Агрегатные состояния вещества

• В этом разделе мы рассмотрим агрегатные состояния, в которых пребывает окружающая нас материя и силы взаимодействия между частицами вещества, свойственные каждому из агрегатных состояний.
• Принято считать, что вещество может находиться в одном из трёх агрегатных состояниях:
• 1. Состояние твёрдого тела,

3. Газообразное состояние.

1. Часто выделяют четвёртое агрегатное состояние – плазму.
2. Иногда, состояние плазмы считают одним из видов газообразного состояния.
3. Для каждого агрегатного состояния характерны особенности в характере взаимодействия между частицами вещества, что влияет на его физические и химические свойства.

Каждое вещество может пребывать в разных агрегатных состояниях. При достаточно низких температурах все вещества находятся в твёрдом состоянии. Но по мере нагрева они становятся жидкостями, затем газами. При дальнейшем нагревании они ионизируются (атомы теряют часть своих электронов) и переходят в состояние плазмы.

Газообразное состояние (от нидерл. gas, восходит к др.-греч. Χάος) характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами.

Образующие газ молекулы или атомы хаотически движутся и при этом преобладающую часть времени находятся на больших (в сравнении с их размерами) растояниях друг от друга. Вследствие этого силы взаимодействия между частицами газа пренебрежимо малы.

Основной особенностью газа является то, что он заполняет все доступное пространство, не образуя поверхности. Газы всегда смешиваются. Газ — изотропное вещество, то есть его свойства не зависят от направления.

При отсутствии сил тяготения давление во всех точках газа одинаково. В поле сил тяготения плотность и давление не одинаковы в каждой точке, уменьшаясь с высотой. Соответственно, в поле сил тяжести смесь газов становится неоднородной. Тяжелые газы имеют тенденцию оседать ниже, а более легкие — подниматься вверх.

Газ имеет высокую сжимаемость — при увеличении давления возрастает его плотность. При повышении температуры расширяются.

При сжатии газ может перейти в жидкость, но конденсация происходит не при любой температуре, а при температуре, ниже критической температуры. Критическая температура является характеристикой конкретного газа и зависит от сил взаимодействия между его молекулами. Так, например, газ гелий можно ожижить только при температуре, ниже от 4,2 К.

Существуют газы, которые при охлаждении переходят в твердое тело, минуя жидкую фазу. Превращения жидкости в газ называется испарением, а непосредственное превращение твердого тела в газ — сублимацией.

Состояние твёрдого тела в сравнении с другими агрегатными состояниями характеризуется стабильностью формы.

Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела.

Кристаллическое состояние вещества

Стабильность формы твёрдых тел связана с тем, что большинство, находящихся в твёрдом состоянии имеет кристалическое строение.

В этом случае расстояния между частицами вещества малы, а силы взаимодействия между ними велики, что и определяет стабильность формы.

В кристаллическом строении многих твёрдых тел легко убедиться, расколов кусок вещества и рассмотрев полученный излом. Обычно на изломе (например, у сахара, серы, металлов и пр.) хорошо заметны расположенные под разными углами мелкие грани кристаллов, поблескивающие вследствии различного отражения ими света.

• В тех случаях, когда кристаллы очень малы, кристаллическое строение вещества можно установить при помощи микроскопа.
• Формы кристаллов
• Каждое вещество образует кристаллы совершенно определённой формы.
• Разнообразие кристаллических форм может быть сведено к семи группам:
• 1. Триклинная (параллелепипед),
• 2. Моноклинная (призма с параллелограммом в основании),
• 3. Ромбическая (прямоугольный параллелепипед),
• 4. Тетрагональная (прямоугольный параллелепипед с квадратом в основании),
• 5. Тригональная,
• 6. Гексагональная (призма с основанием правильного центрированного     шестиугольника),

7. Кубическая (куб).

Многие вещества, в частности железо, медь, алмаз, хлорид натрия кристализуются в кубической системе. Простейшими формами этой системы являются куб, октаэдр, тетраэдр.

Магний, цинк, лёд, кварц кристализуются в гексагональной системе. Основные формы этой системы – шестигранные призмы и бипирамида.

Природные кристаллы, а также кристаллы, получаемые искусственным путём, редко в точности соответствуют теоретическим формам. Обычно при затвердевании расплавленного вещества кристаллы срастаются вместе и потому форма каждого из них оказывается не вполне правильной.

Однако как бы неравномерно не происходило развитие кристалла, как бы ни была искажена его форма, углы, под которыми сходятся грани кристалла у одного и того же вещества остаются постоянными.

Анизотропия

Особенности кристаллических тел не ограничиваются только формой кристаллов. Хотя вещество в кристалле совершенно однородно, многие из его физических свойств – прочность, теплопроводность, отношение к свету и др. – не всегда одинаковы по различным направлениям внутри кристалла. Эта важная особенность кристаллических веществ называется анизотропией.

Внутреннее строение кристаллов. Кристаллические решётки.

Внешняя форма кристалла отражает его внутреннее строение и обусловлена правильным расположением частиц, составляющих кристалл, — молекул, атомов или ионов.

Это расположение можно представить в виде кристаллической решётки – пространственного каркаса, образованного пересекающимися прямыми линиями. В точках пересечения линий – узлах решётки – лежат центры частиц.

1. В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решётки, и от того, какие силы взаимодействия между ними преобладают в данном кристалле, различают следующие виды кристаллических решёток:
2. 1. молекулярные,
3. 2. атомные,
4. 3. ионные и

4. металлические.

Молекулярные и атомные решётки присущи веществам с ковалентной связью, ионные – ионным соединениям, металические – металам и их сплавам.

Атомные кристаллические решётки

В узлах атомных решёток находятся атомы. Они связаны друг с другом ковалентной связью.

Веществ, обладающих атомными решётками, сравнительно мало. К ним принадлежат алмаз, кремний и некоторые неорганические соединения.

Эти вещества характеризуются высокой твёрдостью, они тугоплавки и нерастворимы практически ни в каких растворителях. Такие их свойства объясняются прочностью ковалентной связи.

