Ինչ է պլազման՝ անսովոր գազ

Մանկուց մեզ հայտնի են նյութերի ագրեգացման մի քանի վիճակ։ Օրինակ վերցնենք ջուրը. Նրա սովորական վիճակը բոլորին է հայտնի՝ հեղուկ, այն տարածված է ամենուր՝ գետեր, լճեր, ծովեր, օվկիանոսներ։ Ագրեգացման երկրորդ վիճակը գազն է։ Մենք նրան հաճախ չենք տեսնում: Մեծ մասը հեշտ ճանապարհջրի մոտ հասնել գազային վիճակի - եռացնել: Գոլորշին ոչ այլ ինչ է, քան ջրի գազային վիճակ: Երրորդ ագրեգատ վիճակը - ամուր. Նման դեպք կարող ենք դիտարկել, օրինակ, ձմռան ամիսներին։ Սառույցը սառեցված ջուր է, և կա ագրեգացման երրորդ վիճակ:
Այս օրինակը հստակ ցույց է տալիս, որ գրեթե ցանկացած նյութ ունի ագրեգացման երեք վիճակ: Ոմանց համար դրան հասնելը հեշտ է, ոմանց համար՝ ավելի դժվար (հատուկ պայմաններ են պահանջվում)։

Բայց ժամանակակից ֆիզիկաընդգծում է նյութի մեկ այլ, անկախ վիճակ՝ պլազմա:

Պլազման իոնացված գազ է՝ ինչպես դրական, այնպես էլ բացասական լիցքերի նույն խտությամբ։ Ինչպես գիտեք, ուժեղ տաքացման դեպքում ցանկացած նյութ անցնում է ագրեգացման երրորդ վիճակ՝ գազ։ Եթե ​​շարունակենք տաքացնել ստացված գազային նյութը, ապա ելքում կստանանք ջերմային իոնացման կտրուկ աճող պրոցես ունեցող նյութ՝ գազը կազմող ատոմները քայքայվում են՝ առաջացնելով իոններ։ Այս վիճակը կարելի է դիտարկել անզեն աչքով։ Մեր Արևը աստղ է, ինչպես տիեզերքի միլիոնավոր այլ աստղեր և գալակտիկաներ, ոչ այլ ինչ է, քան բարձր ջերմաստիճանի պլազմա: Ցավոք, Երկրի վրա պլազմա գոյություն չունի բնական պայմաններում։ Բայց մենք դեռ կարող ենք դիտարկել այն, օրինակ, կայծակի բռնկումը: Լաբորատոր պայմաններում պլազմա առաջին անգամ ստացվել է գազի միջով բարձր լարման անցնելու միջոցով։ Այսօր մեզանից շատերն օգտագործում են պլազմա առօրյա կյանքում. դրանք սովորական գազային լյումինեսցենտային լամպեր են: Փողոցներում անընդհատ երևում է նեոնային գովազդ, որը ոչ այլ ինչ է, քան ցածր ջերմաստիճանի պլազմա ապակե խողովակներում։

Գազային վիճակից պլազմայի անցնելու համար գազը պետք է իոնացված լինի։ Իոնացման աստիճանը ուղղակիորեն կախված է ատոմների քանակից։ Մեկ այլ պայման է ջերմաստիճանը:

Մինչև 1879 թվականը ֆիզիկան նկարագրում և առաջնորդվում էր նյութերի ագրեգացման միայն երեք վիճակներով։ Մինչդեռ անգլիացի գիտնական, քիմիկոս և ֆիզիկոս Ուիլյամ Քրուքսը չսկսեց փորձեր կատարել գազերում էլեկտրական հոսանքի հաղորդունակության ուսումնասիրության վերաբերյալ: Նրա հայտնագործությունները ներառում են Թալիա տարրի հայտնաբերումը, լաբորատորիայում հելիումի արտադրությունը և, իհարկե, առաջին փորձերը՝ գազի արտանետման խողովակներում սառը պլազմայի արտադրության հետ: Ծանոթ «պլազմա» տերմինն առաջին անգամ օգտագործվել է 1923 թվականին ամերիկացի գիտնական Լանգմյուիրի, իսկ ավելի ուշ՝ Թոնկսոնի կողմից։ Մինչ այդ «պլազմա» նշանակում էր միայն արյան կամ կաթի անգույն բաղադրիչը։

Այսօրվա հետազոտությունը ցույց է տալիս, որ հակառակ տարածված կարծիքի, տիեզերքի ողջ նյութի մոտ 99%-ը գտնվում է պլազմայի վիճակում: Բոլոր աստղերը, բոլոր միջաստղային տարածությունը, գալակտիկաները, միգամածությունները, արեգակնային օդափոխիչը պլազմայի բնորոշ ներկայացուցիչներ են։
Երկրի վրա մենք կարող ենք դիտել այդպիսին բնական երևույթներկայծակի նման Հյուսիսային լույսեր, «Սուրբ Էլմոյի կրակը», Երկրի իոնոլորտը և, իհարկե, կրակը։
Մարդը սովորել է նաև օգտագործել պլազման իր բարօրության համար: Նյութի չորրորդ ագրեգատային վիճակի շնորհիվ մենք կարող ենք օգտագործել գազի արտանետման լամպեր, պլազմային հեռուստացույցներ, էլեկտրական աղեղային զոդում և լազերներ։ Նաև կարող ենք դիտարկել պլազմայի երևույթները միջուկային պայթյունի կամ տիեզերական հրթիռների արձակման ժամանակ։

Պլազմայի ուղղությամբ առաջնահերթ հետազոտություններից մեկը կարելի է համարել ջերմամիջուկային միաձուլման ռեակցիան, որը պետք է դառնա միջուկային էներգիայի անվտանգ փոխարինումը։

