Az anyagoknak különböző halmazállapotai vannak. Az anyag halmazállapotának változása

Ahhoz, hogy megértsük, mi az anyag halmazállapota, emlékezzen vagy képzelje el magát nyáron a folyó közelében, fagylalttal a kezében. Remek kép, ugye?

Ebben az idillben tehát az élvezet mellett fizikai megfigyelést is lehet végezni. Ügyeljen a vízre. A folyóban folyékony, a jégkrém összetételében jég formájában szilárd, az égen felhők formájában gáz halmazállapotú. Vagyis egyszerre három különböző állapotban van. A fizikában ezt az anyag halmazállapotának nevezik. Az aggregációnak három állapota van - szilárd, folyékony és gáznemű.

Az anyag halmazállapotának változása

Az aggregált halmazállapotok változását saját szemünkkel figyelhetjük meg a természetben. A víztestek felszínéről a víz elpárolog és felhők képződnek. Így a folyadék gázzá alakul. Télen a tározókban lévő víz megfagy, szilárd halmazállapotúvá válik, tavasszal pedig újra megolvad, és visszafolyik. Mi történik egy anyag molekuláival, amikor az egyik állapotból a másikba vált? Változnak? Például a jégmolekulák különböznek a gőzmolekuláktól? A válasz egyértelmű: nem. A molekulák pontosan ugyanazok maradnak. Változik a mozgási energiájuk, és ennek megfelelően az anyag tulajdonságai. A gőzmolekulák energiája elég nagy ahhoz, hogy különböző irányokba szóródjon, és lehűtve a gőz folyadékká kondenzálódik, és a molekuláknak még van elég energiájuk a szinte szabad mozgáshoz, de nem elég ahhoz, hogy elszakadjanak a többi molekula vonzásától. és elrepül. További hűtéssel a víz megfagy, szilárd testté válik, és a molekulák energiája már a testen belüli szabad mozgáshoz sem elegendő. Egy helyen oszcillálnak, és más molekulák vonzó ereje tartja őket.

A különböző halmazállapotú molekulák mozgásának és állapotának természetét a következő táblázat tükrözi:

Az anyag halmazállapota	Az anyag tulajdonságai	A részecskék közötti távolság	Részecske kölcsönhatás	A mozgás jellege	Rendezési sorrend
	Nem tartja meg alakját és térfogatát	Sokkal több méretben maguk a részecskék		Kaotikus (véletlenszerű) folyamatos. Szabadon repülnek, néha ütköznek.	Rendetlen
Folyékony	Nem tartja meg az alakját, megtartja a térfogatot	A részecskemérethez hasonlítható		Az egyensúlyi helyzet körül oszcillálnak, folyamatosan egyik helyről a másikra ugrálnak.	Rendetlen
Szilárd	Megőrzi a formát és a térfogatot	Kicsi a részecskék méretéhez képest	Nagyon erős	Folyamatosan oszcillál az egyensúlyi helyzet körül	Egy bizonyos sorrendben

folyamatok, amelyekben az anyagok aggregált halmazállapotában van változás, csak hat.

Egy anyag szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba való átmenetét ún olvasztó, fordított folyamat - kristályosodás. Amikor egy anyag folyadékból gázzá változik, ún párologtatás, gázról folyadékra - páralecsapódás. A szilárd halmazállapotból közvetlenül a gázba való átmenetet, a folyékony halmazállapot megkerülésével nevezzük szublimáció, fordított folyamat - deszublimáció.

• 1. Olvadás
• 2. Kristályosítás
• 3. Párologtatás
• 4. Kondenzáció
• 5. Szublimáció
• 6. Deszublimáció

Példák ezekre az átmenetekreéletünk során sokszor láttuk. A jég megolvad és víz keletkezik, a víz elpárolog, és gőz keletkezik. Ellenkező irányban a gőz lecsapódva visszaáramlik a vízbe, és a víz megfagyva jéggé válik. És ha úgy gondolja, hogy nem ismeri a szublimáció és a deszublimáció folyamatait, akkor ne rohanjon a következtetésekkel. Minden szilárd test illata nem más, mint szublimáció. A molekulák egy része kiszabadul a testből, és olyan gázt képez, amelyet érezhetünk. A fordított folyamatra pedig példa az üveg mintázata télen, amikor a levegőben lévő pára megfagyva leülepszik az üvegre, és bizarr mintákat képez.

Minden anyag létezhet a négy forma egyikében. Mindegyikük egy bizonyos halmazállapotú anyag. A Föld természetében háromban egyszerre csak egy képviselteti magát. Ez a víz. Könnyen látható, hogy elpárolgott, megolvadt és megszilárdul. Ez gőz, víz és jég. A tudósok megtanulták, hogyan lehet megváltoztatni az anyag halmazállapotát. A legnagyobb nehézség számukra csak a plazma. Ez az állapot különleges feltételeket igényel.

Mi ez, mitől függ és hogyan jellemzik?

Ha a test egy másik halmazállapotba került, ez nem jelenti azt, hogy valami más jelent meg. Az anyag ugyanaz marad. Ha a folyadékban vízmolekulák voltak, akkor azok is gőzben lesznek jéggel. Csak elhelyezkedésük, mozgási sebességük és az egymással való interakciós erők változnak.

Az "Aggregált állapotok (8. osztály)" téma tanulmányozásakor csak három kerül figyelembevételre. Folyékony, gáz és szilárd. Megnyilvánulásuk a fizikai feltételektől függ. környezet. Ezen állapotok jellemzőit a táblázat mutatja be.

Összesített államnév	szilárd	folyékony	gáz
A tulajdonságait	térfogatával megtartja alakját	állandó térfogatú, edény formáját ölti	nincs állandó térfogata és alakja
A molekulák elrendezése	a kristályrács csomópontjainál	rendetlen	kaotikus
A köztük lévő távolság	összemérhető a molekulák méretével	megközelítőleg megegyezik a molekulák méretével	sokkal nagyobbak a méretüknél.
Hogyan mozognak a molekulák	rácspont körül oszcillálnak	ne mozogjon az egyensúlyi pontból, hanem néha nagy ugrásokat hajtson végre	szabálytalan időnkénti ütközésekkel
Hogyan lépnek kapcsolatba	erősen vonzott	erősen vonzódnak egymáshoz	nem vonzzák, az ütközések során taszító erők jelentkeznek

Első állapot: szilárd

Övé alapvető különbség másoktól abban, hogy a molekulák szigorúan bizonyos hely. Amikor szilárd halmazállapotról beszélünk, ezek leggyakrabban kristályokat jelentenek. Náluk a rácsszerkezet szimmetrikus és szigorúan periodikus. Ezért mindig megmarad, függetlenül attól, hogy a test milyen messzire terjed. Egy anyag molekuláinak oszcilláló mozgása nem elegendő ennek a rácsnak a tönkretételéhez.

De vannak amorf testek is. Hiányzik belőlük az atomok elrendezésének szigorú szerkezete. Bárhol lehetnek. De ez a hely olyan stabil, mint amilyen kristályos test. különbség amorf anyagok kristályosak, mivel nincs meghatározott olvadáspontjuk (megszilárdulás), és folyékonyság jellemzi őket. Az ilyen anyagok élénk példái az üveg és a műanyag.

