa. Koulussa esitetään erilaisia ​​kokeita haihduttamisesta ja. Missä tahansa luonnon kolkassa vettä pidetään elämän lähteenä. On olemassa neljäs tila, ei vähemmän tärkeä - Deryaginskaya-vesi (venäläinen versio), tai kuten sitä tällä hetkellä yleisesti kutsutaan - nanoputkivesi (amerikkalainen versio).

kiinteää vettä

Muoto ja tilavuus säilyvät. klo matala lämpötila aine jäätyy ja muuttuu kiinteäksi aineeksi. Jos korkeapaine, silloin jähmettymislämpötilaa tarvitaan korkeampi. Kiinteät aineet voivat olla joko kiteisiä tai amorfisia. Kiteessä atomin sijainti on tiukasti määrätty. Kiteiden muodot ovat luonnollisia ja muistuttavat monitahoista. Amorfisessa kappaleessa pisteet sijaitsevat satunnaisesti ja värähtelevät, niissä säilyy vain lyhyen kantaman järjestys.

Veden nestemäinen tila

Nestemäisessä tilassa vesi säilyttää tilavuutensa, mutta sen muoto ei säily. Tällä hän ymmärtää, että neste vie vain osan tilavuudesta, voi virrata koko pinnan yli. Nestemäisen tilan kysymyksiä koulussa opiskellessa on ymmärrettävä, että tämä on välitila kiinteän väliaineen ja kaasumaisen väliaineen välillä. Nesteet jaetaan puhtaisiin ja seosmuotoihin. Jotkut seokset ovat erittäin tärkeitä elämälle, kuten veri tai merivesi. Nesteet voivat toimia liuottimena.

Kaasun kunto

Muoto ja tilavuus eivät säily. Toisella tavalla kaasumaista tilaa, jonka tutkiminen tapahtuu koulussa, kutsutaan vesihöyryksi. Kokeet osoittavat selvästi, että höyry on näkymätöntä, se liukenee ilmaan ja osoittaa suhteellista kosteutta. Liukoisuus riippuu lämpötilasta ja paineesta. Tyydyttynyt höyry ja kastepiste ovat maksimipitoisuuden indikaattori. Höyry ja sumu ovat eri aggregaatiotiloja.

Neljäs aggregaatiotila on plasma

Plasma ja nykyaikaisia ​​kokemuksia harkittiin myöhemmin. Plasma on täysin tai osittain ionisoitunut kaasu, se esiintyy tasapainotilassa korkeassa lämpötilassa. Maan olosuhteissa muodostuu kaasupurkaus. Plasman ominaisuudet määräävät sen kaasumaisen tilan, paitsi että sähködynamiikalla on valtava rooli tässä kaikessa. Aggregaatiotiloista plasma on yleisin universumissa. Tähtien ja planeettojen välisen avaruuden tutkimus on osoittanut, että aineet ovat plasman tilassa.

Miten aggregaattitilat muuttuvat?

Siirtymäprosessin muuttaminen tilasta toiseen:

- neste - höyry (haihdutus ja kiehuminen);

- höyry - neste (kondensaatio);

- neste - jää (kiteytys);

- jää - neste (sulava);

- jää - höyry (sublimaatio);

- höyry - jää, huurteen muodostuminen (desublimaatio).

Vettä kutsutaan mielenkiintoiseksi luonnolliseksi maanpäälliseksi mineraaliksi. Nämä kysymykset ovat monimutkaisia ​​ja jatkuvaa tutkimista tarvitaan. Tehdyt kokeet vahvistavat koulun kokonaistilan, ja jos kysymyksiä herää, kokeet mahdollistavat selvästi tunnilla kerrotun materiaalin ymmärtämisen. Haihdutuksen aikana neste siirtyy sisään, prosessi voi alkaa jo nollasta. Kun lämpötila nousee, se nousee. Tämän voimakkuuden vahvistavat 100 asteen keittokokeet. Haihdutuskysymyksiin vastataan haihduttamisessa järvien, jokien pinnasta ja jopa maalta. Jäähdytettynä saadaan aikaan käänteinen muunnosprosessi, jolloin kaasusta muodostuu nestettä. Tätä prosessia kutsutaan kondensaatioksi, kun ilmassa olevasta vesihöyrystä muodostuu pieniä pilvipisaroita.

Silmiinpistävä esimerkki on elohopealämpömittari, jossa elohopea on nestemäisessä tilassa, -39 asteen lämpötilassa elohopea muuttuu kiinteäksi aineeksi. Jäykän rungon tilaa on mahdollista muuttaa, mutta tämä vaatii lisäponnistuksia esimerkiksi naulan taivutuksessa. Usein opiskelijat kysyvät, kuinka kiinteä keho muodostuu. Tämä tehdään tehtaissa ja erikoistuneissa työpajoissa erityisillä laitteilla. Ehdottomasti mikä tahansa aine voi esiintyä kolmessa tilassa, mukaan lukien vesi, se riippuu fysikaalisista olosuhteista. Kun vesi siirtyy tilasta toiseen, molekyylien järjestely ja liike muuttuvat, molekyylin koostumus ei muutu. Kokeelliset tehtävät auttavat havaitsemaan tällaisia ​​mielenkiintoisia tiloja.

