Co je plazma - neobvyklý plyn

Od dětství známe několik stavů agregace látek. Vezměme si například vodu. Jeho obvyklý stav je všem známý - kapalný, je distribuován všude: řeky, jezera, moře, oceány. Druhým stavem agregace je plyn. Nevidíme ho často. Většina lehká cesta dosáhnout v blízkosti vody plynného skupenství – převařit. Pára není nic jiného než plynné skupenství vody. Třetí agregovaný stav - pevný. Podobný případ můžeme pozorovat například v zimních měsících. Led je zmrzlá voda a existuje třetí stav agregace.
Tento příklad jasně ukazuje, že téměř každá látka má tři stavy agregace. Pro některé je to snadné dosáhnout, pro jiné je to obtížnější (vyžadují se speciální podmínky).

Ale moderní fyzika vyzdvihuje další, nezávislý stav hmoty – plazmu.

Plazma je ionizovaný plyn se stejnou hustotou kladných i záporných nábojů. Jak víte, při silném zahřívání přechází jakákoli látka do třetího stavu agregace - plynu. Pokud budeme pokračovat v zahřívání vzniklé plynné látky, pak na výstupu dostaneme látku s prudce zvýšeným procesem tepelné ionizace, atomy, které tvoří plyn, se rozpadají na ionty. Tento stav lze pozorovat pouhým okem. Naše Slunce je hvězda, stejně jako miliony dalších hvězd a galaxií ve vesmíru, není nic jiného než vysokoteplotní plazma. Bohužel na Zemi plazma v přírodních podmínkách neexistuje. Ale stále to můžeme pozorovat, například záblesk blesku. V laboratorních podmínkách bylo plazma nejprve získáno průchodem vysokého napětí plynem. Dnes mnoho z nás používá plazmu v každodenním životě - jsou to obyčejné zářivky s plynovou výbojkou. Na ulicích je neustále vidět neonová reklama, což není nic jiného než nízkoteplotní plazma ve skleněných trubicích.

Aby se plyn dostal z plynného stavu do plazmy, musí být plyn ionizován. Stupeň ionizace přímo závisí na počtu atomů. Další podmínkou je teplota.

Do roku 1879 fyzika popisovala a řídila se pouze třemi stavy agregace látek. Zatímco anglický vědec, chemik a fyzik William Crookes nezačal provádět experimenty se studiem vodivosti elektřiny v plynech. Mezi jeho objevy patří objev prvku Thalia, výroba helia v laboratoři a samozřejmě první experimenty s výrobou studeného plazmatu v plynových výbojkách. Známý termín „plazma“ byl poprvé použit v roce 1923 americkým vědcem Langmuirem a později Tonksonem. Do té doby „plazma“ znamenala pouze bezbarvou složku krve nebo mléka.

Dnešní výzkum ukazuje, na rozdíl od všeobecného přesvědčení, asi 99 % veškeré hmoty ve vesmíru je v plazmovém stavu. Všechny hvězdy, veškerý mezihvězdný prostor, galaxie, mlhoviny, sluneční vějíř jsou typickými představiteli plazmatu.
Na Zemi takové můžeme pozorovat přírodní jev jako blesk Severní polární záře, „oheň svatého Elma“, ionosféru Země a samozřejmě oheň.
Člověk se také naučil využívat plazmu pro své dobro. Díky čtvrtému agregovanému skupenství hmoty můžeme použít plynové výbojky, plazmové televizory, svařování elektrickým obloukem a lasery. Také můžeme pozorovat jevy plazmatu při jaderném výbuchu nebo startu vesmírných raket.

Za jeden z prioritních výzkumů ve směru plazmatu lze považovat reakci termojaderné fúze, která by se měla stát bezpečnou náhradou jaderné energie.

