Kas ir plazma – neparasta gāze

Kopš bērnības mums ir zināmi vairāki vielu agregācijas stāvokļi. Ņemsim, piemēram, ūdeni. Tās parastais stāvoklis ir zināms visiem - šķidrs, tas ir izplatīts visur: upēs, ezeros, jūrās, okeānos. Otrais agregācijas stāvoklis ir gāze. Mēs viņu neredzam bieži. Lielākā daļa viegls ceļs sasniedz gāzveida stāvokli ūdens tuvumā - uzvāra. Tvaiks nav nekas cits kā ūdens gāzveida stāvoklis. Trešais kopējais stāvoklis - ciets. Līdzīgu gadījumu varam novērot, piemēram, ziemas mēnešos. Ledus ir sasalis ūdens, un ir trešais agregācijas stāvoklis.
Šis piemērs skaidri parāda, ka gandrīz jebkurai vielai ir trīs agregācijas stāvokļi. Dažiem to sasniegt ir viegli, citiem grūtāk (nepieciešami īpaši nosacījumi).

Bet mūsdienu fizika izceļ citu, neatkarīgu vielas stāvokli – plazmu.

Plazma ir jonizēta gāze ar vienādu pozitīvo un negatīvo lādiņu blīvumu. Kā jūs zināt, ar spēcīgu karsēšanu jebkura viela nonāk trešajā agregācijas stāvoklī - gāzē. Ja turpināsim karsēt iegūto gāzveida vielu, tad izejā mēs iegūsim vielu ar strauji paaugstinātu termiskās jonizācijas procesu, atomi, kas veido gāzi, sadalās, veidojot jonus. Šo stāvokli var novērot ar neapbruņotu aci. Mūsu Saule ir zvaigzne, tāpat kā miljoniem citu zvaigžņu un galaktiku Visumā, tā ir tikai augstas temperatūras plazma. Diemžēl uz Zemes dabiskos apstākļos plazma nepastāv. Bet mēs joprojām varam to novērot, piemēram, zibens uzliesmojumu. Laboratorijas apstākļos plazmu vispirms ieguva, izlaižot augstu spriegumu caur gāzi. Mūsdienās daudzi no mums ikdienā izmanto plazmu - tās ir parastas gāzizlādes dienasgaismas spuldzes. Uz ielām visu laiku redzama neona reklāma, kas ir nekas vairāk kā zemas temperatūras plazma stikla caurulēs.

Lai no gāzveida stāvokļa pārietu uz plazmu, gāzei jābūt jonizētai. Jonizācijas pakāpe ir tieši atkarīga no atomu skaita. Vēl viens nosacījums ir temperatūra.

Līdz 1879. gadam fizika aprakstīja un vadīja tikai trīs vielu agregācijas stāvokļus. Kamēr angļu zinātnieks, ķīmiķis un fiziķis Viljams Krūkss nesāka veikt eksperimentus par elektrības vadītspējas izpēti gāzēs. Viņa atklājumi ietver Thalia elementa atklāšanu, hēlija ražošanu laboratorijā un, protams, pirmos eksperimentus ar aukstās plazmas ražošanu gāzizlādes caurulēs. Pazīstamo terminu "plazma" pirmo reizi 1923. gadā izmantoja amerikāņu zinātnieks Langmuirs un vēlāk Tonksons. Līdz tam laikam "plazma" apzīmēja tikai bezkrāsaino asins vai piena sastāvdaļu.

Mūsdienu pētījumi rāda, pretēji plaši izplatītam uzskatam, aptuveni 99% no visas Visuma matērijas atrodas plazmas stāvoklī. Visas zvaigznes, visa starpzvaigžņu telpa, galaktikas, miglāji, saules ventilators ir tipiski plazmas pārstāvji.
Uz zemes mēs varam tādus novērot dabas parādības kā zibens Ziemeļblāzma, "Svētā Elmo uguns", Zemes jonosfēra un, protams, uguns.
Cilvēks ir iemācījies izmantot arī plazmu savā labā. Pateicoties ceturtajam agregātstāvoklim, mēs varam izmantot gāzizlādes lampas, plazmas televizorus, elektrisko loka metināšanu un lāzerus. Tāpat mēs varam novērot plazmas parādības kodolsprādziena vai kosmosa raķešu palaišanas laikā.

Par vienu no prioritārajiem pētījumiem plazmas virzienā var uzskatīt kodolsintēzes reakciju, kurai jākļūst par drošu kodolenerģijas aizstājēju.

