Стан тіл фізика. Агрегатні стани речовини
Залежно від температури та тиску будь-яка речовина здатна приймати різні агрегатні стани. Кожен такий стан характеризується певними якісними властивостями, які залишаються незмінними у межах температур та тисків, необхідних даного агрегатного стану.
До характерних властивостей агрегатних станів можна віднести, наприклад, здатність тіла, що знаходиться у твердому стані, зберігати свою форму, або навпаки – здатність рідкого тіла змінювати форму. Однак іноді межі між різними станами речовини досить розмиті, як у випадках з рідкими кристалами, або так званими «аморфними тілами», які можуть бути пружними як тверді тіла і текучими як рідини.
Перехід між агрегатними станами може відбуватися з виділенням вільної енергії, зміною густини, ентропії або інших фізичних величин. Перехід від одного агрегатного стану до іншого називається фазовим переходом, а явища, що супроводжують такі переходи – критичними явищами.
Список відомих агрегатних станів
Тверде тіло |
||
|---|---|---|
Тверді тіла, атоми чи молекули яких не утворюють кристалічну решітку. |
||
Тверді тіла, атоми чи молекули яких утворюють кристалічну решітку. |
||
Мезофаза |
||
Рідкий кристал – це такий фазовий стан, під час якого речовина одночасно має як властивості рідин, так і властивості кристалів. |
||
Рідина |
||
Стан речовини при температурах вище температури плавлення і нижче температури кипіння. |
||
Рідина, температура якої перевищує температуру кипіння. |
||
Рідина, температура якої менша за температуру кристалізації. |
||
Стан рідкої речовини при негативному тиску, що викликається силами Ван-дер-Ваальса (силами тяжіння між молекулами). |
||
Стан рідини за температури вище критичної точки. |
||
Рідина, на властивості якої впливають квантові ефекти. |
||
Стан речовини, що має дуже слабкі зв'язки між молекулами чи атомами. Не піддається математичному опису ідеального газу. |
||
Газ, на властивості якого впливають квантові ефекти. |
||
Агрегатний стан, представлений набором окремих заряджених частинок, сумарний заряд яких у будь-якому обсязі системи дорівнює нулю. |
||
Стан речовини, при якому воно є набором глюонів, кварків і антикварків. |
||
Короткочасний стан, під час якого силові поля глюони натягуються між ядрами. Передує кварк-глюонної плазми. |
||
Квантовий газ |
||
Газ, що складається з ферміонів, на властивості якого впливають квантові ефекти. |
||
Газ, що з бозонів, на властивості якого впливають квантові ефекти. |
||
У природі вода міститься у трьох станах:
- твердий стан (сніг, град, лід);
- рідкий стан (вода, туман, роса та дощ);
- газоподібний стан (пар).
З раннього дитинства, ще у школі вивчають різні агрегатні стани води: туман, дощові опади, град, сніг, лід тощо. Існує те, що в школі вивчають докладно. Вони щодня зустрічаються нам у житті та впливають на життєдіяльність. – це стан води при певному температурному режимі та тиску, що характеризується межею деякого інтервалу.
До основних понять стану води слід внести уточнення, що стан туману та хмарний стан не відноситься до газоутворення. Вони виникають при конденсації. Це унікальна властивість води, яка може перебувати в трьох різних агрегатних станах. Три стани води життєво важливі для планети, вони утворюють гідрологічний цикл, забезпечують процес круговороту води у природі. У школі показують різні досліди з випаровування та . У кожному куточку природи вода вважається джерелом життя. Є і четвертий стан, не менш важливий - Дерягінська вода (Російський варіант), або як її прийнято називати зараз - Нанотрубкова вода (Американський варіант).
Твердий стан води
У зберігається форма та обсяг. При зниженою температуроюречовина замерзає і перетворюється на тверде тіло. Якщо високий тиск, то температура затвердіння потрібно вище. Тверде тіло буває кристалічним та аморфним. У кристалі становище атома суворо впорядковане. Форми кристалів природні та нагадують багатогранник. У аморфному тілі точки розташовані хаотично і коливаються, у яких зберігається лише ближній порядок.