Молекулярные кристаллические решётки

В узлах молекулярных решёток находятся молекулы. Они связаны друг с другом межмолекулярными силами.

Веществ с молекулярной решёткой очень много. К ним принадлежат неметаллы, за исключением углерода и кремния, все органические соединения с неионной связью и многие неорганические соединения.

Силы межмолекулярного взаимодействия значительно слабее сил ковалентной связи, поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую твёрдость, легкоплавки и летучи.

Ионные кристаллические решётки

В узлах ионных решёток располагаются, чередуясь положительно и отрицательно заряженные ионы. Они связаны друг с другом силами электростатического притяжения.

К соединениям с ионной связью, образующим ионные решётки, относится большинство солей и небольшое число оксидов.

По прочности ионные решётки уступают атомным, но превышают молекулярные.

Ионные соединения имеют сравнительно высокие температуры плавления. Летучесть их в большинстве случаев не велика.

Металлические кристаллические решётки

В узлах металлических решёток находятся атомы металла, между которыми свободно движутся общие для этих атомов электроны.

Наличием свободных электронов в кристаллических решётках металлов можно объяснить их многие свойства: пластичность, ковкость, металлический блеск, высокую электро- и теплопроводность

Существуют вещества, в кристаллах которых значительную роль играют два рода взаимодействия между частицами. Так, в графите атомы углерода связаны друг с другом в одних направлениях ковалентной связью, а в других – металлической. Поэтому решётку графита можно рассматривать и как атомную, и как металлическую.

Во многих неорганических соединениях, например, в BeO, ZnS, CuCl, связь между частицами, находящимися в узлах решётки, является частично ионной, а частично ковалентной. Поэтому решётки подобных соединений можно рассматривать как промежуточные между ионными и атомными.

Аморфное состояние вещества

Свойства аморфных веществ

Среди твёрдых тел встречаются такие, в изломе которых нельзя обнаружить никаких признаков кристаллов. Например, если расколоть кусок обыкновенного стекла, то его излом окажется гладким и, в отличие от изломов кристаллов, ограничен не плоскими, а овальными поверхностями.

Подобная же картина наблюдается при раскалывании кусков смолы, клея и некоторых других веществ. Такое состояние вещества называется аморфным.

Различие между кристаллическими и аморфными телами особенно резко проявляется в их отношении к нагреванию.

В то время как кристаллы каждого вещества плавятся при строго определённой температуре и при той же температуре происходит переход из жидкого состояния в твёрдое, аморфные тела не имеют постоянной температуры плавления. При нагревании аморфное тело постепенно размягчается, начинает растекаться и, наконец, становится совсем жидким. При охлаждении оно также постепенно затвердевает.

В связи с отсутствием определённой температуры плавления аморфные тела обладают другой способностью: многие из них подобно жидкостям текучи, т.е. при длительном действии сравнительно небольших сил они постепенно изменяют свою форму. Например, кусок смолы, положенный на плоскую поверхность, в теплом помещении на несколько недель растекается, принимая форму диска.

• Строение аморфных веществ
• Различие между кристаллическим и аморфным состоянием вещества состоит в следующем.
• Упорядоченное расположение частиц в кристалле, отражаемое элементарной ячейкой, сохраняется на больших участках кристаллов, а в случае хорошо образованных кристаллов – во всём их объёме.

В аморфных телах упорядоченность в расположении частиц наблюдается только на очень малых участках. Кроме того, в ряде аморфных тел даже эта местная упорядоченность носит лишь приблизительный характер.

Это различие можно коротко сформулировать следующим образом:

• структура кристаллов характеризуется дальним порядком,
• структура аморфных тел – ближним.

1. Примеры аморфных веществ.
2. К стабильно-аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы, клеи, парафин, воск и др.
3. Переход из аморфного состояния в кристаллическое.

Некоторые вещества могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Диоксид кремния SiO2 встречается в природе в виде хорошо образованных кристаллов кварца, а также в аморфном состоянии (минерал кремень).

При этом кристаллическое состояние всегда более устойчиво. Поэтому самопроизвольный переход из кристаллического вещества в аморфное невозможен, а обратное превращение – самопроизвольный переход из аморфного состояния в кристаллическое – возможно и иногда наблюдается.

Примером такого превращения служит расстеклование – самопроизволная кристаллизация стекла при повышенных температурах, сопровождающаяся его разрушением.

Аморфное состояние многих веществ получается при высокой скорости затвердевания (остывания) жидкого расплава.

Кварц (SiO2) также имеет низкую скорость кристаллизации. Поэтому отлитые из него изделия получаются аморфными. Однако природный кварц, имевший сотни и тысячи лет для кристаллизации при остывании земной коры или глубинных слоёв вулканов, имеет крупнокристаллическое строение, в отличие от вулканического стекла, застывшего на поверхности и поэтому аморфного.

Жидкости

Жидкость – промежуточное состояние между твёрдым телом и газом.

Жидкое состояние является промежуточным между газообразным и кристаллическим. По одним свойствам жидкости близки к газам, по другим – к твёрдым телам.

С газами жидкости сближает, прежде всего, их изотропность и текучесть. Последняя обуславливает способность жидкости легко изменять свою форму.

• Однако высокая плотность и малая сжимаемость жидкостей приближает их к твёрдым телам.
• Способность жидкостей легко изменять свою форму говорит об отсутствии в них жёстких сил межмолекулярного взаимодействия.
• В то же время низкая сжимаемость жидкостей, обусловливающая способность сохранять постоянный при данной температуре объём, указывает на присутствие хотя и не жёстких, но всё же значительных сил взаимодействия между частицами.
• Соотношение потенциальной и кинетической энергии.
• Для каждого агрегатного состояния характерно своё соотношение между потенциальной и кинетической энергиями частиц вещества.

У твёрдых тел средняя потенциальная энергия частиц больше их средней кинетической энергии. Поэтому в твёрдых телах частицы занимают определённые положения друг относительно друга и лишь колеблются относительно этих положений.

Для газов соотношение энергий обратное, вследствии чего молекулы газов всегда находятся в состоянии хаотического движения и силы сцепления между молекулами практически отсутствуют, так что газ всегда занимает весь предоставленный ему объём.

