Mis on plasma - ebatavaline gaas

Alates lapsepõlvest teame mitmeid ainete agregatsiooni seisundeid. Võtame näiteks vee. Selle tavapärane olek on kõigile teada - vedel, see on levinud kõikjal: jõgedes, järvedes, meredes, ookeanides. Teine agregatsiooni olek on gaas. Me ei näe teda sageli. Enamik lihtne viis jõuda vee lähedal gaasilisse olekusse – keeta. Aur pole midagi muud kui vee gaasiline olek. Kolmas koondseisund - tahke. Sarnast juhtumit võime jälgida näiteks talvekuudel. Jää on jäätunud vesi ja seal on kolmas agregatsiooni olek.
See näide näitab selgelt, et peaaegu igal ainel on kolm agregatsiooni olekut. Mõne jaoks on seda lihtne saavutada, teiste jaoks on see keerulisem (vajalikud on eritingimused).

Aga kaasaegne füüsika tõstab esile teise, iseseisva aine oleku – plasma.

Plasma on ioniseeritud gaas, millel on sama positiivsete ja negatiivsete laengute tihedus. Nagu teate, läheb iga aine tugeva kuumutamise korral kolmandasse agregatsiooniolekusse - gaasi. Kui jätkame saadud gaasilise aine kuumutamist, siis väljundis saame aine, mille termilise ionisatsiooni protsess on järsult suurenenud, gaasi moodustavad aatomid lagunevad ioonideks. Seda seisundit saab jälgida palja silmaga. Meie Päike on täht, nagu miljonid teised tähed ja galaktikad universumis, pole midagi muud kui kõrge temperatuuriga plasma. Kahjuks ei eksisteeri Maal plasma looduslikes tingimustes. Kuid me võime seda siiski jälgida, näiteks välgusähvatust. Laboratoorsetes tingimustes saadi esmalt plasma kõrgepinge läbi gaasi juhtimisel. Tänapäeval kasutavad paljud meist igapäevaelus plasmat – need on tavalised gaaslahendusluminofoorlambid. Tänavatel näeb kogu aeg neoonreklaami, mis pole midagi muud kui madala temperatuuriga plasma klaastorudes.

Selleks, et gaasilisest olekust plasmasse jõuda, tuleb gaas ioniseerida. Ionisatsiooniaste sõltub otseselt aatomite arvust. Teine tingimus on temperatuur.

Kuni 1879. aastani kirjeldas füüsika ainult kolme ainete agregatsiooni olekut ja lähtus sellest. Kuigi inglise teadlane, keemik ja füüsik William Crookes ei hakanud katseid läbi viima gaaside elektrijuhtivuse uurimisel. Tema avastuste hulka kuuluvad Thalia elemendi avastamine, heeliumi tootmine laboris ja loomulikult esimesed katsed külma plasma tootmisega gaaslahendustorudes. Tuntud terminit "plasma" kasutas esimest korda 1923. aastal Ameerika teadlane Langmuir ja hiljem Tonkson. Kuni selle ajani tähendas "plasma" ainult vere või piima värvitut komponenti.

Tänased uuringud näitavad vastupidiselt levinud arvamusele, et umbes 99% kogu universumi ainest on plasma olekus. Kõik tähed, kogu tähtedevaheline ruum, galaktikad, udukogud, päikeseventilaator on tüüpilised plasma esindajad.
Maal võime selliseid jälgida looduslik fenomen nagu välk Virmalised, "Püha Elmo tuli", Maa ionosfäär ja loomulikult tuli.
Inimene on õppinud ka plasmat enda heaks kasutama. Tänu aine neljandale agregaatolekule saame kasutada gaaslahenduslampe, plasmatelereid, elektrikaarkeevitust ja lasereid. Samuti võime jälgida plasmanähtusi tuumaplahvatuse või kosmoserakettide stardi ajal.

Üheks prioriteetseks uuringuks plasma suunal võib pidada termotuumasünteesi reaktsiooni, millest peaks saama tuumaenergia ohutu asendus.