Saskaņā ar klasifikāciju plazmu iedala zemas temperatūras un augstas temperatūras, līdzsvara un nelīdzsvarotās, ideālās un neideālās.
Zemas temperatūras plazmai ir raksturīga zema jonizācijas pakāpe (apmēram 1%) un temperatūra līdz 100 tūkstošiem grādu. Tieši šī iemesla dēļ šāda veida plazmu bieži izmanto dažādos tehnoloģiskos procesos (dimanta plēves nogulsnēšanās uz virsmas, vielas mitrināmības maiņa, ūdens ozonēšana utt.).

Augstas temperatūras jeb “karstai” plazmai ir gandrīz 100% jonizācija (tas ir stāvoklis, ko saprot ar ceturto agregācijas stāvokli) un temperatūra līdz 100 miljoniem grādu. Dabā tās ir zvaigznes. Sauszemes apstākļos termokodolsintēzes eksperimentos tiek izmantota augstas temperatūras plazma. Kontrolēta reakcija ir diezgan sarežģīta un energoietilpīga, bet nekontrolēta ir pietiekami pierādījusi sevi kā kolosāla spēka ieroci - 1953. gada 12. augustā PSRS pārbaudītā kodolbumba.
Bet tās ir galējības. Aukstā plazma ir stingri ieņēmusi savu vietu cilvēka dzīvē, joprojām var sapņot par lietderīgu kontrolētu kodolsintēzi, ieroči nav īsti piemērojami.

Taču ikdienā plazma ne vienmēr ir vienlīdz noderīga. Dažreiz ir situācijas, kurās jāizvairās no plazmas izlādes. Piemēram, jebkuros pārslēgšanas procesos starp kontaktiem novērojam plazmas loku, kas steidzami jādzēš.

Jebkura viela sastāv no molekulām, un tās fizikālās īpašības ir atkarīgas no tā, kā molekulas ir sakārtotas un kā tās mijiedarbojas viena ar otru. Parastā dzīvē mēs novērojam trīs matērijas agregātus - cietu, šķidru un gāzveida.

Piemēram, ūdens var būt cietā (ledus), šķidrā (ūdens) un gāzveida (tvaiks) stāvoklī.

Gāze izplešas, līdz aizpilda visu tai piešķirto apjomu. Ja ņemam vērā gāzi molekulārā līmenī, mēs redzēsim molekulas, kas nejauši steidzas un saduras savā starpā un ar trauka sienām, kas tomēr praktiski nesaskaras viena ar otru. Palielinot vai samazinot trauka tilpumu, molekulas vienmērīgi pārdalīsies jaunajā tilpumā.

Atšķirībā no gāzes noteiktā temperatūrā, tā aizņem noteiktu tilpumu, tomēr tā ir arī piepildīta trauka formā, bet tikai zem virsmas līmeņa. Molekulārā līmenī par šķidrumu visvieglāk ir domāt kā par sfēriskām molekulām, kas, lai arī ir ciešā saskarē viena ar otru, var brīvi ripot viena ap otru kā apaļas krelles burkā. Ielejiet traukā šķidrumu - un molekulas ātri izplatīsies un aizpildīs trauka tilpuma apakšējo daļu, kā rezultātā šķidrums iegūs savu formu, bet neizplatīsies visā trauka tilpumā.

Ciets ir sava forma, neizplatās pa konteinera tilpumuun nepieņem savu formu. Mikroskopiskā līmenī atomi pielīp viens otram ķīmiskās saites, un to novietojums vienam pret otru ir fiksēts. Tajā pašā laikā tie var veidot gan stingras sakārtotas struktūras - kristāla režģi -, gan nejaušu kaudzi - amorfus ķermeņus (tieši tāda ir polimēru struktūra, kas bļodā izskatās kā sapinušies un lipīgi makaroni).

Iepriekš ir aprakstīti trīs klasiski matērijas agregāti. Tomēr ir ceturtais stāvoklis, ko fiziķi mēdz klasificēt kā agregātu. Tas ir plazmas stāvoklis. Plazmu raksturo daļēja vai pilnīga elektronu atdalīšana no atomu orbītām, bet paši brīvie elektroni paliek vielas iekšpusē.

Vielas agregātu stāvokļu izmaiņas mēs varam novērot dabā ar savām acīm. Ūdens no ūdenstilpju virsmas iztvaiko un veidojas mākoņi. Tātad šķidrums pārvēršas gāzē. Ziemā ūdens rezervuāros sasalst, pārvēršoties cietā stāvoklī, un pavasarī tas atkal kūst, pārvēršoties šķidrumā. Kas notiek ar vielas molekulām, kad tā pāriet no viena stāvokļa citā? Vai viņi mainās? Vai, piemēram, ledus molekulas atšķiras no tvaiku molekulām? Atbilde ir nepārprotama: nē. Molekulas paliek tieši tādas pašas. Mainās to kinētiskā enerģija un attiecīgi arī vielas īpašības.