В случае жидкостей кинетическая и потенциальная энергия частиц приблизительно одинаковы, т.е. частицы связаны друг с другом, но не жёстко. Поэтому жидкости текучи, но имеют постоянный при данной температуре объём.

Стуктуры жидкостей и аморфных тел схожи.

В результате применения к жидкостям методов структурного анализа установлено, что по структуре жидкости подобны аморфным телам. В большинстве жидкостей наблюдается ближний порядок – число ближайших соседей у каждой молекулы и их взаимное расположение приблизительно одинаковы во всём объёме жидкости.

Степень упорядоченности частиц у различных жидкостей различна. Кроме того, она изменяется при изменении температуры.

При низких температурах, незначительно превышающих температуру плавления данного вещества, степень упорядоченности расположения частиц данной жидкости велика.

С ростом температуры она падает и по мере нагревания свойства жидкости всё больше и больше приближаются к свойствам газа. При достижении критической температуры различие между жидкостью и газом исчезает.

Вследствии сходства во внутренней структуре жидкостей и аморфных тел последние часто рассматриваются как жидкости с очень высокой вязкостью, а к твёрдым телам относят только вещества в кристаллическом состоянии.

Уподобляя аморфные тела жидкостям, следует, однако, помнить, что в аморфных телах в отличие от обычных жидкостей частицы имеют незначительную подвижность – такую же как в кристаллах.

Источник: http://xn—-7sbb4aandjwsmn3a8g6b.xn--p1ai/views/alchemy/theory/chemistry/colloid-chemistry/the_physical_state_of_the_substance.php

Физические свойства веществ. Агрегатное состояние — урок. Химия, 8–9 класс

Сходство и отличие различных веществ можно установить по отдельным признакам.

Признаки, по которым вещества схожи, или же по которым можно отличить одно вещество от другого, называют свойствами.

Первое (и важнейшее) свойство любого вещества — это его агрегатное состояние при так называемых нормальных условиях (н. у.).

Обрати внимание!

В науке нормальными условиями (н. у.) принято считать такие условия, когда температура составляет (0°)С, а давление равно (101,3) кПа (килопаскалям).

Агрегатное состояние может быть твёрдым, жидким или газообразным (в звёздах вещество существует ещё в одном — плазменном — состоянии).

Например, при нормальных условиях в твёрдом агрегатном состоянии находятся металлы (кроме ртути), алмаз, графит, поваренная соль, пищевая сода, сахар (сахароза).

В жидком агрегатном состоянии частички, из которых состоит вещество, обладают большим запасом энергии, расстояния между ними больше, и движутся они поступательно и хаотично (неупорядоченно).

Например, при нормальных условиях жидкостью является вода, глицерин, винный спирт, ацетон, а также ртуть.

Если вещество находится в газообразном агрегатном состоянии, частички, из которых состоит вещество, имеют наибольший запас энергии, расстояние между ними наибольшее, и движутся они хаотично с большой скоростью.

Например, при нормальных условиях в газообразном агрегатном состоянии находятся азот, кислород, озон, углекислый газ, аргон и гелий.  

Обрати внимание!

При изменении условий агрегатное состояние может измениться.

Так, если температура опускается ниже (0) °С, вода переходит из жидкого в твёрдое агрегатное состояние, то есть превращается в лёд. Если же температура повышается до (100) °С, вода переходит из жидкого в газообразное агрегатное состояние, то есть превращается в водяной пар.

Обрати внимание!

Большинство веществ, в зависимости от условий, может существовать как в твёрдом, так в жидком или газообразном состояниях.

Однако некоторые вещества, такие как целлюлоза, из которой изготавливают бумагу, бывают только твёрдыми. Сахар можно расплавить, но перевести его в газообразное агрегатное состояние не получится. Дело в том, что такие вещества при нагревании начинают разлагаться, то есть превращаются в другие вещества, обладающие другими свойствами.

Хлор — газ жёлто-зелёного цвета, переходит в жидкое агрегатное состояние при температуре (–34,04) °С	Жидкая ртуть становится твёрдой при температуре (–38,83) °С и переходит в газообразное состояние при температуре (+356,7) °С	Лимонно-жёлтая сера переходит в жидкое агрегатное состоянии при нагревании до температуры (+115,2) °С

Источник: https://www.yaklass.ru/p/himija/89-klass/pervonachalnye-khimicheskie-poniatiia-i-teoreticheskie-predstavleniia-15840/fizicheskie-tela-i-veshchestva-15579/re-d9a58b2d-1222-48ca-8c59-a77a64c02773

Агрегатные состояния вещества

Определение 1

Агрегатные состояния вещества(от лат. “aggrego” означает “присоединяю”, “связываю”) – это состояния одного и того же вещества в твердом, жидком и газообразном виде.

При переходе из одного состояния в другое наблюдается скачкообразное изменение энергии, энтропии, плотности и прочих свойств вещества.

Твердые и жидкие тела

Определение 2

Твердые тела – это тела, которые отличаются постоянством своей формы и объема.

В твердых телах межмолекулярные расстояния маленькие, а потенциальную энергию молекул можно сравнить с кинетической.

Твёрдые тела подразделяются на 2 вида:

1. Кристаллические;
2. Аморфные.

В состоянии термодинамического равновесия находятся только лишь кристаллические тела. Аморфные же тела по факту представляют собой метастабильные состояния, которые по строению схожи с неравновесными, медленно кристаллизующимися жидкостями.

В аморфном теле происходит чересчур медленный процесс кристаллизации, процесс постепенного преобразования вещества в кристаллическую фазу. Разница кристалла от аморфного твердого тела состоит, в первую очередь, в анизотропии его свойств.

Свойства кристаллического тела определяются в зависимости от направления в пространстве. Разнообразные процессы (например, теплопроводность, электропроводность, свет, звук) распространяются в разных направлениях твердого тела по-разному.

У кристаллических тел правильное молекулярное строение. Именно за счет правильного строения кристалл имеет анизотропные свойства. Правильное расположение атомов кристалла создает так называемую кристаллическую решетку.