Ըստ դասակարգման՝ պլազման բաժանվում է ցածր ջերմաստիճանի և բարձր ջերմաստիճանի, հավասարակշռության և ոչ հավասարակշռության, իդեալական և ոչ իդեալական։
Ցածր ջերմաստիճանի պլազման բնութագրվում է իոնացման ցածր աստիճանով (մոտ 1%) և մինչև 100 հազար աստիճան ջերմաստիճանով։ Այդ պատճառով է, որ այս տեսակի պլազման հաճախ օգտագործվում է տարբեր տեխնոլոգիական գործընթացներում (ադամանդի թաղանթի նստեցում մակերեսի վրա, նյութի թրջելիության փոփոխություն, ջրի օզոնացում և այլն)։

Բարձր ջերմաստիճանի կամ «տաք» պլազման ունի գրեթե 100% իոնացում (սա այն վիճակն է, որը նկատի ունի ագրեգացման չորրորդ վիճակ) և ջերմաստիճանը մինչև 100 միլիոն աստիճան: Բնության մեջ նրանք աստղեր են: Ցամաքային պայմաններում հենց բարձր ջերմաստիճանի պլազման է օգտագործվում ջերմամիջուկային միաձուլման փորձերի համար։ Վերահսկվող ռեակցիան բավականին բարդ և էներգատար է, բայց չվերահսկվողը բավականաչափ ապացուցել է իրեն որպես վիթխարի հզորության զենք՝ 1953 թվականի օգոստոսի 12-ին ԽՍՀՄ-ի կողմից փորձարկված ջերմամիջուկային ռումբ:
Բայց սրանք ծայրահեղություններ են։ Սառը պլազման ամուր գրավել է իր տեղը մարդկային կյանքում, դեռ կարելի է երազել օգտակար վերահսկվող ջերմամիջուկային միաձուլման մասին, զենքերն իրականում կիրառելի չեն։

Բայց առօրյա կյանքում պլազման միշտ չէ, որ հավասարապես օգտակար է։ Երբեմն լինում են իրավիճակներ, երբ պետք է խուսափել պլազմայի արտանետումներից: Օրինակ, ցանկացած փոխարկման գործընթացում մենք դիտարկում ենք կոնտակտների միջև պլազմային աղեղ, որը շտապ անհրաժեշտ է մարել:

Ցանկացած նյութ բաղկացած է մոլեկուլներից, և նրա ֆիզիկական հատկությունները կախված են նրանից, թե ինչպես են մոլեկուլները դասավորված և ինչպես են փոխազդում միմյանց հետ: Սովորական կյանքում մենք դիտում ենք նյութի երեք ընդհանուր վիճակներ՝ պինդ, հեղուկ և գազային:

Օրինակ՝ ջուրը կարող է լինել պինդ (սառույց), հեղուկ (ջուր) և գազային (գոլորշու) վիճակում։

Գազընդլայնվում է այնքան ժամանակ, մինչև լրացնի իրեն հատկացված ամբողջ ծավալը: Եթե ​​դիտարկենք գազը մոլեկուլային մակարդակում, ապա կտեսնենք մոլեկուլներ, որոնք պատահականորեն շտապում և բախվում են միմյանց և անոթի պատերին, որոնք, սակայն, գործնականում չեն փոխազդում միմյանց հետ: Եթե ​​դուք ավելացնեք կամ նվազեցնեք նավի ծավալը, մոլեկուլները հավասարապես կվերաբաշխվեն նոր ծավալում:

Ի տարբերություն գազի տվյալ ջերմաստիճանի, այն զբաղեցնում է ֆիքսված ծավալ, սակայն այն նաև ընդունում է լցված նավի ձև, բայց միայն դրա մակերեսի մակարդակից ցածր: Մոլեկուլային մակարդակում հեղուկի մասին մտածելու ամենահեշտ ձևը գնդաձև մոլեկուլներ են, որոնք թեև սերտ շփման մեջ են միմյանց հետ, բայց ազատություն ունեն պտտվելու միմյանց շուրջը, ինչպես կլոր ուլունքները բանկաում: Լցնել հեղուկը անոթի մեջ, և մոլեկուլներն արագ կտարածվեն և կլցնեն անոթի ծավալի ստորին հատվածը, արդյունքում հեղուկը կստանա իր ձևը, բայց չի տարածվի անոթի ամբողջ ծավալով։

Պինդունի իր ձևը, չի տարածվում տարայի ծավալի վրաև չի ընդունում իր ձևը: Մանրադիտակային մակարդակում ատոմները կպչում են միմյանց քիմիական կապեր, և նրանց դիրքը միմյանց նկատմամբ ամրագրված է։ Միևնույն ժամանակ, նրանք կարող են ձևավորել և՛ կոշտ կարգավորված կառուցվածքներ՝ բյուրեղյա վանդակներ, և՛ պատահական կույտ՝ ամորֆ մարմիններ (սա հենց պոլիմերների կառուցվածքն է, որոնք նման են ամանի մեջ խճճված և կպչուն մակարոնեղենի):

Վերևում նկարագրված են նյութի երեք դասական ագրեգատային վիճակներ: Այնուամենայնիվ, կա չորրորդ վիճակ, որը ֆիզիկոսները հակված են դասակարգել որպես ագրեգատ։ Սա պլազմայի վիճակն է: Պլազման բնութագրվում է էլեկտրոնների մասնակի կամ ամբողջական հեռացմամբ իրենց ատոմային ուղեծրերից, մինչդեռ ազատ էլեկտրոններն իրենք են մնում նյութի ներսում։