Második állapot: folyékony

Ez az aggregált halmazállapot szilárd és gáz keresztezése. Ezért egyesíti az első és a második tulajdonságait. Tehát a részecskék közötti távolság és kölcsönhatásuk hasonló a kristályokhoz. De itt van a hely és a mozgás közelebb a gázhoz. Ezért a folyadék nem tartja meg alakját, hanem szétterül az edényen, amelybe öntik.

Harmadik állapot: gáz

A „fizika” nevű tudomány számára a gáz formájában történő aggregáció állapota nem az utolsó helyen áll. Végül is az őt körülvevő világot tanulmányozza, és a levegő benne nagyon gyakori.

Ennek az állapotnak az a jellemzője, hogy a molekulák közötti kölcsönhatási erők gyakorlatilag hiányoznak. Ez magyarázza szabad mozgásukat. Ennek köszönhetően a gáznemű anyag kitölti a számára biztosított teljes térfogatot. Sőt, mindent át lehet vinni ebbe az állapotba, csak növelni kell a hőmérsékletet a kívánt mértékben.

Negyedik állapot: plazma

Ez az aggregált halmazállapot teljesen vagy részben ionizált gáz. Ez azt jelenti, hogy a benne lévő negatív és pozitív töltésű részecskék száma közel azonos. Ez a helyzet akkor fordul elő, amikor a gázt felmelegítik. Ezután a termikus ionizációs folyamat éles felgyorsul. Ez abban rejlik, hogy a molekulák atomokra oszlanak. Ez utóbbiak ezután ionokká alakulnak.

Az univerzumon belül nagyon gyakori az ilyen állapot. Mert benne van az összes csillag és a köztük lévő közeg. A Föld felszínének határain belül rendkívül ritkán fordul elő. Az ionoszférán és a napszélen kívül a plazma csak zivatar idején lehetséges. A villámcsapások során olyan körülmények jönnek létre, amelyekben a légkör gázai a negyedik halmazállapotba kerülnek.

De ez nem jelenti azt, hogy a plazmát nem hozták létre a laboratóriumban. Az első dolog, amit reprodukálni lehetett, egy gázkisülés volt. A plazma ma már megtölti a fénycsöveket és a fényreklámokat.

Hogyan történik az állapotok közötti átmenet?

Ehhez bizonyos feltételeket kell létrehozni: állandó nyomást és meghatározott hőmérsékletet. Ebben az esetben egy anyag aggregált állapotának megváltozása energia felszabadulásával vagy elnyelésével jár együtt. Ráadásul ez az átmenet nem villámgyorsan megy végbe, hanem bizonyos ideig tart. Ez idő alatt a feltételeknek változatlanoknak kell maradniuk. Az átmenet akkor következik be, amikor az anyag két formában egyidejűleg létezik, amelyek fenntartják a termikus egyensúlyt.

Az anyag első három halmazállapota kölcsönösen átadhatja egymást. Vannak közvetlen és fordított folyamatok. A következő nevük van:

• olvasztó(szilárdról folyékonyra) és kristályosodás például a jég olvadása és a víz megszilárdulása;
• párologtatás(folyékonyból gázhalmazállapotúvá) és páralecsapódás, példa erre a víz elpárologtatása és gőzből történő előállítása;
• szublimáció(szilárdból gázhalmazállapotúvá) és deszublimáció, például az elsőnél egy száraz illat párologtatása, a másodiknál ​​pedig fagyos minták az üvegen.

Az olvadás és kristályosodás fizikája

Ha egy szilárd testet felmelegítünk, akkor egy bizonyos hőmérsékleten, ún olvadáspont megindul egy meghatározott anyag, az aggregációs állapot változása, amit olvadásnak neveznek. Ez a folyamat az energia elnyelésével jár, amit ún hőmennyiségés betűvel van jelölve K. A kiszámításához tudnia kell fajlagos hő olvasztó, amelyet jelölünk λ . A képlet pedig így néz ki:

Q=λ*m, ahol m az olvadásban részt vevő anyag tömege.

Ha fordított folyamat következik be, vagyis a folyadék kristályosodik, akkor a feltételek megismétlődnek. Az egyetlen különbség az, hogy energia szabadul fel, és a képletben megjelenik a mínusz jel.

A párolgás és a kondenzáció fizikája

Az anyag folyamatos melegítésével fokozatosan megközelíti azt a hőmérsékletet, amelyen intenzív párolgása megindul. Ezt a folyamatot párologtatásnak nevezik. Ismét az energia elnyelése jellemzi. Csak a kiszámításához tudnia kell fajlagos párolgási hő r. A képlet pedig a következő lesz:

Q=r*m.

A fordított folyamat vagy a kondenzáció azonos mennyiségű hő felszabadulásával megy végbe. Ezért ismét egy mínusz jelenik meg a képletben.

Szerintem mindenki ismeri az anyag 3 alapvető halmazállapotát: folyékony, szilárd és gáz halmazállapotú. Nap mint nap és mindenhol találkozunk ezekkel az anyagállapotokkal. Leggyakrabban a víz példáján tartják őket. A víz folyékony halmazállapota a legismertebb számunkra. Folyamatosan folyékony vizet iszunk, ez folyik a csapunkból, és mi magunk is 70%-ban folyékony víz vagyunk. A víz második halmazállapota a közönséges jég, amelyet télen az utcán látunk. Gáznemű formában a víz is könnyen megtalálható benne Mindennapi élet. Gáz halmazállapotban a víz, mint tudjuk, gőz. Meglátszik, amikor például felforralunk egy vízforralót. Igen, 100 fokon megy át a víz folyékony halmazállapotból gáz halmazállapotúvá.

Ez az anyag három, számunkra jól ismert halmazállapota. De tudtad, hogy valójában 4 van belőlük? Azt hiszem, legalább egyszer mindenki hallotta a "plazma" szót. És ma szeretném, ha többet tudna meg a plazmáról – az anyag negyedik állapotáról.

A plazma egy részlegesen vagy teljesen ionizált gáz, amelynek pozitív és negatív töltése azonos. A plazma gázból nyerhető - a 3. halmazállapotból erős melegítéssel. Az aggregáció állapota általában a hőmérséklettől függ. Az első aggregált állapot az a legalacsonyabb hőmérséklet, amelyen a test szilárd marad, a második aggregált állapot az a hőmérséklet, amelyen a test elkezd olvadni és folyékonnyá válni, a harmadik aggregált állapot a legmagasabb hőség, amelynél az anyag gázzá válik. Minden egyes testnél, anyagnál teljesen más az egyik halmozódási állapotból a másikba való átmenet hőmérséklete, van, akinél alacsonyabb, kinél magasabb, de mindenkinél szigorúan ebben a sorrendben van. És milyen hőmérsékleten válik egy anyag plazmává? Mivel ez a negyedik állapot, ez azt jelenti, hogy az átmenet hőmérséklete magasabb, mint mindegyik előző állapoté. És valóban az. A gáz ionizálásához nagyon magas hőmérsékletre van szükség. A legalacsonyabb hőmérsékletű és alacsony ionizált (körülbelül 1%) plazmát akár 100 ezer fokos hőmérséklet jellemzi. Földi körülmények között az ilyen plazma villámlás formájában figyelhető meg. A villámcsatorna hőmérséklete meghaladhatja a 30 ezer fokot, ami hatszor több, mint a Nap felszíni hőmérséklete. Egyébként a Nap és az összes többi csillag is plazma, gyakrabban még mindig magas hőmérsékletű. A tudomány bizonyítja, hogy az Univerzum teljes anyagának körülbelül 99%-a plazma.

