Čo je plazma - nezvyčajný plyn

Od detstva poznáme viacero stavov agregácie látok. Vezmime si napríklad vodu. Jeho obvyklý stav je známy všetkým - tekutý, je distribuovaný všade: rieky, jazerá, moria, oceány. Druhým stavom agregácie je plyn. Nevidíme ho často. Väčšina ľahká cesta dosiahnuť plynné skupenstvo v blízkosti vody - varte ju. Para nie je nič iné ako plynné skupenstvo vody. Tretí súhrnný stav - pevný. Podobný prípad môžeme pozorovať napríklad v zimných mesiacoch. Ľad je zamrznutá voda a existuje tretí stav agregácie.
Tento príklad jasne ukazuje, že takmer každá látka má tri stavy agregácie. Pre niekoho je to ľahké dosiahnuť, pre iného je to ťažšie (vyžadujú sa špeciálne podmienky).

ale moderná fyzika vyzdvihuje iný, nezávislý stav hmoty – plazmu.

Plazma je ionizovaný plyn s rovnakou hustotou kladných aj záporných nábojov. Ako viete, pri silnom zahrievaní prechádza akákoľvek látka do tretieho stavu agregácie - plynu. Ak budeme pokračovať v ohrievaní výslednej plynnej látky, potom na výstupe dostaneme látku s prudko zvýšeným procesom tepelnej ionizácie, atómy, ktoré tvoria plyn, sa rozpadajú na ióny. Tento stav možno pozorovať voľným okom. Naše Slnko je hviezda, rovnako ako milióny iných hviezd a galaxií vo vesmíre, nie je nič iné ako plazma s vysokou teplotou. Žiaľ, na Zemi plazma v prirodzených podmienkach neexistuje. Ale stále to môžeme pozorovať, napríklad záblesk blesku. V laboratórnych podmienkach sa plazma najskôr získala prechodom vysokého napätia cez plyn. Dnes mnohí z nás používajú plazmu v každodennom živote - sú to obyčajné žiarivky s plynovou výbojkou. Na uliciach neustále vidno neónovú reklamu, čo nie je nič iné ako nízkoteplotná plazma v sklenených trubiciach.

Na prechod z plynného stavu do plazmy musí byť plyn ionizovaný. Stupeň ionizácie priamo závisí od počtu atómov. Ďalšou podmienkou je teplota.

Do roku 1879 fyzika popisovala a riadila sa iba tromi stavmi agregácie látok. Zatiaľ čo anglický vedec, chemik a fyzik William Crookes nezačal experimentovať so štúdiom vodivosti elektriny v plynoch. Medzi jeho objavy patrí objav prvku Thalia, výroba hélia v laboratóriu a, samozrejme, prvé pokusy s výrobou studenej plazmy v plynových výbojkách. Známy pojem „plazma“ prvýkrát použil v roku 1923 americký vedec Langmuir a neskôr Tonkson. Do tej doby „plazma“ znamenala iba bezfarebnú zložku krvi alebo mlieka.

Dnešný výskum ukazuje, na rozdiel od všeobecného presvedčenia, asi 99 % všetkej hmoty vo vesmíre je v plazmovom stave. Všetky hviezdy, celý medzihviezdny priestor, galaxie, hmloviny, slnečný ventilátor sú typickými predstaviteľmi plazmy.
Na Zemi to môžeme pozorovať prirodzený fenomén ako blesk Severné svetlá, „oheň svätého Elma“, ionosféra Zeme a samozrejme oheň.
Človek sa tiež naučil využívať plazmu pre svoje dobro. Vďaka štvrtému súhrnnému skupenstvu môžeme použiť plynové výbojky, plazmové televízory, zváranie elektrickým oblúkom a lasery. Tiež môžeme pozorovať javy plazmy počas jadrového výbuchu alebo štartu vesmírnych rakiet.

Za jeden z prioritných výskumov v smere plazmy možno považovať reakciu termonukleárnej fúzie, ktorá by sa mala stať bezpečnou náhradou jadrovej energie.

Podľa klasifikácie sa plazma delí na nízkoteplotnú a vysokoteplotnú, rovnovážnu a nerovnovážnu, ideálnu a neideálnu.
Nízkoteplotná plazma sa vyznačuje nízkym stupňom ionizácie (asi 1%) a teplotou do 100 tisíc stupňov. Práve z tohto dôvodu sa plazma tohto druhu často používa v rôznych technologických procesoch (nanášanie diamantového filmu na povrch, zmena zmáčavosti látky, ozonizácia vody a pod.).