Բնության մեջ մենք կարող ենք դիտարկել նյութի ընդհանուր վիճակների փոփոխությունը մեր սեփական աչքերով: Ջրային մարմինների մակերևույթից ջուրը գոլորշիանում է և առաջանում են ամպեր։ Այսպիսով, հեղուկը վերածվում է գազի: Ձմռանը ջրամբարների ջուրը սառչում է՝ վերածվելով պինդ վիճակի, իսկ գարնանը նորից հալչում է՝ նորից վերածվելով հեղուկի։ Ի՞նչ է տեղի ունենում նյութի մոլեկուլների հետ, երբ այն փոխվում է մի վիճակից մյուսը: Նրանք փոխվու՞մ են։ Արդյո՞ք, օրինակ, սառույցի մոլեկուլները տարբերվում են գոլորշու մոլեկուլներից: Պատասխանը միանշանակ է՝ ոչ։ Մոլեկուլները մնում են նույնը: Նրանց կինետիկ էներգիան փոխվում է, և, համապատասխանաբար, նյութի հատկությունները:

Գոլորշի մոլեկուլների էներգիան բավականաչափ մեծ է տարբեր ուղղություններով ցրվելու համար, և երբ սառչում է, գոլորշին խտանում է հեղուկի մեջ, և մոլեկուլները դեռևս բավականաչափ էներգիա ունեն գրեթե ազատ տեղաշարժվելու համար, բայց ոչ այնքան, որ կտրվեն այլ մոլեկուլների գրավչությունից։ և թռչել հեռու: Հետագա սառեցման դեպքում ջուրը սառչում է՝ դառնալով պինդ մարմին, և մոլեկուլների էներգիան այլևս բավարար չէ նույնիսկ մարմնի ներսում ազատ տեղաշարժվելու համար։ Նրանք տատանվում են մեկ վայրի շուրջ՝ պահելով այլ մոլեկուլների գրավիչ ուժերը։

Սահմանում

Նյութի ագրեգատային վիճակներ (լատիներեն aggrego - կցել, միացնել) - սրանք նույն նյութի վիճակներն են՝ պինդ, հեղուկ, գազային։

Մի վիճակից մյուսին անցնելու ժամանակ տեղի է ունենում նյութի էներգիայի, էնտրոպիայի, խտության և այլ բնութագրերի կտրուկ փոփոխություն։

Պինդ և հեղուկ մարմիններ

Սահմանում

Պինդ մարմիններն այն մարմիններն են, որոնք առանձնանում են ձևի և ծավալի կայունությամբ։

Դրանցում միջմոլեկուլային հեռավորությունները փոքր են, և մոլեկուլների պոտենցիալ էներգիան համեմատելի է կինետիկի հետ։ Պինդները բաժանվում են երկու տեսակի՝ բյուրեղային և ամորֆ։ Միայն բյուրեղային մարմիններն են թերմոդինամիկական հավասարակշռության վիճակում։ Ամորֆ մարմինները, ըստ էության, ներկայացնում են մետակայուն վիճակներ, որոնք իրենց կառուցվածքով մոտենում են ոչ հավասարակշռության, դանդաղ բյուրեղացող հեղուկներին։ Ամորֆ մարմնում տեղի է ունենում բյուրեղացման շատ դանդաղ պրոցես՝ նյութի բյուրեղային փուլի աստիճանական անցման գործընթացը։ Բյուրեղի և ամորֆ պինդի միջև տարբերությունը հիմնականում նրա հատկությունների անիզոտրոպության մեջ է: Բյուրեղային մարմնի հատկությունները կախված են տարածության ուղղությունից: Տարբեր տեսակի գործընթացներ, ինչպիսիք են ջերմային հաղորդունակությունը, էլեկտրական հաղորդունակությունը, լույսը, ձայնը, տարածվում են տարբեր ուղղություններամուր մարմին տարբեր ձևերով. Ամորֆ մարմինները (ապակի, խեժեր, պլաստմասսա) իզոտոպ են, ինչպես հեղուկները։ Ամորֆ մարմինների և հեղուկների միակ տարբերությունն այն է, որ վերջիններս հեղուկ են, դրանցում անհնար են ստատիկ կտրվածքային դեֆորմացիաներ։

Բյուրեղային մարմիններն ունեն ճիշտ մոլեկուլային կառուցվածք։ Նրա հատկությունների անիզոտրոպությունը պայմանավորված է բյուրեղի ճիշտ կառուցվածքով։ Բյուրեղի ատոմների ճիշտ դասավորությունը ձևավորում է այսպես կոչված բյուրեղային ցանց։ Տարբեր ուղղություններով վանդակում ատոմների դասավորությունը տարբեր է, ինչը հանգեցնում է անիզոտրոպության։ Ատոմները (կամ իոնները կամ ամբողջական մոլեկուլները) բյուրեղային ցանցում պատահական են տատանվող շարժումմիջին դիրքերի մոտ, որոնք համարվում են բյուրեղային ցանցի հանգույցներ։ Որքան բարձր է ջերմաստիճանը, այնքան մեծ է տատանումների էներգիան, հետևաբար՝ տատանումների միջին ամպլիտուդը։ Բյուրեղի չափը կախված է տատանումների ամպլիտուդից։ Տատանումների ամպլիտուդի մեծացումը հանգեցնում է մարմնի չափի մեծացման: Սա բացատրում է պինդ մարմինների ջերմային ընդլայնումը:

Սահմանում

Հեղուկ մարմիններն այն մարմիններն են, որոնք ունեն որոշակի ծավալ, բայց չունեն ձևի առաձգականություն։

Հեղուկները բնութագրվում են ուժեղ միջմոլեկուլային փոխազդեցությամբ և ցածր սեղմելիությամբ: Հեղուկը միջանկյալ դիրք է զբաղեցնում պինդ և գազայինի միջև։ Հեղուկները, ինչպես գազերը, իզոտոպ են։ Բացի այդ, հեղուկն ունի հեղուկություն: Նրանում, ինչպես գազերում, չկան մարմինների շոշափող լարումներ (կտրող լարումներ)։ Հեղուկները ծանր են, այսինքն. դրանց տեսակարար կշիռը համեմատելի է պինդ մարմինների տեսակարար կշռի հետ։ Բյուրեղացման ջերմաստիճանների մոտ դրանց ջերմային հզորությունները և այլ ջերմային բնութագրերը մոտ են պինդ մարմիններին: Հեղուկների մեջ որոշ չափով նկատվում է ատոմների ճիշտ դասավորություն, բայց միայն փոքր տարածքներում։ Այստեղ ատոմները տատանվում են նաև քվազիբյուրեղային բջջի հանգույցների մոտ, սակայն ի տարբերություն պինդ մարմնի ատոմների, նրանք ժամանակ առ ժամանակ ցատկում են մի հանգույցից մյուսը։ Արդյունքում ատոմների շարժումը շատ բարդ կլինի՝ այն տատանողական է, բայց միևնույն ժամանակ թրթռումների կենտրոնը շարժվում է տարածության մեջ։