Podle klasifikace se plazma dělí na nízkoteplotní a vysokoteplotní, rovnovážné a nerovnovážné, ideální a neideální.
Nízkoteplotní plazma se vyznačuje nízkým stupněm ionizace (asi 1 %) a teplotou do 100 tisíc stupňů. Právě z tohoto důvodu se plazma tohoto druhu často používá v různých technologických procesech (depozice diamantového filmu na povrch, změna smáčivosti látky, ozonizace vody atd.).

Vysokoteplotní neboli „horké“ plazma má téměř 100% ionizaci (tímto stavem se rozumí čtvrtý stav agregace) a teploty až 100 milionů stupňů. V přírodě jsou hvězdami. V pozemských podmínkách je to vysokoteplotní plazma, které se používá pro experimenty s termojadernou fúzí. Řízená reakce je poměrně složitá a energeticky náročná, ale neřízená se dostatečně osvědčila jako zbraň kolosální síly - termonukleární bomba testovaná SSSR 12. srpna 1953.
Ale to jsou extrémy. Studená plazma pevně zaujala své místo v lidském životě, o užitečné řízené termonukleární fúzi se stále může zdát, zbraně opravdu nejsou použitelné.

Ale v každodenním životě není plazma vždy stejně užitečná. Někdy nastávají situace, kdy je třeba se plazmovým výbojům vyhnout. Například při jakýchkoli spínacích procesech pozorujeme plazmový oblouk mezi kontakty, který je naléhavě nutné uhasit.

Jakákoli látka se skládá z molekul a její fyzikální vlastnosti závisí na tom, jak jsou molekuly uspořádány a jak na sebe vzájemně působí. V běžném životě pozorujeme tři agregovaná skupenství hmoty – pevné, kapalné a plynné.

Voda může být například v pevném (led), kapalném (voda) a plynném (pára) skupenství.

Plyn expanduje, dokud nevyplní celý objem, který je mu přidělen. Uvažujeme-li plyn na molekulární úrovni, uvidíme molekuly náhodně se řítící a narážející mezi sebou a se stěnami nádoby, které však spolu prakticky neinteragují. Pokud zvětšíte nebo snížíte objem nádoby, molekuly se v novém objemu rovnoměrně přerozdělí.

Na rozdíl od plynu při dané teplotě zaujímá pevný objem, má však také podobu naplněné nádoby – ovšem pouze pod její hladinou. Na molekulární úrovni je nejjednodušší uvažovat o kapalině jako o kulovitých molekulách, které, i když jsou ve vzájemném těsném kontaktu, mají svobodu se kolem sebe válet jako kulaté kuličky ve sklenici. Nalijte kapalinu do nádoby - a molekuly se rychle roztečou a zaplní spodní část objemu nádoby, v důsledku toho kapalina vezme svůj tvar, ale nerozteče se v celém objemu nádoby.

Pevný má svůj tvar, nerozteče se po objemu nádobya nemá svou podobu. Na mikroskopické úrovni se atomy lepí k sobě chemické vazby a jejich vzájemná poloha je pevná. Mohou přitom tvořit jak tuhé uspořádané struktury – krystalové mřížky –, tak nahodilou hromadu – amorfní tělesa (to je právě struktura polymerů, které vypadají jako zamotané a lepkavé těstoviny v misce).

Výše byly popsány tři klasické agregované stavy hmoty. Existuje však čtvrtý stav, který fyzici mají tendenci klasifikovat jako agregátní. Toto je stav plazmy. Plazma se vyznačuje částečným nebo úplným odstraněním elektronů z jejich atomových drah, zatímco samotné volné elektrony zůstávají uvnitř látky.

Změnu agregátních stavů hmoty můžeme v přírodě pozorovat na vlastní oči. Voda z povrchu vodních ploch se odpařuje a tvoří se mraky. Kapalina se tedy mění v plyn. V zimě voda v nádržích zamrzá, přechází do pevného skupenství a na jaře zase taje a mění se zpět na kapalinu. Co se stane s molekulami látky, když se změní z jednoho stavu do druhého? Mění se? Liší se například molekuly ledu od molekul páry? Odpověď je jednoznačná: ne. Molekuly zůstávají úplně stejné. Mění se jejich kinetická energie a tím i vlastnosti látky.