Tvaika molekulu enerģija ir pietiekami liela, lai izkliedētu dažādos virzienos, un, atdzesējot, tvaiki kondensējas šķidrumā, un molekulām joprojām ir pietiekami daudz enerģijas gandrīz brīvai kustībai, bet nepietiek, lai atrautos no citu molekulu pievilcības. un aizlido. Tālāk atdziestot, ūdens sasalst, kļūstot par cietu ķermeni, un molekulu enerģijas vairs nepietiek pat brīvai kustībai ķermeņa iekšienē. Tie svārstās ap vienu vietu, ko notur citu molekulu pievilcīgie spēki.

Definīcija

Vielas agregātie stāvokļi (no latīņu valodas aggrego — piesaistīt, savienot) — tie ir vienas un tās pašas vielas stāvokļi — ciets, šķidrs, gāzveida.

Pārejot no viena stāvokļa uz otru, notiek pēkšņas enerģijas, entropijas, blīvuma un citu matērijas īpašību izmaiņas.

Cietie un šķidrie ķermeņi

Definīcija

Cietie ķermeņi ir ķermeņi, kas izceļas ar formas un tilpuma nemainīgumu.

Tajos starpmolekulārie attālumi ir nelieli un molekulu potenciālā enerģija ir salīdzināma ar kinētisko. Cietās vielas iedala divos veidos: kristāliskā un amorfā. Termodinamiskā līdzsvara stāvoklī atrodas tikai kristāliskie ķermeņi. Amorfie ķermeņi faktiski pārstāv metastabilus stāvokļus, kas savā struktūrā tuvojas nelīdzsvarotiem, lēni kristalizējošiem šķidrumiem. Amorfā ķermenī notiek ļoti lēns kristalizācijas process, vielas pakāpeniskas pārejas process kristāliskā fāzē. Atšķirība starp kristālu un amorfu cietu vielu galvenokārt slēpjas tā īpašību anizotropijā. Kristāliskā ķermeņa īpašības ir atkarīgas no virziena telpā. Tajā izplatās dažādi procesi, piemēram, siltumvadītspēja, elektrovadītspēja, gaisma, skaņa dažādi virzieni ciets ķermenis dažādos veidos. Amorfie ķermeņi (stikls, sveķi, plastmasa) ir izotopi, tāpat kā šķidrumi. Vienīgā atšķirība starp amorfiem ķermeņiem un šķidrumiem ir tā, ka pēdējie ir šķidri, tajos nav iespējamas statiskās bīdes deformācijas.

Kristāliskiem ķermeņiem ir pareiza molekulārā struktūra. Tā īpašību anizotropija ir saistīta ar pareizu kristāla struktūru. Pareizs kristāla atomu izvietojums veido tā saukto kristāla režģi. Dažādos virzienos atomu izvietojums režģī ir atšķirīgs, kas noved pie anizotropijas. Atomi (vai joni, vai veselas molekulas) kristāla režģī ir nejauši oscilējoša kustība netālu no vidējām pozīcijām, kuras tiek uzskatītas par kristāla režģa mezgliem. Jo augstāka temperatūra, jo lielāka ir svārstību enerģija un līdz ar to arī vidējā svārstību amplitūda. Kristāla izmērs ir atkarīgs no svārstību amplitūdas. Svārstību amplitūdas palielināšanās noved pie ķermeņa izmēra palielināšanās. Tas izskaidro cieto vielu termisko izplešanos.

Definīcija

Šķidrie ķermeņi ir ķermeņi, kuriem ir noteikts tilpums, bet kuriem nav formas elastības.

Šķidrumiem ir raksturīga spēcīga starpmolekulārā mijiedarbība un zema saspiežamība. Šķidrums ieņem starpstāvokli starp cietu vielu un gāzi. Šķidrumi, tāpat kā gāzes, ir izotopi. Turklāt šķidrumam piemīt plūstamība. Tajā, tāpat kā gāzēs, nav ķermeņu tangenciālo spriegumu (bīdes spriegumu). Šķidrumi ir smagi, t.i. to īpatnējais svars ir salīdzināms ar cieto vielu īpatnējo svaru. Tuvumā kristalizācijas temperatūrām to siltumietilpības un citi termiskie raksturlielumi ir tuvi cietvielu siltumietilpības. Šķidrumos zināmā mērā tiek novērots pareizs atomu izvietojums, bet tikai nelielos apgabalos. Šeit atomi svārstās arī pie kvazikristāliskas šūnas mezgliem, taču atšķirībā no cieta ķermeņa atomiem tie ik pa laikam pārlec no viena mezgla uz otru. Rezultātā atomu kustība būs ļoti sarežģīta: tā ir svārstīga, bet tajā pašā laikā vibrāciju centrs pārvietojas telpā.