Գազ, գոլորշիացում, խտացում և հալում

Սահմանում

Գազը նյութի վիճակ է, երբ մոլեկուլների միջև հեռավորությունները մեծ են:

Ցածր ճնշման դեպքում մոլեկուլների փոխազդեցության ուժերը կարող են անտեսվել: Գազի մասնիկները լրացնում են ամբողջ ծավալը, որը տրամադրվում է գազին։ Գազերը կարելի է համարել բարձր գերտաքացած կամ չհագեցած գոլորշիներ։ Պլազման գազի հատուկ տեսակ է. այն մասամբ կամ ամբողջությամբ իոնացված գազ է, որի մեջ դրական և բացասական լիցքերի խտությունը գրեթե նույնն է։ Պլազման լիցքավորված մասնիկների գազ է, որոնք փոխազդում են միմյանց հետ՝ օգտագործելով էլեկտրական ուժերը մեծ հեռավորության վրա, բայց չունեն մոտ և հեռու մասնիկներ։

Նյութերը կարող են փոխվել ագրեգացման մի վիճակից մյուսը:

Սահմանում

Գոլորշիացումը նյութի ագրեգացման վիճակի փոփոխման գործընթաց է, որի ժամանակ հեղուկի կամ պինդի մակերևույթից դուրս են թռչում մոլեկուլներ, որոնց կինետիկ էներգիան գերազանցում է մոլեկուլների փոխազդեցության պոտենցիալ էներգիան։

Գոլորշիացումը փուլային անցում է: Գոլորշիացման ընթացքում հեղուկի կամ պինդի մի մասը անցնում է գոլորշի: Գազային վիճակում գտնվող նյութը, որը գտնվում է հեղուկի հետ դինամիկ հավասարակշռության մեջ, կոչվում է հագեցած գոլորշի: Միաժամանակ փոփոխությունը ներքին էներգիամարմիններ:

\[\եռանկյունի \ U=\pm mr\ \ձախ (1\աջ),\]

որտեղ m-ը մարմնի քաշն է, r-ը գոլորշիացման հատուկ ջերմությունն է (J/kg):

Սահմանում

Կոնդենսացումը գոլորշիացման հակառակ գործընթացն է:

Ներքին էներգիայի փոփոխության հաշվարկն իրականացվում է (1) բանաձևով.

Սահմանում

Հալումը նյութի պինդ վիճակից հեղուկ վիճակի անցնելու գործընթացն է, նյութի ագրեգացման վիճակի փոփոխման պրոցեսը։

Երբ նյութը տաքացվում է, նրա ներքին էներգիան մեծանում է, հետևաբար՝ մեծանում է մոլեկուլների ջերմային շարժման արագությունը։ Նյութի հալման կետին հասնելու դեպքում պինդ նյութի բյուրեղային ցանցը սկսում է քայքայվել։ Մասնիկների միջև կապերը ոչնչացվում են, մասնիկների միջև փոխազդեցության էներգիան մեծանում է: Մարմին փոխանցվող ջերմությունը մեծացնում է այս մարմնի ներքին էներգիան, իսկ էներգիայի մի մասը գնում է աշխատանքի՝ մարմնի ծավալը փոխելու համար, երբ այն հալվում է: Բյուրեղային մարմինների մեծ մասի համար ծավալը մեծանում է հալվելիս, սակայն կան բացառություններ, օրինակ՝ սառույց, չուգուն։ Ամորֆ մարմինները չունեն հատուկ հալման կետ։ Հալումը փուլային անցում է, որն ուղեկցվում է հալման ջերմաստիճանում ջերմային հզորության կտրուկ փոփոխությամբ։ Հալման կետը կախված է նյութից և գործընթացի ընթացքում չի փոխվում։ Այս դեպքում մարմնի ներքին էներգիայի փոփոխությունը.

\[\եռանկյուն U=\pm m\lambda \ձախ(2\աջ),\]

որտեղ $\lambda $-ը միաձուլման հատուկ ջերմությունն է (J/kg):

Հալման հակառակ գործընթացը բյուրեղացումն է: Ներքին էներգիայի փոփոխության հաշվարկն իրականացվում է (2) բանաձևով.

Համակարգի յուրաքանչյուր մարմնի ներքին էներգիայի փոփոխությունը ջեռուցման կամ հովացման դեպքում կարելի է հաշվարկել բանաձևով.

\[\եռանկյուն U=mc\եռանկյուն T\ձախ(3\աջ),\]

որտեղ c-ն նյութի տեսակարար ջերմությունն է, J/(kgK), $\եռանկյունի T$-ը մարմնի ջերմաստիճանի փոփոխությունն է:

Նյութերի անցումները ագրեգացման մի վիճակից մյուսը ուսումնասիրելիս անհնար է անել առանց այսպես կոչված ջերմային հաշվեկշռի հավասարման, որն ասում է. ջերմություն (ընդհանուր), որը ներծծվում է այս համակարգում:

Ջերմային հաշվեկշռի հավասարումն իր իմաստով էներգիայի պահպանման օրենք է ջերմամեկուսացված համակարգերում ջերմափոխանակման գործընթացների համար։