Рідкий стан води
У рідкому стані вода зберігає свій об'єм, та її форма не зберігається. Під цим розуміє, що рідина займає лише частину об'єму, що може протікати по всій поверхні. Вивчаючи у школі питання рідкого стану, слід розуміти, що це проміжний стан між твердим середовищем та газовим середовищем. Рідини поділяються на чисті та стани суміші. Деякі суміші дуже важливі для життя, наприклад, кров або морська вода. Рідина може виконувати функцію розчинника.
Стан газу
У форму та обсяг не зберігаються. Інакше газоподібний стан, вивчення якого відбувається ще у школі, називається водяною парою. Досліди показують наочно, що пара невидима, вона розчинна в повітрі, і показує відносну вологість. Розчинність залежить від температури та тиску. Насичена пара та точка роси – це показник граничної концентрації. Пара та туман це різні агрегатні стани.
Четвертий агрегатний стан - плазма
Вивчення плазми та сучасні дослідистали розглядатися трохи пізнішому терміні. Плазмою називається повністю або частково іонізований газ, вона виникає у стані рівноваги за високої температури. У разі землі утворюється газовий розряд. Властивості плазми визначають його газоподібний стан, крім того, що велику роль у всьому цьому грає електродинаміка. Серед агрегатних станів плазма найпоширеніша у Всесвіті. Вивчення зірок та міжпланетного простору показало, що речовини перебувають у стані плазми.
Як змінюються агрегатні стани?
Зміна процесу переходу з одного стану до іншого:
- Рідина - пар (пароутворення та кипіння);
- Пар - рідина (конденсація);
- Рідина - лід (кристалізація);
- лід - рідина (плавлення);
- лід - пара (сублімація);
- пар - лід, утворення інею (десублімація).
Вода названа найцікавішим природним земним мінералом. Питання ці складні та вивчення потрібно постійне. Агрегатний стан у школі підтверджують проведені досліди і якщо виникають питання, то досліди наочно дають розібратися у матеріалі, що розповідається на уроці. При випаровуванні рідина переходить у процес, здатний початися вже з нуля градусів. При підвищенні температури збільшується. Інтенсивність цього підтверджують досліди кипіння за 100 градусів. Питання випаровування знаходять відповідь у випаровуванні з поверхонь озер, річок і навіть із суші. При охолодженні виходить процес зворотного перетворення, коли з газу утворюється рідина. Цей процес називається конденсацією, коли з водяної пари, що знаходиться в повітрі, утворюються дрібні крапельки хмари.
Яскравим прикладом є ртутний градусник, у якому ртуть представлена рідкому стані, при температурі -39 градусів ртуть стає твердим тілом. Змінити стан твердого тіла можна, але це вимагатиме додаткових зусиль, наприклад при згинанні цвяха. Найчастіше школярі ставлять запитання, у тому, як надають форму твердому тілу. Цим займаються на заводах та у спеціалізованих цехах на спеціальному обладнанні. Абсолютно будь-яка речовина може існувати в трьох станах, у тому числі вода, це залежить від фізичних умов. При переході води з одного стану до іншого змінюється молекулярне розташування та рух, склад молекули не змінюється. Експериментальні завдання допоможуть спостерігати за такими цікавими станами.
Основна загальна освіта
Лінія УМК А. В. Перишкіна. Фізика (7-9)
Введення: агрегатний стан речовини
Загадковий навколишній світне перестає дивувати. Кубик льоду, кинутий у склянку та залишений у кімнатній температурі, За лічені хвилини перетвориться на рідину, а якщо залишити цю рідину на підвіконні на більш тривалий час, - і зовсім випарується. Це – найпростіший спосіб спостерігати за переходами одного агрегатного стану речовини до іншого.Агрегатний стан - стан будь-якої речовини, що має певні властивості: здатність зберігати форму та обсяг, мати дальній або ближній порядок та інші. При зміні агрегатного стану речовинивідбувається зміна фізичних властивостей, а також щільності, ентропії та вільної енергії.