Ellentétben az alacsony hőmérsékletű plazmával, a magas hőmérsékletű plazma csaknem 100%-os ionizációval rendelkezik, és hőmérséklete eléri a 100 millió fokot. Ez valóban csillaghőmérséklet. A Földön ilyen plazma csak egy esetben található - a termonukleáris fúzióval kapcsolatos kísérletekhez. A szabályozott reakció meglehetősen összetett és energiaigényes, de egy irányítatlan reakció kellőképpen bebizonyította, hogy hatalmas erő fegyvere – a Szovjetunió által 1953. augusztus 12-én tesztelt termonukleáris bomba.

A plazmát nemcsak a hőmérséklet és az ionizációs fok, hanem a sűrűség és a kvázi-semlegesség alapján is osztályozzák. kifejezés plazma sűrűségeáltalában azt jelenti elektronsűrűség, vagyis az egységnyi térfogatra jutó szabad elektronok száma. Nos, ezzel azt hiszem, minden világos. De nem mindenki tudja, mi az a kvázi-semlegesség. A plazma kvázi-semlegessége az egyik legfontosabb tulajdonsága, ami abban áll, hogy a plazma összetevőinek sűrűsége szinte pontosan egyenlő. pozitív ionokés elektronok. A plazma jó elektromos vezetőképessége miatt a pozitív és negatív töltések szétválasztása lehetetlen a Debye-hossznál nagyobb távolságokon és a plazma rezgési periódusánál nagyobb időnként. Szinte minden plazma kvázi semleges. A nem kvázi semleges plazmára példa az elektronsugár. A nem semleges plazmák sűrűségének azonban nagyon alacsonynak kell lennie, különben a Coulomb taszítás miatt gyorsan lebomlanak.

Nagyon kevés földi példát vettünk figyelembe a plazmára. De van belőlük elég. Az ember megtanulta a plazmát saját érdekében használni. A negyedik aggregált halmazállapotnak köszönhetően használhatunk gázkisülésű lámpákat, plazmatévéket, elektromos ívhegesztést, lézereket. A közönséges gázkisüléses fénycsövek is plazmák. A mi világunkban is van plazmalámpa. Főleg a tudományban használják a legbonyolultabb plazmajelenségek tanulmányozására és – ami a legfontosabb – megfigyelésére, beleértve a filamentációt is. Egy ilyen lámpáról készült fotó az alábbi képen látható:

A háztartási plazmaeszközök mellett a Földön is gyakran látni természetes plazma. Egyik példájáról már szóltunk. Ez villámlás. De a villámlás mellett a plazmajelenségeket nevezhetjük északi fénynek, "Szent Elmo tüzének", a Föld ionoszférájának és természetesen a tűznek is.

Figyeljük meg, hogy mind a tűz, mind a villámlás és a plazma egyéb megnyilvánulásai, ahogy mi nevezzük, égnek. Mi az oka a plazma ilyen erős fénykibocsátásának? A plazma ragyogása az elektronok nagyenergiájú állapotból alacsony energiájú állapotba való átmenetének köszönhető, miután ionokkal rekombináltak. Ez a folyamat a gerjesztett gáznak megfelelő spektrumú sugárzáshoz vezet. Ezért világít a plazma.

A plazma történetéről is szeretnék egy kicsit mesélni. Hiszen valaha csak olyan anyagokat hívtak plazmának, mint a tej folyékony összetevője és a vér színtelen összetevője. 1879-ben minden megváltozott. Ebben az évben a híres angol tudós, William Crookes, a gázok elektromos vezetőképességét vizsgálva, felfedezte a plazma jelenségét. Igaz, ezt az állapotot csak 1928-ban nevezték plazmának. Ezt Irving Langmuir tette.

Befejezésül azt akarom mondani, hogy egy ilyen érdekes és titokzatos jelenség, mint gömbvillám, amiről nem egyszer írtam ezen az oldalon, természetesen szintén plazmoid, mint a közönséges villám. Ez talán a legszokatlanabb plazmoid az összes földi plazmajelenség közül. Végül is körülbelül 400 nagyon különböző elmélet létezik a gömbvillámról, de egyiket sem ismerték el igazán helyesnek. Laboratóriumi körülmények között többen is hasonló, de rövid távú jelenségekre jutottak különböző utak, így a gömbvillám természetének kérdése nyitva marad.

A közönséges plazmát természetesen laboratóriumokban is létrehozták. Egykor nehéz volt, de most már nem nehéz egy ilyen kísérlet. Mivel a plazma szilárdan bekerült a háztartási arzenálunkba, sok kísérletet végeznek vele laboratóriumokban.

A plazma területén a legérdekesebb felfedezés a súlytalanságban végzett plazmával végzett kísérletek voltak. Kiderült, hogy a plazma vákuumban kristályosodik. Ez így történik: a plazma töltött részecskéi taszítani kezdik egymást, és amikor korlátozott a térfogatuk, különböző irányokba szóródva foglalják el a számukra kijelölt helyet. Ez nagyon hasonlít a kristályrácshoz. Ez nem azt jelenti, hogy a plazma a záró láncszem az első halmazállapot és a harmadik halmaz között? Hiszen a gáz ionizációja miatt plazmává válik, és vákuumban a plazma ismét mintegy szilárd lesz. De ez csak az én tippem.

Az űrben lévő plazmakristályok is meglehetősen furcsa szerkezettel rendelkeznek. Ezt a szerkezetet csak a térben, valódi űrvákuumban lehet megfigyelni és tanulmányozni. Még ha vákuumot is hozol létre a Földön és plazmát helyezel oda, akkor a gravitáció egyszerűen összenyomja a benne kialakuló teljes „képet”. Az űrben azonban a plazmakristályok egyszerűen felszállnak, és furcsa alakú térfogati háromdimenziós szerkezetet alkotnak. Miután elküldtük a pályán lévő plazma megfigyelésének eredményeit a földi tudósoknak, kiderült, hogy a plazmában lévő örvények furcsa módon utánozzák galaxisunk szerkezetét. Ez pedig azt jelenti, hogy a jövőben a plazma tanulmányozásával meg lehet majd érteni, hogyan született meg galaxisunk. Az alábbi fényképeken ugyanaz a kristályos plazma látható.

NÁL NÉL napi gyakorlat nem külön-külön kell foglalkozni az egyes atomokkal, molekulákkal és ionokkal, hanem valódi anyagokkal - egy aggregátummal egy nagy szám részecskék. Kölcsönhatásuk jellegétől függően az aggregált állapot négy típusát különböztetjük meg: szilárd, folyékony, gáznemű és plazma halmazállapotú. Egy anyag átalakulhat az egyik aggregált állapotból a másikba egy megfelelő fázisátalakulás eredményeként.

Egy anyag jelenléte egy adott aggregációs állapotban a részecskék között ható erőknek, a köztük lévő távolságnak és mozgásuk jellemzőinek köszönhető. Minden egyes halmazállapotot bizonyos tulajdonságok halmaza jellemez.