Օրինակ 1

Առաջադրանք՝ Ջերմամեկուսիչ տարայում կան ջուր և սառույց $t_i= 0^oС$ ջերմաստիճանում։ Ջրի ($m_(v\ ))$ և սառույցի ($m_(i\ ))$ զանգվածները համապատասխանաբար 0,5 կգ և 60 գ են։ Ջրի գոլորշի $m_(p\ )=$10 գ զանգվածով ջուր են թողնում։ $t_p= 100^oС$ ջերմաստիճանում։ Ինչպիսի՞ն կլինի ջրի ջերմաստիճանը անոթում ջերմային հավասարակշռություն հաստատելուց հետո: Նավի ջերմային հզորությունը անտեսվում է:

Լուծում. Եկեք որոշենք, թե ինչ գործընթացներ են տեղի ունենում համակարգում, նյութի ինչ ագրեգատային վիճակներ ենք ունեցել և ինչ ենք ստացել:

Ջրի գոլորշիները խտանում են՝ ջերմություն տալով։

Այս ջերմությունն օգտագործվում է սառույցը հալեցնելու և, հնարավոր է, սառույցից առկա և ստացված ջուրը տաքացնելու համար։

Եկեք նախ ստուգենք, թե որքան ջերմություն է արձակվում գոլորշու առկա զանգվածի խտացման ժամանակ.

այստեղ, հղման նյութերից, ունենք $r=2.26 10^6\frac(J)(kg)$ - գոլորշիացման հատուկ ջերմություն (կիրառելի է նաև խտացման համար):

Սառույցը հալելու համար անհրաժեշտ ջերմություն.

այստեղ տեղեկատու նյութերից ունենք $\lambda =3.3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - սառույցի հալման հատուկ ջերմություն:

Մենք ստանում ենք, որ գոլորշին ավելի շատ ջերմություն է տալիս, քան պահանջվում է, միայն առկա սառույցը հալեցնելու համար, հետևաբար, ջերմային հավասարակշռության հավասարումը գրում ենք ձևով.

Ջերմությունն ազատվում է, երբ $m_(p\ )$ զանգվածի գոլորշին խտանում է, և ջուրը, որը գոյանում է գոլորշուց, սառչում է $T_p$ ջերմաստիճանից մինչև ցանկալի T: Ջերմությունը կլանվում է, երբ $m_(i\ )$ զանգվածի սառույցը հալվում է իսկ $m_v+ զանգվածով ջուրը տաքացվում է m_i$ ջերմաստիճանից $T_i$ մինչև $T։\ $ Նշում ենք $T-T_i=\եռանկյունի T$, $T_p-T$ տարբերության համար մենք ստանում ենք.

Ջերմային հաշվեկշռի հավասարումը կունենա հետևյալ ձևը.

\ \ \[\եռանկյունի T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\)100-lm_(i\ ))(c\left(m_v+m_i+m_(p\)\աջ))\ձախ (1.6 \ աջ) \]

Մենք կիրականացնենք հաշվարկներ՝ հաշվի առնելով, որ ջրի ջերմունակությունը աղյուսակային է $c=4.2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i. +273=273K$:

$\եռանկյունի T=\frac(2,26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4,2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2)\cdot 3,3\cdot 10^5)(4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^(-1))\մոտ 3\ձախ(K\աջ)$հետո T=273+3=276 (K)

Պատասխան. Ջերմային հավասարակշռության հաստատումից հետո անոթում ջրի ջերմաստիճանը հավասար կլինի 276 Կ։

Օրինակ 2

Առաջադրանք. Նկարում ներկայացված է իզոթերմի այն հատվածը, որը համապատասխանում է նյութի բյուրեղային վիճակից հեղուկ վիճակի անցմանը: Ի՞նչն է համապատասխանում p,T դիագրամի այս բաժնին:

Դիագրամում պատկերված վիճակների ամբողջությունը p,V հորիզոնական p,T գծապատկերի ուղիղ գծի հատվածը ներկայացված է մեկ կետով, որը որոշում է p և T արժեքները, որտեղ տեղի է ունենում անցում ագրեգացման մի վիճակից մյուսին:

Նյութի ագրեգատային վիճակ

Նյութ- մասնիկների իրական հավաքածու, որոնք փոխկապակցված են քիմիական կապերով և որոշակի պայմաններում ագրեգացման վիճակներից մեկում: Ցանկացած նյութ բաղկացած է շատ մեծ թվովմասնիկներ՝ ատոմներ, մոլեկուլներ, իոններ, որոնք կարող են միավորվել միմյանց հետ՝ դառնալով ասոցիացիաներ, որոնք նաև կոչվում են ագրեգատներ կամ կլաստերներ։ Կախված ասոցիացիաներում մասնիկների ջերմաստիճանից և վարքագծից (մասնիկների փոխադարձ դասավորությունը, դրանց թիվը և փոխազդեցությունը ասոցիացիայի մեջ, ինչպես նաև ասոցացվածների բաշխումը տարածության մեջ և դրանց փոխազդեցությունը միմյանց հետ), նյութը կարող է լինել երկու հիմնական վիճակում. համախմբման - բյուրեղային (պինդ) կամ գազային,և ագրեգացման անցումային վիճակներում՝ ամորֆ (պինդ), հեղուկ բյուրեղյա, հեղուկ և գոլորշի:Պինդ, հեղուկ-բյուրեղային և հեղուկ ագրեգացման վիճակները խտացված են, իսկ գոլորշիներն ու գազերը խիստ լիցքաթափվում են։

Փուլ- սա միատարր միկրոտարածքների ամբողջություն է, որը բնութագրվում է մասնիկների նույն կարգով և համակենտրոնացումով և ընդգրկված է միջերեսով սահմանափակված նյութի մակրոսկոպիկ ծավալի մեջ: Այս ընկալմամբ, փուլը բնորոշ է միայն բյուրեղային և գազային վիճակում գտնվող նյութերին, քանի որ. դրանք միատարր ագրեգատային վիճակներ են։