Як і чому відбуваються ці дивовижні перетворення? Щоб розібратися в цьому, пригадаємо, що все навколо складається з. Атоми та молекули різних речовин взаємодіють один з одним, і саме зв'язок між ними визначає, який у речовини агрегатний стан.
Виділяють чотири типи агрегатних речовин:
газоподібне,
Здається, що хімія відкриває нам свої таємниці у цих дивовижних перетвореннях. Однак, це не так. Перехід з одного агрегатного стану в інший, а також дифузія відносяться до фізичних явищ, оскільки в цих перетвореннях не відбувається змін молекул речовини і зберігається їх хімічний склад.
Газоподібний стан
На молекулярному рівні газ є хаотично рухомими, які зіштовхуються зі стінками судини і між собою молекули, які один з одним практично не взаємодіють. Оскільки молекули газу між собою не пов'язані, то газ заповнює весь наданий йому обсяг, взаємодіючи та змінюючи напрямок лише при ударах один про одного.
На жаль, неозброєним оком та навіть за допомогою світлового мікроскопа побачити молекули газу неможливо. Проте газ можна доторкнутися. Звичайно, якщо ви просто спробуєте ловити молекули газів, що літають довкола, у долоні, то у вас нічого не вийде. Але, напевно, всі бачили (або робили це самі), як хтось накачував повітрям шину автомобіля чи велосипеда, і з м'якої та зморщеної вона ставала накачаною та пружною. А «невагомість» газів, що здається, спростує досвід, описаний на сторінці 39 підручника «Хімія 7 клас» під редакцією О.С. Габрієляна.
Це тому, що в замкнутий обмежений об'єм шини потрапляє велика кількістьмолекул, яким стає тісно, і вони починають частіше вдарятися один об одного і стінки шини, а результаті сумарний вплив мільйонів молекул на стінки сприймається нами як тиск.
Але якщо газ займає весь наданий йому обсяг, чому тоді він не відлітає в космос і не поширюється по всьому всесвіту, заповнюючи міжзоряний простір?Отже, щось таки утримує та обмежує гази атмосферою планети?
Абсолютно вірно. І це - сила земного тяжіння. Для того щоб відірватися від планети і відлетіти, молекулам потрібно розвинути швидкість, що перевищує швидкість втікання або другу космічну швидкість, а переважна більшість молекул рухаються значно повільніше.
Тоді виникає наступне питання: Чому молекули газів не падають на землю, а продовжують літати?Виявляється, що завдяки сонячній енергії молекули повітря мають солідний запас кінетичної енергії, який дозволяє їм рухатися проти сил земного тяжіння.
У збірнику наведено питання та завдання різної спрямованості: розрахункові, якісні та графічні; технічного, практичного та історичного характеру. Завдання розподілені на теми відповідно до структури підручника «Фізика. 9 клас» авторів А. В. Перишкіна, О. М. Гутник і дозволяють реалізувати вимоги, заявлені ФГОС до метапредметних, предметних та особистісних результатів навчання.
Рідкий стан
У разі підвищення тиску та/або зниження температури гази можна перевести в рідкий стан. Ще на зорі ХIХ століття англійському фізику та хіміку Майклу Фарадею вдалося перевести в рідкий стан хлор та вуглекислий газ, стискаючи їх за дуже низьких температур. Однак деякі з газів не піддалися вченим на той час, і, як виявилося, справа була не в недостатньому тиску, а в нездатності знизити температуру до необхідного мінімуму.
Рідина, на відміну від газу, займає певний обсяг, проте вона також набуває форми заповненої судини нижче рівня поверхні. Наочно рідину можна уявити як круглі намистини або крупу у банку. Молекули рідини перебувають у тісному взаємодії друг з одним, проте вільно переміщуються щодо друг друга.
Якщо на поверхні залишиться крапля води, через якийсь час вона зникне. Але ж ми пам'ятаємо, що завдяки закону збереження маси-енергії, ніщо не пропадає і не зникає безслідно. Рідина випарується, тобто. змінить свій агрегатний стан на газоподібний.