Vysokoteplotná alebo „horúca“ plazma má takmer 100% ionizáciu (týmto stavom sa myslí štvrtý stav agregácie) a teploty do 100 miliónov stupňov. V prírode sú hviezdami. V pozemských podmienkach je to vysokoteplotná plazma, ktorá sa používa na experimenty termonukleárnej fúzie. Riadená reakcia je pomerne zložitá a energeticky náročná, ale neriadená sa dostatočne osvedčila ako zbraň kolosálnej sily - termonukleárna bomba testovaná ZSSR 12. augusta 1953.
Ale to sú extrémy. Studená plazma pevne zaujala svoje miesto v ľudskom živote, o užitočnej riadenej termonukleárnej fúzii možno stále snívať, zbrane sa naozaj nedajú použiť.

Ale v každodennom živote nie je plazma vždy rovnako užitočná. Niekedy nastanú situácie, v ktorých sa treba vyhnúť plazmovým výbojom. Napríklad pri akýchkoľvek spínacích procesoch pozorujeme plazmový oblúk medzi kontaktmi, ktorý je naliehavo potrebné uhasiť.

Akákoľvek látka pozostáva z molekúl a jej fyzikálne vlastnosti závisia od toho, ako sú molekuly usporiadané a ako na seba navzájom pôsobia. V bežnom živote pozorujeme tri súhrnné stavy hmoty – pevné, kvapalné a plynné.

Voda môže byť napríklad v pevnom (ľad), kvapalnom (voda) a plynnom (para) stave.

Plyn expanduje, kým nezaplní celý objem, ktorý je mu pridelený. Ak vezmeme do úvahy plyn na molekulárnej úrovni, uvidíme molekuly náhodne sa rútiace a narážajúce medzi sebou a so stenami nádoby, ktoré však prakticky navzájom neinteragujú. Ak zväčšíte alebo zmenšíte objem cievy, molekuly sa v novom objeme rovnomerne prerozdelia.

Na rozdiel od plynu pri danej teplote zaberá pevný objem, má však aj podobu naplnenej nádoby – avšak len pod jej povrchom. Na molekulárnej úrovni je najjednoduchší spôsob, ako si predstaviť kvapalinu ako sférické molekuly, ktoré, aj keď sú vo vzájomnom tesnom kontakte, majú slobodu otáčať sa okolo seba ako okrúhle guľôčky v tégliku. Nalejte kvapalinu do nádoby - a molekuly sa rýchlo rozšíria a vyplnia spodnú časť objemu nádoby, v dôsledku toho kvapalina zaujme svoj tvar, ale nerozšíri sa v celom objeme nádoby.

Pevné má svoj vlastný tvar, nerozprestiera sa po objeme nádobya nemá svoju formu. Na mikroskopickej úrovni sa atómy navzájom lepia chemické väzby a ich vzájomná poloha je pevná. Zároveň môžu vytvárať ako tuhé usporiadané štruktúry – kryštálové mriežky – tak aj náhodnú kopu – amorfné telesá (presne taká je štruktúra polymérov, ktoré vyzerajú ako zamotané a lepkavé cestoviny v miske).

Vyššie boli opísané tri klasické agregované stavy hmoty. Existuje však štvrtý stav, ktorý fyzici zvyknú klasifikovať ako agregátny. Toto je stav plazmy. Plazma sa vyznačuje čiastočným alebo úplným odstránením elektrónov z ich atómových dráh, zatiaľ čo samotné voľné elektróny zostávajú vo vnútri látky.

Zmenu súhrnných stavov hmoty môžeme v prírode pozorovať na vlastné oči. Voda z povrchu vodných plôch sa vyparuje a tvoria sa oblaky. Kvapalina sa teda zmení na plyn. V zime voda v nádržiach zamŕza, prechádza do tuhého stavu a na jar sa opäť topí a mení sa späť na kvapalinu. Čo sa stane s molekulami látky, keď sa zmení z jedného stavu do druhého? Menia sa? Líšia sa napríklad molekuly ľadu od molekúl pary? Odpoveď je jednoznačná: nie. Molekuly zostávajú úplne rovnaké. Ich kinetická energia sa mení a tým aj vlastnosti látky.