Energie molekul páry je dostatečně velká na to, aby se rozptýlila v různých směrech, a když se ochladí, pára kondenzuje na kapalinu a molekuly mají stále dostatek energie pro téměř volný pohyb, ale ne dost na to, aby se odtrhly od přitažlivosti jiných molekul. a odletět. Při dalším ochlazování voda zamrzá, stává se pevným tělesem a energie molekul již nestačí ani na volný pohyb uvnitř těla. Oscilují kolem jednoho místa, držené přitažlivými silami jiných molekul.

Definice

Agregátní skupenství hmoty (z lat. aggrego - připojit, spojit) - jsou to stavy téže látky - pevné, kapalné, plynné.

Při přechodu z jednoho stavu do druhého dochází k náhlé změně energie, entropie, hustoty a dalších charakteristik hmoty.

Pevná a kapalná tělesa

Definice

Pevná tělesa jsou tělesa, která se vyznačují stálostí tvaru a objemu.

V nich jsou mezimolekulární vzdálenosti malé a potenciální energie molekul je srovnatelná s kinetickou. Pevné látky se dělí na dva typy: krystalické a amorfní. Pouze krystalická tělesa jsou ve stavu termodynamické rovnováhy. Amorfní tělesa ve skutečnosti představují metastabilní stavy, které se svou strukturou blíží nerovnováze, pomalu krystalizujícím kapalinám. V amorfním tělese probíhá velmi pomalý proces krystalizace, proces postupného přechodu látky do krystalické fáze. Rozdíl mezi krystalem a amorfní pevnou látkou spočívá především v anizotropii jejích vlastností. Vlastnosti krystalického tělesa závisí na směru v prostoru. V něm se šíří různé druhy procesů, jako je tepelná vodivost, elektrická vodivost, světlo, zvuk různé směry pevné tělo různými způsoby. Amorfní tělesa (sklo, pryskyřice, plasty) jsou izotopická, stejně jako kapaliny. Jediný rozdíl mezi amorfními tělesy a kapalinami je ten, že kapaliny jsou tekuté, statické smykové deformace v nich nejsou možné.

Krystalická tělesa mají správnou molekulární strukturu. Anizotropie jeho vlastností je dána správnou strukturou krystalu. Správné uspořádání atomů krystalu tvoří tzv. krystalovou mřížku. V různých směrech je uspořádání atomů v mřížce různé, což vede k anizotropii. Atomy (nebo ionty nebo celé molekuly) v krystalové mřížce jsou náhodné kmitavý pohyb blízko středních poloh, které jsou považovány za uzly krystalové mřížky. Čím vyšší je teplota, tím větší je energie oscilací, a tedy i průměrná amplituda oscilací. Velikost krystalu závisí na amplitudě kmitů. Zvýšení amplitudy kmitů vede ke zvětšení velikosti těla. To vysvětluje tepelnou roztažnost pevných látek.

Definice

Kapalná tělesa jsou tělesa, která mají určitý objem, ale nemají tvarovou pružnost.

Kapaliny se vyznačují silnou intermolekulární interakcí a nízkou stlačitelností. Kapalina zaujímá mezipolohu mezi pevnou látkou a plynem. Kapaliny, stejně jako plyny, jsou izotopické. Kromě toho má kapalina tekutost. V něm, stejně jako v plynech, nedochází k tangenciálním napětím (smykovým napětím) těles. Kapaliny jsou těžké, tzn. jejich měrná hmotnost je srovnatelná s měrnou hmotností pevných látek. V blízkosti krystalizačních teplot se jejich tepelné kapacity a další tepelné charakteristiky blíží teplotám pevných látek. V kapalinách je do určité míry pozorováno správné uspořádání atomů, ale pouze na malých plochách. Zde také atomy oscilují v blízkosti uzlů kvazikrystalické buňky, ale na rozdíl od atomů pevného tělesa čas od času přeskakují z jednoho uzlu do druhého. V důsledku toho bude pohyb atomů velmi složitý: je oscilační, ale zároveň se centrum vibrací pohybuje v prostoru.