В разных направлениях месторасположение атомов в решетке различное, что и приводит к анизотропии.

Атомы (ионы либо целые молекулы) в кристаллической решетке совершают беспорядочное колебательное движение возле средних положений, которые и рассматриваются в качестве узлов кристаллической решетки.

Чем выше температура, тем выше энергия колебаний, а значит, и средняя амплитуда колебаний. В зависимости от амплитуды колебаний определяется размер кристалла. Увеличение амплитуды колебаний приводит к увеличению размеров тела. Таким образом, объясняется тепловое расширение твердых тел.

Определение 3

Жидкие тела – это тела, имеющие определенный объем, но не имеющие упругой формы.

Для вещества в жидком состоянии характерно сильное межмолекулярное взаимодействие и малая сжимаемость. Жидкость занимает промежуточное положение между твердым телом и газом. Жидкости, также как и газы, обладают изотpопными свойствами. Помимо этого, жидкость обладает свойством текучести.

В ней, как и в газах, нет касательного напряжения (напряжения на сдвиг) тел. Жидкости тяжелые, то есть их удельные веса можно сравнить с удельными весами твердых тел. Вблизи температур кристаллизации их теплоемкости и прочие тепловые свойства близки к соответствующим свойствам твердых тел.

В итоге движение атомов будет весьма сложное: колебательное, но вместе с тем центр колебаний перемещается в пространстве.

Газ, испарение, конденсация и плавление

Определение 4

Газ – это такое состояние вещества, при котором расстояния между молекулами огромны.

Силами взаимодействия между молекулами при небольших давлениях можно пренебречь. Частицы газа заполоняют весь объем, который предоставлен для газа. Газы рассматривают как сильно перегретые либо ненасыщенные пары.

Особый вид газа – плазма (частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов почти одинаковые).

То есть плазма – это газ из заряженных частиц, взаимодействующих между собой при помощи электрических сил на большом расстоянии, но не имеющих ближнего и дальнего расположения частиц.

Как известно, вещества способны переходить из одного агрегатного состояния в другое.

Определение 5

Испарение – это процесс изменения агрегатного состояния вещества, при котором с поверхности жидкости либо твердого тела вылетают молекулы, кинетическая энергия которых преобразовывает потенциальную энергию взаимодействия молекул.

Испарение является фазовым переходом. При испарении часть жидкости или твердого тела преобразуется в пар.

Определение 6

• Вещество в газообразном состоянии, которое находится в динамическом равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром. При этом изменение внутренней энергии тела равняется:
• ∆U=±mr (1),
• где m – это масса тела, r – это удельная теплота парообразования (Дж/кг).

Определение 7

Конденсация представляет собой процесс, обратный парообразованию.

Изменение внутренней энергии рассчитывается по формуле (1).

Определение 8

Плавление – это процесс преобразования вещества из твердого состояния в жидкое, процесс изменения агрегатного состояния вещества.

При нагревании вещества растет его внутренняя энергия, поэтому увеличивается скорость теплового движения молекул. При достижении веществом своей температуры плавления кристаллическая решетка твердого тела разрушается. Связи между частицами также разрушаются, растет энергия взаимодействия между частицами.

Теплота, которая передается телу, идет на увеличение внутренней энергии данного тела, и часть энергии расходуется на совершение работы по изменению объема тела при его плавлении. У многих кристаллических тел объем увеличивается при плавлении, однако есть исключения (к примеру, лед, чугун).

Аморфные тела не обладают определенной температурой плавления. Плавление представляет собой фазовый переход, который характеризуется скачкообразным изменением теплоемкости при температуре плавления. Температура плавления зависит от вещества и она остается неизменной в ходе процесса.

Тогда изменение внутренней энергии тела равняется:

∆U=±mλ (2),

где λ – это удельная теплота плавления (Дж/кг).

Определение 9

Кристаллизация представляет собой процесс, обратный плавлению.

1. Изменение внутренней энергии рассчитывается по формуле (2).
2. Изменение внутренней энергии каждого тела системы при нагревании или охлаждении вычисляется по формуле:
3. ∆U=mc∆T (3),
4. где c – это удельная теплоемкость вещества, ДжкгК, △T – это изменение температуры тела.

Определение 10

При рассматривании преобразований веществ из одних агрегатных состояний в другие нельзя обойтись без так называемого уравнения теплового баланса: суммарное количество теплоты, выделяемое в теплоизолированной системе, равняется количеству теплоты (суммарному), которое в данной системе поглощается.

Q1+Q2+Q3+…+Qn=Q'1+Q'2+Q'3+…+Q'k.

По сути, уравнение теплового баланса – это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в термоизолированных системах.

Пример 1

В теплоизолированном сосуде находятся вода и лед с температурой ti=0°C. Масса воды mυ и льда mi соответственно равняется 0,5 кг и 60 г. В воду впускают водяной пар массой mp=10 г при температуре tp=100°C. Какой будет температура воды в сосуде после того, как установится тепловое равновесие? При этом теплоемкость сосуда учитывать не нужно.

• Рисунок 1
• Решение
• Определим, какие процессы осуществляются в системе, какие агрегатные состояния вещества мы наблюдали и какие получили.
• Водяной пар конденсируется, отдавая при этом тепло.
• Тепловая энергия идет на плавление льда и, может быть, нагревание имеющейся и полученной изо льда воды.
• Прежде всего, проверим, сколько теплоты выделяется при конденсации имеющейся массы пара:
• Qp=-rmp;Qp=2,26·106·10-2=2,26·104 (Дж),
• здесь из справочных материалов у нас есть r=2,26·106 Джкг – удельная теплота парообразования (применяется и для конденсации).
• Для плавления льда понадобится следующее количество тепла:
• Qi=λmiQi=6·10-2·3,3·105≈2·104 (Дж),
• здесь из справочных материалов у нас есть λ=3,3·105 Джкг – удельная теплота плавления льда.
• Выходит, что пар отдает тепла больше, чем необходимо, только для расплавления имеющегося льда, значит, уравнение теплового баланса запишем следующим образом:
• rmp+cmp(Tp-T)=λmi+c(mυ+mi)(T-Ti).

