Mi a plazma - szokatlan gáz

Gyermekkorunk óta ismerjük az anyagok aggregációjának számos állapotát. Vegyük például a vizet. Szokásos állapotát mindenki ismeri - folyékony, mindenhol elterjedt: folyók, tavak, tengerek, óceánok. Az aggregáció második állapota a gáz. Nem gyakran találkozunk vele. A legtöbb egyszerű módja víz közelében gáz halmazállapotot érjen el – forralja fel. A gőz nem más, mint a víz gáz halmazállapota. A harmadik aggregált állapot - szilárd. Hasonló esetet figyelhetünk meg például a téli hónapokban. A jég fagyott víz, és van egy harmadik halmozódási állapot is.
Ez a példa világosan mutatja, hogy szinte minden anyagnak három aggregációs állapota van. Egyesek számára könnyű elérni, másoknak nehezebb (különleges feltételek szükségesek).

De modern fizika kiemeli az anyag egy másik, független állapotát - a plazmát.

A plazma egy ionizált gáz, amelynek pozitív és negatív töltése azonos. Mint tudják, erős melegítéssel bármely anyag a harmadik aggregációs állapotba - a gázba - kerül. Ha tovább melegítjük a keletkező gáznemű anyagot, akkor a kimeneten olyan anyagot kapunk, amelynek termikus ionizációs folyamata jelentősen megnövekedett, a gázt alkotó atomok ionokká bomlanak. Ez az állapot szabad szemmel is megfigyelhető. A mi Napunk egy csillag, akárcsak milliónyi más csillag és galaxis az univerzumban, nem más, mint egy magas hőmérsékletű plazma. Sajnos a Földön a plazma nem létezik természetes körülmények között. De így is megfigyelhetjük, például egy villámcsapást. Laboratóriumi körülmények között a plazmát először úgy nyerték ki, hogy nagy feszültséget vezettek át egy gázon. Manapság sokan használunk plazmát a mindennapi életben - ezek közönséges gázkisüléses fénycsövek. Az utcákon folyamatosan látható a neonreklám, ami nem más, mint alacsony hőmérsékletű plazma üvegcsövekben.

Ahhoz, hogy a gáz halmazállapotból plazmává váljon, a gázt ionizálni kell. Az ionizáció mértéke közvetlenül függ az atomok számától. Egy másik feltétel a hőmérséklet.

1879-ig a fizika csak az anyagok aggregációjának három állapotát írta le és vezérelte. Míg az angol tudós, kémikus és fizikus, William Crookes nem kezdett kísérleteket végezni a gázok elektromos vezetőképességének tanulmányozására. Felfedezései közé tartozik a Thalia elem felfedezése, a hélium laboratóriumi előállítása, és természetesen az első kísérletek hidegplazma előállításával gázkisülési csövekben. Az ismerős „plazma” kifejezést 1923-ban használta először Langmuir amerikai tudós, majd később Tonkson. Addig a "plazma" csak a vér vagy a tej színtelen összetevőjét jelentette.

A mai kutatások azt mutatják, hogy a közhiedelemmel ellentétben az univerzumban az összes anyag körülbelül 99%-a plazmaállapotú. Minden csillag, minden csillagközi tér, galaxisok, ködök, a naplegyezők a plazma tipikus képviselői.
A földön megfigyelhetünk ilyeneket természetes jelenség mint a villám északi fény, "Szent Elmo tüze", a Föld ionoszférája és természetesen a tűz.
Az ember megtanulta a plazmát is saját érdekében használni. A negyedik aggregált halmazállapotnak köszönhetően használhatunk gázkisülésű lámpákat, plazmatévéket, elektromos ívhegesztést, lézereket. Ezenkívül megfigyelhetjük a plazma jelenségeit nukleáris robbanás vagy űrrakéták kilövése során.

A plazma irányában az egyik kiemelt kutatásnak tekinthető a termonukleáris fúzió reakciója, amely az atomenergia biztonságos helyettesítője lesz.

Az osztályozás szerint a plazma alacsony hőmérsékletű és magas hőmérsékletű, egyensúlyi és nem egyensúlyi, ideális és nem ideális.
Az alacsony hőmérsékletű plazmát alacsony ionizációs fok (körülbelül 1%) és akár 100 ezer fokos hőmérséklet jellemzi. Ez az oka annak, hogy az ilyen típusú plazmát gyakran használják különféle technológiai eljárásokban (gyémánt filmréteg felületre történő lerakódása, anyag nedvesíthetőségének megváltozása, víz ózonozása stb.).