Perusyleinen koulutus

Linja UMK A. V. Peryshkin. Fysiikka (7-9)

Johdanto: aineen aggregaatiotila

Salaperäinen maailma ei lakkaa hämmästyttämästä. Jääpala heitettiin lasiin ja jätettiin klo huonelämpötila, se muuttuu muutamassa minuutissa nesteeksi, ja jos jätät tämän nesteen ikkunalaudalle pidemmäksi aikaa, se haihtuu kokonaan. Tämä on helpoin tapa tarkkailla aineen aggregaatiotilan siirtymiä toiseen.

Kokoamistila - aineen tila, jolla on tiettyjä ominaisuuksia: kyky säilyttää muoto ja tilavuus, olla pitkän tai lyhyen kantaman järjestys ja muut. Kun se muuttuu aineen kokonaistila tapahtuu muutos fysikaalisissa ominaisuuksissa, samoin kuin tiheys, entropia ja vapaa energia.

Miten ja miksi nämä hämmästyttävät muutokset tapahtuvat? Ymmärtääksesi tämän, muista se kaikki ympärillä oleva koostuu. Eri aineiden atomit ja molekyylit ovat vuorovaikutuksessa keskenään, ja niiden välinen yhteys ratkaisee mikä on aineen tila.

Aggregaatteja on neljää tyyppiä:

kaasumainen,

Näyttää siltä, ​​​​että kemia paljastaa meille salaisuutensa näissä hämmästyttävissä muutoksissa. Se ei kuitenkaan ole. Siirtyminen aggregaatiotilasta toiseen, samoin kuin diffuusio, ovat fysikaalisia ilmiöitä, koska näissä muunnoksissa aineen molekyyleissä ja niiden molekyyleissä ei tapahdu muutoksia. kemiallinen koostumus.

kaasumainen tila

Molekyylitasolla kaasu on satunnaisesti liikkuvia, astian seinämiin ja toisiinsa törmääviä molekyylejä, jotka eivät käytännössä ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Koska kaasumolekyylit eivät ole yhteydessä toisiinsa, kaasu täyttää koko sille tarjotun tilavuuden vuorovaikutuksessa ja muuttaa suuntaa vain osuessaan toisiinsa.

Valitettavasti kaasumolekyylejä on mahdotonta nähdä paljaalla silmällä ja edes valomikroskoopilla. Kaasua voi kuitenkin koskettaa. Tietenkin, jos yrität vain saada kiinni kämmenelläsi lentäviä kaasumolekyylejä, et onnistu. Mutta varmasti kaikki näkivät (tai tekivät sen itse), kuinka joku puhalsi auton tai polkupyörän renkaaseen ilmalla, ja pehmeästä ja ryppyisestä se tuli täyteen ja elastiseksi. Ja kaasujen näennäinen "painottomuus" kumotaan O.S.:n toimittaman oppikirjan "Chemistry Grade 7" sivulla 39 kuvatulla kokeella. Gabrielyan.

Tämä johtuu siitä, että suljettu rajoitettu tilavuus renkaan saa suuri määrä molekyylejä, jotka tiivistyvät ja ne alkavat törmätä toisiinsa ja renkaan seinämiin useammin, minkä seurauksena miljoonien molekyylien kokonaisvaikutus seinämiin koetaan paineena.

Mutta jos kaasu täyttää koko sille tarjotun tilavuuden, miksi se ei sitten lennä avaruuteen ja leviä kaikkialle maailmankaikkeuteen täyttäen tähtienvälistä tilaa? Joten, jokin silti säilyttää ja rajoittaa planeetan ilmakehän kaasuja?

Melko oikein. Ja tämä - painovoima. Irtautuakseen planeetalta ja lentääkseen pois, molekyylien on kehitettävä nopeus, joka ylittää "pakonopeuden" tai toisen kosmisen nopeuden, ja valtaosa molekyyleistä liikkuu paljon hitaammin.

Sitten on seuraava kysymys: miksi kaasumolekyylit eivät putoa maahan, vaan jatkavat lentämistä? Osoittautuu, että aurinkoenergian ansiosta ilmamolekyyleillä on kiinteä kineettinen energiavarasto, jonka ansiosta ne voivat liikkua painovoimaa vastaan.

Kokoelma sisältää kysymyksiä ja tehtäviä eri suuntiin: ratkaisu, laadullinen ja graafinen; tekninen, käytännöllinen ja historiallinen luonne. Tehtävät on jaettu aiheisiin Fysiikka-oppikirjan rakenteen mukaisesti. Luokka 9" kirjoittajilta A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik ja antaa sinun toteuttaa liittovaltion koulutusstandardien vaatimukset meta-aine-, aine- ja henkilökohtaisille oppimistuloksille.

nestemäinen tila

Nostamalla painetta ja/tai alentamalla lämpötilaa kaasut voidaan muuttaa nestemäisiksi. Jo 1800-luvun aamunkoitteessa englantilainen fyysikko ja kemisti Michael Faraday onnistui muuttamaan kloorin ja hiilidioksidin nestemäiseksi puristamalla ne hyvin alhaisissa lämpötiloissa. Jotkut kaasuista eivät kuitenkaan antaneet tuolloin tutkijoille, ja kuten kävi ilmi, kyseessä ei ollut paineen puute, vaan kyvyttömyys laskea lämpötilaa välttämättömään minimiin.