Klassifikatsiooni järgi jaguneb plasma madalatemperatuurseks ja kõrgtemperatuurseks, tasakaaluliseks ja mittetasakaaluliseks, ideaalseks ja mitteideaalseks.
Madala temperatuuriga plasmat iseloomustab madal ionisatsiooniaste (umbes 1%) ja temperatuur kuni 100 tuhat kraadi. Just sel põhjusel kasutatakse seda tüüpi plasmat sageli erinevates tehnoloogilistes protsessides (teemantkile sadestumine pinnale, aine märguvuse muutumine, vee osoonimine jne).

Kõrgel temperatuuril ehk “kuumal” plasmal on peaaegu 100% ionisatsioon (see on olek, mida mõeldakse neljanda agregatsiooni oleku all) ja temperatuurid kuni 100 miljonit kraadi. Looduses on nad tähed. Maapealsetes tingimustes kasutatakse termotuumasünteesi katseteks just kõrgtemperatuurset plasmat. Kontrollitud reaktsioon on üsna keeruline ja energiamahukas, kuid kontrollimatu on end piisavalt tõestanud kolossaalse jõu relvana - NSVLi poolt 12. augustil 1953 katsetatud termotuumapomm.
Kuid need on äärmused. Külm plasma on inimelus kindlalt oma koha sisse võtnud, kasulikust juhitavast termotuumasünteesist võib veel unistada, relvad pole tegelikult rakendatavad.

Kuid igapäevaelus pole plasma alati võrdselt kasulik. Mõnikord on olukordi, kus plasma tühjenemist tuleks vältida. Näiteks mis tahes lülitusprotsessis jälgime kontaktide vahel plasmakaaret, mis tuleb kiiresti kustutada.

Iga aine koosneb molekulidest ja selle füüsikalised omadused sõltuvad sellest, kuidas molekulid on järjestatud ja kuidas nad omavahel suhtlevad. Tavaelus jälgime aine kolme koondolekut – tahket, vedelat ja gaasilist.

Näiteks võib vesi olla tahkes (jää), vedelas (vesi) ja gaasilises (aur) olekus.

Gaas laieneb, kuni see täidab kogu talle eraldatud mahu. Kui vaadelda gaasi molekulaarsel tasemel, näeme molekule juhuslikult tormasid ja põrkuvad üksteise ja anuma seintega, mis aga praktiliselt ei suhtle üksteisega. Kui suurendate või vähendate anuma mahtu, jaotuvad molekulid uues mahus ühtlaselt ümber.

Erinevalt antud temperatuuril gaasist on sellel fikseeritud ruumala, kuid see on ka täidetud anuma kujul, kuid ainult allpool selle pinnataset. Molekulaarsel tasandil on vedelikku kõige lihtsam mõelda sfääriliste molekulidena, mis, kuigi nad on üksteisega tihedas kontaktis, võivad vabalt üksteise ümber veereda, nagu ümmargused helmed purgis. Valage anumasse vedelik - ja molekulid levivad kiiresti ja täidavad anuma mahu alumise osa, mille tulemusena võtab vedelik oma kuju, kuid ei levi kogu anuma mahus.

Tahke on oma kujuga, ei levi üle mahuti mahuja ei võta oma kuju. Mikroskoopilisel tasemel kleepuvad aatomid üksteise külge keemilised sidemed ja nende asukoht üksteise suhtes on fikseeritud. Ühtlasi võivad need moodustada nii jäiku järjestatud struktuure – kristallvõresid – kui ka juhuslikku hunnikut – amorfseid kehasid (just selline on polümeeride struktuur, mis näevad kausis välja nagu sassis ja kleepuv pasta).

Eespool on kirjeldatud kolme klassikalist aine agregeeritud olekut. Siiski on ka neljas olek, mida füüsikud kipuvad liigitama agregaadiks. See on plasma olek. Plasmat iseloomustab elektronide osaline või täielik eemaldamine nende aatomiorbiitidelt, samal ajal kui vabad elektronid ise jäävad aine sisse.

Aine agregeeritud olekute muutumist saame oma silmaga jälgida looduses. Veekogude pinnalt aurustub vesi ja tekivad pilved. Nii muutub vedelik gaasiks. Talvel vesi reservuaarides külmub, muutudes tahkeks ja kevadel sulab uuesti, muutudes tagasi vedelikuks. Mis juhtub aine molekulidega, kui see muutub ühest olekust teise? Kas nad muutuvad? Kas näiteks jäämolekulid erinevad aurumolekulidest? Vastus on ühemõtteline: ei. Molekulid jäävad täpselt samaks. Nende kineetiline energia muutub ja vastavalt ka aine omadused.