A magas hőmérsékletű vagy „forró” plazma csaknem 100%-os ionizációval rendelkezik (ezt az állapotot értjük a negyedik aggregációs állapot alatt), hőmérséklete pedig eléri a 100 millió fokot. A természetben csillagok. Földi körülmények között a termonukleáris fúziós kísérletekhez magas hőmérsékletű plazmát használnak. A szabályozott reakció meglehetősen összetett és energiaigényes, de egy irányítatlan reakció kellőképpen bebizonyította, hogy hatalmas erő fegyvere – a Szovjetunió által 1953. augusztus 12-én tesztelt termonukleáris bomba.
De ezek szélsőségek. A hidegplazma szilárdan elfoglalta helyét az emberi életben, még mindig lehet álmodni hasznos szabályozott termonukleáris fúzióról, a fegyverek nem igazán alkalmazhatók.

De a mindennapi életben a plazma nem mindig egyformán hasznos. Néha vannak olyan helyzetek, amikor kerülni kell a plazma kisülését. Például bármilyen kapcsolási folyamatnál megfigyelünk egy plazmaívet az érintkezők között, amelyet sürgősen el kell oltani.

Bármely anyag molekulákból áll, és fizikai tulajdonságai attól függnek, hogy a molekulák hogyan vannak elrendezve, és hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással. A hétköznapi életben az anyag három halmazállapotát figyeljük meg: szilárd, folyékony és gáz halmazállapotú.

Például a víz lehet szilárd (jég), folyékony (víz) és gázhalmazállapotú (gőz).

Gáz addig tágul, amíg el nem tölti a teljes, számára kijelölt kötetet. Ha egy gázt molekuláris szinten tekintünk, akkor véletlenszerűen rohanó és egymással és az edény falával ütköző molekulákat fogunk látni, amelyek azonban gyakorlatilag nem lépnek kölcsönhatásba egymással. Ha növeli vagy csökkenti az edény térfogatát, a molekulák egyenletesen eloszlanak az új térfogatban.

Az adott hőmérsékletű gáztól eltérően fix térfogatot foglal el, azonban megtöltött edény formáját is ölti - de csak a felszíne alatt. Molekuláris szinten a legegyszerűbb módja annak, hogy a folyadékot gömb alakú molekulákként képzeljük el, amelyek bár szorosan érintkeznek egymással, szabadon gurulhatnak egymás körül, mint kerek gyöngyök egy üvegben. Öntsön folyadékot egy edénybe - és a molekulák gyorsan szétterülnek és kitöltik az edény térfogatának alsó részét, ennek eredményeként a folyadék felveszi alakját, de nem terjed el az edény teljes térfogatában.

Szilárd saját alakja van, nem terjed szét a tartály térfogatábanés nem veszi fel a formáját. Mikroszkopikus szinten az atomok egymáshoz tapadnak kémiai kötések, és egymáshoz viszonyított helyzetük rögzített. Ugyanakkor merev rendezett szerkezeteket - kristályrácsokat - és véletlenszerű kupacot - amorf testeket is alkothatnak (pontosan ez a polimerek szerkezete, amelyek úgy néznek ki, mint egy tálban összekuszált és ragacsos tészták).

A fentiekben három klasszikus aggregált halmazállapotot ismertettünk. Van azonban egy negyedik állapot is, amelyet a fizikusok általában aggregátumnak minősítenek. Ez a plazma állapot. A plazmát az elektronok részleges vagy teljes leválasztása jellemzi atomi pályájukról, miközben maguk a szabad elektronok az anyag belsejében maradnak.

Az aggregált halmazállapotok változását saját szemünkkel figyelhetjük meg a természetben. A víztestek felszínéről a víz elpárolog és felhők képződnek. Így a folyadék gázzá alakul. Télen a tározókban lévő víz megfagy, szilárd halmazállapotúvá válik, tavasszal pedig újra megolvad, és visszafolyik. Mi történik egy anyag molekuláival, amikor az egyik állapotból a másikba vált? Változnak? Például a jégmolekulák különböznek a gőzmolekuláktól? A válasz egyértelmű: nem. A molekulák pontosan ugyanazok maradnak. Változik a mozgási energiájuk, és ennek megfelelően az anyag tulajdonságai.