մետաֆազ- սա տարասեռ միկրոտարածքների մի շարք է, որոնք միմյանցից տարբերվում են մասնիկների դասավորության աստիճանով կամ դրանց կոնցենտրացիայով և պարփակված են միջերեսով սահմանափակված նյութի մակրոսկոպիկ ծավալի մեջ: Այս հասկացության մեջ մետաֆազը բնորոշ է միայն այն նյութերին, որոնք գտնվում են ագրեգացման անհամասեռ անցումային վիճակում: Տարբեր փուլեր և մետաֆազներ կարող են խառնվել միմյանց հետ՝ ձևավորելով ագրեգացիայի մեկ վիճակ, իսկ հետո դրանց միջև միջերես չկա:

Սովորաբար չեն տարանջատում «հիմնական» և «անցումային» ագրեգացման վիճակ հասկացությունները։ Որպես հոմանիշներ հաճախ օգտագործվում են «ագրեգատային վիճակ», «փուլ» և «մեզոֆազ» հասկացությունները։ Նպատակահարմար է դիտարկել նյութերի վիճակի հինգ հնարավոր ագրեգատային վիճակներ. պինդ, հեղուկ բյուրեղյա, հեղուկ, գոլորշի, գազային:Մեկ փուլից մյուս փուլի անցումը կոչվում է առաջին և երկրորդ կարգի փուլային անցում: Առաջին տեսակի փուլային անցումները բնութագրվում են.

Ֆիզիկական մեծությունների կտրուկ փոփոխություն, որը նկարագրում է նյութի վիճակը (ծավալ, խտություն, մածուցիկություն և այլն);

Որոշակի ջերմաստիճան, որում տեղի է ունենում տվյալ փուլային անցում

Որոշակի ջերմություն, որը բնութագրում է այս անցումը, քանի որ կոտրել միջմոլեկուլային կապերը.

Առաջին տեսակի փուլային անցումներ նկատվում են ագրեգացման մի վիճակից մյուս ագրեգացման վիճակի անցման ժամանակ: Երկրորդ տեսակի փուլային անցումներ նկատվում են, երբ մասնիկների դասավորությունը ագրեգացման մեկ վիճակում փոխվում է և բնութագրվում է.

աստիճանական փոփոխություն ֆիզիկական հատկություններնյութեր;

Արտաքին դաշտերի գրադիենտի ազդեցության տակ կամ որոշակի ջերմաստիճանում նյութի մասնիկների դասավորության փոփոխություն, որը կոչվում է փուլային անցման ջերմաստիճան.

Երկրորդ կարգի փուլային անցումների ջերմությունը հավասար է և մոտ է զրոյի:

Առաջին և երկրորդ կարգի փուլային անցումների հիմնական տարբերությունն այն է, որ առաջին տեսակի անցումների ժամանակ առաջին հերթին փոխվում է համակարգի մասնիկների էներգիան, իսկ երկրորդ տեսակի անցումների դեպքում՝ դասակարգումը. համակարգի մասնիկները փոխվում են.

Նյութի անցումը պինդ վիճակից հեղուկ վիճակի կոչվում է հալվելըև բնութագրվում է իր հալման կետով: Նյութի անցումը հեղուկից գոլորշի վիճակի կոչվում է գոլորշիացումև բնութագրվում է եռման կետով: Փոքր մոլեկուլային քաշով և թույլ միջմոլեկուլային փոխազդեցությամբ որոշ նյութերի համար հնարավոր է ուղիղ անցում պինդ վիճակից գոլորշի վիճակի` շրջանցելով հեղուկ վիճակը։ Նման անցումը կոչվում է սուբլիմացիա։Այս բոլոր գործընթացները կարող են ընթանալ հակառակ ուղղությամբ. այնուհետև դրանք կոչվում են սառեցում, խտացում, սուբլիմացիա:

Նյութերը, որոնք չեն քայքայվում հալման և եռման ժամանակ, կարող են լինել, կախված ջերմաստիճանից և ճնշումից, ագրեգացման բոլոր չորս վիճակներում:

Պինդ վիճակ

Բավականաչափ ցածր ջերմաստիճանի դեպքում գրեթե բոլոր նյութերը գտնվում են պինդ վիճակում: Այս վիճակում նյութի մասնիկների միջև հեռավորությունը համեմատելի է հենց իրենց մասնիկների չափի հետ, որն ապահովում է նրանց ուժեղ փոխազդեցությունը և կինետիկ էներգիայի նկատմամբ նրանց պոտենցիալ էներգիայի զգալի գերազանցումը: Սա հանգեցնում է մասնիկների դասավորության ներքին կարգի: Հետևաբար, պինդ մարմինները բնութագրվում են իրենց ձևով, մեխանիկական ուժով, մշտական ​​ծավալով (դրանք գործնականում անսեղմելի են): Կախված մասնիկների դասավորության աստիճանից՝ պինդ մարմինները բաժանվում են բյուրեղային և ամորֆ:

Բյուրեղային նյութերը բնութագրվում են բոլոր մասնիկների դասավորության մեջ կարգի առկայությամբ։ Բյուրեղային նյութերի պինդ փուլը բաղկացած է մասնիկներից, որոնք կազմում են միատարր կառուցվածք, որը բնութագրվում է նույն միավոր բջջի խիստ կրկնելիությամբ բոլոր ուղղություններով։ Բյուրեղի տարրական բջիջը բնութագրում է եռաչափ պարբերականությունը մասնիկների դասավորության մեջ, այսինքն. նրա բյուրեղյա վանդակը: Բյուրեղյա վանդակները դասակարգվում են ըստ բյուրեղը կազմող մասնիկների տեսակի և նրանց միջև ձգող ուժերի բնույթի:

Շատ բյուրեղային նյութեր, կախված պայմաններից (ջերմաստիճան, ճնշում), կարող են ունենալ տարբեր բյուրեղային կառուցվածք։ Այս երեւույթը կոչվում է պոլիմորֆիզմ.Ածխածնի հայտնի պոլիմորֆ ձևափոխումներ՝ գրաֆիտ, ֆուլերեն, ադամանդ, կարաբին։

Ամորֆ (անձև) նյութեր.Այս վիճակը բնորոշ է պոլիմերներին։ Երկար մոլեկուլները հեշտությամբ թեքում և միահյուսվում են այլ մոլեկուլների հետ, ինչը հանգեցնում է մասնիկների դասավորության անկանոնությունների։

Ամորֆ մասնիկների և բյուրեղային մասնիկների միջև տարբերությունը.