Plyn, vypařování, kondenzace a tání

Definice

Plyn je stav hmoty, ve kterém jsou vzdálenosti mezi molekulami velké.

Síly interakce mezi molekulami při nízkých tlacích lze zanedbat. Částice plynu vyplňují celý objem, který je plynu dodáván. Plyny lze považovat za vysoce přehřáté nebo nenasycené páry. Plazma je zvláštní druh plynu – je to částečně nebo úplně ionizovaný plyn, ve kterém je hustota kladných a záporných nábojů téměř stejná. Plazma je plyn nabitých částic, které na sebe vzájemně působí pomocí elektrických sil na velkou vzdálenost, ale nemají blízké a vzdálené částice.

Látky se mohou měnit z jednoho stavu agregace do druhého.

Definice

Vypařování je proces změny stavu agregace látky, při kterém z povrchu kapaliny nebo pevné látky vylétají molekuly, jejichž kinetická energie převyšuje potenciální energii interakce molekul.

Odpařování je fázový přechod. Během odpařování přechází část kapaliny nebo pevné látky do páry. Látka v plynném stavu, která je v dynamické rovnováze s kapalinou, se nazývá nasycená pára. Zároveň ta změna vnitřní energie těla:

\[\trojúhelník \ U=\pm pane\ \left(1\right),\]

kde m je tělesná hmotnost, r je specifické výparné teplo (J / kg).

Definice

Kondenzace je opačný proces odpařování.

Výpočet změny vnitřní energie se provádí podle vzorce (1).

Definice

Tavení je proces přechodu látky z pevného do kapalného skupenství, proces změny stavu agregace látky.

Když se látka zahřívá, její vnitřní energie se zvyšuje, a proto se zvyšuje rychlost tepelného pohybu molekul. V případě, že je dosaženo bodu tání látky, začne se krystalická mřížka pevné látky rozpadat. Vazby mezi částicemi jsou zničeny, energie interakce mezi částicemi se zvyšuje. Teplo přenesené do těla zvyšuje vnitřní energii tohoto těla a část energie jde na práci na změně objemu těla, když taje. U většiny krystalických těles se objem při tavení zvětšuje, ale existují výjimky, například led, litina. Amorfní tělesa nemají konkrétní bod tání. Tavení je fázový přechod, který je doprovázen náhlou změnou tepelné kapacity při teplotě tání. Teplota tání závisí na látce a během procesu se nemění. V tomto případě změna vnitřní energie těla:

\[\trojúhelník U=\pm m\lambda \left(2\right),\]

kde $\lambda $ je specifické teplo tání (J/kg).

Opačným procesem tavení je krystalizace. Výpočet změny vnitřní energie se provádí podle vzorce (2).

Změnu vnitřní energie každého tělesa systému v případě vytápění nebo chlazení lze vypočítat podle vzorce:

\[\triangle U=mc\trojuhelník T\left(3\right),\]

kde c je měrné teplo látky, J/(kgK), $\trojúhelník T$ je změna tělesné teploty.

Při studiu přechodů látek z jednoho stavu agregace do druhého se neobejdeme bez tzv. rovnice tepelné bilance, která říká: celkové množství tepla, které se uvolní v tepelně izolovaném systému, se rovná množství teplo (celkové), které je absorbováno v tomto systému.

Rovnice tepelné bilance je ve svém významu zákonem zachování energie pro procesy přenosu tepla v tepelně izolovaných systémech.