Aurumolekulide energia on piisavalt suur, et hajuda erinevatesse suundadesse ja jahtudes kondenseerub aur vedelikuks ning molekulidel on veel piisavalt energiat peaaegu vabaks liikumiseks, kuid mitte piisavalt, et eemalduda teiste molekulide külgetõmbejõust. ja lennata minema. Edasisel jahutamisel vesi külmub, muutudes tahkeks kehaks ning molekulide energiast ei piisa enam isegi kehasiseseks vabaks liikumiseks. Nad võnguvad ümber ühe koha, mida hoiavad teiste molekulide atraktiivsed jõud.

Definitsioon

Aine agregeeritud olekud (ladina keelest aggrego - kinnituda, ühendada) - need on sama aine olekud - tahke, vedel, gaasiline.

Ühest olekust teise üleminekul toimub mateeria energia, entroopia, tiheduse ja muude omaduste järsk muutus.

Tahked ja vedelad kehad

Definitsioon

Tahked kehad on kehad, mida eristab kuju ja ruumala püsivus.

Nendes on molekulidevahelised kaugused väikesed ja molekulide potentsiaalne energia võrreldav kineetilisega. Tahked ained jagunevad kahte tüüpi: kristalsed ja amorfsed. Termodünaamilises tasakaalus on ainult kristalsed kehad. Amorfsed kehad esindavad tegelikult metastabiilseid olekuid, mis oma struktuuris lähenevad mittetasakaalulistele, aeglaselt kristalliseeruvatele vedelikele. Amorfses kehas toimub väga aeglane kristalliseerumisprotsess, aine järkjärguline üleminek kristalliliseks faasiks. Kristalli ja amorfse tahke aine erinevus seisneb eelkõige selle omaduste anisotroopsuses. Kristallilise keha omadused sõltuvad suunast ruumis. Sisse levivad mitmesugused protsessid, nagu soojusjuhtivus, elektrijuhtivus, valgus, heli erinevaid suundi tahke keha erineval viisil. Amorfsed kehad (klaas, vaigud, plastid) on isotoopsed, nagu vedelikud. Amorfsete kehade ja vedelike erinevus on ainult selles, et viimased on vedelad, staatilised nihkedeformatsioonid on neis võimatud.

Kristallilistel kehadel on õige molekulaarstruktuur. Selle omaduste anisotroopsus on tingitud kristalli õigest struktuurist. Kristalli aatomite õige paigutus moodustab nn kristallvõre. Erinevates suundades on aatomite paigutus võres erinev, mis toob kaasa anisotroopia. Aatomid (või ioonid või terved molekulid) kristallvõres on juhuslikud võnkuv liikumine keskmiste positsioonide lähedal, mida peetakse kristallvõre sõlmedeks. Mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on võnkumiste energia ja seega ka võnkumiste keskmine amplituud. Kristalli suurus oleneb võnkumiste amplituudist. Võnkumiste amplituudi suurenemine toob kaasa keha suuruse suurenemise. See seletab tahkete ainete soojuspaisumist.

Definitsioon

Vedelkehad on kehad, millel on teatud maht, kuid millel puudub vormielastsus.

Vedelikke iseloomustab tugev molekulidevaheline interaktsioon ja madal kokkusurutavus. Vedelik asub tahke ja gaasilise aine vahel. Vedelikud, nagu gaasid, on isotoopsed. Lisaks on vedelikul voolavus. Selles, nagu gaasides, puuduvad kehade tangentsiaalsed pinged (nihkepinged). Vedelikud on rasked, st. nende erikaal on võrreldav tahkete ainete erikaaluga. Kristallisatsioonitemperatuuride lähedal on nende soojusmahtuvus ja muud termilised omadused lähedased tahkete ainete omadele. Vedelikes täheldatakse teatud määral aatomite õiget paigutust, kuid ainult väikestes piirkondades. Siin võnguvad aatomid ka kvaasikristallilise raku sõlmede läheduses, kuid erinevalt tahke keha aatomitest hüppavad nad aeg-ajalt ühest sõlmest teise. Selle tulemusena on aatomite liikumine väga keeruline: see on võnkuv, kuid samal ajal liigub võnkekeskus ruumis.