Випаровування - це процес перетворення агрегатного стану речовини, при якому молекули, чия кінетична енергія перевищує потенційну енергію міжмолекулярної взаємодії, піднімаються з поверхні рідини або твердого тіла.
Випаровування з поверхні твердих тіл називається сублімацієюабо сублімацією. Найбільш простим способомспостерігати сублімацію є використання нафталіну для боротьби з міллю. Якщо ви відчуваєте запах рідини або твердого тіла, це означає, що відбувається випаровування. Адже ніс якраз і вловлює ароматні молекули речовини.
Рідини оточують людину повсюдно. Властивості рідин також знайомі всім – це в'язкість, плинність. Коли заходить розмова про форму рідини, багато хто говорить, що рідина не має певної форми. Але так відбувається лише на Землі. Завдяки силі земного тяжіння крапля води деформується.
Проте багато хто бачив як космонавти в умовах невагомості ловлять водяні кульки різного розміру. В умовах відсутності гравітації рідина набуває форми кулі. А забезпечує рідини кулясту форму сила поверхневого натягу. Мильні бульбашки – чудовий спосіб познайомитися із силою поверхневого натягу Землі.
Ще одна властивість рідини – в'язкість. В'язкість залежить від тиску, хімічного складу та температури. Більшість рідин підпорядковуються закону в'язкості Ньютона, відкритого ХІХ столітті. Однак є ряд рідин з високою в'язкістю, які за певних умов починають поводитися як тверді тіла і не підкоряються закону в'язкості Ньютона. Такі розчини називаються неньютонівськими рідинами. Найпростіший приклад неньютонівської рідини - завись крохмалю у воді. Якщо впливати на неньютонівську рідину механічними зусиллями, рідина почне приймати властивості твердих тіл і поводитися як тверде тіло.
Твердий стан
Якщо рідини, на відміну газу, молекули рухаються не хаотично, а навколо певних центрів, то у твердому агрегатному стані речовиниатоми та молекули мають чітку структуру і схожі на побудованих солдатів на параді. І завдяки кристалічній решітці тверді речовини займають певний обсяг та мають постійну форму.
За певних умов речовини, що знаходяться в агрегатному стані рідини, можуть переходити в тверде, а тверді тіла, навпаки, при нагріванні плавитися і переходити в рідке.
Це відбувається тому, що при нагріванні збільшується внутрішня енергія, відповідно молекули починають рухатися швидше, а при досягненні температури плавлення кристалічні грати починає руйнуватися і змінюється агрегатний стан речовини. Більшість кристалічних тіл обсяг збільшується при плавленні, але є винятки, наприклад – лід, чавун.
Залежно від виду частинок, що утворюють кристалічну решітку твердого тіла, виділяють таку структуру:
молекулярну,
металеву.
В одних речовин зміна агрегатних станіввідбувається легко, як, наприклад, у води, інших речовин потрібні особливі умови (тиск, температура). Але в сучасній фізиці вчені виділяють ще один незалежний стан речовини – плазма.
Плазма - іонізований газ з однаковою щільністю як позитивних, так і негативних зарядів. У живій природі плазма є на сонці або при спалаху блискавки. Північне сяйвоі навіть звичний нам багаття, що зігріває своїм теплом під час вилазки на природу, також відноситься до плазми.
Штучно створена плазма додає яскравості будь-якому місту. Вогні неонової реклами - це лише низькотемпературна плазма в скляних трубках. Звичні нам лампи денного світла також заповнені плазмою.
Плазму ділять на низькотемпературну – зі ступенем іонізації близько 1% та температурою до 100 тисяч градусів, і високотемпературну – іонізація близько 100% та температурою у 100 млн градусів (саме в такому стані знаходиться плазма у зірках).
Низькотемпературна плазма у звичних нам лампах денного світла широко застосовується у побуті.
Високотемпературна плазма використовується в реакціях термоядерного синтезу і вчені не втрачають надію використовувати її як заміну атомної енергії, проте контроль у цих реакціях дуже складний. А неконтрольована термоядерна реакція зарекомендувала себе як зброю колосальної потужності, коли 12 серпня 1953 СРСР випробував термоядерну бомбу.