Az anyagok tulajdonságai az aggregáció állapotától függően:

állapot	ingatlan
gáznemű	Az a képesség, hogy elfoglalja a teljes térfogatot és egy edény alakját; Összenyomhatóság; Gyors diffúzió a molekulák kaotikus mozgása következtében; A részecskék kinetikus energiájának jelentős többlete a potenciálnál, E kinetikus. > E pot.
folyékony	Az a képesség, hogy az edény azon részének formáját öltse, amelyet az anyag elfoglal; Képtelenség bővíteni, amíg a teljes tartály meg nem telik; Enyhe összenyomhatóság; Lassú diffúzió; Folyékonyság; A részecskék potenciális és kinetikus energiájának összemérhetősége, E kinetika. ≈ E pot.
szilárd	Az a képesség, hogy megőrizzék saját alakjukat és térfogatukat; Nagyon kis összenyomhatóság (nagy nyomás alatt) Nagyon lassú diffúzió a részecskék oszcilláló mozgása miatt; A folyékonyság hiánya; A részecskék potenciális energiájának jelentős többlete a kinetikához képest, E kinetika.<Е потенц.

A rendszer rendezettségének megfelelően minden egyes aggregációs állapotot a részecskék kinetikai és potenciális energiái közötti saját arány jellemzi. Szilárd anyagokban a potenciál dominál a kinetikával szemben, mivel a részecskék bizonyos pozíciókat foglalnak el, és csak körülöttük oszcillálnak. A gázok esetében fordított összefüggés áll fenn a potenciális és a kinetikus energiák között, ami abból adódik, hogy a gázmolekulák mindig véletlenszerűen mozognak, és szinte nincs közöttük kohéziós erő, így a gáz a teljes térfogatot elfoglalja. Folyadékok esetében a részecskék kinetikai és potenciális energiája megközelítőleg azonos, a részecskék között nem merev kötés működik, ezért a folyadékokban a folyékonyság és az állandó térfogat jellemző.

Ha egy anyag részecskéi szabályos geometriai szerkezetet alkotnak, és a köztük lévő kötések energiája nagyobb, mint a hőrezgések energiája, ami megakadályozza a meglévő szerkezet tönkremenetelét, az azt jelenti, hogy az anyag szilárd halmazállapotú. De egy bizonyos hőmérséklettől kezdve a termikus rezgések energiája meghaladja a részecskék közötti kötések energiáját. Ebben az esetben a részecskék, bár érintkezésben maradnak, egymáshoz képest elmozdulnak. Ennek eredményeként a geometriai szerkezet megtörik, és az anyag folyékony állapotba kerül. Ha a hőingadozások annyira megnövekednek, hogy a részecskék közötti kapcsolat gyakorlatilag megszakad, az anyag gáz halmazállapotúvá válik. Egy "ideális" gázban a részecskék minden irányban szabadon mozognak.

A hőmérséklet emelkedésével az anyag rendezetlen (szilárd) halmazállapotból rendezetlen (gázhalmazállapotú) állapotba kerül, a folyékony halmazállapot a részecskék rendezettsége szempontjából köztes.

Az aggregáció negyedik állapotát plazmának nevezik - semleges és ionizált részecskék és elektronok keverékéből álló gáz. A plazma ultramagas hőmérsékleten (10 5 -10 7 0 C) képződik a maximális mozgászavarral rendelkező részecskék jelentős ütközési energiája miatt. A plazma, valamint más halmazállapotok kötelező jellemzője az elektromos semlegessége. De a plazmában a részecskék rendezetlen mozgása következtében külön töltött mikrozónák jelenhetnek meg, amelyek miatt elektromágneses sugárzás forrásává válik. Plazmaállapotban van anyag a csillagokon, más űrobjektumokon, valamint a termonukleáris folyamatokban.

Minden egyes aggregációs állapotot mindenekelőtt a hőmérséklet- és nyomástartomány határozza meg, ezért vizuális mennyiségi jellemzőkhöz egy anyag fázisdiagramját használjuk, amely az aggregációs állapot nyomástól és hőmérséklettől való függését mutatja.

Halmazállapot-diagram fázisátalakulási görbékkel: 1 - olvadás-kristályosodás, 2 - forrás-kondenzáció, 3 - szublimáció-desublimáció

Az állapotdiagram három fő területből áll, amelyek a kristályos, folyékony és gáz halmazállapotnak felelnek meg. Az egyes régiókat fázisátalakulásokat tükröző görbék választják el egymástól:

1. szilárdból folyadékba és fordítva, folyékonyból szilárdba (olvadás-kristályosodási görbe – pontozott zöld grafikon)
2. folyadékból gáz halmazállapotúvá és a gáz fordított irányú átalakítása folyadékká (forráspont-kondenzációs görbe – kék grafikon)
3. szilárd halmazállapotúvá és gázhalmazállapotúvá szilárd halmazállapotúvá (szublimációs-desublimációs görbe – piros grafikon).

E görbék metszéspontjának koordinátáit hármaspontnak nevezzük, ahol egy bizonyos P \u003d P in nyomás és egy bizonyos hőmérséklet T \u003d T in körülmények között egy anyag egyszerre három aggregációs állapotban létezhet, valamint a folyékony és a szilárd halmazállapotban azonos gőznyomású. A Pv és a Tv koordináták az egyetlen olyan nyomás- és hőmérsékletérték, amelynél a három fázis egyidejűleg együtt létezhet.

Az állapot fázisdiagramján a K pont a Tk hőmérsékletnek felel meg - az úgynevezett kritikus hőmérséklet, amelyen a részecskék kinetikai energiája meghaladja a kölcsönhatásuk energiáját, ezért a folyadék- és gázfázis közötti elválasztási vonal húzódik. törlődik, és az anyag bármilyen nyomáson gáz halmazállapotban létezik.

A fázisdiagram elemzéséből az következik, hogy a hármaspontnál (P c) nagyobb nyomáson a szilárd anyag felmelegedése az olvadással végződik, például P 1-nél az olvadás a ponton történik. d. A hőmérséklet további emelkedése T d értékről T e értékre az anyag adott P 1 nyomáson történő felforrásához vezet. A Р в hármas pont nyomásánál Р 2 kisebb nyomáson az anyag melegítése közvetlenül a kristályos állapotból a gáz halmazállapotba való átmenetéhez vezet (pont q), vagyis a szublimációhoz. A legtöbb anyag esetében a nyomás a hármaspontnál alacsonyabb, mint a telítési gőznyomás (P in

P telített gőz, ezért az ilyen anyagok kristályait hevítve nem olvadnak meg, hanem elpárolognak, vagyis szublimálódnak. Például a jódkristályok vagy a "szárazjég" (szilárd CO 2) így viselkednek.

Állapotdiagram elemzés

gáz halmazállapotú

Normál körülmények között (273 K, 101325 Pa) mind az egyszerű anyagok, amelyek molekulái egy (He, Ne, Ar) vagy több egyszerű atomból állnak (H 2, N 2, O 2), mind az összetett anyagok, amelyeknek alacsony a szénatomszáma. moláris tömeg (CH 4, HCl, C 2 H 6).