Gaas, aurustumine, kondenseerumine ja sulamine

Definitsioon

Gaas on aine olek, milles molekulide vahelised kaugused on suured.

Molekulide vastastikmõju madalal rõhul võib tähelepanuta jätta. Gaasiosakesed täidavad kogu gaasile antava mahu. Gaase võib pidada tugevalt ülekuumenenud või küllastumata aurudeks. Plasma on gaasi eriliik – see on osaliselt või täielikult ioniseeritud gaas, milles positiivsete ja negatiivsete laengute tihedus on peaaegu sama. Plasma on gaas, mis koosneb laetud osakestest, mis interakteeruvad üksteisega, kasutades elektrilisi jõude suurel kaugusel, kuid millel ei ole lähedal ja kaugel olevaid osakesi.

Ained võivad muutuda ühest agregatsiooniolekust teise.

Definitsioon

Aurustumine on aine agregatsiooni oleku muutmise protsess, mille käigus vedeliku või tahke aine pinnalt lendavad välja molekulid, mille kineetiline energia ületab molekulide interaktsiooni potentsiaalse energia.

Aurustumine on faasisiire. Aurustumise käigus läheb osa vedelikust või tahkest ainest auruks. Gaasilises olekus ainet, mis on vedelikuga dünaamilises tasakaalus, nimetatakse küllastunud auruks. Samal ajal muutus sisemine energia kehad:

\[\kolmnurk \ U=\pm mr\ \left(1\right),\]

kus m on kehamass, r on aurustumissoojus (J / kg).

Definitsioon

Kondensatsioon on aurustumise vastupidine protsess.

Siseenergia muutuse arvutamine toimub valemi (1) järgi.

Definitsioon

Sulamine on aine ülemineku protsess tahkest olekust vedelasse, aine agregatsiooni oleku muutmise protsess.

Aine kuumutamisel suureneb selle siseenergia, mistõttu suureneb molekulide soojusliikumise kiirus. Aine sulamistemperatuuri saavutamisel hakkab tahke aine kristallvõre lagunema. Osakeste vahelised sidemed hävivad, osakeste omavahelise vastasmõju energia suureneb. Kehale ülekantav soojus läheb selle keha siseenergia suurendamiseks ja osa energiast läheb sulades keha mahtu muutva töö tegemisele. Enamiku kristalsete kehade puhul suureneb sulamisel maht, kuid on ka erandeid, näiteks jää, malm. Amorfsetel kehadel ei ole kindlat sulamistemperatuuri. Sulamine on faasiüleminek, millega kaasneb järsk soojusmahtuvuse muutus sulamistemperatuuril. Sulamistemperatuur sõltub ainest ega muutu protsessi käigus. Sel juhul muutub keha siseenergia:

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

kus $\lambda $ on sulamise erisoojus (J/kg).

Sulamise vastupidine protsess on kristalliseerumine. Siseenergia muutuse arvutamine toimub valemi (2) järgi.

Süsteemi iga keha siseenergia muutuse kütmise või jahutamise korral saab arvutada järgmise valemiga:

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

kus c on aine erisoojus, J/(kgK), $\kolmnurk T$ on kehatemperatuuri muutus.

Uurides ainete üleminekuid ühest agregatsiooniseisundist teise, ei saa ilma nn soojusbilansi võrrandita, mis ütleb: soojusisolatsiooniga süsteemis eralduv soojushulk on võrdne soojus (kokku), mis selles süsteemis neeldub.

Oma tähenduses on soojusbilansi võrrand soojusisolatsiooniga süsteemide soojusülekande protsesside energia jäävuse seadus.

Näide 1

Ülesanne: Soojusisolatsiooniga anumas on vesi ja jää temperatuuril $t_i= 0^oС$. Vee ($m_(v\ ))$ ja jää ($m_(i\ ))$ mass on vastavalt 0,5 kg ja 60 g. Vette lastakse veeauru massiga $m_(p\ )=$10 g. temperatuuril $t_p= 100^oС$. Milline on vee temperatuur anumas pärast termilise tasakaalu saavutamist? Anuma soojusmahtuvust eiratakse.