Neste, toisin kuin kaasu, vie tietyn tilavuuden, mutta se on myös täytetyn astian muodossa pinnan alla. Visuaalisesti neste voidaan esittää pyöreinä helmina tai muroina purkissa. Nesteen molekyylit ovat läheisessä vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, mutta liikkuvat vapaasti toistensa suhteen.

Jos pinnalle jää vesipisara, se katoaa hetken kuluttua. Mutta muistamme, että massaenergian säilymislain ansiosta mikään ei katoa eikä katoa ilman jälkiä. Neste haihtuu, ts. muuttaa aggregaatiotilansa kaasumaiseksi.

Haihtuminen - Tämä on aineen aggregaatiotilan muutosprosessi, jossa nesteen tai kiinteän aineen pinnalta nousevat molekyylit, joiden kineettinen energia ylittää molekyylien välisen vuorovaikutuksen potentiaalisen energian..

Kiinteiden aineiden pinnalta haihtumista kutsutaan sublimaatio tai sublimaatio. Useimmat yksinkertaisella tavalla tarkkailla sublimaatio on naftaleenin käyttöä koiden torjuntaan. Jos haistat nesteen tai kiinteän aineen, tapahtuu haihtumista. Loppujen lopuksi nenä vangitsee aineen tuoksuvat molekyylit.

Nesteet ympäröivät ihmistä kaikkialla. Nesteiden ominaisuudet ovat myös tuttuja kaikille - tämä on viskositeetti, juoksevuus. Mitä tulee nesteen muotoon, monet ihmiset sanovat, että nesteellä ei ole tiettyä muotoa. Mutta tämä tapahtuu vain maan päällä. Painovoiman vaikutuksesta vesipisara muuttaa muotoaan.

Monet ovat kuitenkin nähneet astronautien nappaavan erikokoisia vesipalloja ilman painovoimaa. Painovoiman puuttuessa neste on pallon muodossa. Ja pintajännityksen voima antaa nesteelle pallomaisen muodon. Saippuakuplat ovat loistava tapa tutustua maapallon pintajännityksen voimaan.

Toinen nesteen ominaisuus on viskositeetti. Viskositeetti riippuu paineesta, kemiallisesta koostumuksesta ja lämpötilasta. Useimmat nesteet noudattavat Newtonin viskositeettilakia, joka löydettiin 1800-luvulla. On kuitenkin olemassa joukko erittäin viskoosisia nesteitä, jotka tietyissä olosuhteissa alkavat käyttäytyä kiinteiden aineiden tavoin eivätkä noudata Newtonin viskositeettilakia. Tällaisia ​​ratkaisuja kutsutaan ei-newtonilaisiksi nesteiksi. Yksinkertaisin esimerkki ei-newtonilaisesta nesteestä on tärkkelyksen suspensio vedessä. Jos vaikutat ei-newtonilaiseen nesteeseen mekaanisilla voimilla, neste alkaa omaksua kiinteiden aineiden ominaisuuksia ja käyttäytyä kuin kiinteä aine.

Kiinteä tila

Jos nesteessä, toisin kuin kaasussa, molekyylit eivät enää liiku satunnaisesti, vaan tiettyjen keskusten ympärillä, kiinteässä aineen tilassa atomeilla ja molekyyleillä on selkeä rakenne ja ne näyttävät rivissä olevilta sotilailta paraatissa. Ja kidehilan ansiosta kiinteät aineet vievät tietyn tilavuuden ja niillä on vakiomuoto.

Tietyissä olosuhteissa nesteen aggregaatiotilassa olevat aineet voivat muuttua kiinteäksi aineeksi, ja kiinteät aineet, päinvastoin, kuumennettaessa sulavat ja muuttuvat nesteeksi.

Tämä johtuu siitä, että kuumennettaessa sisäinen energia kasvaa, vastaavasti, molekyylit alkavat liikkua nopeammin, ja kun sulamislämpötila saavutetaan, kidehila alkaa romahtaa ja aineen aggregaatiotila muuttuu. Useimpien kiteisten kappaleiden tilavuus kasvaa sulamisen aikana, mutta poikkeuksia on, esimerkiksi jää, valurauta.

Kiinteän aineen kidehilan muodostavien hiukkasten tyypistä riippuen erotetaan seuraava rakenne:

molekyylinen

metalli.

Joillekin aineille aggregaattitilojen muutos tapahtuu helposti, kuten esimerkiksi veden kanssa, muut aineet vaativat erityisolosuhteita (paine, lämpötila). Mutta modernissa fysiikassa tutkijat erottavat vielä yhden itsenäisen aineen tilan - plasman.

Plasma - ionisoitua kaasua, jolla on sama positiivisten ja negatiivisten varausten tiheys. Villieläimissä plasmaa löytyy auringosta tai salaman välähdyksen aikana. revontulet ja myös meille tuttu tuli, joka lämmittää lämmöllään luontomatkalla, viittaa myös plasmaan.

Keinotekoisesti luotu plasma lisää kirkkautta mihin tahansa kaupunkiin. Neonmainosvalot ovat vain matalan lämpötilan plasmaa lasiputkissa. Myös perinteiset loistelamput täytetään plasmalla.