Příklad 1

Zadání: V tepelně izolované nádobě je voda a led o teplotě $t_i= 0^oС$. Hmotnosti vody ($m_(v\ ))$ a ledu ($m_(i\))$ jsou 0,5 kg a 60 g. Do vody se vpouští vodní pára o hmotnosti $m_(p\ )=$10 g. při teplotě $t_p= 100^oС$. Jaká bude teplota vody v nádobě po ustavení tepelné rovnováhy? Tepelná kapacita nádoby je ignorována.

Řešení: Pojďme určit, jaké procesy v systému probíhají, jaké agregované stavy hmoty jsme měli a co jsme získali.

Vodní pára kondenzuje a uvolňuje teplo.

Toto teplo se využívá k tání ledu a případně k ohřevu dostupné a z ledu získané vody.

Nejprve zkontrolujeme, kolik tepla se uvolní při kondenzaci dostupné hmoty páry:

zde z referenčních materiálů máme $r=2,26 10^6\frac(J)(kg)$ - měrné skupenské teplo vypařování (použitelné i pro kondenzaci).

Teplo potřebné k roztavení ledu:

zde z referenčních materiálů máme $\lambda =3,3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - měrné teplo tání ledu.

Dostaneme, že pára vydá více tepla, než je potřeba, jen aby rozpustila stávající led, proto zapíšeme rovnici tepelné bilance ve tvaru:

Teplo se uvolňuje, když pára o hmotnosti $m_(p\ )$ kondenzuje a voda, která z páry vzniká, se ochlazuje z teploty $T_p$ na požadovanou T. Teplo je absorbováno při tání ledu o hmotnosti $m_(i\ )$ a voda o hmotnosti $m_v+ se ohřeje m_i$ z teploty $T_i$ na $T.\ $ Označme $T-T_i=\trojúhelník T$, pro rozdíl $T_p-T$ dostaneme:

Rovnice tepelné bilance bude mít tvar:

\ \ \[\trojúhelník T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\left(m_v+m_i+m_(p\ )\right))\left (1,6\vpravo)\]

Provedeme výpočty s přihlédnutím k tomu, že tepelná kapacita vody je tabulková $c=4,2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273 000 $:

$\triangle T=\frac(2,26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4,2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2)\cdot 3,3\cdot 10^5)(4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^(-1))\cca 3\left(K\right)$pak T=273+3=276 (K)

Odpověď: Teplota vody v nádobě po ustavení tepelné rovnováhy bude rovna 276 K.

Příklad 2

Úkol: Na obrázku je řez izotermy odpovídající přechodu látky z krystalického do kapalného skupenství. Co odpovídá této části na p,T diagramu?

Celá sada stavů znázorněná v diagramu p,V horizontálníúsečka na diagramu p,T je reprezentována jedním bodem, který určuje hodnoty p a T, ve kterých dochází k přechodu z jednoho stavu agregace do druhého.

Souhrnný stav hmoty

Látka- reálný soubor částic propojených chemickými vazbami a za určitých podmínek v jednom ze stavů agregace. Jakákoli látka se skládá z kombinace velmi velký početčástice: atomy, molekuly, ionty, které se mohou vzájemně spojovat do asociátů, nazývaných také agregáty nebo shluky. V závislosti na teplotě a chování částic v asociátech (vzájemné uspořádání částic, jejich počet a interakce v asociátech, stejně jako rozložení asociátů v prostoru a jejich vzájemné působení) se látka může nacházet ve dvou hlavních stavech. agregace - krystalické (pevné) nebo plynné, a v přechodných stavech agregace - amorfní (pevné), tekuté krystaly, kapaliny a páry. Pevné, kapalné krystaly a kapalné stavy agregace jsou kondenzovány a páry a plyny jsou silně vypouštěny.