A gőzmolekulák energiája elég nagy ahhoz, hogy különböző irányokba szóródjon, és lehűtve a gőz folyadékká kondenzálódik, és a molekuláknak még van elég energiájuk a szinte szabad mozgáshoz, de nem elég ahhoz, hogy elszakadjanak a többi molekula vonzásától. és elrepül. További hűtéssel a víz megfagy, szilárd testté válik, és a molekulák energiája már a testen belüli szabad mozgáshoz sem elegendő. Egy helyen oszcillálnak, és más molekulák vonzó ereje tartja őket.

Meghatározás

Aggregált halmazállapotok (a latin aggrego szóból - rögzíteni, összekapcsolni) - ezek ugyanazon anyag halmazállapotai - szilárd, folyékony, gáznemű.

Az egyik állapotból a másikba való átmenet során az anyag energiájában, entrópiájában, sűrűségében és egyéb jellemzőiben hirtelen megváltozik.

Szilárd és folyékony testek

Meghatározás

A szilárd testek olyan testek, amelyeket alakjuk és térfogatuk állandósága különböztet meg.

Ezekben az intermolekuláris távolságok kicsik, és a molekulák potenciális energiája összemérhető a kinetikuséval. A szilárd anyagok két típusra oszthatók: kristályos és amorf. Csak a kristályos testek vannak termodinamikai egyensúlyi állapotban. Az amorf testek valójában metastabil állapotokat képviselnek, amelyek szerkezetükben közelítenek a nem egyensúlyi állapotú, lassan kristályosodó folyadékokhoz. Az amorf testben egy nagyon lassú kristályosodási folyamat megy végbe, az anyag fokozatos kristályos fázisba való átmenete. A kristály és az amorf szilárd anyag közötti különbség elsősorban tulajdonságainak anizotrópiájában rejlik. A kristályos test tulajdonságai a tér irányától függenek. Különféle folyamatok terjednek be, mint például a hővezető képesség, az elektromos vezetőképesség, a fény, a hang különféle irányokba szilárd test különböző módon. Az amorf testek (üveg, gyanták, műanyagok) izotóposak, mint a folyadékok. Az amorf testek és a folyadékok között csak annyi a különbség, hogy az utóbbiak folyékonyak, statikus nyírási alakváltozások lehetetlenek bennük.

A kristályos testek megfelelő molekulaszerkezettel rendelkeznek. Tulajdonságainak anizotrópiája a kristály helyes szerkezetének köszönhető. A kristály atomjainak helyes elrendezése alkotja az úgynevezett kristályrácsot. Különböző irányokban eltérő az atomok elrendezése a rácsban, ami anizotrópiához vezet. Az atomok (vagy ionok, vagy egész molekulák) a kristályrácsban véletlenszerűek oszcilláló mozgás a középső pozíciók közelében, amelyeket a kristályrács csomópontjainak tekintünk. Minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb a rezgések energiája, és ennélfogva az oszcillációk átlagos amplitúdója is. A kristály mérete a rezgések amplitúdójától függ. Az oszcillációk amplitúdójának növekedése a test méretének növekedéséhez vezet. Ez magyarázza a szilárd anyagok hőtágulását.

Meghatározás

A folyékony testek olyan testek, amelyeknek van egy bizonyos térfogata, de nem rendelkeznek alakrugalmassággal.

A folyadékokat erős intermolekuláris kölcsönhatás és alacsony összenyomhatóság jellemzi. A folyadék a szilárd és a gáz között közbenső helyet foglal el. A folyadékokhoz hasonlóan a gázokhoz is izotópos. Ezenkívül a folyadéknak folyékonysága van. Ebben, mint a gázokban, nincsenek a testek tangenciális feszültségei (nyírófeszültségei). A folyadékok nehezek, pl. fajsúlyuk összevethető a szilárd anyagok fajsúlyával. A kristályosodási hőmérsékletek közelében hőkapacitásuk és egyéb termikus jellemzőik közel állnak a szilárd anyagokéhoz. Folyadékokban bizonyos mértékig megfigyelhető az atomok helyes elrendezése, de csak kis területeken. Itt az atomok egy kvázi kristályos sejt csomópontjai közelében is oszcillálnak, de a szilárd test atomjaival ellentétben időről időre egyik csomópontról a másikra ugrálnak. Ennek eredményeként az atomok mozgása nagyon összetett lesz: oszcilláló, ugyanakkor a rezgések középpontja a térben mozog.