Energia molekúl pary je dostatočne veľká na to, aby sa rozptýlila rôznymi smermi a po ochladení para kondenzuje na kvapalinu a molekuly majú stále dostatok energie na takmer voľný pohyb, ale nie dostatočnú na to, aby sa odtrhli od príťažlivosti iných molekúl. a odletieť. Pri ďalšom ochladzovaní voda mrzne, stáva sa z nej pevné teleso a energia molekúl už nestačí ani na voľný pohyb vo vnútri tela. Oscilujú okolo jedného miesta, držané príťažlivými silami iných molekúl.

Definícia

Súhrnné stavy hmoty (z lat. aggrego - pripevniť, spojiť) - sú to stavy tej istej látky - tuhá, kvapalná, plynná.

Pri prechode z jedného stavu do druhého dochádza k prudkej zmene energie, entropie, hustoty a iných charakteristík hmoty.

Pevné a tekuté telesá

Definícia

Pevné telesá sú telesá, ktoré sa vyznačujú stálosťou tvaru a objemu.

V nich sú medzimolekulové vzdialenosti malé a potenciálna energia molekúl je porovnateľná s kinetickou. Pevné látky sa delia na dva typy: kryštalické a amorfné. Len kryštalické telesá sú v stave termodynamickej rovnováhy. Amorfné telesá v skutočnosti predstavujú metastabilné stavy, ktoré sa svojou štruktúrou približujú k nerovnovážnym, pomaly kryštalizujúcim kvapalinám. V amorfnom telese prebieha veľmi pomalý proces kryštalizácie, proces postupného prechodu látky do kryštalickej fázy. Rozdiel medzi kryštálom a amorfnou pevnou látkou spočíva predovšetkým v anizotropii jej vlastností. Vlastnosti kryštalického telesa závisia od smeru v priestore. V ňom sa šíria rôzne druhy procesov, ako je tepelná vodivosť, elektrická vodivosť, svetlo, zvuk rôznymi smermi pevné telo rôznymi spôsobmi. Amorfné telieska (sklo, živice, plasty) sú izotopické, podobne ako kvapaliny. Jediný rozdiel medzi amorfnými telesami a kvapalinami je v tom, že tieto sú tekuté, statické šmykové deformácie v nich nie sú možné.

Kryštalické telieska majú správnu molekulárnu štruktúru. Anizotropia jeho vlastností je spôsobená správnou štruktúrou kryštálu. Správne usporiadanie atómov kryštálu tvorí takzvanú kryštálovú mriežku. V rôznych smeroch je usporiadanie atómov v mriežke odlišné, čo vedie k anizotropii. Atómy (alebo ióny alebo celé molekuly) v kryštálovej mriežke sú náhodné kmitavý pohyb v blízkosti stredných polôh, ktoré sa považujú za uzly kryštálovej mriežky. Čím vyššia je teplota, tým väčšia je energia kmitov, a teda aj priemerná amplitúda kmitov. Veľkosť kryštálu závisí od amplitúdy kmitov. Zvýšenie amplitúdy kmitov vedie k zvýšeniu veľkosti tela. To vysvetľuje tepelnú rozťažnosť pevných látok.

Definícia

Kvapalné telesá sú telesá, ktoré majú určitý objem, ale nemajú elasticitu tvaru.

Kvapaliny sa vyznačujú silnou medzimolekulovou interakciou a nízkou stlačiteľnosťou. Kvapalina zaberá medzipolohu medzi pevnou látkou a plynom. Kvapaliny, podobne ako plyny, sú izotopy. Okrem toho má kvapalina tekutosť. V ňom, rovnako ako v plynoch, neexistujú žiadne tangenciálne napätia (šmykové napätia) telies. Kvapaliny sú ťažké, t.j. ich merná hmotnosť je porovnateľná so špecifickou hmotnosťou pevných látok. V blízkosti kryštalizačných teplôt sú ich tepelné kapacity a iné tepelné charakteristiky blízke teplotám tuhých látok. V kvapalinách sa do určitej miery pozoruje správne usporiadanie atómov, ale len na malých plochách. Tu atómy tiež oscilujú v blízkosti uzlov kvázikryštalickej bunky, ale na rozdiel od atómov pevného telesa z času na čas preskakujú z jedného uzla do druhého. V dôsledku toho bude pohyb atómov veľmi zložitý: je oscilačný, no zároveň sa centrum vibrácií pohybuje v priestore.