Mivel a gázrészecskék kinetikus energiája meghaladja potenciális energiájukat, a gáz halmazállapotú molekulák folyamatosan véletlenszerűen mozognak. A részecskék közötti nagy távolságok miatt a gázokban az intermolekuláris kölcsönhatás erői olyan kicsik, hogy nem elegendőek a részecskék egymáshoz vonzásához és egyben tartásához. Ez az oka annak, hogy a gázoknak nincs saját alakjuk, alacsony sűrűségük és nagy összenyomódási és tágulási képességük jellemzi. Ezért a gáz folyamatosan, minden irányban egyformán nyomja annak az edénynek a falát, amelyben található.

A legfontosabb gázparaméterek (P nyomás, T hőmérséklet, n anyag mennyisége, M moláris tömeg, m tömeg) közötti kapcsolat vizsgálatára a gáz halmazállapotának legegyszerűbb modelljét használjuk - ideális gáz, amely a következő feltételezéseken alapul:

• a gázrészecskék közötti kölcsönhatás elhanyagolható;
• maguk a részecskék anyagi pontok, amelyeknek nincs saját mérete.

Az ideális gázmodellt leíró legáltalánosabb egyenletnek az egyenleteket tekintjük Mengyelejev-Clapeyron egy mól anyagra:

A valódi gáz viselkedése azonban általában eltér az ideálistól. Ez egyrészt azzal magyarázható, hogy a valódi gáz molekulái között még mindig jelentéktelen kölcsönös vonzási erők vannak, amelyek a gázt bizonyos mértékig összenyomják. Ezt figyelembe véve a teljes gáznyomás értékkel növekszik a/v2, amely figyelembe veszi a molekulák kölcsönös vonzásából adódó további belső nyomást. Ennek eredményeként a teljes gáznyomást az összeg fejezi ki P+ a/v2. Másodszor, a valódi gáz molekulái kis, de meglehetősen határozott térfogattal rendelkeznek b , tehát az űrben lévő összes gáz tényleges térfogata V- b . Ha a figyelembe vett értékeket behelyettesítjük a Mengyelejev-Clapeyron egyenletbe, akkor egy valós gáz állapotegyenletét kapjuk, amelyet ún. van der Waals egyenlet:

ahol a és b empirikus együtthatók, amelyeket a gyakorlatban minden egyes valós gázra határoznak meg. Megállapítást nyert, hogy az együttható a nagy az értéke a könnyen cseppfolyósítható gázok esetében (például CO 2, NH 3), és az együttható b - éppen ellenkezőleg, minél nagyobb a méret, annál nagyobbak a gázmolekulák (például gáznemű szénhidrogének).

A van der Waals egyenlet sokkal pontosabban írja le a valós gáz viselkedését, mint a Mengyelejev-Clapeyron egyenlet, amelyet ennek ellenére világos fizikai jelentése miatt széles körben használnak a gyakorlati számításokban. Bár a gáz ideális állapota egy korlátozó, képzeletbeli eset, az ennek megfelelő törvények egyszerűsége, alkalmazásuk lehetősége számos gáz tulajdonságainak leírására alacsony nyomáson és magas hőmérsékleten, nagyon kényelmessé teszi az ideális gázmodellt. .

Az anyag folyékony halmazállapota

Egy adott anyag folyékony halmazállapota termodinamikailag stabil az anyag természetére (összetételére) jellemző bizonyos hőmérséklet- és nyomástartományokban. A folyékony halmazállapot felső hőmérsékleti határa az a forráspont, amely felett az anyag stabil nyomás mellett gáz halmazállapotú. A folyadék létezésének stabil állapotának alsó határa a kristályosodás (megszilárdulás) hőmérséklete. A 101,3 kPa nyomáson mért forrási és kristályosodási hőmérsékleteket normálnak nevezzük.

A közönséges folyadékok esetében az izotrópia velejárója - a fizikai tulajdonságok egységessége az anyagon belül minden irányban. Néha más kifejezéseket is használnak az izotrópiára: invariancia, szimmetria az irányválasztás tekintetében.

A folyékony állapot természetére vonatkozó nézetek kialakításában nagy jelentősége van a kritikus állapot fogalmának, amelyet Mengyelejev (1860) fedezett fel:

A kritikus állapot az az egyensúlyi állapot, amelyben a folyadék és gőze közötti elválasztási határ megszűnik, mivel a folyadék és a telített gőze ugyanazokat a fizikai tulajdonságokat kapja.

Kritikus állapotban a folyadék és a telített gőz sűrűségének és fajlagos térfogatának értéke azonos lesz.

Az anyag folyékony halmazállapota a gázhalmazállapotú és a szilárd halmazállapotú közti állapot. Egyes tulajdonságok a folyékony halmazállapotot közelebb hozzák a szilárdhoz. Ha a szilárd anyagokat a részecskék merev elrendezése jellemzi, amely több százezer interatomikus vagy intermolekuláris sugarú távolságra terjed ki, akkor folyékony halmazállapotban általában nem figyelhető meg néhány tíz rendezett részecske. Ez azzal magyarázható, hogy a folyékony anyag különböző helyein lévő részecskék között gyorsan kialakul a rendezettség, amelyet a részecskék hőrezgései ugyanolyan gyorsan „elmosódnak”. Ugyanakkor a részecskék „csomagolásának” összsűrűsége alig tér el a szilárd anyagétól, így a folyadékok sűrűsége nem sokban tér el a legtöbb szilárd anyag sűrűségétől. Ezenkívül a folyadékok összenyomódási képessége majdnem olyan kicsi, mint a szilárd anyagoké (körülbelül 20 000-szer kisebb, mint a gázoké).

A szerkezeti elemzés megerősítette, hogy az ún rövid távú rendelés, ami azt jelenti, hogy az egyes molekulák legközelebbi "szomszédjainak" száma és kölcsönös elrendeződésük megközelítőleg azonos a térfogatban.

Viszonylag kis számú, különböző összetételű, intermolekuláris kölcsönhatási erőkkel összekapcsolt részecskét nevezünk fürt . Ha egy folyadékban minden részecske azonos, akkor egy ilyen klasztert nevezünk munkatárs . A klaszterekben és a társulásokban figyelhető meg a rövid távú rend.

A különböző folyadékok rendezettsége a hőmérséklettől függ. Alacsony, az olvadáspont feletti hőmérsékleten a részecskék elhelyezkedésének rendezettsége nagyon magas. A hőmérséklet emelkedésével csökken, a hőmérséklet emelkedésével pedig a folyadék tulajdonságai egyre jobban közelítenek a gázok tulajdonságaihoz, a kritikus hőmérséklet elérésekor pedig eltűnik a folyadék és a gáz halmazállapot közötti különbség.

A folyékony halmazállapot közelségét a szilárd halmazállapothoz a párolgás DH 0 és az olvadás DH 0 olvadási standard entalpiájának értékei igazolják. Emlékezzünk vissza, hogy a DH 0 párolgás értéke azt a hőmennyiséget mutatja, amely 1 mól folyadék gőzzé alakításához szükséges 101,3 kPa nyomáson; ugyanannyi hő költ el 1 mol gőz folyadékká történő kondenzálására azonos körülmények között (azaz DH 0 párolgás = DH 0 kondenzáció). 1 mol szilárd anyag 101,3 kPa nyomáson folyadékká alakításához szükséges hőmennyiséget ún. standard fúziós entalpia; ugyanennyi hő szabadul fel 1 mól folyadék normál nyomású kristályosodása során (DH 0 olvadás = DH 0 kristályosodás). Ismeretes, hogy a DH 0 párolgás<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.