Купити
Для перевірки засвоєння матеріалу пропонуємо невеликий тест.
1. Що не відноситься до агрегатних станів:
рідина
світло +
2. В'язкість ньютонівських рідин підпорядковується:
закону Бойля-Маріотта
закону Архімеда
закону в'язкості Ньютона +
3. Чому атмосфера Землі не відлітає у відкритий космос:
тому що молекули газу не можуть розвинути другу космічну швидкість
тому що на молекули газу впливає сила земного тяжіння +
обидві відповіді правильні
4. Що не відноситься до аморфних речовин:
- сургуч
-
залізо +
5.При охолодженні обсяг збільшується у:
-
льоду +
: [30 т.] / гол. ред. А. М. Прохоров; 1969-1978, т. 1).
Агрегатний стан- це стан речовини у певному інтервалі температур та тисків, що характеризується властивостями: здатністю (тверде тіло) або нездатністю (рідина, газ) зберігати обсяг та форму; наявністю чи відсутністю далекого (тверде тіло) або ближнього (рідина) порядку та іншими властивостями.
Речовина може бути в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому або газоподібному, в даний час виділяють додатково плазмовий (іонний) стан.
В газоподібномуВідстань між атомами і молекулами речовини велика, сили взаємодії малі і частинки, хаотично переміщаючись у просторі, мають велику кінетичну енергію, що перевищує потенційну енергію. Матеріал у газоподібному стані не має ні своєї форми, ні обсягу. Газ заповнює весь доступний простір. Цей стан властивий для речовин із малою щільністю.
В рідкомустані зберігається лише ближній порядок атомів чи молекул , як у обсязі речовини періодично виникають окремі ділянки з упорядкованим розташуванням атомів, проте взаємна орієнтація цих ділянок також відсутня. Близький порядок нестійкий і під впливом теплових коливань атомів може або зникати або виникати знову. Молекули рідини немає певного становища, й те водночас їм недоступна повна свобода переміщення. Матеріал у рідкому стані своєї форми не має, зберігає лише обсяг. Рідина може займати лише частину обсягу судини, але вільно перетікати по всій поверхні судини. Рідкий стан вважають проміжним між твердим тілом і газом.
В твердомуВ речовині порядок розташування атомів стає строго визначеним, закономірно впорядкованим, сили взаємодії частинок взаємно врівноважені, тому тіла зберігають свою форму і об'єм. Закономірно впорядковане розташування атомів у просторі характеризує кристалічний стан, атоми утворюють кристалічну решітку.
Тверді тіла мають аморфну чи кристалічну будову. Для аморфнихтіл характерний лише ближній порядок розташування атомів чи молекул, хаотичне розташування атомів, молекул чи іонів у просторі. Прикладами аморфних тіл є скло, пек, вар, що зовні перебувають у твердому стані, хоча насправді вони повільно течуть, подібно до рідини. Певної температури плавлення у аморфних тіл, на відміну кристалічних, немає. Аморфні тіла займають проміжне положення між кристалічними твердими тілами та рідинами.
Більшість твердих тіл має кристалічнийбудова, яка відрізняється упорядкованим розташуванням атомів чи молекул у просторі. Для кристалічної структури властивий далекий порядок, коли елементи структури періодично повторюються; при ближньому порядку таке правильне повторення відсутнє. Характерною особливістюКристалічного тіла є здатність зберігати форму. Ознакою ідеального кристала, моделлю якого є просторові грати, є властивість симетрії. Під симетрією розуміється теоретична здатність кристалічних ґрат твердого тіла поєднуватися самої з собою при дзеркальному відображенні її точок від деякої площини, званої площиною симетрії. Симетрія зовнішньої форми відбиває симетрію внутрішньої структури кристала. Кристалічну структуру мають, наприклад, всі метали, для яких характерні два типи симетрії: кубічна та гексагональна.