Gáz, párolgás, kondenzáció és olvadás

Meghatározás

A gáz olyan halmazállapot, amelyben a molekulák közötti távolságok nagyok.

A molekulák közötti kölcsönhatási erők alacsony nyomáson elhanyagolhatók. A gázrészecskék kitöltik a gáznak biztosított teljes térfogatot. A gázok erősen túlhevített vagy telítetlen gőznek tekinthetők. A plazma egy speciális gáztípus - részben vagy teljesen ionizált gáz, amelyben a pozitív és negatív töltések sűrűsége közel azonos. A plazma töltött részecskék gáza, amelyek nagy távolságra elektromos erők segítségével kölcsönhatásba lépnek egymással, de nincsenek közeli és távoli részecskéi.

Az anyagok az egyik halmozódási állapotból a másikba változhatnak.

Meghatározás

A párolgás egy anyag aggregációs állapotának megváltoztatásának folyamata, melynek során a folyadék vagy szilárd anyag felületéről olyan molekulák repülnek ki, amelyek kinetikai energiája meghaladja a molekulák kölcsönhatásának potenciális energiáját.

A párolgás fázisátalakulás. A párolgás során a folyadék vagy szilárd anyag egy része gőzzé alakul. A folyadékkal dinamikus egyensúlyban lévő gáz halmazállapotú anyagot telített gőznek nevezzük. Ugyanakkor a változás belső energia testek:

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

ahol m a testtömeg, r a fajlagos párolgási hő (J / kg).

Meghatározás

A kondenzáció a párologtatás fordított folyamata.

A belső energia változásának kiszámítása az (1) képlet szerint történik.

Meghatározás

Az olvadás az anyag szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba való átmenetének folyamata, az anyag aggregációs állapotának megváltoztatásának folyamata.

Ha egy anyagot felmelegítünk, megnő a belső energiája, ezért a molekulák hőmozgási sebessége nő. Abban az esetben, ha elérjük az anyag olvadáspontját, a szilárd anyag kristályrácsa bomlásnak indul. A részecskék közötti kötések megsemmisülnek, a részecskék közötti kölcsönhatás energiája megnő. A testnek átadott hő e test belső energiáját növeli, az energia egy része pedig a test térfogatának megváltoztatására irányuló munkára megy el, amikor megolvad. A legtöbb kristályos testnél a térfogat megolvad, de vannak kivételek, például a jég, az öntöttvas. Az amorf testeknek nincs meghatározott olvadáspontjuk. Az olvadás fázisátalakulás, amely az olvadási hőmérsékleten a hőkapacitás hirtelen megváltozásával jár. Az olvadáspont az anyagtól függ, és nem változik a folyamat során. Ebben az esetben a test belső energiájának változása:

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

ahol $\lambda $ a fajlagos olvadási hő (J/kg).

Az olvadás fordított folyamata a kristályosodás. A belső energia változásának kiszámítása a (2) képlet szerint történik.

A rendszer egyes testeinek belső energiájának változása fűtés vagy hűtés esetén a következő képlettel számítható ki:

\[\háromszög U=mc\háromszög T\left(3\jobb),\]

ahol c az anyag fajhője, J/(kgK), $\háromszög T$ a testhőmérséklet változása.

Az anyagok egyik aggregációs állapotból a másikba való átmenetének vizsgálatakor nem nélkülözhetjük az úgynevezett hőegyensúlyi egyenletet, amely azt mondja: a hőszigetelt rendszerben felszabaduló teljes hőmennyiség megegyezik a hőszigetelő rendszerben felszabaduló hőmennyiség mennyiségével. ebben a rendszerben elnyelt hő (összesen).

Jelentésében a hőmérleg egyenlet az energia megmaradásának törvénye a hőszigetelt rendszerek hőátadási folyamataihoz.

1. példa

Feladat: Hőszigetelt edényben $t_i= 0^oС$ hőmérsékleten víz és jég található. A víz ($m_(v\ ))$ és a jég ($m_(i\ ))$ tömege 0,5 kg, illetve 60 g. $m_(p\ )=$10 g tömegű vízgőzt engednek a vízbe. $t_p= 100^oС$ hőmérsékleten. Milyen lesz a víz hőmérséklete az edényben a termikus egyensúly létrejötte után? Az edény hőkapacitását figyelmen kívül hagyja.