Fáze- jedná se o soubor homogenních mikroregionů, vyznačujících se stejnou uspořádaností a koncentrací částic a uzavřených v makroskopickém objemu látky ohraničené rozhraním. V tomto chápání je fáze charakteristická pouze pro látky, které jsou v krystalickém a plynném stavu, protože jsou to homogenní agregované stavy.

metafáze- jedná se o soubor heterogenních mikroregionů, které se od sebe liší stupněm uspořádání částic nebo jejich koncentrací a jsou uzavřeny v makroskopickém objemu látky ohraničené rozhraním. V tomto chápání je metafáze charakteristická pouze pro látky, které jsou v nehomogenních přechodových stavech agregace. Různé fáze a metafáze se mohou vzájemně mísit, tvořit jeden stav agregace, a pak mezi nimi není žádné rozhraní.

Obvykle neoddělujte pojem „základní“ a „přechodný“ stav agregace. Pojmy „agregátní stav“, „fáze“ a „mezofáze“ se často používají jako synonyma. Je vhodné zvážit pět možných agregovaných stavů pro skupenství látek: pevná látka, tekuté krystaly, kapalina, pára, plyn. Přechod jedné fáze do druhé fáze se nazývá fázový přechod prvního a druhého řádu. Fázové přechody prvního druhu se vyznačují:

Náhlá změna fyzikálních veličin, které popisují stav hmoty (objem, hustota, viskozita atd.);

Určitá teplota, při které dochází k danému fázovému přechodu

Určité teplo, které tento přechod charakterizuje, protože rozbít mezimolekulární vazby.

Fázové přechody prvního druhu jsou pozorovány během přechodu z jednoho stavu agregace do jiného stavu agregace. Fázové přechody druhého druhu jsou pozorovány, když se mění uspořádání částic ve stejném agregovaném stavu, jsou charakterizovány:

postupná změna fyzikální vlastnosti látky;

Změna v uspořádání částic látky působením gradientu vnějších polí nebo při určité teplotě, nazývané teplota fázového přechodu;

Teplo fázových přechodů druhého řádu je rovné a blízké nule.

Hlavní rozdíl mezi fázovými přechody prvního a druhého řádu spočívá v tom, že při přechodech prvního druhu se mění především energie částic systému a v případě přechodů druhého druhu se mění uspořádání částice systému se mění.

Přechod látky z pevného do kapalného skupenství se nazývá tání a vyznačuje se teplotou tání. Přechod látky z kapalného do plynného stavu se nazývá vypařování a vyznačuje se bodem varu. U některých látek s malou molekulovou hmotností a slabou mezimolekulární interakcí je možný přímý přechod z pevného skupenství do skupenství plynného, ​​přičemž se obchází skupenství kapalné. Takový přechod se nazývá sublimace. Všechny tyto procesy mohou probíhat opačným směrem: pak jsou volány zmrazení, kondenzace, desublimace.

Látky, které se při tavení a varu nerozkládají, mohou být v závislosti na teplotě a tlaku ve všech čtyřech stavech agregace.

Pevné skupenství

Při dostatečně nízkých teplotách jsou téměř všechny látky v pevném stavu. V tomto stavu je vzdálenost mezi částicemi látky srovnatelná s velikostí částic samotných, což zajišťuje jejich silnou interakci a značný přebytek jejich potenciální energie nad energií kinetickou. To vede k vnitřnímu řádu v uspořádání částic. Proto se pevné látky vyznačují vlastním tvarem, mechanickou pevností, stálým objemem (jsou prakticky nestlačitelné). Podle stupně uspořádání částic se pevné látky dělí na krystalické a amorfní.

Krystalické látky se vyznačují přítomností řádu v uspořádání všech částic. Pevná fáze krystalických látek se skládá z částic, které tvoří homogenní strukturu, vyznačující se přísnou opakovatelností stejné základní buňky ve všech směrech. Elementární buňka krystalu charakterizuje trojrozměrnou periodicitu v uspořádání částic, tzn. jeho krystalová mřížka. Krystalové mřížky jsou klasifikovány podle typu částic, které tvoří krystal, a podle povahy přitažlivých sil mezi nimi.