Plasma jaetaan matalalämpöiseen - jonka ionisaatioaste on noin 1% ja lämpötila jopa 100 tuhatta astetta, ja korkeaan lämpötilaan - ionisaatioon noin 100% ja lämpötilaan 100 miljoonaa astetta (tämä on tila mikä plasma tähdissä on).

Meille tuttujen loistelamppujen matalan lämpötilan plasma on laajalti käytössä jokapäiväisessä elämässä.

Korkean lämpötilan plasmaa käytetään fuusioreaktioissa, ja tutkijat eivät menetä toivoaan käyttää sitä atomienergian korvikkeena, mutta näiden reaktioiden hallinta on erittäin vaikeaa. Ja hallitsematon lämpöydinreaktio osoittautui valtavan voiman aseeksi, kun Neuvostoliitto 12. elokuuta 1953 testasi lämpöydinpommia.

Ostaa

Materiaalin assimilaation tarkistamiseksi tarjoamme pienen testin.

1. Mitä ei sovelleta aggregointitiloihin:

nestettä

valoa +

2. Newtonin nesteiden viskositeetti riippuu:

Boyle-Mariotten laki

Archimedesin laki

Newtonin viskositeetin laki +

3. Miksi Maan ilmakehä ei lennä avaruuteen:

koska kaasumolekyylit eivät voi kehittää toista kosmista nopeutta

koska maan painovoima vaikuttaa kaasumolekyyleihin +

molemmat vastaukset ovat oikein

4. Mitä ei sovelleta amorfisiin aineisiin:

• lakka

• rauta- +

5. Jäähdytettäessä äänenvoimakkuus kasvaa:

• jäätä +

#ADVERTISING_INSERT#

: [30 osassa] / ch. toim. A. M. Prokhorov; 1969-1978, v. 1).

Aggregaattitilat// Fysikaalinen tietosanakirja: [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov. - M.: Neuvostoliiton tietosanakirja (osa 1-2); Iso Venäjän tietosanakirja(osa 3-5), 1988-1999. - ISBN 5-85270-034-7.

Vladimir Ždanov. Plasma avaruudessa (määrätön) . Maailman ympäri. Haettu 21. helmikuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 22. elokuuta 2011.

Luonnossa on joitain nesteitä, jotka eivät normaaleissa koeolosuhteissa siirry kiteiseen tilaan jäähtyessään. Yksittäisten orgaanisten polymeerien molekyylit ovat niin monimutkaisia, etteivät ne voi muodostaa säännöllistä ja tiivistä hilaa - jäähtyessään ne menevät aina vain lasimaiseen tilaan (katso yksityiskohdat - DiMarzio E.A. Lasien tasapainoteoria // Ann. New York Acad. sci. 1981 Voi. 371. s. 1-20). Harvinainen muunnelma nesteen "kiteytymättömyydestä" - siirtyminen lasimaiseen tilaan lämpötiloissa, jotka ovat lähellä likviduslämpötilaa T L tai jopa korkeampi... Suurin osa nesteistä alle lämpötiloissa T L Suuremmassa tai pienemmässä isotermisessä tilassa, mutta kokeen kannalta kohtuullisessa ajassa, ne siirtyvät aina kiteiseen tilaan. Tietyille nesteille kemialliset yhdisteet merkitsi ei T L ja kiteiden sulamispiste, mutta yksinkertaisuuden vuoksi tässä on osoitettu poissaolopisteet (solidus) ja kiteytymisen alku T L riippumatta aineen homogeenisuudesta. Mahdollisuus siirtyä nesteestä lasimaiseen tilaan johtuu jäähdytysnopeus lämpötila-alueella, jossa kiteytymistodennäköisyys on suurin - välillä T L ja lasittumisvälin alaraja. Mitä nopeammin aine jäähtyy stabiilin nesteen tilasta, sitä todennäköisemmin se muuttuu kiteisen faasin ohittaen lasimaiseksi. Mikä tahansa aine, joka voi mennä lasimaiseen tilaan, voidaan luonnehtia ns kriittinen jäähdytysnopeus- pienin sallittu, jolla se on palautuva jäähdytyksen jälkeen lasimaiseen tilaan siirtymiseksi. - Shults M. M., Mazurin O.V. ISBN 5-02-024564-X

Shults M. M., Mazurin O.V. Moderni ajatus lasien rakenteesta ja niiden ominaisuuksista. - L.: Tiede. 1988 ISBN 5-02-024564-X

"Fermioninen kondensaatti" (määrätön) . science.ru. Arkistoitu alkuperäisestä 22. elokuuta 2011.

K.v. Klitzing, G. Dorda, M. Pepper Uusi menetelmä hienorakennevakion suuren tarkkuuden määrittämiseksi kvantisoidun Hall-resistanssin fysikaalin perusteella. Rev. Lett. 45 494 (1980) DOI :10.1103/PhysRevLett.45.494

Fysiikan Nobel-palkinnon saaja 1985

C. Fuchs, H. Lenske, H.H. Wolter. Tiheys riippuvainen hadron-kenttäteoria (määrätön) . arxiv.org (29.06.1995). Haettu 30. marraskuuta 2012.