Lahendus: Teeme kindlaks, millised protsessid süsteemis toimuvad, millised aine agregeeritud olekud meil olid ja mis me saime.

Veeaur kondenseerub, eraldades soojust.

Seda soojust kasutatakse jää sulatamiseks ja võimalusel ka olemasoleva ja jääst saadava vee soojendamiseks.

Kõigepealt kontrollime, kui palju soojust vabaneb olemasoleva auru massi kondenseerumisel:

siin on võrdlusmaterjalidest $r=2,26 10^6\frac(J)(kg)$ - erisoojus aurustumissoojus (sobib ka kondensatsiooni korral).

Jää sulamiseks vajalik soojus:

siin on võrdlusmaterjalidest $\lambda =3,3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - jää sulamise erisoojus.

Saame, et aur eraldab rohkem soojust kui vaja, ainult olemasoleva jää sulatamiseks, seetõttu kirjutame soojusbilansi võrrandi kujul:

Soojus vabaneb, kui aur massiga $m_(p\ )$ kondenseerub ja aurust moodustunud vesi jahtub temperatuurilt $T_p$ soovitud väärtuseni T. Soojus neeldub jää sulamisel massiga $m_(i\ )$ ja vett massiga $m_v+ kuumutatakse m_i$ temperatuurist $T_i$ kuni $T.\ $ Tähistage $T-T_i=\kolmnurka T$, erinevuse $T_p-T$ jaoks saame:

Soojusbilansi võrrand on järgmisel kujul:

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

Teostame arvutused, võttes arvesse, et vee soojusmahtuvus on tabelina $c=4,2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273K$:

$\kolmnurk T=\frac(2,26\cpunkt 10^6\cpunkt 10^(-2)+4,2\cpunkt 10^3\cpunkt 10^(-2)10^2-6\cpunkt 10^ (-2)\cpunkt 3,3\cpunkt 10^5)(4,2\cpunkt 10^3\cpunkt 5,7\cpunkt 10^(-1))\umbes 3\vasak(K\parem)$siis T = 273 + 3 = 276 (K)

Vastus: Vee temperatuur anumas on pärast termilise tasakaalu saavutamist võrdne 276 K-ga.

Näide 2

Ülesanne: Joonisel on kujutatud isotermi lõige, mis vastab aine üleminekule kristallilisest olekust vedelasse. Mis vastab sellele jaotisele p,T diagrammil?

Kogu diagrammil kujutatud olekute komplekt p,V horisontaalne sirgjoonelist segmenti diagrammil p,T tähistab üks punkt, mis määrab p ja T väärtused, kus toimub üleminek ühest koondamisolekust teise.

Aine koondolek

Aine- reaalne osakeste kogum, mis on omavahel ühendatud keemiliste sidemetega ja teatud tingimustel ühes agregatsiooniseisundis. Iga aine koosneb kombinatsioonist väga suur hulk osakesed: aatomid, molekulid, ioonid, mis võivad omavahel ühineda assotsieerunud osakesteks, mida nimetatakse ka agregaatideks või klastriteks. Olenevalt assotsieerunud osakeste temperatuurist ja käitumisest (osakeste vastastikune paigutus, nende arv ja interaktsioon assotsieerunud aines, samuti assotsieerunud osakeste jaotus ruumis ja nende vastastikmõju) võib aine olla kahes põhiolekus. koondamisest - kristalne (tahke) või gaasiline, ja agregatsiooni üleminekuseisundites - amorfne (tahke), vedelkristall, vedelik ja aur. Tahked, vedelkristallilised ja vedelad agregatsiooni olekud kondenseeruvad ning aurud ja gaasilised eralduvad tugevalt.

Faas- see on homogeensete mikropiirkondade kogum, mida iseloomustab sama korrapärasus ja osakeste kontsentratsioon ning mis on ümbritsetud aine makroskoopilise mahuga, mida piirab liides. Selles arusaamas on faas iseloomulik ainult ainetele, mis on kristallilises ja gaasilises olekus, sest need on homogeensed agregaatolekud.

metafaas- see on heterogeensete mikropiirkondade kogum, mis erinevad üksteisest osakeste järjestuse astme või nende kontsentratsiooni poolest ja on ümbritsetud aine makroskoopilise mahuga, mida piirab liides. Selle arusaama kohaselt on metafaas iseloomulik ainult ainetele, mis on agregatsiooni ebahomogeenses üleminekuolekus. Erinevad faasid ja metafaasid võivad omavahel seguneda, moodustades ühe agregatsiooniseisundi ja siis puudub nende vahel liides.