A folyadékok egyéb fontos tulajdonságai azonban inkább a gázokéhoz hasonlítanak. Tehát a gázokhoz hasonlóan a folyadékok is áramolhatnak - ezt a tulajdonságot hívják folyékonyság . Ellen tudnak állni az áramlásnak, vagyis eredendők viszkozitás . Ezeket a tulajdonságokat a molekulák közötti vonzó erők, a folyékony anyag molekulatömege és egyéb tényezők befolyásolják. A folyadékok viszkozitása körülbelül 100-szor nagyobb, mint a gázoké. Csakúgy, mint a gázok, a folyadékok is diffundálhatnak, de sokkal lassabban, mivel a folyékony részecskék sűrűbben vannak csomagolva, mint a gázrészecskék.

A folyékony halmazállapot egyik legérdekesebb tulajdonsága, amely nem jellemző sem gázokra, sem szilárd anyagokra, az felületi feszültség .

Folyadék felületi feszültségének diagramja

A folyadéktérfogatban elhelyezkedő molekulára minden oldalról egyenletesen hatnak az intermolekuláris erők. A folyadék felszínén azonban ezeknek az erőknek az egyensúlya megbomlik, aminek következtében a felületi molekulák valamilyen eredő erő hatása alá kerülnek, amely a folyadék belsejébe irányul. Emiatt a folyadék felülete feszített állapotban van. A felületi feszültség az a minimális erő, amely a folyadék részecskéit bent tartja, és ezáltal megakadályozza a folyadék felületének összehúzódását.

Szilárd anyagok szerkezete és tulajdonságai

A legtöbb ismert anyag, természetes és mesterséges is, normál körülmények között szilárd állapotban van. Az összes ma ismert vegyületnek mintegy 95%-a szilárd anyag, ami fontossá vált, hiszen nemcsak szerkezeti, hanem funkcionális anyagok alapját is képezik.

• A szerkezeti anyagok olyan szilárd anyagok vagy összetételük, amelyeket szerszámok, háztartási cikkek és különféle egyéb szerkezetek készítésére használnak.
• A funkcionális anyagok szilárd anyagok, amelyek felhasználása bizonyos hasznos tulajdonságok jelenlétének köszönhető.

Például az acél, alumínium, beton, kerámia a szerkezeti anyagok közé, a félvezetők, foszforok pedig a funkcionálisak közé tartoznak.

Szilárd állapotban az anyag részecskéi közötti távolság kicsi, és ugyanolyan nagyságrendűek, mint maguk a részecskék. A köztük lévő kölcsönhatási energiák elég nagyok, ami megakadályozza a részecskék szabad mozgását - csak bizonyos egyensúlyi helyzetek körül, például a kristályrács csomópontjai körül tudnak oszcillálni. A részecskék szabad mozgásának képtelensége a szilárd anyagok egyik legjellemzőbb tulajdonságához vezet - saját alakjuk és térfogatuk jelenlétéhez. A szilárd anyagok összenyomásának képessége nagyon kicsi, a sűrűség pedig nagy, és kevéssé függ a hőmérséklet-változásoktól. A szilárd anyagokban végbemenő összes folyamat lassan megy végbe. A szilárd anyagok sztöchiometriai törvényei más és általában tágabb jelentéssel bírnak, mint a gáznemű és folyékony anyagok esetében.

A szilárd anyagok részletes leírása túl terjedelmes ehhez az anyaghoz, ezért külön cikkek foglalkoznak vele:, és.

Az összesítés állapota- ez egy bizonyos hőmérséklet- és nyomástartományban lévő halmazállapot, amelyet a tulajdonságok jellemeznek: képesség (szilárd anyag) vagy képtelenség (folyadék, gáz) megtartani a térfogatot és az alakot; a hosszú távú (szilárd) vagy rövid távú (folyékony) rend és egyéb tulajdonságok megléte vagy hiánya.

Egy anyag három halmazállapotú lehet: szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotú, jelenleg egy további plazma (ionos) állapot van elkülönítve.

NÁL NÉL gázneműállapot, az anyag atomjai és molekulái közötti távolság nagy, a kölcsönhatási erők kicsik, és a térben véletlenszerűen mozgó részecskék a potenciális energiát meghaladó mozgási energiával rendelkeznek. A gáz halmazállapotú anyagnak nincs sem alakja, sem térfogata. A gáz minden rendelkezésre álló helyet kitölt. Ez az állapot jellemző az alacsony sűrűségű anyagokra.

NÁL NÉL folyékonyállapot, csak az atomok vagy molekulák rövid hatótávolságú sorrendje őrződik meg, amikor egy anyag térfogatában periodikusan külön szakaszok jelennek meg az atomok rendezett elrendezésével, de ezeknek a szakaszoknak nincs kölcsönös orientációja. A rövid hatótávolságú rend instabil, és vagy eltűnhet, vagy újra megjelenhet az atomok hőrezgésének hatására. A folyadék molekuláinak nincs meghatározott helyzetük, ugyanakkor nincs teljes mozgásszabadságuk. A folyékony halmazállapotú anyagnak nincs saját formája, csak térfogatát tartja meg. A folyadék az edény térfogatának csak egy részét foglalhatja el, de szabadon áramolhat az edény teljes felületén. A folyékony halmazállapotot általában a szilárd és gáz halmazállapotú köztesnek tekintik.

NÁL NÉL szilárd anyag, az atomok elrendezési sorrendje szigorúan meghatározottá, szabályossá válik, a részecskék kölcsönhatási erői kölcsönösen kiegyenlítődnek, így a testek megtartják alakjukat és térfogatukat. Az atomok térbeli szabályos elrendeződése jellemzi a kristályos állapotot, az atomok kristályrácsot alkotnak.

A szilárd anyagok amorf vagy kristályos szerkezetűek. Mert amorf A testeket csak az atomok vagy molekulák rövid hatótávolságú elrendezése, az atomok, molekulák vagy ionok térbeli kaotikus elrendezése jellemzi. Az amorf testek például az üveg, a szurok és a szurok, amelyek szilárd halmazállapotúnak tűnnek, bár a valóságban lassan, folyadékként áramlanak. Az amorf testek a kristályos testekkel ellentétben nem rendelkeznek meghatározott olvadásponttal. Az amorf testek közbenső helyet foglalnak el a kristályos szilárd anyagok és a folyadékok között.

A legtöbb szilárd anyag rendelkezik kristályos olyan szerkezet, amelyet az atomok vagy molekulák rendezett elrendezése jellemez a térben. A kristályszerkezetre jellemző a nagy hatótávolságú rend, amikor a szerkezet elemei periodikusan ismétlődnek; a rövidtávú sorrendben nincs ilyen szabályos ismétlés. A kristályos test jellemző tulajdonsága, hogy képes megőrizni alakját. Az ideális kristály jele, amelynek modellje egy térháló, a szimmetria tulajdonsága. A szimmetria alatt egy szilárd test kristályrácsának azon elméleti képességét értjük, hogy önmagához igazodjon, amikor pontjait egy bizonyos síkról tükrözzük, amelyet szimmetriasíknak nevezünk. A külső forma szimmetriája a kristály belső szerkezetének szimmetriáját tükrözi. Például minden fém kristályos szerkezetű, amelyet kétféle szimmetria jellemez: köbös és hatszögletű.