Megoldás: Határozzuk meg, milyen folyamatok mennek végbe a rendszerben, milyen halmazállapotokkal rendelkezünk és mit kaptunk.

A vízgőz lecsapódik, hőt bocsát ki.

Ezt a hőt a jég olvasztására, és esetleg a jégből származó víz felmelegítésére használják.

Először nézzük meg, mennyi hő szabadul fel a rendelkezésre álló gőztömeg lecsapódása során:

itt a referenciaanyagokból $r=2,26 10^6\frac(J)(kg)$ - fajlagos párolgási hő (kondenzációra is alkalmazható).

A jég olvasztásához szükséges hő:

itt a referenciaanyagokból $\lambda =3,3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - jégolvadás fajhője.

Azt kapjuk, hogy a gőz a szükségesnél több hőt ad le, csak a meglévő jeget megolvasztja, ezért a hőmérleg egyenletét a következő formában írjuk fel:

Hő szabadul fel, amikor a $m_(p\ )$ tömegű gőz lecsapódik, és a gőzből képződő víz $T_p$ hőmérsékletről a kívánt T értékre hűl. A hő elnyelődik, amikor a $m_(i\ )$ tömegű jég megolvad. és a $m_v+ tömegű vizet m_i$ $T_i$ hőmérsékletről $T értékre melegítjük.\ $ Jelölje $T-T_i=\T$ háromszöget, a $T_p-T$ különbségre kapjuk:

A hőmérleg egyenlete a következőképpen alakul:

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

Számításokat fogunk végezni, figyelembe véve, hogy a víz hőkapacitása táblázatos $c=4,2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273K$:

$\háromszög T=\frac(2,26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4,2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2)\cdot 3,3\cdot 10^5)(4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^(-1))\kb. 3\left(K\jobbra)$majd T=273+3=276 (K)

Válasz: Az edényben lévő víz hőmérséklete a termikus egyensúly létrejötte után 276 K lesz.

2. példa

Feladat: Az ábrán az anyag kristályos állapotból folyékony állapotba való átmenetének megfelelő izoterma szakasz látható. Mi felel meg a p,T diagram ezen szakaszának?

A diagramon ábrázolt állapotok teljes halmaza p,V vízszintes a p,T diagramon egy egyenes szakaszt egy pont képvisel, amely meghatározza p és T értékét, amelynél az egyik halmazállapotból a másikba való átmenet megtörténik.

Aggregált halmazállapot

Anyag- kémiai kötésekkel összekapcsolt részecskék valós halmaza, bizonyos körülmények között az aggregáció egyik állapotában. Bármely anyag nagyon egy nagy szám részecskék: atomok, molekulák, ionok, amelyek egymással asszociációkká egyesülhetnek, amelyeket aggregátumoknak vagy klasztereknek is neveznek. Az asszociált részecskék hőmérsékletétől és viselkedésétől (a részecskék kölcsönös elrendeződése, számuk és kölcsönhatásuk egy társultban, valamint a társult részecskék térbeli eloszlása ​​és egymással való kölcsönhatása) függően egy anyag két fő állapotú lehet. az összesítés - kristályos (szilárd) vagy gáz halmazállapotú,és az aggregáció átmeneti állapotaiban - amorf (szilárd), folyadékkristályos, folyadék és gőz. Az aggregált szilárd, folyadékkristályos és folyékony halmazállapotú halmazállapotok kondenzálódnak, a gőz- és gázhalmazállapotúak pedig erősen kisülnek.

Fázis- ez homogén mikrorégiók halmaza, amelyeket azonos rendezettség és részecskekoncentráció jellemez, és amelyek egy határfelülettel határolt anyag makroszkopikus térfogatába vannak bezárva. Ebben a felfogásban a fázis csak a kristályos és gáz halmazállapotú anyagokra jellemző, mert ezek homogén aggregált állapotok.

metafázis- ez heterogén mikrorégiók halmaza, amelyek a részecskék rendezettségi fokában vagy koncentrációjukban különböznek egymástól, és egy anyag makroszkopikus térfogatába záródnak, amelyet határfelület határol. Ebben a felfogásban a metafázis csak azokra az anyagokra jellemző, amelyek az aggregáció inhomogén átmeneti állapotában vannak. Különböző fázisok és metafázisok keveredhetnek egymással, egy aggregációs állapotot alkotva, és ekkor nincs közöttük interfész.