Теплота выделяется при конденсации пара массой mp и остывании воды, образуемой из пара от температуры Tp до искомой T. Теплота поглощается при плавлении льда массой mi и нагревании воды массой mυ+mi от температуры Ti до T. Обозначим T-Ti=∆T для разности Tp-T получаем:

1. Tp-T=Tp-Ti-∆T=100-∆T.
2. Уравнение теплового баланса будет иметь вид:
3. rmp+cmp(100-∆T)=λmi+c(mυ+mi)∆T;c(mυ+mi+mp)∆T=rmp+cmp100-λmi;∆T=rmp+cmp100-λmicmυ+mi+mp.
4. Сделаем вычисления с учетом того, что теплоемкость воды табличная
5. c=4,2·103 ДжкгК, Tp=tp+273=373 К, Ti=ti+273=273 К:∆T=2,26·106·10-2+4,2·103·10-2·102-6·10-2·3,3·1054,2·103·5,7·10-1≈3 (К),
6. тогда T=273+3=276 К
7. Ответ: Температура воды в сосуде после установления теплового равновесия будет равняться 276 К.

Пример 2

На рисунке 2 изображен участок изотермы, который отвечает переходу вещества из кристаллического в жидкое состояние. Что соответствует данному участку на диаграмме p,T?

Рисунок 2

Ответ: Вся совокупность состояний, которые изображены на диаграмме p,V горизонтальным отрезком прямой на диаграмме p,T показано одной точкой, которая определяет значения p и T, при которых происходит преобразование из одного агрегатного состояния в другое.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/molekuljarno-kineticheskaja-teorija/agregatnye-sostojanija-veschestva/

Введение: агрегатное состояние вещества

Агрегатное состояние — состояние какого-либо вещества, имеющее определенные свойства: способность сохранять форму и объем, иметь дальний или ближний порядок и другие. При изменении агрегатного состояния вещества происходит изменение физических свойств, а также плотности, энтропии и свободной энергии.

Как и почему происходят эти удивительные превращения? Чтобы разобраться в этом, вспомним, что все вокруг состоит из атомов и молекул. Атомы и молекулы различных веществ взаимодействуют друг с другом, и именно связь между ними определяет, какое у вещества агрегатное состояние.

Выделяют четыре типа агрегатных веществ:

• газообразное,
• жидкое,
• твердое,
• плазма.

Кажется, что химия открывает нам свои тайны в этих удивительных превращениях. Однако это не так. Переход из одного агрегатного состояния в другое, а также броуновское движение или диффузия относятся к физическим явлениям, поскольку в этих превращениях не происходит изменений молекул вещества и сохраняется их химический состав.

Газообразное состояние

На молекулярном уровне газ представляет собой хаотически движущиеся, сталкивающиеся со стенками сосуда и между собой молекулы, которые друг с другом практически не взаимодействуют. Поскольку молекулы газа между собой не связаны, то газ заполняет весь предоставленный ему объем, взаимодействуя и изменяя направление только при ударах друг о друга.

К сожалению, невооруженным глазом и даже с помощью светового микроскопа увидеть молекулы газа невозможно. Однако газ можно потрогать. Конечно, если вы просто попробуете ловить молекулы газов, летающие вокруг, в ладони, то у вас ничего не получится.

Но наверняка все видели (или делали это сами), как кто-то накачивал воздухом шину автомобиля или велосипеда, и из мягкой и сморщенной она становилась накачанной и упругой.

Это происходит потому, что в замкнутый ограниченный объем шины попадает большое количество молекул, которым становится тесно, и они начинают чаще ударяться друг о друга и о стенки шины, а в результате суммарное воздействие миллионов молекул на стенки воспринимается нами как давление.

Но если газ занимает весь предоставленный ему объем, почему тогда он не улетает в космос и не распространяется по всей вселенной, заполняя межзвездное пространство? Значит, что-то все-таки удерживает и ограничивает газы атмосферой планеты?

Совершенно верно. И это — сила земного тяготения. Для того чтобы оторваться от планеты и улететь, молекулам нужно развить скорость, превышающую «скорость убегания» или вторую космическую скорость, а подавляющее большинство молекул движутся значительно медленнее.

Тогда возникает следующий вопрос: почему молекулы газов не падают на землю, а продолжают летать? Оказывается, благодаря солнечной энергии молекулы воздуха имеют солидный запас кинетической энергии, который позволяет им двигаться против сил земного притяжения.

Жидкое состояние

При повышении давления и/или снижении температуры газы можно перевести в жидкое состояние.

Еще на заре ХIХ века английскому физику и химику Майклу Фарадею удалось перевести в жидкое состояние хлор и углекислый газ, сжимая их при очень низких температурах.

Однако некоторые из газов не поддались ученым в то время, и, как оказалось, дело было не в недостаточном давлении, а в неспособности снизить температуру до необходимого минимума.

Если на поверхности останется капля воды, через какое-то время она исчезнет. Но мы же помним, что благодаря закону сохранения массы-энергии, ничто не пропадает и не исчезает бесследно. Жидкость испарится, т.е. изменит свое агрегатное состояние на газообразное.

Испарение — это процесс преобразования агрегатного состояния вещества, при котором молекулы, чья кинетическая энергия превышает потенциальную энергию межмолекулярного взаимодействия, поднимаются с поверхности жидкости или твердого тела.

Испарение с поверхности твердых тел называется сублимацией или возгонкой. Наиболее простым способом наблюдать возгонку является использование нафталина для борьбы с молью. Если вы ощущаете запах жидкости или твердого тела, значит происходит испарение. Ведь нос как раз и улавливает ароматные молекулы вещества.

Жидкости окружают человека повсеместно. Свойства жидкостей также знакомы всем — это вязкость, текучесть. Когда заходит разговор о форме жидкости, то многие говорят, что жидкость не имеет определенной формы. Но так происходит только на Земле. Благодаря силе земного притяжения капля воды деформируется.