В аморфних структурах з невпорядкованим розподілом атомів властивості речовини у різних напрямках однакові, тобто склоподібні (аморфні) речовини ізотропні.
Для всіх кристалів характерна анізотропія. У кристалах відстані між атомами упорядковані, але у різних напрямках ступінь упорядкованості може бути неоднаковою, що призводить до відмінності властивостей речовини кристала у різних напрямках. Залежність властивостей речовини кристала від напрямку в його ґратах називають анізотропієювластивостей. Анізотропія проявляється при вимірі як фізичних, і механічних та інших характеристик. Існують властивості (щільність, теплоємність), що не залежать від напрямку в кристалі. Більшість характеристик залежить від вибору напрямку.
Виміряти властивості можна об'єктів, мають певний матеріальний обсяг: розміри - від кількох міліметрів до десятків сантиметрів. Ці об'єкти з будовою, ідентичним кристалічному осередку, називаються монокристалами.
Анізотропія властивостей проявляється в монокристалах і практично відсутня в полікристалічній речовині, що складається з багатьох дрібних хаотично орієнтованих кристалів. Тому полікристалічні речовини називають квазіізотропними.
Кристалізація полімерів, молекули яких можуть розташовуватися впорядковано з утворенням надмолекулярних структур у вигляді пачок, клубків (глобул), фібрил тощо, відбувається в певному інтервалі температур. Складне будова молекул та його агрегатів визначає специфіку поведінки полімерів при нагріванні. Вони не можуть перейти в рідкий стан із низькою в'язкістю, не мають газоподібного стану. У твердому вигляді полімери можуть перебувати в склоподібному, високоеластичному та в'язкотекучому станах. Полімери з лінійними або розгалуженими молекулами при зміні температури можуть переходити з одного стану до іншого, що проявляється в процесі деформації полімеру. На рис. 9 наведено залежність деформації від температури.
Рис. 9 Термомеханічна крива аморфного полімеру: t c, tт, tр - температури склування, плинності та початку хімічного розкладання відповідно; I - III - зони склоподібного, високоеластичного та в'язкотекучого стану відповідно; Δ l- Деформація.
Просторова структура розташування молекул визначає лише склоподібний стан полімеру. За низьких температур всі полімери деформуються пружно (рис. 9, зона I). Вище температури склювання t c аморфний полімер з лінійною структурою перетворюється на високоеластичний стан ( зона II), та його деформація у склоподібному та високоеластичному станах оборотна. Нагрів вище температури плинності tт переводить полімер у в'язкотекучий стан ( зона III). Деформація полімеру у в'язкотекучому стані необоротна. Аморфний полімер з просторовою (сітчастою, пошитою) структурою не має в'язкотекучого стану, температурна область високоеластичного стану розширюється до температури розкладання полімеру tнар. Така поведінка характерна для матеріалів типу гум.
Температура речовини у будь-якому агрегатному стані характеризує середню кінетичну енергію його частинок (атомів та молекул). Ці частинки в тілах мають в основному кінетичну енергію коливальних рухів щодо центру рівноваги, де енергія мінімальна. При досягненні деякої критичної температури твердий матеріал втрачає свою міцність (стійкість) і розплавляється, а рідина перетворюється на пару: кипить і випаровується. Цими критичними температурами є температури плавлення та кипіння.
При нагріванні кристалічного матеріалу за певної температури молекули рухаються настільки енергійно, що жорсткі зв'язки в полімері порушуються і кристали руйнуються - переходять у рідкий стан. Температура, при якій кристали та рідина знаходяться в рівновазі, називається точкою плавлення кристала, або точкою затвердіння рідини. Для йоду ця температура дорівнює 114 °С.
Кожен хімічний елементмає індивідуальну температуру плавлення tпл, що розділяє існування твердого тіла та рідини, та температурою кипіння tкіп, що відповідає переходу рідини в газ. При цих температурах речовини перебувають у термодинамічній рівновазі. Зміна агрегатного стану може супроводжуватися стрибкоподібною зміною вільної енергії, ентропії, щільності та інших фізичних величин
Для опису різних станів у фізиці використовується більш широке поняттятермодинамічні фази. Явища, що описують переходи з однієї фази до іншої, називають критичними.