Általában nem különítik el az "alap" és az "átmeneti" összesítési állapot fogalmát. Az „összesített állapot”, „fázis” és „mezofázis” fogalmát gyakran szinonimaként használják. Az anyagok állapotának öt lehetséges halmazállapotát ajánlatos figyelembe venni: szilárd, folyadékkristályos, folyadék, gőz, gáz halmazállapotú. Az egyik fázisnak a másik fázisba való átmenetét első és másodrendű fázisátmenetnek nevezzük. Az első típusú fázisátmeneteket a következők jellemzik:

Az anyag állapotát leíró fizikai nagyságok hirtelen változása (térfogat, sűrűség, viszkozitás stb.);

Egy bizonyos hőmérséklet, amelyen egy adott fázisátalakulás megtörténik

Egy bizonyos hő, ami ezt az átmenetet jellemzi, mert megszakítja az intermolekuláris kötéseket.

Az első típusú fázisátalakulások az egyik aggregációs állapotból egy másik aggregációs állapotba való átmenet során figyelhetők meg. A második típusú fázisátalakulások akkor figyelhetők meg, amikor a részecskék azonos halmazállapoton belüli sorrendje megváltozik, ezeket a következők jellemzik:

fokozatos változás fizikai tulajdonságok anyagok;

Az anyag részecskéinek sorrendjének megváltozása külső mezők gradiensének hatására vagy egy bizonyos hőmérsékleten, amelyet fázisátalakulási hőmérsékletnek nevezünk;

A másodrendű fázisátalakulások hője nullával egyenlő és ahhoz közeli.

Az első és a másodrendű fázisátalakulások között az a fő különbség, hogy az elsőrendű átmenetek során elsősorban a rendszer részecskéinek energiája változik meg, másodrendű átmenetek esetén pedig a rendszer részecskéinek rendje. a rendszer részecskéi megváltoznak.

Egy anyag szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba való átmenetét ún olvasztóés olvadáspontja jellemzi. Egy anyag folyadékból gőz állapotba való átmenetét ún párolgásés a forráspont jellemzi. Egyes, kis molekulatömegű és gyenge intermolekuláris kölcsönhatású anyagoknál lehetséges a szilárd halmazállapotból gőzállapotba való közvetlen átmenet, a folyékony halmazállapot megkerülésével. Az ilyen átmenetet ún szublimáció. Mindezek a folyamatok ellenkező irányban is lezajlhatnak: akkor ún fagyasztás, kondenzáció, deszublimáció.

Az olvadás és forrás közben nem bomló anyagok hőmérséklettől és nyomástól függően mind a négy aggregációs állapotúak lehetnek.

Szilárd állapot

Megfelelően alacsony hőmérsékleten szinte minden anyag szilárd állapotban van. Ebben az állapotban az anyag részecskéi közötti távolság összemérhető a részecskék méretével, ami biztosítja erős kölcsönhatásukat és potenciális energiájuk jelentős többletét a kinetikus energiához képest. Ez belső rendhez vezet a részecskék elrendezésében. Ezért a szilárd anyagokat saját alakjuk, mechanikai szilárdságuk, állandó térfogatuk jellemzi (gyakorlatilag összenyomhatatlanok). A részecskék rendezettségének fokától függően a szilárd anyagokat felosztjuk kristályos és amorf.

A kristályos anyagokra jellemző, hogy minden részecske elrendezésében rend van. A kristályos anyagok szilárd fázisa olyan részecskékből áll, amelyek homogén szerkezetet alkotnak, amelyet ugyanazon egységcella minden irányban történő szigorú ismételhetősége jellemez. A kristály elemi sejtje háromdimenziós periodicitást jellemez a részecskék elrendezésében, azaz. kristályrácsát. A kristályrácsokat a kristályt alkotó részecskék típusa és a közöttük lévő vonzó erők jellege szerint osztályozzák.

Számos kristályos anyag a körülményektől (hőmérséklet, nyomás) eltérő kristályszerkezettel rendelkezhet. Ezt a jelenséget az ún polimorfizmus. A szén jól ismert polimorf módosulatai: grafit, fullerén, gyémánt, karabély.