I. M. Dremin, A. V. Leonidov. Quark-gluon medium (määrätön) P. 1172. Fysikaalisten tieteiden edistysaskel (marraskuu 2010). doi:10.3367/UFNr.0180.201011c.1167 . - UFN 180 1167–1196 (2010). Haettu 29. maaliskuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 5. huhtikuuta 2013.

Kokoamistila- tämä on aineen tila tietyllä lämpötila- ja painealueella, jolle on tunnusomaista ominaisuudet: kyky (kiinteä) tai kyvyttömyys (neste, kaasu) säilyttää tilavuus ja muoto; pitkän kantaman (kiinteä) tai lyhyen kantaman (neste) järjestyksen olemassaolo tai puuttuminen ja muut ominaisuudet.

Aine voi olla kolmessa aggregaatiotilassa: kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen, tällä hetkellä erotellaan ylimääräinen plasma (ioninen) tila.

V kaasumaista Tilassa aineen atomien ja molekyylien välinen etäisyys on suuri, vuorovaikutusvoimat pienet ja avaruudessa satunnaisesti liikkuvilla hiukkasilla on potentiaalienergiaa suurempi kineettinen energia. Kaasumaisessa tilassa olevalla materiaalilla ei ole sen muotoa eikä tilavuutta. Kaasu täyttää kaiken käytettävissä olevan tilan. Tämä tila on tyypillinen aineille, joiden tiheys on pieni.

V nestettä tilassa säilyy vain atomien tai molekyylien lyhyen kantaman järjestys, kun aineen tilavuuteen ilmestyy ajoittain erillisiä osia, joissa atomien järjestys on järjestetty, mutta myös näiden osien keskinäinen orientaatio puuttuu. Lyhyen kantaman järjestys on epävakaa ja voi joko kadota tai ilmaantua uudelleen atomien lämpövärähtelyjen vaikutuksesta. Nesteen molekyyleillä ei ole tiettyä asemaa, eikä niillä ole samalla täydellistä liikkumisvapautta. Nestemäisessä tilassa olevalla materiaalilla ei ole omaa muotoaan, se säilyttää vain tilavuuden. Neste voi viedä vain osan astian tilavuudesta, mutta virrata vapaasti astian koko pinnalla. Nestemäistä tilaa pidetään yleensä kiinteän aineen ja kaasun välissä.

V kiinteä aineen, atomien järjestys muuttuu tiukasti määritellyksi, säännölliseksi järjestetyksi, hiukkasten vuorovaikutusvoimat ovat keskenään tasapainossa, joten kappaleet säilyttävät muotonsa ja tilavuutensa. Atomien säännöllinen järjestys avaruudessa luonnehtii kiteistä tilaa, atomit muodostavat kidehilan.

Kiinteillä aineilla on amorfinen tai kiteinen rakenne. varten amorfinen Kappaleille on ominaista vain lyhyen kantaman järjestys atomien tai molekyylien järjestelyssä, atomien, molekyylien tai ionien kaoottinen järjestys avaruudessa. Esimerkkejä amorfisista kappaleista ovat lasi, pihka ja pihka, jotka näyttävät olevan kiinteässä tilassa, vaikka todellisuudessa ne virtaavat hitaasti, kuten neste. Amorfisilla kappaleilla, toisin kuin kiteisillä, ei ole tarkkaa sulamispistettä. Amorfiset kappaleet ovat kiteisten kiinteiden aineiden ja nesteiden välissä.

Useimmilla kiinteillä aineilla on kiteinen rakenne, jolle on tunnusomaista atomien tai molekyylien järjestynyt järjestely avaruudessa. Kiderakenteelle on ominaista pitkän kantaman järjestys, kun rakenteen elementit toistuvat ajoittain; ei ole sellaista säännöllistä toistoa lyhyen kantaman järjestyksessä. ominaispiirre kiteinen runko on kyky säilyttää muoto. Ideaalikiteen merkki, jonka mallina on spatiaalinen hila, on symmetrian ominaisuus. Symmetrialla tarkoitetaan kiinteän aineen kidehilan teoreettista kykyä yhdistyä itsensä kanssa, kun sen pisteet peilataan tietystä tasosta, jota kutsutaan symmetriatasoksi. Ulkoisen muodon symmetria heijastaa kiteen sisäisen rakenteen symmetriaa. Esimerkiksi kaikilla metalleilla on kiderakenne, jolle on ominaista kahden tyyppinen symmetria: kuutio ja kuusikulmainen.

Amorfisissa rakenteissa, joissa atomijakauma on epäsäännöllinen, aineen ominaisuudet ovat samat eri suuntiin, eli lasimaiset (amorfiset) aineet ovat isotrooppisia.

Kaikille kiteille on ominaista anisotropia. Kiteissä atomien väliset etäisyydet ovat järjestettyjä, mutta järjestysaste voi olla erilainen eri suuntiin, mikä johtaa eroon kideaineen ominaisuuksissa eri suuntiin. Kideaineen ominaisuuksien riippuvuutta sen hilassa olevasta suunnasta kutsutaan anisotropia ominaisuuksia. Anisotropia ilmenee sekä fysikaalisten että mekaanisten ja muiden ominaisuuksien mittaamisessa. On ominaisuuksia (tiheys, lämpökapasiteetti), jotka eivät riipu kiteen suunnasta. Suurin osa ominaisuuksista riippuu suunnan valinnasta.