Gāze, iztvaikošana, kondensācija un kušana

Definīcija

Gāze ir vielas stāvoklis, kurā attālumi starp molekulām ir lieli.

Var neņemt vērā mijiedarbības spēkus starp molekulām zemā spiedienā. Gāzes daļiņas aizpilda visu gāzei piegādāto tilpumu. Gāzes var uzskatīt par ļoti pārkarsētiem vai nepiesātinātiem tvaikiem. Plazma ir īpašs gāzes veids – tā ir daļēji vai pilnībā jonizēta gāze, kurā pozitīvo un negatīvo lādiņu blīvums ir gandrīz vienāds. Plazma ir uzlādētu daļiņu gāze, kas mijiedarbojas viena ar otru, izmantojot elektriskos spēkus lielā attālumā, bet kurām nav tuvu un tālu daļiņu.

Vielas var mainīties no viena agregācijas stāvokļa uz citu.

Definīcija

Iztvaikošana ir vielas agregācijas stāvokļa maiņas process, kurā no šķidruma vai cietas vielas virsmas izlido molekulas, kuru kinētiskā enerģija pārsniedz molekulu mijiedarbības potenciālo enerģiju.

Iztvaikošana ir fāzes pāreja. Iztvaikošanas laikā daļa šķidruma vai cietās vielas pāriet tvaikos. Vielu gāzveida stāvoklī, kas atrodas dinamiskā līdzsvarā ar šķidrumu, sauc par piesātinātu tvaiku. Tajā pašā laikā izmaiņas iekšējā enerģija korpusi:

\[\trijstūris \ U=\pm kungs\ \left(1\right),\]

kur m ir ķermeņa svars, r ir īpatnējais iztvaikošanas siltums (J / kg).

Definīcija

Kondensācija ir apgriezts iztvaikošanas process.

Iekšējās enerģijas izmaiņu aprēķins tiek veikts pēc formulas (1).

Definīcija

Kušana ir vielas pārejas process no cieta stāvokļa šķidrā, vielas agregācijas stāvokļa maiņas process.

Vielu karsējot, palielinās tās iekšējā enerģija, līdz ar to palielinās molekulu termiskās kustības ātrums. Gadījumā, ja tiek sasniegta vielas kušanas temperatūra, cietās vielas kristāliskais režģis sāk sadalīties. Saites starp daļiņām tiek iznīcinātas, palielinās daļiņu mijiedarbības enerģija. Siltums, kas tiek nodots ķermenim, iet, lai palielinātu šī ķermeņa iekšējo enerģiju, un daļa enerģijas aiziet, veicot darbu, lai mainītu ķermeņa tilpumu, kad tas kūst. Lielākajai daļai kristālisko ķermeņu tilpums palielinās kausējot, taču ir izņēmumi, piemēram, ledus, čuguns. Amorfiem ķermeņiem nav noteikta kušanas temperatūra. Kušana ir fāzes pāreja, ko pavada pēkšņas siltumietilpības izmaiņas kušanas temperatūrā. Kušanas temperatūra ir atkarīga no vielas un procesa laikā nemainās. Šajā gadījumā ķermeņa iekšējās enerģijas izmaiņas:

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

kur $\lambda $ ir īpatnējais kausēšanas siltums (J/kg).

Reversais kušanas process ir kristalizācija. Iekšējās enerģijas izmaiņu aprēķins tiek veikts pēc formulas (2).

Katra sistēmas korpusa iekšējās enerģijas izmaiņas apkures vai dzesēšanas gadījumā var aprēķināt pēc formulas:

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

kur c ir vielas īpatnējais siltums, J/(kgK), $\trijstūris T$ ir ķermeņa temperatūras izmaiņas.

Pētot vielu pārejas no viena agregācijas stāvokļa citā, nevar iztikt bez tā sauktā siltuma bilances vienādojuma, kas saka: kopējais siltuma daudzums, kas izdalās siltumizolētā sistēmā, ir vienāds ar siltums (kopējais), kas tiek absorbēts šajā sistēmā.

Savā nozīmē siltuma bilances vienādojums ir enerģijas nezūdamības likums siltuma pārneses procesiem siltumizolētās sistēmās.