Amorf (alaktalan) anyagok. Ez az állapot a polimerekre jellemző. A hosszú molekulák könnyen meghajlanak és összefonódnak más molekulákkal, ami szabálytalanságokhoz vezet a részecskék elrendezésében.

Különbség az amorf és a kristályos részecskék között:

izotrópia - egy test vagy közeg fizikai és kémiai tulajdonságainak azonossága minden irányban, pl. a tulajdonságok függetlensége az iránytól;

nincs rögzített olvadáspontja.

Az üveg, az olvasztott kvarc és sok polimer amorf szerkezetű. Az amorf anyagok kevésbé stabilak, mint a kristályosak, ezért bármely amorf test előbb-utóbb energetikailag stabilabb – kristályos – állapotba kerülhet.

folyékony halmazállapot

A hőmérséklet emelkedésével a részecskék hőrezgésének energiája növekszik, és minden anyaghoz van egy hőmérséklet, amelytől kezdve a hőrezgések energiája meghaladja a kötések energiáját. A részecskék különféle mozgásokat végezhetnek, egymáshoz képest eltolódnak. Továbbra is érintkeznek, bár a részecskék helyes geometriai szerkezete sérül - az anyag folyékony állapotban létezik. A részecskék mobilitása miatt a folyékony halmazállapotot Brown-mozgás, diffúzió és a részecskék illékonysága jellemzi. A folyadék fontos tulajdonsága a viszkozitás, amely a folyadék szabad áramlását akadályozó interasszociatív erőket jellemez.

A folyadékok köztes helyet foglalnak el az anyagok gáz- és szilárd halmazállapota között. Rendezettebb szerkezet, mint a gáz, de kevésbé, mint a szilárd.

Gőz és gáz halmazállapotú

A gőz-gáz halmazállapotot általában nem különböztetik meg.

Gáz - ez egy rendkívül ritka homogén rendszer, amely egymástól távol eső, egyedi molekulákból áll, és egyetlen dinamikus fázisnak tekinthető.

Gőz - ez egy erősen kisütött inhomogén rendszer, amely molekulák és ezekből a molekulákból álló instabil kis asszociációk keveréke.

A molekuláris-kinetikai elmélet megmagyarázza az ideális gáz tulajdonságait a következő rendelkezések alapján: a molekulák folyamatos véletlenszerű mozgást végeznek; a gázmolekulák térfogata elhanyagolható a molekulák közötti távolságokhoz képest; a gázmolekulák között nincsenek vonzó vagy taszító erők; a gázmolekulák átlagos kinetikus energiája arányos annak abszolút hőmérsékletével. Az intermolekuláris kölcsönhatás erőinek jelentéktelensége és a nagy szabad térfogat jelenléte miatt a gázokat a következők jellemzik: nagy hőmozgási sebesség és molekuláris diffúzió, a molekulák azon vágya, hogy a lehető legtöbb térfogatot elfoglalják, valamint nagy összenyomhatóság .

Az izolált gázfázisú rendszert négy paraméter jellemzi: nyomás, hőmérséklet, térfogat, anyagmennyiség. A paraméterek közötti kapcsolatot az ideális gáz állapotegyenlete írja le:

R = 8,31 kJ/mol az univerzális gázállandó.

MEGHATÁROZÁS

Anyag- nagyszámú részecske (atomok, molekulák vagy ionok) gyűjteménye.

Az anyagok összetett szerkezetűek. Az anyag részecskéi kölcsönhatásba lépnek egymással. Az anyagban lévő részecskék kölcsönhatásának természete határozza meg az aggregációs állapotát.

Az aggregált állapotok típusai

A következő aggregációs állapotokat különböztetjük meg: szilárd, folyékony, gáz, plazma.

Szilárd állapotban a részecskék rendszerint szabályos geometriai szerkezetté egyesülnek. A részecskék kötési energiája nagyobb, mint hőrezgéseik energiája.

Ha a testhőmérsékletet emeljük, a részecskék hőrezgésének energiája nő. Egy bizonyos hőmérsékleten a hőrezgések energiája nagyobb lesz, mint a kötés energiája. Ezen a hőmérsékleten a részecskék közötti kötések megsemmisülnek és újra kialakulnak. Ebben az esetben a részecskék teszik különböző fajták mozgások (oszcillációk, forgások, mozgások egymáshoz képest stb.). Ennek ellenére továbbra is kapcsolatban állnak egymással. A helyes geometriai szerkezet megszakadt. Az anyag folyékony halmazállapotú.