On mahdollista mitata esineiden ominaisuuksia, joilla on tietty materiaalitilavuus: koot - muutamasta millimetristä kymmeniin senttimetreihin. Näitä esineitä, joiden rakenne on identtinen kidekennon kanssa, kutsutaan yksittäiskiteiksi.

Ominaisuuksien anisotropia ilmenee yksittäisissä kiteissä, ja sitä ei käytännössä esiinny monikiteisessä aineessa, joka koostuu monista pienistä satunnaisesti suuntautuneista kiteistä. Siksi monikiteisiä aineita kutsutaan kvasi-isotrooppisiksi.

Tietyllä lämpötila-alueella tapahtuu polymeerien kiteytyminen, jonka molekyylit voidaan järjestää järjestykseen, jolloin muodostuu supramolekyylisiä rakenteita nippujen, kierteiden (pallosten), fibrillien jne. muodossa. Molekyylien ja niiden aggregaattien monimutkainen rakenne määrää polymeerien ominaiskäyttäytymisen kuumennettaessa. Ne eivät voi mennä nestemäiseen tilaan, jossa on alhainen viskositeetti, niillä ei ole kaasumaista tilaa. Kiinteässä muodossa polymeerit voivat olla lasimaisia, erittäin elastisia ja viskoosisia. Polymeerit, joissa on lineaarisia tai haarautuneita molekyylejä, voivat muuttua tilasta toiseen lämpötilan muutoksen myötä, mikä ilmenee polymeerin muodonmuutosprosessina. Kuvassa Kuva 9 esittää muodonmuutoksen riippuvuutta lämpötilasta.

Riisi. 9 Amorfisen polymeerin termomekaaninen käyrä: t c , t T, t p - lasittumislämpötila, juoksevuus ja vastaavasti kemiallisen hajoamisen alku; I - III - lasimaisen, erittäin elastisen ja viskoosin tilan vyöhykkeet, vastaavasti; Δ l- muodonmuutos.

Molekyylien järjestelyn avaruudellinen rakenne määrää vain polymeerin lasimaisen tilan. Alhaisissa lämpötiloissa kaikki polymeerit deformoituvat elastisesti (kuva 9, vyöhyke I). Lasittumislämpötilan yläpuolella t c lineaarisen rakenteen omaava amorfinen polymeeri siirtyy erittäin elastiseen tilaan ( vyöhyke II), ja sen muodonmuutos lasimaisessa ja erittäin elastisessa tilassa on palautuva. Lämmitys jähmepisteen yläpuolella t t muuttaa polymeerin viskoosiseen tilaan ( vyöhyke III). Polymeerin muodonmuutos viskoosissa tilassa on peruuttamaton. Amorfisella polymeerillä, jolla on spatiaalinen (verkko, silloitettu) rakenne, ei ole viskoosia tilaa, erittäin elastisen tilan lämpötila-alue laajenee polymeerin hajoamislämpötilaan t R. Tämä käyttäytyminen on tyypillistä kumityyppisille materiaaleille.

Aineen lämpötila missä tahansa aggregaattitilassa kuvaa sen hiukkasten (atomien ja molekyylien) keskimääräistä kineettistä energiaa. Näillä kappaleissa olevilla hiukkasilla on pääasiassa värähtelevien liikkeiden kineettinen energia suhteessa tasapainokeskukseen, jossa energia on minimaalinen. Kun tietty kriittinen lämpötila saavutetaan, kiinteä aine menettää lujuutensa (stabiiliutensa) ja sulaa, ja neste muuttuu höyryksi: se kiehuu ja haihtuu. Nämä kriittiset lämpötilat ovat sulamis- ja kiehumispisteet.

Kun kiteistä materiaalia kuumennetaan tietyssä lämpötilassa, molekyylit liikkuvat niin voimakkaasti, että polymeerin jäykät sidokset katkeavat ja kiteet tuhoutuvat - ne siirtyvät nestemäiseen tilaan. Lämpötilaa, jossa kiteet ja neste ovat tasapainossa, kutsutaan kiteen sulamispisteeksi tai nesteen jähmettymispisteeksi. Jodille tämä lämpötila on 114 o C.

Jokainen kemiallinen alkuaine on oma sulamispiste t pl erottaa kiinteän aineen ja nesteen olemassaolon sekä kiehumispisteen t kip, joka vastaa nesteen siirtymistä kaasuksi. Näissä lämpötiloissa aineet ovat termodynaamisessa tasapainossa. Aggregaatiotilan muutokseen voi liittyä hyppymäinen muutos vapaassa energiassa, entropiassa, tiheydessä ja muissa. fyysisiä määriä.

Kuvataksesi eri valtioita fysiikka käyttää laajempaa käsitettä termodynaaminen vaihe. Ilmiöitä, jotka kuvaavat siirtymiä vaiheesta toiseen, kutsutaan kriittisiksi.