Однако многие видели как космонавты в условиях невесомости ловят водяные шарики разного размера. В условиях отсутствия гравитации жидкость принимает форму шара. А обеспечивает жидкости шарообразную форму сила поверхностного натяжения. Мыльные пузыри – отличный способ познакомиться с силой поверхностного натяжения на Земле.

Еще одно свойство жидкости — вязкость. Вязкость зависит от давления, химического состава и температуры. Большинство жидкостей подчиняются закону вязкости Ньютона, открытому в ХIХ веке.

 Однако есть ряд жидкостей с высокой вязкостью, которые при определенных условиях начинают вести себя как твердые тела и не подчиняются закону вязкости Ньютона. Такие растворы называются неньютоновскими жидкостями. Самый простой пример неньютоновской жидкости — взвесь крахмала в воде.

Если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело.

Твёрдое состояние

Если у жидкости, в отличие от газа, молекулы движутся уже не хаотически, а вокруг определенных центров, то в твёрдом агрегатном состоянии вещества атомы и молекулы имеют четкую структуру и похожи на построенных солдат на параде. И благодаря кристаллической решетке твердые вещества занимают определенный объем и имеют постоянную форму.

Между твердыми и жидкими телами существует промежуточная группа аморфных веществ, представители которой с одной стороны за счет высокой вязкости долго сохраняют свою форму, а с другой – частицы в нем строго не упорядочены и находятся в особом конденсированном состоянии.

К аморфным веществам относится целый ряд веществ: смола, стекло, янтарь, каучук, полиэтилен, поливинилхлорид, полимеры, сургуч, различные клеи, эбонит и пластмассы. Про аморфные тела подробно можно прочитать на странице 40 учебника «Химия 7 класс» под редакцией О.С.

Габриеляна.

Это происходит потому, что при нагревании увеличивается внутренняя энергия, соответственно молекулы начинают двигаться быстрее, а при достижении температуры плавления кристаллическая решетка начинает разрушаться и изменяется агрегатное состояние вещества. У большинства кристаллических тел объем увеличивается при плавлении, но есть исключения, например – лед, чугун.

В зависимости от вида частиц, образующих кристаллическую решетку твердого тела, выделяют следующую структуру:

• молекулярную,
• атомную,
• ионную
• металлическую.

У одних веществ изменение агрегатных состояний происходит легко, как, например, у воды, для других веществ нужны особые условия (давление, температура). Но в современной физике ученые выделяют еще одно независимое состояние вещества — плазма.

Плазма — ионизированный газ с одинаковой плотностью как положительных, так и отрицательных зарядов. В живой природе плазма есть на солнце, или при вспышке молнии. Северное сияние и даже привычный нам костер, согревающий своим теплом во время вылазки на природу, также относится к плазме.

Искусственно созданная плазма добавляет яркости любому городу. Огни неоновой рекламы — это всего лишь низкотемпературная плазма в стеклянных трубках. Привычные нам лампы дневного света тоже заполнены плазмой.

Плазму делят на низкотемпературную — со степенью ионизации около 1% и температурой до 100 тысяч градусов, и высокотемпературную — ионизация около 100% и температурой в 100 млн градусов (именно в таком состоянии находится плазма в звездах).

Низкотемпературная плазма в привычных нам лампах дневного света широко применяется в быту.

Высокотемпературная плазма используется в реакциях термоядерного синтеза и ученые не теряют надежду использовать ее в качестве замены атомной энергии, однако контроль в этих реакциях очень сложен. А неконтролируемая термоядерная реакция зарекомендовала себя как оружие колоссальной мощности, когда 12 августа 1953 года СССР испытал термоядерную бомбу.

• Для проверки усвоения материала предлагаем небольшой тест.
• 1. Что не относится к агрегатным состояниям:
• 2. Вязкость ньютоновских жидкостей подчиняется:

• закону Бойля-Мариотта
• закону Архимеда
• закону вязкости Ньютона +

3. Почему атмосфера Земли не улетает в открытый космос:

• потому что молекулы газа не могут развить вторую космическую скорость
• потому что на молекулы газа воздействует сила земного притяжения +
• оба ответа правильные

4. Что не относится к аморфным веществам:

5.При охлаждении объем увеличивается у:

#ADVERTISING_INSERT#

Источник: https://rosuchebnik.ru/material/vvedenie-agregatnoe-sostoyanie-veshchestva/

Сколько агрегатных состояний существует?

Наверняка со школы всем известно, что бывает 4 агрегатных состояния вещества — твёрдое, жидкое, газообразное и плазма. Последнее известно вам многим, хотя и не все представляют, что это такое. Но ведь агрегатных состояний куда больше!

Основных, самых распространённых, пять. Но если учитывать все необычные состояния веществ, то получится около 15. Итак, в каких же формах бывает вещество?

P.S. твёрдое, жидкое и газообразное я описывать не буду — вы все про них знаете????

Плазма

Четвёртое агрегатное состояние, про которое знает большинство людей. Это состояние образуется при нагревании газа. Когда температуры очень высокие, некоторые электроны отсоединяются от своих ядер и начинают хаотично летать среди газового облака — настолько много стало у них энергии. Образуется так называемый ионизированный газ.

Плазма, в отличие от газа, отлично проводит электрический ток — поэтому её используют, к примеру, в газоразрядных лампах. А получают её очень просто — либо нагревом свыше 1 миллиона градусов, либо пропусканием электрического тока.

Кстати, плазму применяют и в сварке — плазменная сварка начинает использоваться повсеместно и её можно сделать чуть ли не своими руками!

Конденсат Бозе-Эйнштейна

Если можно очень сильно нагреть вещество, почему его нельзя очень сильно охладить? Ответ на этот вопрос даёт абсолютный ноль — значение температуры в -273,15 °C или 0 К (Кельвинов).

При этой температуре у любых частиц пропадает вся кинетическая энергия и молекулы перестают двигаться.

Тем не менее, абсолютный ноль недостижим, так как даже при отсутствии энергии атомы продолжают колебаться — это происходит из-за особенностей квантового мира.