A hőmérséklet további emelkedésével a hőingadozások felerősödnek, a részecskék közötti kötések még gyengébbekké válnak, és gyakorlatilag hiányoznak. Az anyag gáz halmazállapotú. Az anyag legegyszerűbb modellje egy ideális gáz, amelyben feltételezzük, hogy a részecskék bármely irányban szabadon mozognak, csak az ütközés pillanatában lépnek kölcsönhatásba egymással, miközben a rugalmas ütközés törvényei teljesülnek.

Megállapítható, hogy a hőmérséklet emelkedésével az anyag rendezett szerkezetből rendezetlen állapotba kerül.

A plazma egy gáznemű anyag, amely ionok és elektronok semleges részecskéinek keverékéből áll.

Hőmérséklet és nyomás különböző halmazállapotokban

Az anyagok különböző halmazállapotai határozzák meg: a hőmérsékletet és a nyomást. Az alacsony nyomás és a magas hőmérséklet gázoknak felel meg. Alacsony hőmérsékleten az anyag általában szilárd halmazállapotú. A közbenső hőmérsékletek folyékony halmazállapotú anyagokra vonatkoznak. A fázisdiagramot gyakran használják egy anyag aggregált állapotának jellemzésére. Ez egy diagram, amely az aggregáció állapotának nyomástól és hőmérséklettől való függését mutatja.

A gázok fő jellemzője tágulási képességük és összenyomhatóságuk. A gázoknak nincs alakjuk, hanem az edény alakját veszik fel, amelybe helyezik őket. A gáz térfogata határozza meg az edény térfogatát. A gázok bármilyen arányban keveredhetnek egymással.

A folyadéknak nincs alakja, de van térfogata. A folyadékok rosszul tömörülnek, csak nagy nyomáson.

A szilárd anyagoknak van alakja és térfogata. Szilárd állapotban lehetnek fémes, ionos és kovalens kötéssel rendelkező vegyületek.

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

Gyakorlat

Rajzolja fel valamilyen absztrakt anyag állapotainak fázisdiagramját! Magyarázza meg a jelentését.

Megoldás

Készítsünk rajzot. Az állapotdiagram az 1. ábrán látható. Három területből áll, amelyek megfelelnek az anyag kristályos (szilárd) halmazállapotának, folyékony és gáz halmazállapotnak. Ezeket a területeket görbék választják el egymástól, amelyek a kölcsönösen inverz folyamatok határait jelzik: 01 - olvadás - kristályosítás; 02 - forrás - kondenzáció; 03 - szublimáció - deszublimáció. Az összes görbe metszéspontja (O) hármaspont. Ezen a ponton az anyag három halmazállapotban létezhet. Ha az anyag hőmérséklete a kritikus () felett van (2. pont), akkor a részecskék kinetikus energiája nagyobb, mint a kölcsönhatásuk potenciális energiája, ilyen hőmérsékleten az anyag bármilyen nyomáson gázzá válik. A fázisdiagramból látható, hogy ha a nyomás nagyobb, mint , akkor a hőmérséklet emelkedésével a szilárd anyag megolvad. Az olvadás után a nyomás növekedése a forráspont növekedéséhez vezet. Ha a nyomás kisebb, mint , akkor a szilárd anyag hőmérsékletének emelkedése közvetlenül gáz halmazállapotba való átmenethez (szublimációhoz) vezet (G pont).

2. PÉLDA

Gyakorlat

Magyarázza el, mi különbözteti meg az aggregáció egyik állapotát a másiktól?

Megoldás

Az aggregáció különböző állapotaiban az atomok (molekulák) eltérő elrendezésűek. Tehát a kristályrácsok atomjai (molekulái vagy ionjai) rendezetten helyezkednek el, kis rezgéseket tudnak kelteni az egyensúlyi helyzetek körül. A gázmolekulák rendezetlen állapotban vannak, és jelentős távolságokra mozoghatnak. Ezenkívül a különböző halmazállapotú anyagok belső energiája (azonos anyagtömegeknél) at különböző hőmérsékletek különböző. Az egyik halmozódási állapotból a másikba való átmenet folyamatait a belső energia változása kíséri. Az átmenet: szilárd - folyékony - gáz, a belső energia növekedését jelenti, mivel a molekulák mozgásának kinetikai energiája nő.