Kuumennettaessa aineissa tapahtuu faasimuutoksia. Sulaessaan (1083 o C) kupari muuttuu nesteeksi, jossa atomit ovat vain lyhyen kantaman järjestystä. 1 atm:n paineessa kupari kiehuu 2310 °C:ssa ja muuttuu kaasumaiseksi kupariksi, jossa on satunnaisesti järjestettyjä kupariatomeja. Sulamispisteessä kiteen ja nesteen kylläisen höyryn paineet ovat yhtä suuret.

Materiaali kokonaisuudessaan on järjestelmä.

Järjestelmä- yhdistetyt aineet fyysinen, kemiallisia tai mekaanisia vuorovaikutuksia. vaihe kutsutaan järjestelmän homogeeniseksi osaksi, joka on erotettu muista osista fyysiset rajapinnat (valuraudassa: grafiitti + rautarakeita; jäävedessä: jää + vesi).Komponentit järjestelmät ovat eri vaiheita, jotka muodostavat tietyn järjestelmän. Järjestelmän osat- Nämä ovat aineita, jotka muodostavat tämän järjestelmän kaikki vaiheet (komponentit).

Materiaalit, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta faasista, ovat hajallaan järjestelmät. Dispersiosysteemit jaetaan sooleihin, joiden käyttäytyminen muistuttaa nesteiden käyttäytymistä, ja geeleihin, joilla on kiinteiden aineiden ominaisuudet. Sooleissa dispersioväliaine, johon aine jakautuu, on nestemäistä, geeleissä kiinteä faasi vallitsee. Geelit ovat puolikiteistä metallia, betonia, gelatiinin liuosta vedessä matalassa lämpötilassa (korkeassa lämpötilassa gelatiini muuttuu sooliksi). Hydrosoli on dispersio vedessä, aerosoli on dispersio ilmassa.

Tilakaaviot.

Termodynaamisessa järjestelmässä jokaiselle faasille on ominaista parametrit, kuten lämpötila T, keskittyminen Kanssa ja paineita R. Vaihemuunnosten kuvaamiseen käytetään yhtä energiaominaisuutta - Gibbsin vapaata energiaa ΔG(termodynaaminen potentiaali).

Termodynamiikka muunnosten kuvauksessa rajoittuu tasapainotilan huomioimiseen. tasapainotila termodynaamiselle järjestelmälle on ominaista termodynaamisten parametrien (lämpötila ja pitoisuus, koska teknologisessa käsittelyssä) muuttumattomuus R= const) ajassa ja energia- ja ainevirtojen puuttuminen siinä - ulkoisten olosuhteiden pysyvyyden kanssa. Vaiheen tasapaino- kahdesta tai useammasta vaiheesta koostuvan termodynaamisen järjestelmän tasapainotila.

Systeemin tasapainoolosuhteiden matemaattista kuvausta varten on olemassa vaihesääntö Gibbsin antama. Se yhdistää tasapainojärjestelmän vaiheiden (F) ja komponenttien (K) määrän järjestelmän varianssiin eli termodynaamisten vapausasteiden määrään (C).

Järjestelmän termodynaamisten vapausasteiden (varianssin) lukumäärä on riippumattomien muuttujien lukumäärä, sekä sisäinen (faasien kemiallinen koostumus) että ulkoinen (lämpötila), joille voidaan antaa erilaisia ​​mielivaltaisia ​​(tietyllä aikavälillä) arvoja. että uusia vaiheita ei ilmesty ja vanhat vaiheet eivät katoa.

Gibbsin vaihesäännön yhtälö:

C \u003d K - F + 1.

Tämän säännön mukaan kahden komponentin järjestelmässä (K = 2) seuraavat vapausasteet ovat mahdollisia:

Yksivaiheisessa tilassa (F = 1) C = 2, eli voit muuttaa lämpötilaa ja pitoisuutta;

Kaksivaiheisessa tilassa (F = 2) C = 1, eli voit muuttaa vain yhtä ulkoista parametria (esimerkiksi lämpötilaa);

Kolmivaiheisessa tilassa vapausasteiden lukumäärä on nolla, eli lämpötilaa on mahdotonta muuttaa häiritsemättä järjestelmän tasapainoa (järjestelmä on invariantti).

Esimerkiksi puhtaalla metallilla (K = 1) kiteytymisen aikana, kun faaseja on kaksi (F = 2), vapausasteiden lukumäärä on nolla. Tämä tarkoittaa, että kiteytyslämpötilaa ei voida muuttaa ennen kuin prosessi on päättynyt ja yksi faasi on jäljellä - kiinteä kide. Kiteytymisen päätyttyä (F = 1) vapausasteiden lukumäärä on 1, joten voit muuttaa lämpötilaa eli jäähdyttää kiinteää ainetta häiritsemättä tasapainoa.

Järjestelmien käyttäytymistä lämpötilasta ja pitoisuudesta riippuen kuvataan tilakaaviolla. Veden tilakaavio on järjestelmä, jossa on yksi H 2 O -komponentti, joten samanaikaisesti tasapainossa voi olla enintään kolme (kuva 10). Nämä kolme faasia ovat neste, jää, höyry. Vapausasteiden lukumäärä on tässä tapauksessa nolla, ts. on mahdotonta muuttaa painetta tai lämpötilaa siten, että mikään vaiheista ei katoa. Tavallinen jää, nestemäinen vesi ja vesihöyry voivat olla tasapainossa samanaikaisesti vain paineessa 0,61 kPa ja lämpötilassa 0,0075 °C. Pistettä, jossa kolme vaihetta esiintyy rinnakkain, kutsutaan kolmoispisteeksi ( O).