իզոտրոպիա - մարմնի կամ միջավայրի ֆիզիկական և քիմիական հատկությունների նույնականությունը բոլոր ուղղություններով, այսինքն. հատկությունների անկախություն ուղղությունից;

չկա ֆիքսված հալման կետ:

Ապակին, միաձուլված քվարցը և շատ պոլիմերներ ունեն ամորֆ կառուցվածք։ Ամորֆ նյութերն ավելի քիչ կայուն են, քան բյուրեղայինները, և, հետևաբար, ցանկացած ամորֆ մարմին կարող է ի վերջո տեղափոխվել էներգետիկորեն ավելի կայուն վիճակ՝ բյուրեղային:

հեղուկ վիճակ

Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է, մասնիկների ջերմային թրթռումների էներգիան մեծանում է, և յուրաքանչյուր նյութի համար կա ջերմաստիճան, որից սկսած ջերմային թրթռումների էներգիան գերազանցում է կապերի էներգիան։ Մասնիկները կարող են կատարել զանազան շարժումներ՝ փոխադարձաբար փոխվելով միմյանց նկատմամբ։ Նրանք դեռ մնում են շփման մեջ, թեև խախտված է մասնիկների ճիշտ երկրաչափական կառուցվածքը՝ նյութը գոյություն ունի հեղուկ վիճակում։ Մասնիկների շարժունակության շնորհիվ հեղուկ վիճակին բնորոշ է բրոունյան շարժումը, մասնիկների դիֆուզիան և անկայունությունը։ Հեղուկի կարևոր հատկությունը մածուցիկությունն է, որը բնութագրում է միջասոցիատիվ ուժերը, որոնք կանխում են հեղուկի ազատ հոսքը։

Հեղուկները միջանկյալ դիրք են զբաղեցնում նյութերի գազային և պինդ վիճակների միջև։ Ավելի կանոնավոր կառուցվածք, քան գազը, բայց ավելի քիչ, քան պինդ:

Գոլորշի և գազային վիճակներ

Գոլորշի-գազային վիճակը սովորաբար չի տարբերվում։

Գազ - դա շատ հազվադեպ միատարր համակարգ է, որը բաղկացած է միմյանցից հեռու գտնվող առանձին մոլեկուլներից, որը կարելի է համարել մեկ դինամիկ փուլ:

Գոլորշի - սա բարձր լիցքաթափված անհամասեռ համակարգ է, որը մոլեկուլների և այս մոլեկուլներից բաղկացած անկայուն փոքր ասոցիացիաների խառնուրդ է:

Մոլեկուլային-կինետիկ տեսությունը բացատրում է իդեալական գազի հատկությունները՝ հիմնվելով հետևյալ դրույթների վրա. մոլեկուլները կատարում են շարունակական պատահական շարժում; գազի մոլեկուլների ծավալը չնչին է միջմոլեկուլային հեռավորությունների համեմատ. գազի մոլեկուլների միջև չկան գրավիչ կամ վանող ուժեր. գազի մոլեկուլների միջին կինետիկ էներգիան համաչափ է նրա բացարձակ ջերմաստիճանին։ Միջմոլեկուլային փոխազդեցության ուժերի աննշանության և մեծ ազատ ծավալի առկայության պատճառով գազերը բնութագրվում են ջերմային շարժման և մոլեկուլային դիֆուզիայի բարձր արագությամբ, հնարավորինս շատ ծավալ զբաղեցնելու մոլեկուլների ցանկությամբ, ինչպես նաև բարձր սեղմելիությամբ։ .

Մեկուսացված գազաֆազային համակարգը բնութագրվում է չորս պարամետրով՝ ճնշում, ջերմաստիճան, ծավալ, նյութի քանակություն։ Այս պարամետրերի միջև կապը նկարագրվում է իդեալական գազի վիճակի հավասարմամբ.

R = 8,31 կՋ/մոլ գազի համընդհանուր հաստատունն է:

ՍԱՀՄԱՆՈՒՄ

Նյութ- մեծ թվով մասնիկների հավաքածու (ատոմներ, մոլեկուլներ կամ իոններ):

Նյութերն ունեն բարդ կառուցվածք։ Նյութի մեջ գտնվող մասնիկները փոխազդում են միմյանց հետ: Նյութի մեջ մասնիկների փոխազդեցության բնույթը որոշում է դրա ագրեգացման վիճակը:

Համախառն վիճակների տեսակները

Առանձնացվում են ագրեգացման հետևյալ վիճակները՝ պինդ, հեղուկ, գազ, պլազմա։

Պինդ վիճակում մասնիկները, որպես կանոն, միավորվում են կանոնավոր երկրաչափական կառուցվածքի մեջ։ Մասնիկների կապի էներգիան ավելի մեծ է, քան նրանց ջերմային թրթռումների էներգիան։

Եթե ​​մարմնի ջերմաստիճանը բարձրանում է, ապա ավելանում է մասնիկների ջերմային տատանումների էներգիան։ Որոշակի ջերմաստիճանում ջերմային թրթռումների էներգիան դառնում է ավելի մեծ, քան կապի էներգիան։ Այս ջերմաստիճանում մասնիկների միջև կապերը ոչնչացվում են և նորից ձևավորվում: Այս դեպքում մասնիկները կազմում են տարբեր տեսակներշարժումներ (տատանումներ, պտույտներ, շարժումներ միմյանց նկատմամբ և այլն): Սակայն նրանք դեռ շփվում են միմյանց հետ։ Ճիշտ երկրաչափական կառուցվածքը կոտրված է։ Նյութը հեղուկ վիճակում է։