1. piemērs

Uzdevums: Siltumizolētā traukā ir ūdens un ledus pie temperatūras $t_i= 0^oС$. Ūdens ($m_(v\ ))$ un ledus ($m_(i\ ))$ masas ir attiecīgi 0,5 kg un 60 g. Ūdenī tiek ielaisti ūdens tvaiki ar masu $m_(p\ )=$10 g. temperatūrā $t_p= 100^oС$. Kāda būs ūdens temperatūra traukā pēc termiskā līdzsvara noteikšanas? Kuģa siltuma jauda netiek ņemta vērā.

Risinājums: noteiksim, kādi procesi notiek sistēmā, kādi matērijas agregātie stāvokļi mums bija un kādi ir.

Ūdens tvaiki kondensējas, izdalot siltumu.

Šo siltumu izmanto ledus kausēšanai un, iespējams, pieejamā un no ledus iegūtā ūdens sildīšanai.

Vispirms pārbaudīsim, cik daudz siltuma izdalās pieejamās tvaika masas kondensācijas laikā:

šeit, no atsauces materiāliem, mums ir $r=2,26 10^6\frac(J)(kg)$ - īpatnējais iztvaikošanas siltums (attiecas arī uz kondensāciju).

Siltums, kas nepieciešams ledus izkausēšanai:

šeit no atsauces materiāliem mums ir $\lambda =3.3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - īpatnējais ledus kušanas siltums.

Iegūstam, ka tvaiks izdala vairāk siltuma nekā nepieciešams, lai tikai izkausētu esošo ledu, tāpēc siltuma bilances vienādojumu rakstām formā:

Siltums izdalās, kad kondensējas tvaiki ar masu $m_(p\ )$ un ūdens, kas veidojas no tvaika, atdziest no temperatūras $T_p$ līdz vēlamajai T. Siltums tiek absorbēts, kad kūst ledus ar masu $m_(i\ )$ un ūdens ar masu $m_v+ tiek uzkarsēts m_i$ no temperatūras $T_i$ līdz $T.\ $ Apzīmē $T-T_i=\trijstūri T$, starpībai $T_p-T$ iegūstam:

Siltuma bilances vienādojums būs šāds:

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

Aprēķinus veiksim, ņemot vērā, ka ūdens siltumietilpība ir tabula $c=4.2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273K$:

$\trijstūris T=\frac(2,26\cpunkts 10^6\cpunkts 10^(-2)+4,2\cpunkts 10^3\cpunkts 10^(-2)10^2-6\cpunkts 10^ (-2)\cdot 3,3\cdot 10^5)(4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^(-1))\aptuveni 3\left(K\right)$tad T=273+3=276 (K)

Atbilde: Ūdens temperatūra traukā pēc termiskā līdzsvara izveidošanās būs vienāda ar 276 K.

2. piemērs

Uzdevums: Attēlā parādīts izotermas posms, kas atbilst vielas pārejai no kristāliska uz šķidru stāvokli. Kas atbilst šai sadaļai p,T diagrammā?

Visa stāvokļu kopa, kas attēlota diagrammā p,V horizontāli taisnas līnijas segmentu diagrammā p,T attēlo viens punkts, kas nosaka p un T vērtības, kurā notiek pāreja no viena agregācijas stāvokļa uz citu.

Vielas kopējais stāvoklis

Viela- reālās dzīves daļiņu kopums, kas savstarpēji savienotas ar ķīmiskām saitēm un noteiktos apstākļos vienā no agregācijas stāvokļiem. Jebkura viela sastāv no ļoti liels skaits daļiņas: atomi, molekulas, joni, kas var apvienoties savā starpā par asociētiem elementiem, ko sauc arī par agregātiem vai kopām. Atkarībā no asociēto daļiņu temperatūras un uzvedības (daļiņu savstarpējais izvietojums, to skaits un mijiedarbība asociētajā vielā, kā arī asociēto daļiņu sadalījums telpā un to savstarpējā mijiedarbība) viela var atrasties divos galvenajos stāvokļos. no apkopošanas - kristālisks (ciets) vai gāzveida, un agregācijas pārejas stāvokļos - amorfs (cietais), šķidrais kristāls, šķidrums un tvaiki. Cietie, šķidro kristālu un šķidrie agregācijas stāvokļi ir kondensēti, un tvaiki un gāzveida agregāti ir spēcīgi izvadīti.