Tavaliselt ei eralda mõistet "põhi" ja "ülemineku" liitseisund. Mõisteid "agregaatolek", "faas" ja "mesofaas" kasutatakse sageli sünonüümidena. Ainete oleku jaoks on soovitatav kaaluda viit võimalikku koondolekut: tahke, vedelkristall, vedelik, aur, gaasiline.Ühe faasi üleminekut teise faasi nimetatakse esimest ja teist järku faasiüleminekuks. Esimest tüüpi faasiüleminekuid iseloomustavad:

Füüsikaliste suuruste järsk muutus, mis kirjeldab aine olekut (maht, tihedus, viskoossus jne);

Teatud temperatuur, mille juures toimub antud faasisiire

Teatud kuumus, mis seda üleminekut iseloomustab, sest purustada molekulidevahelised sidemed.

Esimest tüüpi faasisiirdeid täheldatakse üleminekul ühest agregatsiooniolekust teise agregatsiooniolekusse. Teist tüüpi faasisiirdeid täheldatakse siis, kui osakeste järjestus ühes agregatsiooniolekus muutub ja neid iseloomustavad:

järkjärguline muutus füüsikalised omadused ained;

Aine osakeste järjestuse muutus välisväljade gradiendi toimel või teatud temperatuuril, mida nimetatakse faasisiirdetemperatuuriks;

Teist järku faasisiirete soojus on võrdne nulliga ja sellele lähedane.

Peamine erinevus esimest ja teist järku faasisiirete vahel seisneb selles, et esimest tüüpi üleminekute ajal muutub ennekõike süsteemi osakeste energia, teist tüüpi siirete korral aga faasisiirde järjestus. süsteemi osakesed muutuvad.

Aine üleminekut tahkest olekust vedelasse nimetatakse sulamine ja seda iseloomustab selle sulamistemperatuur. Aine üleminekut vedelikust auruolekusse nimetatakse aurustumine ja mida iseloomustab keemistemperatuur. Mõne väikese molekulmassiga ja nõrga molekulidevahelise interaktsiooniga ainete puhul on vedelast olekust mööda minnes võimalik otsene üleminek tahkest olekust auruolekusse. Sellist üleminekut nimetatakse sublimatsioon. Kõik need protsessid võivad kulgeda vastupidises suunas: siis nimetatakse neid külmutamine, kondenseerumine, desublimatsioon.

Ained, mis sulamise ja keemise ajal ei lagune, võivad olenevalt temperatuurist ja rõhust olla kõigis neljas agregatsiooni olekus.

Tahkes olekus

Piisavalt madalatel temperatuuridel on peaaegu kõik ained tahkes olekus. Selles olekus on aine osakeste vaheline kaugus võrreldav osakeste endi suurusega, mis tagab nende tugeva vastasmõju ja nende potentsiaalse energia olulise ületamise kineetilisest energiast. See toob kaasa sisemise korra osakeste paigutuses. Seetõttu iseloomustab tahkeid aineid nende oma kuju, mehaaniline tugevus, konstantne maht (need on praktiliselt kokkusurumatud). Sõltuvalt osakeste järjestuse astmest jaotatakse tahked ained kristalne ja amorfne.

Kristallilisi aineid iseloomustab korra olemasolu kõigi osakeste paigutuses. Kristalliliste ainete tahke faas koosneb osakestest, mis moodustavad homogeense struktuuri, mida iseloomustab sama raku igas suunas range korratavus. Kristalli elementaarrakk iseloomustab ruumilist perioodilisust osakeste paigutuses, s.t. selle kristallvõre. Kristallvõred klassifitseeritakse kristalli moodustavate osakeste tüübi ja nendevaheliste külgetõmbejõudude olemuse järgi.

Paljudel kristallilistel ainetel võib olenevalt tingimustest (temperatuur, rõhk) olla erinev kristalne struktuur. Seda nähtust nimetatakse polümorfism. Tuntud süsiniku polümorfsed modifikatsioonid: grafiit, fullereen, teemant, karabiin.