При нагріванні речовини зазнають фазових перетворень. Мідь при плавленні (1083 про З) перетворюється на рідину, у якій атоми мають лише ближній порядок. При тиску 1 атм мідь кипить при 2310 про З і перетворюється на газоподібну мідь з безладно розташованими атомами міді. У точці плавлення тиску насиченої пари кристала та рідини рівні.
Матеріал загалом є систему.
Система- група речовин, об'єднаних фізичними,хімічними чи механічними взаємодіями. Фазоюназивають однорідну частину системи, відокремлену від інших частин фізичними межами розділу (у чавуні: графіт + зерна заліза; у воді з льодом: лід + вода).Складові частиниСистеми - це різні фази, що утворюють цю систему. Компоненти системи- Це речовини, що утворюють всі фази (складові частини) цієї системи.
Матеріали, що складаються з двох і більше фаз, є дисперснісистеми. Дисперсні системи поділяють на золі, поведінка яких нагадує поведінку рідин, та гелі з характерними властивостями твердих тіл. У золях дисперсійним середовищем, в якому розподілена речовина, є рідина, в гелях переважає тверда фаза. Гелями є напівкристалічний метал, бетон, розчин желатину у воді за низької температури (за високої температури желатин перетворюється на золь). Гідрозолем називають дисперсію у воді, аерозолем – дисперсію у повітрі.
Діаграми стану.
У термодинамічній системі кожна фаза характеризується такими параметрами, як температура Т, концентрація зта тиск Р. Для опису фазових перетворень використовується єдина енергетична характеристика – вільна енергія Гіббса ΔG(Термодинамічний потенціал).
Термодинаміка в описах перетворень обмежується розглядом стану рівноваги. Рівноважний станТермодинамічна система характеризується незмінністю термодинамічних параметрів (температури та концентрації, так як у технологічних обробках Р= const) у часі та відсутністю в ній потоків енергії та речовини - за сталості зовнішніх умов. Фазова рівновага- рівноважний стан термодинамічної системи, що складається із двох або більшої кількості фаз.
Для математичного опису умов рівноваги системи існує правило фаз, виведений Гіббсом. Воно пов'язує число фаз (Ф) та компонентів (К) у рівноважній системі з варіантністю системи, тобто числом термодинамічних ступенів свободи (С).
Число термодинамічних ступенів свободи (варіантність) системи – це число незалежних змінних як внутрішніх (хімічний склад фаз), так і зовнішніх (температура), яким можна надавати різні довільні (у деякому інтервалі) значення так, щоб не з'явилися нові та не зникли старі фази .
Рівняння правила фаз Гіббса:
З = К – Ф + 1.
Відповідно до цього правила у системі з двох компонентів (К = 2) можливі наступні варіанти ступенів свободи:
Для однофазного стану (Ф = 1) С = 2, тобто можна змінювати температуру та концентрацію;
Для двофазного стану (Ф = 2) С = 1, тобто можна змінювати лише один зовнішній параметр (наприклад, температуру);
Для трифазного стану число ступенів свободи дорівнює нулю, тобто не можна змінювати температуру без порушення рівноваги в системі (система нонваріантна).
Наприклад, для чистого металу (К = 1) під час кристалізації, коли є дві фази (Ф = 2), число ступенів свободи дорівнює нулю. Це означає, що температура кристалізації може бути змінена, доки закінчиться процес і залишиться одна фаза - твердий кристал. Після закінчення кристалізації (Ф = 1) число ступенів свободи дорівнює 1, тому можна змінювати температуру, тобто охолоджувати тверду речовину, не порушуючи рівноваги.