Fāze- tas ir viendabīgu mikroreģionu kopums, kam raksturīga tāda pati sakārtotība un daļiņu koncentrācija, un tie ir ietverti makroskopiskā vielas tilpumā, ko ierobežo saskarne. Šajā izpratnē fāze ir raksturīga tikai vielām, kas atrodas kristāliskā un gāzveida stāvoklī, jo tie ir viendabīgi agregāti stāvokļi.

metafāze- tas ir neviendabīgu mikroreģionu kopums, kas atšķiras viens no otra ar daļiņu sakārtotības pakāpi vai to koncentrāciju un ir ietverti makroskopiskā vielas tilpumā, ko ierobežo saskarne. Šajā izpratnē metafāze ir raksturīga tikai vielām, kas atrodas nehomogēnās agregācijas pārejas stāvokļos. Dažādas fāzes un metafāzes var sajaukties viena ar otru, veidojot vienu agregācijas stāvokli, un tad starp tām nav saskarnes.

Parasti neatdala jēdzienus "pamata" un "pārejas" agregācijas stāvoklis. Jēdzieni "kopējais stāvoklis", "fāze" un "mezofāze" bieži tiek lietoti kā sinonīmi. Ir ieteicams apsvērt piecus iespējamos vielu stāvokļa agregātus: ciets, šķidrais kristāls, šķidrums, tvaiks, gāzveida. Vienas fāzes pāreju uz citu fāzi sauc par pirmās un otrās kārtas fāzes pāreju. Pirmā veida fāzu pārejas raksturo:

Pēkšņas izmaiņas fizikālos lielumos, kas raksturo vielas stāvokli (tilpums, blīvums, viskozitāte utt.);

Noteikta temperatūra, pie kuras notiek noteiktā fāzes pāreja

Zināms siltums, kas raksturo šo pāreju, jo sarauj starpmolekulāras saites.

Pirmā veida fāzu pārejas tiek novērotas, pārejot no viena agregācijas stāvokļa uz citu agregācijas stāvokli. Otrā veida fāzu pārejas tiek novērotas, kad mainās daļiņu secība vienā agregācijas stāvoklī, un to raksturo:

pakāpeniska maiņa fizikālās īpašības vielas;

Vielas daļiņu secības maiņa ārējo lauku gradienta ietekmē vai noteiktā temperatūrā, ko sauc par fāzes pārejas temperatūru;

Otrās kārtas fāzu pāreju siltums ir vienāds ar nulli un tuvs tai.

Galvenā atšķirība starp pirmās un otrās kārtas fāzu pārejām ir tāda, ka pirmā veida pāreju laikā, pirmkārt, mainās sistēmas daļiņu enerģija, bet otrā veida pāreju gadījumā - pāreju secība. sistēmas daļiņas mainās.

Vielas pāreju no cieta stāvokļa uz šķidru sauc kušana un to raksturo tā kušanas temperatūra. Vielas pāreju no šķidruma uz tvaika stāvokli sauc iztvaikošana un ko raksturo viršanas temperatūra. Dažām vielām ar mazu molekulmasu un vāju starpmolekulāro mijiedarbību ir iespējama tieša pāreja no cieta stāvokļa uz tvaika stāvokli, apejot šķidro stāvokli. Tādu pāreju sauc sublimācija. Visi šie procesi var noritēt pretējā virzienā: tad tos sauc sasalšana, kondensācija, desublimācija.

Vielas, kas nesadalās kušanas un vārīšanās laikā, atkarībā no temperatūras un spiediena var būt visos četros agregācijas stāvokļos.

Cietā stāvoklī

Pietiekami zemā temperatūrā gandrīz visas vielas ir cietā stāvoklī. Šajā stāvoklī attālums starp vielas daļiņām ir salīdzināms ar pašu daļiņu izmēru, kas nodrošina to spēcīgu mijiedarbību un ievērojamu potenciālās enerģijas pārsniegumu pār kinētisko enerģiju. Tas noved pie iekšējās kārtības daļiņu izvietojumā. Tāpēc cietām vielām ir raksturīga sava forma, mehāniskā izturība, nemainīgs tilpums (tās praktiski nav saspiežamas). Atkarībā no daļiņu sakārtotības pakāpes cietās vielas iedala kristālisks un amorfs.

Kristāliskām vielām ir raksturīga kārtība visu daļiņu izkārtojumā. Kristālisko vielu cietā fāze sastāv no daļiņām, kas veido viendabīgu struktūru, kam raksturīga stingra vienas un tās pašas vienības šūnas atkārtojamība visos virzienos. Kristāla elementāršūna raksturo trīsdimensiju periodiskumu daļiņu izkārtojumā, t.i. tā kristāla režģis. Kristālu režģi tiek klasificēti pēc daļiņu veida, kas veido kristālu, un starp tiem esošo pievilcīgo spēku rakstura.

Daudzām kristāliskām vielām atkarībā no apstākļiem (temperatūras, spiediena) var būt atšķirīga kristāliskā struktūra. Šo fenomenu sauc polimorfisms. Labi zināmas oglekļa polimorfās modifikācijas: grafīts, fullerēns, dimants, karabīns.