Mnoho krystalických látek může mít v závislosti na podmínkách (teplota, tlak) různou krystalickou strukturu. Tento jev se nazývá polymorfismus. Známé polymorfní modifikace uhlíku: grafit, fulleren, diamant, karabina.

Amorfní (beztvaré) látky. Tento stav je typický pro polymery. Dlouhé molekuly se snadno ohýbají a proplétají s jinými molekulami, což vede k nepravidelnostem v uspořádání částic.

Rozdíl mezi amorfními částicemi a krystalickými částicemi:

izotropie - stejnost fyzikálních a chemických vlastností tělesa nebo média ve všech směrech, tzn. nezávislost vlastností na směru;

žádný pevný bod tání.

Sklo, tavený křemen a mnoho polymerů má amorfní strukturu. Amorfní látky jsou méně stabilní než krystalické, a proto se jakékoli amorfní těleso může časem přesunout do energeticky stabilnějšího stavu - krystalického.

tekutého stavu

Se stoupající teplotou se zvyšuje energie tepelných vibrací částic a pro každou látku existuje teplota, od které energie tepelných vibrací převyšuje energii vazeb. Částice mohou vykonávat různé pohyby a vzájemně se posouvat. Stále zůstávají v kontaktu, i když je narušena správná geometrická struktura částic - látka existuje v kapalném stavu. Vzhledem k pohyblivosti částic je kapalné skupenství charakterizováno Brownovým pohybem, difúzí a těkavostí částic. Důležitou vlastností kapaliny je viskozita, která charakterizuje interasociativní síly, které brání volnému proudění kapaliny.

Kapaliny zaujímají mezilehlou polohu mezi plynným a pevným skupenstvím hmoty. Spořádanější struktura než plyn, ale méně než pevná látka.

Pára a plynné skupenství

Parno-plynné skupenství se většinou nerozlišuje.

plyn - jde o vysoce řídký homogenní systém, skládající se z jednotlivých molekul daleko od sebe, který lze považovat za jedinou dynamickou fázi.

Parní - jedná se o vysoce vybitý nehomogenní systém, který je směsí molekul a nestabilních malých asociátů sestávajících z těchto molekul.

Molekulárně-kinetická teorie vysvětluje vlastnosti ideálního plynu na základě následujících ustanovení: molekuly provádějí nepřetržitý náhodný pohyb; objem molekul plynu je zanedbatelný ve srovnání s mezimolekulárními vzdálenostmi; mezi molekulami plynu nejsou žádné přitažlivé ani odpudivé síly; průměrná kinetická energie molekul plynu je úměrná jeho absolutní teplotě. Vzhledem k nevýznamnosti sil intermolekulární interakce a přítomnosti velkého volného objemu se plyny vyznačují: vysokou rychlostí tepelného pohybu a molekulární difúze, touhou molekul zabírat co největší objem a také vysokou stlačitelností .

Izolovaný systém v plynné fázi je charakterizován čtyřmi parametry: tlak, teplota, objem, množství látky. Vztah mezi těmito parametry popisuje stavová rovnice pro ideální plyn:

R = 8,31 kJ/mol je univerzální plynová konstanta.

DEFINICE

Látka- soubor velkého množství částic (atomů, molekul nebo iontů).

Látky mají složitou strukturu. Částice ve hmotě na sebe vzájemně působí. Povaha interakce částic v látce určuje její stav agregace.

Typy agregovaných stavů

Rozlišují se tyto stavy agregace: pevná látka, kapalina, plyn, plazma.

V pevném stavu se částice zpravidla spojují do pravidelné geometrické struktury. Vazebná energie částic je větší než energie jejich tepelných vibrací.

Zvyšuje-li se tělesná teplota, zvyšuje se energie tepelných kmitů částic. Při určité teplotě se energie tepelných vibrací stává větší než energie vazby. Při této teplotě jsou vazby mezi částicemi zničeny a znovu vytvořeny. V tomto případě částice tvoří různé druhy pohyby (oscilace, rotace, pohyby vůči sobě atd.). Stále jsou však spolu v kontaktu. Správná geometrická struktura je porušena. Látka je v kapalném stavu.