Ջերմաստիճանի հետագա աճի հետ ջերմային տատանումները ուժեղանում են, մասնիկների միջև կապերը դառնում են էլ ավելի թույլ և գործնականում բացակայում: Նյութը գազային վիճակում է։ Նյութի ամենապարզ մոդելը իդեալական գազն է, որտեղ ենթադրվում է, որ մասնիկները ազատորեն շարժվում են ցանկացած ուղղությամբ, փոխազդում են միմյանց հետ միայն բախման պահին, մինչդեռ առաձգական ազդեցության օրենքները կատարվում են։

Կարելի է եզրակացնել, որ ջերմաստիճանի բարձրացմամբ նյութը կարգավորված կառուցվածքից անցնում է անկարգ վիճակի։

Պլազման գազային նյութ է, որը բաղկացած է իոնների և էլեկտրոնների չեզոք մասնիկների խառնուրդից։

Ջերմաստիճանը և ճնշումը նյութի տարբեր վիճակներում

Նյութի ագրեգատային տարբեր վիճակներ են որոշում՝ ջերմաստիճանը և ճնշումը: Ցածր ճնշումը և բարձր ջերմաստիճանը համապատասխանում են գազերին։ Ցածր ջերմաստիճանի դեպքում սովորաբար նյութը գտնվում է պինդ վիճակում։ Միջանկյալ ջերմաստիճանները վերաբերում են հեղուկ վիճակում գտնվող նյութերին: Ֆազային դիագրամը հաճախ օգտագործվում է նյութի ագրեգատային վիճակները բնութագրելու համար: Սա դիագրամ է, որը ցույց է տալիս ագրեգացման վիճակի կախվածությունը ճնշումից և ջերմաստիճանից:

Գազերի հիմնական առանձնահատկությունը ընդլայնվելու և սեղմվելու ունակությունն է: Գազերը ձեւ չունեն, ընդունում են այն անոթի ձեւը, որի մեջ դրված են։ Գազի ծավալը որոշում է նավի ծավալը։ Գազերը կարող են խառնվել միմյանց հետ ցանկացած համամասնությամբ:

Հեղուկը ձև չունի, բայց ունի ծավալ։ Հեղուկները վատ են սեղմվում, միայն բարձր ճնշման դեպքում:

Պինդ մարմիններն ունեն ձև և ծավալ։ Պինդ վիճակում կարող են լինել միացություններ մետաղական, իոնային և կովալենտային կապերով։

Խնդիրների լուծման օրինակներ

ՕՐԻՆԱԿ 1

Զորավարժություններ

Գծե՛ք վիճակների փուլային դիագրամ որոշ վերացական նյութի համար: Բացատրեք դրա իմաստը:

Լուծում

Եկեք նկարենք: Վիճակի դիագրամը ներկայացված է Նկ.1-ում: Այն բաղկացած է երեք տարածքներից, որոնք համապատասխանում են նյութի բյուրեղային (պինդ) վիճակին, հեղուկ և գազային վիճակին։ Այս տարածքները բաժանված են կորերով, որոնք ցույց են տալիս փոխադարձ հակադարձ գործընթացների սահմանները. 01 - հալեցում - բյուրեղացում; 02 - եռում - խտացում; 03 - սուբլիմացիա - սուբլիմացիա: Բոլոր կորերի հատման կետը (O) եռակի կետ է: Այս պահին նյութը կարող է գոյություն ունենալ ագրեգացման երեք վիճակներում. Եթե ​​նյութի ջերմաստիճանը կրիտիկական ()-ից բարձր է (կետ 2), ապա մասնիկների կինետիկ էներգիան ավելի մեծ է, քան դրանց փոխազդեցության պոտենցիալ էներգիան, նման ջերմաստիճաններում նյութը ցանկացած ճնշման դեպքում դառնում է գազ։ Ֆազային դիագրամից երևում է, որ եթե ճնշումը ավելի մեծ է, քան , ապա պինդը հալվում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ: Հալվելուց հետո ճնշման բարձրացումը հանգեցնում է եռման կետի բարձրացման: Եթե ​​ճնշումը փոքր է, ապա պինդ նյութի ջերմաստիճանի բարձրացումը հանգեցնում է անմիջապես գազային վիճակի (սուբլիմացիա) անցմանը (կետ G):

ՕՐԻՆԱԿ 2

Զորավարժություններ

Բացատրե՛ք, թե ինչո՞վ է տարբերվում ագրեգացման մի վիճակը մյուսից:

Լուծում

Ագրեգացման տարբեր վիճակներում ատոմները (մոլեկուլները) ունեն տարբեր դասավորվածություններ։ Այսպիսով, բյուրեղային ցանցերի ատոմները (մոլեկուլները կամ իոնները) դասավորված են կարգով, նրանք կարող են փոքր թրթռումներ կատարել հավասարակշռության դիրքերի շուրջ: Գազերի մոլեկուլները գտնվում են անկարգ վիճակում և կարող են շարժվել զգալի հեռավորությունների վրա։ Բացի այդ, նյութերի ներքին էներգիան տարբեր ագրեգատային վիճակներում (նյութերի նույն զանգվածների համար) ժ տարբեր ջերմաստիճաններտարբեր. Ագրեգացման մի վիճակից մյուսին անցնելու գործընթացներն ուղեկցվում են ներքին էներգիայի փոփոխությամբ։ Անցումը՝ պինդ - հեղուկ - գազ, նշանակում է ներքին էներգիայի ավելացում, քանի որ կա մոլեկուլների շարժման կինետիկ էներգիայի աճ։