Amorfas (bezformas) vielas.Šis stāvoklis ir raksturīgs polimēriem. Garās molekulas viegli izliecas un savijas ar citām molekulām, kas izraisa daļiņu izvietojuma nelīdzenumus.

Atšķirība starp amorfajām un kristāliskajām daļiņām:

izotropija - ķermeņa vai vides fizikālo un ķīmisko īpašību vienādība visos virzienos, t.i. īpašību neatkarība no virziena;

nav noteikta kušanas punkta.

Stiklam, kausētam kvarcam un daudziem polimēriem ir amorfa struktūra. Amorfās vielas ir mazāk stabilas nekā kristāliskās, un tāpēc jebkurš amorfs ķermenis galu galā var pāriet enerģētiski stabilākā stāvoklī - kristāliskā.

šķidrs stāvoklis

Paaugstinoties temperatūrai, palielinās daļiņu termisko vibrāciju enerģija, un katrai vielai ir temperatūra, no kuras sākot termisko vibrāciju enerģija pārsniedz saišu enerģiju. Daļiņas var veikt dažādas kustības, pārvietojoties viena pret otru. Tie joprojām saskaras, lai gan tiek pārkāpta daļiņu pareizā ģeometriskā struktūra - viela pastāv šķidrā stāvoklī. Daļiņu mobilitātes dēļ šķidro stāvokli raksturo Brauna kustība, daļiņu difūzija un nepastāvība. Svarīga šķidruma īpašība ir viskozitāte, kas raksturo interasociatīvos spēkus, kas kavē šķidruma brīvu plūsmu.

Šķidrumi ieņem starpstāvokli starp vielu gāzveida un cieto stāvokli. Sakārtotāka struktūra nekā gāzei, bet mazāk nekā cietai vielai.

Tvaika un gāzveida stāvokļi

Tvaika-gāzveida stāvokli parasti neizšķir.

Gāze - tā ir ļoti reti sastopama viendabīga sistēma, kas sastāv no atsevišķām molekulām, kas atrodas tālu viena no otras un ko var uzskatīt par vienu dinamisku fāzi.

Steam - šī ir ļoti izlādēta nehomogēna sistēma, kas ir molekulu un nestabilu mazu asociēto savienojumu maisījums, kas sastāv no šīm molekulām.

Molekulāri kinētiskā teorija izskaidro ideālas gāzes īpašības, pamatojoties uz šādiem noteikumiem: molekulas veic nepārtrauktu nejaušu kustību; gāzes molekulu tilpums ir niecīgs, salīdzinot ar starpmolekulārajiem attālumiem; starp gāzes molekulām nav pievilcīgu vai atgrūdošu spēku; gāzes molekulu vidējā kinētiskā enerģija ir proporcionāla tās absolūtajai temperatūrai. Starpmolekulārās mijiedarbības spēku nenozīmīguma un liela brīvā tilpuma klātbūtnes dēļ gāzēm ir raksturīgs: liels termiskās kustības un molekulārās difūzijas ātrums, molekulu vēlme aizņemt pēc iespējas lielāku tilpumu, kā arī augsta saspiežamība. .

Izolētu gāzes fāzes sistēmu raksturo četri parametri: spiediens, temperatūra, tilpums, vielas daudzums. Sakarību starp šiem parametriem apraksta ideālas gāzes stāvokļa vienādojums:

R = 8,31 kJ/mol ir universālā gāzes konstante.

DEFINĪCIJA

Viela- liela skaita daļiņu (atomu, molekulu vai jonu) kolekcija.

Vielām ir sarežģīta struktūra. Vielā esošās daļiņas mijiedarbojas viena ar otru. Vielā esošo daļiņu mijiedarbības raksturs nosaka tās agregācijas stāvokli.

Agregātu stāvokļu veidi

Izšķir šādus agregācijas stāvokļus: cieta, šķidra, gāze, plazma.

Cietā stāvoklī daļiņas, kā likums, tiek apvienotas regulārā ģeometriskā struktūrā. Daļiņu saites enerģija ir lielāka par to termisko vibrāciju enerģiju.

Ja ķermeņa temperatūra tiek paaugstināta, palielinās daļiņu termisko svārstību enerģija. Noteiktā temperatūrā termisko vibrāciju enerģija kļūst lielāka par saites enerģiju. Šajā temperatūrā saites starp daļiņām tiek iznīcinātas un atkal veidojas. Šajā gadījumā daļiņas veido Dažādi kustības (svārstības, rotācijas, kustības viena pret otru utt.). Tomēr viņi joprojām saskaras viens ar otru. Pareizā ģeometriskā struktūra ir salauzta. Viela ir šķidrā stāvoklī.