S dalším zvyšováním teploty se tepelné výkyvy zintenzivňují, vazby mezi částicemi jsou ještě slabší a prakticky neexistují. Látka je v plynném stavu. Nejjednodušším modelem hmoty je ideální plyn, ve kterém se předpokládá, že částice se volně pohybují libovolným směrem, interagují spolu pouze v okamžiku srážek, přičemž jsou splněny zákony pružného nárazu.

Lze usuzovat, že s rostoucí teplotou přechází látka z uspořádané struktury do neuspořádaného stavu.

Plazma je plynná látka sestávající ze směsi neutrálních částic iontů a elektronů.

Teplota a tlak v různých skupenstvích hmoty

Různé agregované stavy hmoty určují: teplotu a tlak. Nízký tlak a vysoká teplota odpovídají plynům. Při nízkých teplotách je látka obvykle v pevném stavu. Meziteploty se týkají látek v kapalném stavu. Fázový diagram se často používá k charakterizaci agregovaných stavů látky. Jedná se o diagram znázorňující závislost stavu agregace na tlaku a teplotě.

Hlavním rysem plynů je jejich schopnost rozpínání a stlačitelnost. Plyny nemají tvar, mají tvar nádoby, ve které jsou umístěny. Objem plynu určuje objem nádoby. Plyny se mohou vzájemně mísit v libovolném poměru.

Kapalina nemá tvar, ale má objem. Kapaliny se špatně stlačují, pouze při vysokém tlaku.

Pevné látky mají tvar a objem. V pevném stavu mohou být sloučeniny s kovovými, iontovými a kovalentními vazbami.

Příklady řešení problémů

PŘÍKLAD 1

Cvičení

Nakreslete fázový diagram stavů pro nějakou abstraktní látku. Vysvětlete jeho význam.

Řešení

Udělejme nákres. Stavový diagram je na obr.1. Skládá se ze tří oblastí, které odpovídají krystalickému (pevnému) skupenství hmoty, kapalnému a plynnému skupenství. Tyto oblasti jsou odděleny křivkami, které označují hranice vzájemně inverzních procesů: 01 - tání - krystalizace; 02 - var - kondenzace; 03 - sublimace - desublimace. Průsečík všech křivek (O) je trojný bod. V tomto bodě může hmota existovat ve třech stavech agregace. Je-li teplota látky nad kritickou () (bod 2), pak je kinetická energie částic větší než potenciální energie jejich interakce, při takových teplotách se látka stává plynem při jakémkoli tlaku. Z fázového diagramu je vidět, že pokud je tlak větší než , pak se při zvýšení teploty pevná látka roztaje. Po roztavení vede zvýšení tlaku ke zvýšení bodu varu. Pokud je tlak menší než , pak zvýšení teploty pevné látky vede k jejímu přechodu přímo do plynného skupenství (sublimace) (bod G).

PŘÍKLAD 2

Cvičení

Vysvětlete, co odlišuje jeden stav agregace od druhého?

Řešení

V různých stavech agregace mají atomy (molekuly) různá uspořádání. Takže atomy (molekuly nebo ionty) krystalových mřížek jsou uspořádány uspořádaně, mohou vytvářet malé vibrace kolem rovnovážných poloh. Molekuly plynů jsou v neuspořádaném stavu a mohou se pohybovat na značné vzdálenosti. Navíc vnitřní energie látek v různých agregovaných stavech (pro stejné hmotnosti hmoty) při různé teploty odlišný. Procesy přechodu z jednoho stavu agregace do druhého jsou doprovázeny změnou vnitřní energie. Přechod: pevná látka - kapalina - plyn znamená zvýšení vnitřní energie, protože dochází ke zvýšení kinetické energie pohybu molekul.