Amorfsed (vormitud) ained. See olek on tüüpiline polümeeridele. Pikad molekulid painduvad kergesti ja põimuvad teiste molekulidega, mis põhjustab ebakorrapärasusi osakeste paigutuses.

Erinevus amorfsete ja kristalsete osakeste vahel:

isotroopia - keha või keskkonna füüsikaliste ja keemiliste omaduste võrdsus igas suunas, s.o. omaduste sõltumatus suunast;

fikseeritud sulamistemperatuur puudub.

Klaasil, sulatatud kvartsil ja paljudel polümeeridel on amorfne struktuur. Amorfsed ained on vähem stabiilsed kui kristalsed ja seetõttu võib iga amorfne keha lõpuks liikuda energeetiliselt stabiilsemasse olekusse – kristallilisse.

vedel olek

Temperatuuri tõustes suureneb osakeste soojusvibratsiooni energia ja iga aine jaoks on temperatuur, millest alates ületab soojusvibratsiooni energia sidemete energiat. Osakesed võivad sooritada erinevaid liigutusi, nihkudes üksteise suhtes. Need jäävad endiselt kontakti, kuigi osakeste õiget geomeetrilist struktuuri rikutakse - aine eksisteerib vedelas olekus. Osakeste liikuvuse tõttu iseloomustab vedelat olekut Browni liikumine, osakeste difusioon ja lenduvus. Vedeliku oluline omadus on viskoossus, mis iseloomustab interassotsiatiivseid jõude, mis takistavad vedeliku vaba voolamist.

Vedelikud on vahepealsel positsioonil ainete gaasilise ja tahke oleku vahel. Korrapärasem struktuur kui gaas, kuid vähem kui tahke aine.

Aur ja gaasiline olek

Aurugaasi olekut tavaliselt ei eristata.

Gaas - see on väga haruldane homogeenne süsteem, mis koosneb üksteisest kaugel asuvatest üksikutest molekulidest, mida võib pidada üheks dünaamiliseks faasiks.

Steam - see on suure tühjenemisega mittehomogeenne süsteem, mis on segu molekulidest ja nendest molekulidest koosnevatest ebastabiilsetest väikestest kaaslastest.

Molekulaarkineetiline teooria selgitab ideaalse gaasi omadusi, tuginedes järgmistele sätetele: molekulid teevad pidevat juhuslikku liikumist; gaasimolekulide maht on molekulidevaheliste kaugustega võrreldes tühine; gaasimolekulide vahel pole külgetõmbe- ega tõukejõude; gaasimolekulide keskmine kineetiline energia on võrdeline selle absoluutse temperatuuriga. Molekulidevahelise interaktsiooni jõudude ebaolulisuse ja suure vaba ruumala olemasolu tõttu iseloomustavad gaase: suur soojusliikumise ja molekulaarse difusiooni kiirus, molekulide soov hõivata võimalikult palju ruumala, samuti kõrge kokkusurutavus. .

Eraldatud gaasifaasilist süsteemi iseloomustavad neli parameetrit: rõhk, temperatuur, maht, aine kogus. Nende parameetrite vahelist seost kirjeldab ideaalse gaasi olekuvõrrand:

R = 8,31 kJ/mol on universaalne gaasikonstant.

MÄÄRATLUS

Aine- suure hulga osakeste (aatomite, molekulide või ioonide) kogum.

Ainetel on keeruline struktuur. Aine osakesed interakteeruvad üksteisega. Aine osakeste vastasmõju olemus määrab selle agregatsiooni oleku.

Koondseisundite tüübid

Eristatakse järgmisi agregatsiooni olekuid: tahke, vedel, gaas, plasma.

Tahkes olekus on osakesed reeglina ühendatud korrapäraseks geomeetriliseks struktuuriks. Osakeste sideenergia on suurem kui nende soojusvibratsiooni energia.

Kui kehatemperatuuri tõsta, suureneb osakeste soojusvõnkumiste energia. Teatud temperatuuril muutub soojusvibratsiooni energia suuremaks kui sideme energia. Sellel temperatuuril osakeste vahelised sidemed hävivad ja tekivad uuesti. Sel juhul osakesed teevad erinevat tüüpi liigutused (võnkumised, pöörlemised, liikumised üksteise suhtes jne). Ometi suhtlevad nad endiselt omavahel. Õige geomeetriline struktuur on katki. Aine on vedelas olekus.