Tālāk paaugstinoties temperatūrai, pastiprinās termiskās svārstības, saites starp daļiņām kļūst vēl vājākas un praktiski nepastāv. Viela ir gāzveida stāvoklī. Vienkāršākais matērijas modelis ir ideāla gāze, kurā tiek pieņemts, ka daļiņas brīvi pārvietojas jebkurā virzienā, mijiedarbojas viena ar otru tikai sadursmes brīdī, kamēr tiek izpildīti elastības trieciena likumi.

Var secināt, ka, paaugstinoties temperatūrai, viela no sakārtotas struktūras pāriet nesakārtotā stāvoklī.

Plazma ir gāzveida viela, kas sastāv no neitrālu jonu un elektronu daļiņu maisījuma.

Temperatūra un spiediens dažādos vielas stāvokļos

Dažādi vielu agregāti nosaka: temperatūru un spiedienu. Zems spiediens un augsta temperatūra atbilst gāzēm. Zemā temperatūrā viela parasti ir cietā stāvoklī. Vidējās temperatūras attiecas uz vielām šķidrā stāvoklī. Fāzes diagrammu bieži izmanto, lai raksturotu vielas kopējos stāvokļus. Šī ir diagramma, kas parāda agregācijas stāvokļa atkarību no spiediena un temperatūras.

Gāzu galvenā iezīme ir to izplešanās spēja un saspiežamība. Gāzēm nav formas, tās iegūst trauka formu, kurā tās ir ievietotas. Gāzes tilpums nosaka trauka tilpumu. Gāzes var sajaukties viena ar otru jebkurā proporcijā.

Šķidrumam nav formas, bet ir tilpums. Šķidrumi saspiežas slikti, tikai pie augsta spiediena.

Cietām vielām ir forma un apjoms. Cietā stāvoklī var būt savienojumi ar metāliskām, jonu un kovalentām saitēm.

Problēmu risināšanas piemēri

1. PIEMĒRS

Vingrinājums

Uzzīmējiet kādas abstraktas vielas stāvokļu fāzes diagrammu. Izskaidrojiet tā nozīmi.

Risinājums

Uztaisīsim zīmējumu. Stāvokļa diagramma parādīta 1. att. Tas sastāv no trim apgabaliem, kas atbilst vielas kristāliskajam (cietajam) stāvoklim, šķidrajam un gāzveida stāvoklim. Šīs zonas ir atdalītas ar līknēm, kas norāda savstarpēji apgriezto procesu robežas: 01 - kausēšana - kristalizācija; 02 - vārīšanās - kondensācija; 03 - sublimācija - desublimācija. Visu līkņu krustpunkts (O) ir trīskāršs punkts. Šajā brīdī viela var pastāvēt trīs agregācijas stāvokļos. Ja vielas temperatūra ir virs kritiskās () (2. punkts), tad daļiņu kinētiskā enerģija ir lielāka par to mijiedarbības potenciālo enerģiju, tādā temperatūrā viela jebkurā spiedienā kļūst par gāzi. No fāzes diagrammas var redzēt, ka, ja spiediens ir lielāks par , tad temperatūrai paaugstinoties, cietā viela kūst. Pēc kausēšanas spiediena palielināšanās izraisa viršanas temperatūras paaugstināšanos. Ja spiediens ir mazāks par , tad cietās vielas temperatūras paaugstināšanās noved pie tās tiešas pārejas gāzveida stāvoklī (sublimācija) (punkts G).

2. PIEMĒRS

Vingrinājums

Paskaidrojiet, kas atšķir vienu agregācijas stāvokli no cita?

Risinājums

Dažādos agregācijas stāvokļos atomiem (molekulām) ir atšķirīgs izvietojums. Tātad kristāla režģu atomi (molekulas vai joni) ir sakārtoti sakārtoti, tie var radīt nelielas vibrācijas ap līdzsvara pozīcijām. Gāzu molekulas ir nesakārtotā stāvoklī un var pārvietoties ievērojamos attālumos. Turklāt vielu iekšējā enerģija dažādos agregātu stāvokļos (vienādām un tām pašām matērijas masām) plkst dažādas temperatūras savādāk. Pārejas procesus no viena agregācijas stāvokļa uz otru pavada iekšējās enerģijas izmaiņas. Pāreja: ciets - šķidrums - gāze, nozīmē iekšējās enerģijas pieaugumu, jo palielinās molekulu kustības kinētiskā enerģija.