Käyrä OS erottaa höyryn ja nesteen alueet ja edustaa kylläisen vesihöyryn paineen riippuvuutta lämpötilasta. OC-käyrä näyttää ne lämpötilan ja paineen toisiinsa liittyvät arvot, joissa nestemäinen vesi ja vesihöyry ovat tasapainossa keskenään, joten sitä kutsutaan neste-höyry-tasapainokäyräksi tai kiehumiskäyräksi.

Kuva 10 Veden tilakaavio

Käyrä OV erottaa nestealueen jääalueesta. Se on kiinteä-neste-tasapainokäyrä ja sitä kutsutaan sulamiskäyräksi. Tämä käyrä näyttää ne toisiinsa liittyvät lämpötila- ja paineparit, joissa jää ja nestemäinen vesi ovat tasapainossa.

Käyrä OA kutsutaan sublimaatiokäyräksi ja se näyttää toisiinsa liittyvät paine- ja lämpötila-arvot, joissa jää ja vesihöyry ovat tasapainossa.

Tilakaavio on visuaalinen tapa esittää eri vaiheiden olemassaoloalueita ulkoisista olosuhteista, kuten paineesta ja lämpötilasta, riippuen. Tilakaavioita käytetään aktiivisesti materiaalitieteessä tuotteen saamisen eri teknologisissa vaiheissa.

Neste eroaa kiinteästä kiteisestä kappaleesta alhaisilla viskositeettiarvoilla (molekyylien sisäkitkalla) ja korkeilla juoksevuusarvoilla (viskositeetin käänteisluku). Neste koostuu useista molekyylien aggregaateista, joiden sisällä hiukkaset on järjestetty tiettyyn järjestykseen, joka on samanlainen kuin kiteissä. Luonto rakenneyksiköitä ja hiukkasten välinen vuorovaikutus määrää nesteen ominaisuudet. Nesteitä on: yksiatomisia (nesteytetyt jalokaasut), molekyylisiä (vesi), ionisia (sulaneet suolat), metallisia (sulaneet metallit), nestemäiset puolijohteet. Useimmissa tapauksissa neste ei ole vain aggregaatiotila, vaan myös termodynaaminen (neste)faasi.

Nestemäiset aineet ovat useimmiten liuoksia. Ratkaisu homogeeninen, mutta ei kemiallisesti puhdas aine, koostuu liuenneesta aineesta ja liuottimesta (esimerkkejä liuottimesta ovat vesi tai orgaaniset liuottimet: dikloorietaani, alkoholi, hiilitetrakloridi jne.), joten se on aineiden seos. Esimerkki on alkoholiliuos vedessä. Liuokset ovat kuitenkin myös kaasumaisten (esimerkiksi ilma) tai kiinteiden (metalliseokset) aineiden seoksia.

Jäähdytettäessä olosuhteissa, joissa kiteytyskeskusten muodostumisnopeus on alhainen ja viskositeetin voimakas kasvu, voi tapahtua lasimainen tila. Lasit ovat isotrooppisia kiinteitä aineita, joita saadaan alijäähdyttämällä sulaa epäorgaanista ja orgaanista yhdistettä.

Tunnetaan monia aineita, joiden siirtyminen kiteisestä tilasta isotrooppiseen nesteeseen tapahtuu nestekidevälitilan kautta. Se on ominaista aineille, joiden molekyylit ovat pitkien sauvojen (sauvojen) muodossa, joilla on epäsymmetrinen rakenne. Tällaiset faasimuutokset, joihin liittyy lämpövaikutuksia, aiheuttavat äkillisen muutoksen mekaanisissa, optisissa, dielektrisissä ja muissa ominaisuuksissa.

nestekiteitä Kuten neste, ne voivat olla pitkänomaisen pisaran tai astian muodon, niillä on korkea juoksevuus ja ne voivat sulautua yhteen. Niitä käytetään laajasti tieteen ja tekniikan eri aloilla. Niiden optiset ominaisuudet riippuvat suuresti pienistä muutoksista ulkoisissa olosuhteissa. Tätä ominaisuutta käytetään sähköoptisissa laitteissa. Erityisesti nestekiteitä käytetään elektronisten kellojen, visuaalisten laitteiden jne.

Aggregaation tärkeimpiä tiloja on plasma- osittain tai kokonaan ionisoitua kaasua. Muodostusmenetelmän mukaan plasma erotetaan kahta tyyppiä: lämpöä, joka tapahtuu, kun kaasu kuumennetaan korkeisiin lämpötiloihin, ja kaasumainen, joka muodostuu sähköpurkauksissa kaasumaisessa väliaineessa.

Plasmakemialliset prosessit ovat ottaneet vakaan paikan useilla tekniikan aloilla. Niitä käytetään tulenkestävien metallien leikkaamiseen ja hitsaukseen, erilaisten aineiden synteesiin, ne käyttävät laajasti plasmavalonlähteitä, plasman käyttö lämpöydinvoimaloissa on lupaavaa jne.