Поведінка систем залежно від температури та концентрації описується діаграмою стану. Діаграма стану води — система з одним компонентом H 2 O, тому найбільше фаз, які одночасно можуть перебувати в рівновазі, дорівнює трьом (рис. 10). Ці три фази – рідина, лід, пара. Число ступенів свободи у разі дорівнює нулю, тобто. не можна змінити ні тиск, ні температуру, щоб не зникла жодна фаза. Звичайний лід, рідка вода і водяна пара можуть існувати в рівновазі одночасно лише при тиску 0,61 кПа та температурі 0,0075°С. Точка співіснування трьох фаз називається потрійною точкою ( O).
Крива ОСрозділяє області пари і рідини і є залежністю тиску насиченої водяної пари від температури. Крива ОС показує ті взаємопов'язані значення температури і тиску, при яких рідка вода і водяна пара знаходяться в рівновазі один з одним, тому вона називається кривою рівноваги рідина - пар або кривою кипіння.
10 Діаграма стану води
Крива ОВвідокремлює область рідини від льоду. Вона є кривою рівноваги твердий стан - рідина і називається кривою плавлення. Ця крива показує ті взаємозалежні пари значень температури і тиску, у яких лід і рідка вода перебувають у рівновазі.
Крива OAназивається кривою сублімації і показує взаємопов'язані пари значень тиску та температури, при яких у рівновазі знаходяться лід та водяна пара.
Діаграма стану - наочний спосіб представлення областей існування різних фаз залежно від зовнішніх умов, наприклад, від тиску та температури. Діаграми стану активно використовуються у матеріалознавстві на різних технологічних етапах отримання виробу.
Рідина відрізняється від твердого кристалічного тіла малими значеннями в'язкості (внутрішнього тертя молекул) та високими значеннями плинності (величина, зворотна в'язкості). Рідина складається з безлічі агрегатів молекул, усередині яких частинки розташовані в певному порядку, подібно до порядку в кристалах. Природа структурних одиницьта міжчасткової взаємодії визначає властивості рідини. Розрізняють рідини: моноатомні (скраплені благородні гази), молекулярні (вода), іонні (розплавлені солі), металеві (розплавлені метали), рідкі напівпровідники. Найчастіше рідина не лише агрегатним станом, а й термодинамической (рідкої) фазою.
Рідкі речовини найчастіше є розчинами. Розчиноднорідний, але не є хімічно чистою речовиною, складається з розчиненої речовини та розчинника (приклади розчинника - вода або органічні розчинники: дихлоретан, спирт, чотирихлористий вуглець та ін), тому є сумішшю речовин. Приклад – розчин спирту у воді. Однак розчинами є суміші газоподібних (наприклад, повітря) або твердих (сплави металів) речовин.
При охолодженні в умовах малої швидкості утворення центрів кристалізації та сильного збільшення в'язкості може виникнути склоподібний стан. Скло - це тверді ізотропні матеріали, одержувані переохолодженням розплавлених неорганічних і органічних сполук.
Відомо багато речовин, перехід яких із кристалічного стану в ізотропний рідкий здійснюється через проміжний рідкокристалічний стан. Воно характерне для речовин, молекули яких мають форму довгих стрижнів (паличок) з асиметричною будовою. Такі фазові переходи, що супроводжуються тепловими ефектами, викликають стрибкоподібну зміну механічних, оптичних, діелектричних та інших властивостей.
Рідкі кристали, подібно до рідини, можуть приймати форму подовженої краплі або форму судини, володіють високою плинністю, здатні до злиття. Вони отримали широке застосування у різних галузях науки та техніки. Їхні оптичні властивості сильно залежать від невеликих змін зовнішніх умов. Ця особливість використовується у електрооптичних пристроях. Зокрема, рідкі кристали застосовують при виготовленні електронного наручного годинника, візуальної апаратури та ін.
До основних агрегатних станів належить плазма- частково чи повністю іонізований газ. За способом утворення розрізняють два види плазми: термічну, що виникає при нагріванні газу до високих температур, і газоподібну, що утворюється при електричних розрядах у газовому середовищі.
Плазмохімічні процеси зайняли міцне місце у низці галузей техніки. Вони застосовуються для різання та зварювання тугоплавких металів, синтезу різних речовин, широко використовують плазмові джерела світла, перспективне застосування плазми в термоядерних енергетичних установках та ін.