A rendezetlen atomeloszlású amorf szerkezetekben az anyag tulajdonságai különböző irányban azonosak, azaz az üveges (amorf) anyagok izotrópok.

Minden kristályt anizotrópia jellemez. A kristályokban az atomok közötti távolságok rendezettek, de a rendezettség mértéke irányonként eltérő lehet, ami a kristályanyag különböző irányú tulajdonságainak eltéréséhez vezet. Egy kristályanyag tulajdonságainak a rácsában lévő iránytól való függését nevezzük anizotrópia tulajdonságait. Az anizotrópia mind a fizikai, mind a mechanikai és egyéb jellemzők mérésénél nyilvánul meg. Vannak olyan tulajdonságok (sűrűség, hőkapacitás), amelyek nem függnek a kristályban lévő iránytól. A jellemzők többsége az irányválasztástól függ.

Lehetőség van bizonyos anyagtérfogattal rendelkező tárgyak tulajdonságainak mérésére: méretek - néhány millimétertől több tíz centiméterig. Ezeket a kristálycellával azonos szerkezetű tárgyakat egykristályoknak nevezzük.

A tulajdonságok anizotrópiája egykristályokban nyilvánul meg, és gyakorlatilag hiányzik a sok kis véletlenszerűen orientált kristályból álló polikristályos anyagban. Ezért a polikristályos anyagokat kváziizotrópnak nevezik.

Azon polimerek kristályosodása, amelyek molekulái rendezetten elrendezhetők szupramolekuláris struktúrák kialakításával kötegek, tekercsek (gömbök), rostok stb. formájában, bizonyos hőmérsékleti tartományban megy végbe. A molekulák és aggregátumaik összetett szerkezete meghatározza a polimerek specifikus viselkedését melegítéskor. Alacsony viszkozitású folyékony halmazállapotba nem tudnak menni, nincs gáz halmazállapotuk. Szilárd formában a polimerek üveges, nagyon rugalmas és viszkózus állapotúak lehetnek. A lineáris vagy elágazó molekulákkal rendelkező polimerek a hőmérséklet változásával egyik állapotból a másikba változhatnak, ami a polimer deformációjának folyamatában nyilvánul meg. ábrán. A 9. ábra az alakváltozás hőmérséklettől való függését mutatja.

Rizs. 9 Amorf polimer termomechanikus görbéje: t c , t t, t p - üvegesedési hőmérséklet, folyékonyság és a kémiai bomlás kezdete; I - III - üveges, nagyon rugalmas és viszkózus állapotú zónák; Δ l- deformáció.

A molekulák elrendeződésének térbeli szerkezete csak a polimer üveges állapotát határozza meg. Alacsony hőmérsékleten minden polimer rugalmasan deformálódik (9. ábra, zóna I). Üvegesedési hőmérséklet felett t c egy lineáris szerkezetű amorf polimer nagyon rugalmas állapotba kerül ( zóna II), deformációja üveges és nagy rugalmasságú állapotban reverzibilis. Fűtés a dermedéspont felett t t viszkózus állapotba alakítja a polimert ( zóna III). A polimer deformációja viszkózus állapotban visszafordíthatatlan. A térbeli (hálózatos, térhálós) szerkezetű amorf polimernek nincs viszkózus állapota, a rendkívül rugalmas állapot hőmérsékleti tartománya a polimer bomlási hőmérsékletére tágul. t R. Ez a viselkedés jellemző a gumi típusú anyagokra.

Egy anyag hőmérséklete bármilyen aggregált állapotban jellemzi részecskéinek (atomjainak és molekuláinak) átlagos kinetikus energiáját. Ezeknek a testekben lévő részecskéknek főként a rezgőmozgások kinetikus energiája van az egyensúlyi középponthoz képest, ahol az energia minimális. Egy bizonyos kritikus hőmérséklet elérésekor a szilárd anyag veszít szilárdságából (stabilitásából), megolvad, a folyadék pedig gőzzé alakul: felforr és elpárolog. Ezek a kritikus hőmérsékletek az olvadáspont és a forráspont.

Amikor egy kristályos anyagot egy bizonyos hőmérsékleten hevítenek, a molekulák olyan erőteljesen mozognak, hogy a polimerben lévő merev kötések megszakadnak, és a kristályok megsemmisülnek - folyékony állapotba kerülnek. Azt a hőmérsékletet, amelyen a kristályok és a folyadék egyensúlyban vannak, a kristály olvadáspontjának vagy a folyadék megszilárdulási pontjának nevezzük. A jód esetében ez a hőmérséklet 114 o C.

Minden kémiai elemnek megvan a maga olvadáspontja t pl elkülönítve a szilárd és a folyadék létezését, valamint a forráspontot t kip, amely megfelel a folyadék gázzá való átalakulásának. Ezen a hőmérsékleten az anyagok termodinamikai egyensúlyban vannak. Az aggregáció állapotának változását a szabadenergia, az entrópia, a sűrűség és egyebek ugrásszerű változása kísérheti. fizikai mennyiségek.

A különböző állapotok leírásához a fizika tágabb fogalmat használ termodinamikai fázis. Kritikusnak nevezzük azokat a jelenségeket, amelyek az egyik fázisból a másikba való átmenetet írják le.

Melegítéskor az anyagok fázisátalakulásokon mennek keresztül. Megolvadva (1083 o C) a réz folyadékká alakul, amelyben az atomok csak kis hatótávolságúak. 1 atm nyomáson a réz 2310 °C-on forr, és véletlenszerűen elrendezett rézatomokkal gázhalmazállapotú rézré alakul. Az olvadásponton a kristály és a folyadék telített gőzének nyomása egyenlő.

Az anyag egésze egy rendszer.

Rendszer- anyagok egy csoportja kombinálva fizikai, kémiai vagy mechanikai kölcsönhatások. fázis a rendszer homogén, más részektől elkülönült részének nevezzük fizikai határfelületek (öntöttvasban: grafit + vasszemcsék; jeges vízben: jég + víz).Alkatrészek A rendszerek az adott rendszert alkotó különböző fázisok. Rendszer összetevők- ezek olyan anyagok, amelyek ennek a rendszernek az összes fázisát (komponensét) alkotják.

A két vagy több fázisból álló anyagok szétszórva rendszerek . A diszperz rendszereket szolokra, amelyek viselkedése a folyadékok viselkedésére hasonlít, és a szilárd anyagokra jellemző tulajdonságokkal rendelkező gélekre osztják. A szolokban a diszperziós közeg, amelyben az anyag eloszlik, folyékony, a gélekben a szilárd fázis dominál. A gélek félkristályos fémek, betonok, zselatin vízben készült oldata alacsony hőmérsékleten (magas hőmérsékleten a zselatin szollá alakul). A hidroszol egy diszperzió vízben, az aeroszol egy diszperzió a levegőben.

Állapotdiagramok.

Egy termodinamikai rendszerben minden fázist olyan paraméterek jellemeznek, mint a hőmérséklet T, koncentráció Val velés nyomás R. A fázistranszformációk leírására egyetlen energiajellemzőt használnak - a Gibbs szabad energiát ΔG(termodinamikai potenciál).