Но если мы будем очень близко подходить к значению абсолютного нуля, то получим Конденсат Бозе-Эйнштейна — агрегатное состояние вещества, когда квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. До сих пор это состояние изучено крайне мало, но тем не менее, мы смогли заморозить даже свет! Учёные сумели охладить пучок фотонов до 0.0000001 К, и при этом они начали себя вести как одна громадная волна.

Аморфные вещества

Итак, аморфные тела находятся между твёрдыми и жидкими веществами. у них есть кристаллическая решётка (как у углерода или кремния), но она не является строго упорядоченной, а имеет достаточно пространства для того, чтобы «плавать» (как это делают молекулы воды).

Самым известным примером аморфного тела является стекло. И хотя на бытовом уровне разница между ним и стеной из кремния незаметна, это всё же абсолютно разные состояния — нужно лишь посмотреть в микроскоп!

Кстати, то, что стекло стекает со временем вниз — это миф. Старые стёкла, обладающие такой особенностью, просто страдали от несовершенств изготовления стёкол в прошлом. Можете проверить этот миф на современных стёклах — хоть 1000 лет смотрите на них, ничего не увидите ?

Сверхтекучие жидкости

Эта особенность начинает проявляться при приближении к абсолютному нулю. Когда учёные охлаждали гелий, то заметили, что в какой-то момент времени он становится настолько текучим, что чуть ли не нарушает законы гравитации и поверхностного натяжения и ползёт вверх по стенкам пробирки!

Второе замечательное свойство этих жидкостей — это сверхпроводимость. То есть неважно, какого объёма была бы жидкость. Нагрей её в одном месте — и она моментально распределит всё тепло в своём объёме и передаст его в другую точку!

Кстати, некоторые конденсаты Бозе-Эйнштейна обладают теми же свойствами. И всё же это два разных агрегатных состояния.

Вырожденный газ

Отправляемся в космос! Здесь могут быть просто дикие формы материи. Вы же знаете, как образуются чёрные дыры? Когда масса звезды очень большая, а её радиус, напротив, очень мал, то вещество начинает сжиматься, пока не коллапсирует (очень быстро сжимается) в чёрную дыру. Из неё уже ничто не сможет вырваться…

Мы не знаем, из чего состоят чёрные дыры. Но мы знаем, что вещество предколлапсирующей звезды — это электронно-вырожденный газ, когда гравитация пытается «опустить» электроны с высших слоёв на низшие, а сами электроны этого сделать не дают.

Любопытно ещё вещество, из которого состоят нейтронные звёзды. Как понятно из названия, эти звёзды состоят целиком из нейтронов, что очень и очень ненормально… Как раз эту ненормальность и называют нейтронно-вырожденным веществом

Фотонное вещество

Помните, вам говорили, что частицы света, фотоны, не имеют массу? Забудьте. Тут физики из MIT и Гарварда научились замедлять фотоны настолько, что они начинают обмениваться энергией между собой и даже формировать «молекулы света»!

На самом деле фотоны остаются безмассовыми и молекула света выглядит молекулой просто внешне. Хотя это свойство можно будет использовать в будущих изобретениях — к примеру, в световых мечах, которые до этого момента казались детской мечтой.

Кварк-глюонная плазма

Теперь прыгнем назад во времени — в самое начало, на 13.8 миллиарда световых лет. После Большого взрыва не было звёзд и планет, не было молекул и атомов, даже электронов, протонов и нейтронов.

Вся материя существовала в форме кварков (частичек материи) и глюонов (переносчиков взаимодействий между кварками).

Кстати, кварк-глюонная плазма существует не только в наших теориях — учёные смогли получить её на Большом Адронном Коллайдере и узнали много интересного про её свойства.

Множество других состояний

Существуют также и другие — тёмная материя и тёмная энергия, металлы Яна-Теллера, глазма, кварковая материя и многие другие. Но те, про которые вы прочитали, являются основными, поэтому их стоит знать.

Итак, на вопрос «сколько всего агрегатных состояний» вы можете сказать «около 15». А можете привести в пример только 5 — большинство учёных придерживаются именно этой цифры ?

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5ac3899adb0cd9cb1a08936c/5b853a94d287d600aaffed21

Агрегатное состояние — это… Что такое Агрегатное состояние?

Агрега́тное состоя́ние — состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.[1].

Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда не совсем корректно к агрегатным состояниям причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные состояния, например, жидкие кристаллы или конденсат Бозе — Эйнштейна.

Изменения агрегатного состояния это термодинамические процессы, называемые фазовыми переходами.

Выделяют следующие их разновидности: из твёрдого в жидкое — плавление; из жидкого в газообразное — испарение и кипение; из твёрдого в газообразное — сублимация; из газообразного в жидкое или твёрдое — конденсация; из жидкого в твёрдое — кристаллизация. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию.

Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела, сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в частности, могут поляризовать проходящее через них электромагнитное излучение.

Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы от одной фазы к другой, называют критическими явлениями.

Твёрдое тело

Основная статья: Твёрдое тело

Состояние, характеризующееся способностью сохранять объём и форму. Атомы твёрдого тела совершают лишь небольшие колебания вокруг состояния равновесия. Присутствует как дальний, так и ближний порядок.

Жидкость

Основная статья: Жидкость

Состояние вещества, при котором оно обладает малой сжимаемостью, то есть хорошо сохраняет объём, однако не способно сохранять форму. Жидкость легко принимает форму сосуда, в который она помещена. Атомы или молекулы жидкости совершают колебания вблизи состояния равновесия, запертые другими атомами, и часто перескакивают на другие свободные места. Присутствует только ближний порядок.

Газ

Основная статья: Газ

Состояние, характеризующееся хорошей сжимаемостью, отсутствием способности сохранять как объём, так и форму. Газ стремится занять весь объём, ему предоставленный. Атомы или молекулы газа ведут себя относительно свободно, расстояния между ними гораздо больше их размеров.

Плазма

Основная статья: Плазма

Плазменная декоративная лампа.