Temperatuuri edasise tõusuga intensiivistuvad termilised kõikumised, osakeste vahelised sidemed muutuvad veelgi nõrgemaks ja praktiliselt puuduvad. Aine on gaasilises olekus. Lihtsaim ainemudel on ideaalne gaas, mille puhul eeldatakse, et osakesed liiguvad vabalt igas suunas, interakteeruvad üksteisega ainult kokkupõrke hetkel, kusjuures elastse löögi seadused on täidetud.

Võib järeldada, et temperatuuri tõustes läheb aine korrastatud struktuurist korrastamata olekusse.

Plasma on gaasiline aine, mis koosneb ioonide ja elektronide neutraalsete osakeste segust.

Temperatuur ja rõhk aine erinevates olekutes

Aine erinevad agregaadid määravad: temperatuuri ja rõhu. Madal rõhk ja kõrge temperatuur vastavad gaasidele. Madalatel temperatuuridel on aine tavaliselt tahkes olekus. Vahetemperatuurid viitavad vedelas olekus olevatele ainetele. Faasidiagrammi kasutatakse sageli aine agregeeritud olekute iseloomustamiseks. See on diagramm, mis näitab agregatsiooni oleku sõltuvust rõhust ja temperatuurist.

Gaaside peamine omadus on nende paisumisvõime ja kokkusurutavus. Gaasidel ei ole kuju, nad võtavad selle anuma kuju, millesse nad asetatakse. Gaasi maht määrab anuma mahu. Gaasid võivad seguneda üksteisega mis tahes vahekorras.

Vedelal pole kuju, kuid sellel on maht. Vedelikud suruvad halvasti kokku, ainult kõrgel rõhul.

Tahketel ainetel on kuju ja maht. Tahkes olekus võib esineda metalliliste, ioonsete ja kovalentsete sidemetega ühendeid.

Näited probleemide lahendamisest

NÄIDE 1

Harjutus

Joonistage mõne abstraktse aine olekute faasidiagramm. Selgitage selle tähendust.

Lahendus

Teeme joonise. Olekudiagramm on näidatud joonisel 1. See koosneb kolmest piirkonnast, mis vastavad aine kristalsele (tahkele) olekule, vedelale ja gaasilisele olekule. Need alad on eraldatud kõveratega, mis näitavad vastastikku pöördprotsesside piire: 01 - sulamine - kristalliseerumine; 02 - keetmine - kondenseerumine; 03 - sublimatsioon - desublimatsioon. Kõigi kõverate lõikepunkt (O) on kolmikpunkt. Sel hetkel võib aine eksisteerida kolmes agregatsiooni olekus. Kui aine temperatuur on üle kriitilise () (punkt 2), siis on osakeste kineetiline energia suurem kui nende interaktsiooni potentsiaalne energia, sellistel temperatuuridel muutub aine igal rõhul gaasiks. Faasidiagrammilt on näha, et kui rõhk on suurem kui , siis tahke aine temperatuuri tõustes sulab. Pärast sulamist põhjustab rõhu tõus keemistemperatuuri tõusu. Kui rõhk on väiksem kui , viib tahke aine temperatuuri tõus selle otse gaasilisse olekusse (sublimatsioon) (punkt G).

NÄIDE 2

Harjutus

Selgitage, mis eristab ühte agregatsiooniseisundit teisest?

Lahendus

Erinevates agregatsiooniseisundites on aatomitel (molekulidel) erinev paigutus. Seega on kristallvõrede aatomid (molekulid või ioonid) paigutatud korrapäraselt, nad võivad tekitada tasakaaluasendites väikeseid vibratsioone. Gaasimolekulid on korrastamata olekus ja võivad liikuda suurte vahemaade taha. Lisaks on erinevates agregaatides olevate ainete siseenergia (samade ainemasside puhul) juures erinevad temperatuurid erinev. Ühest agregatsiooniseisundist teise ülemineku protsessidega kaasneb siseenergia muutus. Üleminek: tahke - vedel - gaas tähendab siseenergia suurenemist, kuna molekulide liikumise kineetiline energia suureneb.