A termodinamika az átalakulások leírásában az egyensúlyi állapot figyelembevételére korlátozódik. egyensúlyi állapot termodinamikai rendszert a termodinamikai paraméterek (hőmérséklet és koncentráció, mint a technológiai feldolgozásnál) változatlansága jellemzi R= const) időben és az energia- és anyagáramlások hiánya benne - a külső feltételek állandóságával. Fázis egyensúly- két vagy több fázisból álló termodinamikai rendszer egyensúlyi állapota.

A rendszer egyensúlyi feltételeinek matematikai leírásához létezik fázisszabály Gibbs adta. Egy egyensúlyi rendszer fázisainak (F) és komponenseinek (K) számát a rendszer varianciájával, azaz a termodinamikai szabadsági fokok számával (C) köti össze.

Egy rendszer termodinamikai szabadságfokainak (varianciájának) száma a független változók száma, mind a belső (fázisok kémiai összetétele), mind a külső (hőmérséklet) változók száma, amelyek különböző tetszőleges (egy bizonyos intervallumon belüli) értékeket adhatnak meg. hogy nem jelennek meg új fázisok és nem tűnnek el a régi fázisok .

Gibbs fázisszabály egyenlet:

C \u003d K - F + 1.

Ennek a szabálynak megfelelően egy kétkomponensű rendszerben (K = 2) a következő szabadsági fokok lehetségesek:

Egyfázisú állapot esetén (F = 1) C = 2, azaz módosíthatja a hőmérsékletet és a koncentrációt;

Kétfázisú állapot esetén (F = 2) C = 1, azaz csak egy külső paramétert (például hőmérsékletet) módosíthat;

Háromfázisú állapot esetén a szabadsági fokok száma nulla, azaz nem lehet a hőmérsékletet megváltoztatni anélkül, hogy a rendszer egyensúlyát megzavarnánk (a rendszer invariáns).

Például egy tiszta fémnél (K = 1) a kristályosítás során, amikor két fázis van (F = 2), a szabadsági fokok száma nulla. Ez azt jelenti, hogy a kristályosodási hőmérséklet nem változtatható mindaddig, amíg a folyamat véget nem ér, és egy fázis marad - egy szilárd kristály. A kristályosodás befejeződése után (F = 1) a szabadsági fokok száma 1, így változtathatunk a hőmérsékleten, azaz lehűthetjük a szilárd anyagot az egyensúly megzavarása nélkül.

A rendszerek hőmérséklettől és koncentrációtól függő viselkedését állapotdiagram írja le. A víz állapotdiagramja egy H 2 O komponensű rendszer, így az egyidejűleg egyensúlyban lévő fázisok legnagyobb száma három (10. ábra). Ez a három fázis: folyékony, jég, gőz. A szabadsági fokok száma ebben az esetben nullával egyenlő, azaz. sem a nyomást, sem a hőmérsékletet nem lehet úgy megváltoztatni, hogy egyik fázis se tűnjön el. A közönséges jég, a folyékony víz és a vízgőz csak 0,61 kPa nyomáson és 0,0075 °C hőmérsékleten lehet egyidejűleg egyensúlyban. Azt a pontot, ahol a három fázis együtt létezik, hármaspontnak nevezzük ( O).

Ív OS elválasztja a gőz és a folyadék régióit, és a telített vízgőz nyomásának a hőmérséklettől való függését jelenti. Az OC görbe a hőmérséklet és a nyomás azon egymással összefüggő értékeit mutatja, amelyeknél a folyékony víz és a vízgőz egyensúlyban van egymással, ezért folyadék-gőz egyensúlyi görbének vagy forrási görbének nevezik.

10. ábra Vízállapot diagram

Ív OV elválasztja a folyékony régiót a jégtől. Ez egy szilárd-folyadék egyensúlyi görbe, és olvadási görbének nevezik. Ez a görbe a hőmérséklet és nyomás azon egymással összefüggő párjait mutatja, amelyeknél a jég és a folyékony víz egyensúlyban van.

Ív OA szublimációs görbének nevezik, és megmutatja a nyomás és a hőmérséklet összefüggő párjait, amelyeknél a jég és a vízgőz egyensúlyban van.

Az állapotdiagram a különböző fázisok létezési régióinak vizuális ábrázolása a külső feltételektől, például a nyomástól és a hőmérséklettől függően. Az állapotdiagramokat aktívan használják az anyagtudományban a termék megszerzésének különböző technológiai szakaszaiban.

A folyadék a szilárd kristályos testtől az alacsony viszkozitás (a molekulák belső súrlódása) és a magas folyékonyság (a viszkozitás reciproka) által különbözik. A folyadék sok molekula-aggregátumból áll, amelyeken belül a részecskék meghatározott sorrendben helyezkednek el, hasonlóan a kristályok sorrendjéhez. A szerkezeti egységek jellege és a részecskék közötti kölcsönhatás meghatározza a folyadék tulajdonságait. Vannak folyadékok: egyatomos (cseppfolyósított nemesgázok), molekuláris (víz), ionos (olvadt sók), fémes (olvadt fémek), folyékony félvezetők. A legtöbb esetben a folyadék nemcsak aggregált állapot, hanem termodinamikai (folyékony) fázis is.

A folyékony anyagok leggyakrabban oldatok. Megoldás homogén, de nem vegytiszta anyag, oldott anyagból és oldószerből áll (oldószerre példa a víz vagy a szerves oldószerek: diklór-etán, alkohol, szén-tetraklorid stb.), ezért anyagkeverék. Ilyen például az alkohol vizes oldata. Az oldatok azonban gáznemű (például levegő) vagy szilárd (fémötvözetek) anyagok keverékei is.

A kristályosodási centrumok alacsony képződési sebessége és a viszkozitás erős növekedése melletti lehűtéskor üveges állapot léphet fel. Az üvegek izotróp szilárd anyagok, amelyeket megolvadt szervetlen és szerves vegyületek túlhűtésével nyernek.

Számos olyan anyag ismert, amelyek kristályos állapotából izotróp folyadékba való átmenete egy közbenső folyadékkristályos állapoton keresztül megy végbe. Olyan anyagokra jellemző, amelyek molekulái aszimmetrikus szerkezetű, hosszú rudak (rudak) formájában vannak. Az ilyen fázisátalakulások termikus hatásokkal kísérve a mechanikai, optikai, dielektromos és egyéb tulajdonságok hirtelen megváltozását okozzák.

folyadékkristályok A folyadékhoz hasonlóan megnyúlt csepp vagy edény alakja is lehet, nagy folyékonyságúak és összeolvadhatnak. Széles körben használják a tudomány és a technológia különböző területein. Optikai tulajdonságaik nagymértékben függnek a külső körülmények kis változásaitól. Ezt a funkciót elektrooptikai eszközökben használják. A folyadékkristályokat különösen elektronikus órák, vizuális berendezések stb. gyártásához használják.

Az aggregáció főbb állapotai közé tartozik vérplazma- részben vagy teljesen ionizált gáz. A képződés módja szerint a plazmának két típusát különböztetjük meg: a termikus, amely egy gáz magas hőmérsékletre hevítésekor keletkezik, és a gáznemű, amely gáznemű közegben az elektromos kisülések során képződik.

A plazmakémiai eljárások a technológia számos ágában szilárd helyet foglaltak el. Használják tűzálló fémek vágására, hegesztésére, különféle anyagok szintézisére, széles körben alkalmazzák a plazma fényforrásokat, ígéretes a plazma felhasználása termonukleáris erőművekben stb.