Часто причисляемая к агрегатным состояниям вещества плазма отличается от газа большой степенью ионизации атомов. Большая часть барионного вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной находится в состоянии плазмы.[2]

Сверхкритический флюид

Основная статья: Сверхкритический флюид

Возникает при одновременном повышении температуры и давления до критической точки, в которой плотность газа сравнивается с плотностью жидкости; при этом исчезает граница между жидкой и газообразной фазами. Сверхкритический флюид отличается исключительно высокой растворяющей способностью.

Конденсат Бозе — Эйнштейна

Основная статья: Конденсат Бозе — Эйнштейна

Получается в результате охлаждения бозе-газа до температур, близких к абсолютному нулю. В результате этого часть атомов оказывается в состоянии со строго нулевой энергией (то есть в низшем из возможных квантовом состоянии). Конденсат Бозе — Эйнштейна проявляет ряд квантовых свойств, таких как сверхтекучесть и резонанс Фишбаха.

Фермионный конденсат

Основная статья: Фермионный конденсат

Представляет собой Бозе-конденсацию в режиме БКШ «атомных куперовских пар» в газах состоящих из атомов-фермионов. (В отличие от традиционного режима бозе-эйнштейновской конденсации составных бозонов).

Такие фермионные атомные конденсаты являются «родственниками» сверхпроводников, но с критической температурой порядка комнатной и выше. [3]

Вырожденная материя

• Ферми-газ 1-я стадия Электронно-вырожденный газ, наблюдается в белых карликах, играет важную роль в эволюции звёзд.
• 2-я стадия нейтронное состояние в него вещество переходит при сверхвысоком давлении, недостижимом пока в лаборатории, но существующем внутри нейтронных звёзд. При переходе в нейтронное состояние электроны вещества взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. В результате вещество в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть слишком высока (в энергетическом эквиваленте не более сотни МэВ).
• при сильном повышении температуры (сотни МэВ и выше) в нейтронном состоянии начинают рождаться и аннигилировать разнообразные мезоны. При дальнейшем повышении температуры происходит деконфайнмент, и вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Оно состоит уже не из адронов, а из постоянно рождающихся и исчезающих кварков и глюонов. Возможно[4], деконфайнмент происходит в два этапа.
• При дальнейшем неограниченном повышении давления без повышения температуры вещество коллапсирует в чёрную дыру.
• При одновременном повышении и давления, и температуры к кваркам и глюонам добавляются иные частицы. Что происходит с веществом, пространством и временем при температурах, близких к планковской, пока неизвестно.

Другие состояния

При глубоком охлаждении некоторые (далеко не все) вещества переходят в сверхпроводящее или сверхтекучее состояние. Эти состояния, безусловно, являются отдельными термодинамическими фазами, однако их вряд ли стоит называть новыми агрегатными состояниями вещества в силу их неуниверсальности.

Неоднородные вещества типа паст, гелей, суспензий, аэрозолей и т. д., которые при определённых условиях демонстрируют свойства как твёрдых тел, так и жидкостей и даже газов, обычно относят к классу дисперсных материалов, а не к каким-либо конкретным агрегатным состояниям вещества.

Примечания

• Точка перехода
• Нормальные и стандартные условия

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/5017

Сколько существует агрегатных состояний вещества?

В школе, да и просто в обычной жизни мы привыкли называть три агрегатных состояния вещества: твёрдое тело, жидкость и газ (они всем известны). Иногда к этим агрегатным состояниям добавляют четвёртое основное – плазма. Плазма, кстати, самое распространённое состояние во Вселенной. Именно в этом состоянии находятся звёзды.

Плазма является ионизированным газом, который возникает на Земле при очень высоких температурах (больше 1000 K). Плазма содержит в себе не только электроны и ионы, что интересно, но и электромагнитное поле, а так её свойства по факту идентичны свойствам обычных газов.

Подразделяется также отдельным видом агрегатного состояния фазовый переход. Это то состояния вещества, когда оно переходит из одного состояния в другое. Это звучит немного странно, но рассмотрим же пример: плавим металлический слиток.

Именно по этой причине учёные и рассматривают фазовый переход, как отдельное состояние вещества.

Сверхтекучесть являет собой способность вещества при очень низких температурах (абсолютный ноль) протекать через узкие щели без какого-либо трения! До недавних пор сверхтекучесть приписывалась только жидкому гелию, но наука не стоит на месте, поэтому ею открыты и другие вещества, способные проявлять такие же свойства.

Есть ещё среди агрегатных состояний конденсат Бозе-Эйнштейна. По факту это также сверхтекучесть, но только перед нами не жидкость, а бозе-газ (газ, состоящий из бозонов, охлаждённых до температуры, близкой к нулю). Любят они всё к нулю приводить!

Из интересных также имеется и нейтронное состояние, в корне отличающиеся от всех остальных. Это состояние характеризуется нейтронами. Мы берём тело – и оно состоит только из нейтронов.

В лабораториях такого ещё создать не могут (не хватает давления), но данное агрегатное состояние существует внутри нейтронных звёзд.

При огромном давлении протоны и электроны объединяются и образуют собой нейтроны, отсюда и нейтронное состояние.

Сверхкритический флюид – это состояние вещества, усреднённое между жидкостью и газом. Ни рыба, ни мясо, так сказать.

Причём сверхкритический флюид обладает свойствами жидкого и газообразного состояния одновременно. При температуре и давлении, что выше критической точки данного вещества, мы и получаем сверхкритическое вещество.

Своё применение в промышленности нашли сверхкритическая вода и сверхкритический диоксид углерода.

И даже в этой статье не описаны все агрегатные состояния вещества, а если и описаны, то очень поверхностно, не подробно, слегка. О, как велик и многогранен этот мир, полный различных форм, загадок и секретов!

А на этом я с вами не прощаюсь, на этом канале будут выходить ещё интересные публикации, поэтому не забудь лайкнуть эту статью и подписаться на «Почему?» Оставляйте свои комментарии с идеями, которые бы вам хотелось увидеть в следующий раз! До скорых встреч!

Источник: https://zen.yandex.com/media/why1/skolko-suscestvuet-agregatnyh-sostoianii-vescestva-5d90c90104af1f00aec02f85?from=feed&rid=2884126211.496.1571840501945.82698&integration=site_desktop&place=layout