Plyn, vyparovanie, kondenzácia a topenie

Definícia

Plyn je stav hmoty, v ktorom sú vzdialenosti medzi molekulami veľké.

Sily interakcie medzi molekulami pri nízkych tlakoch možno zanedbať. Častice plynu vypĺňajú celý objem, ktorý sa dodáva plynu. Plyny možno považovať za vysoko prehriate alebo nenasýtené pary. Plazma je špeciálny druh plynu - je to čiastočne alebo úplne ionizovaný plyn, v ktorom je hustota kladných a záporných nábojov takmer rovnaká. Plazma je plyn nabitých častíc, ktoré navzájom interagujú pomocou elektrických síl na veľkú vzdialenosť, ale nemajú blízke a vzdialené častice.

Látky sa môžu meniť z jedného stavu agregácie do druhého.

Definícia

Vyparovanie je proces zmeny stavu agregácie látky, pri ktorom z povrchu kvapaliny alebo pevnej látky vyletujú molekuly, ktorých kinetická energia prevyšuje potenciálnu energiu interakcie molekúl.

Odparovanie je fázový prechod. Počas odparovania časť kvapaliny alebo pevnej látky prechádza do pary. Látka v plynnom stave, ktorá je v dynamickej rovnováhe s kvapalinou, sa nazýva nasýtená para. Zároveň zmena vnútornej energie telá:

\[\trojuholník \ U=\pm pán\ \ľavý(1\vpravo),\]

kde m je telesná hmotnosť, r je špecifické teplo vyparovania (J / kg).

Definícia

Kondenzácia je opačný proces odparovania.

Výpočet zmeny vnútornej energie sa vykonáva podľa vzorca (1).

Definícia

Topenie je proces prechodu látky z pevného do kvapalného stavu, proces zmeny stavu agregácie látky.

Keď sa látka zahrieva, jej vnútorná energia sa zvyšuje, a preto sa zvyšuje rýchlosť tepelného pohybu molekúl. V prípade, že sa dosiahne bod topenia látky, kryštalická mriežka tuhej látky sa začne rozkladať. Väzby medzi časticami sú zničené, energia interakcie medzi časticami sa zvyšuje. Teplo prenesené do tela zvyšuje vnútornú energiu tohto tela a časť energie ide na vykonanie práce na zmene objemu tela, keď sa roztopí. Pri väčšine kryštalických telies sa objem pri roztavení zväčšuje, existujú však výnimky, napríklad ľad, liatina. Amorfné telesá nemajú špecifickú teplotu topenia. Topenie je fázový prechod, ktorý je sprevádzaný náhlou zmenou tepelnej kapacity pri teplote topenia. Teplota topenia závisí od látky a počas procesu sa nemení. V tomto prípade zmena vnútornej energie tela:

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

kde $\lambda $ je špecifické teplo topenia (J/kg).

Opačným procesom topenia je kryštalizácia. Výpočet zmeny vnútornej energie sa vykonáva podľa vzorca (2).

Zmenu vnútornej energie každého telesa systému v prípade vykurovania alebo chladenia možno vypočítať podľa vzorca:

\[\trojuholník U=mc\trojuholník T\vľavo(3\vpravo),\]

kde c je špecifické teplo látky, J/(kgK), $\trojuholník T$ je zmena telesnej teploty.

Pri štúdiu prechodov látok z jedného stavu agregácie do druhého sa nezaobídeme bez takzvanej rovnice tepelnej bilancie, ktorá hovorí: celkové množstvo tepla, ktoré sa uvoľní v tepelne izolovanom systéme, sa rovná množstvu teplo (celkové), ktoré sa absorbuje v tomto systéme.

Rovnica tepelnej bilancie je vo svojom význame zákonom zachovania energie pre procesy prenosu tepla v tepelne izolovaných systémoch.

Príklad 1

Zadanie: V tepelne izolovanej nádobe je voda a ľad s teplotou $t_i= 0^oС$. Hmotnosť vody ($m_(v\ ))$ a ľadu ($m_(i\))$ je 0,5 kg a 60 g. Do vody sa vpustí vodná para s hmotnosťou $m_(p\ )=$10 g. pri teplote $t_p= 100^oС$. Aká bude teplota vody v nádobe po dosiahnutí tepelnej rovnováhy? Tepelná kapacita nádoby sa ignoruje.

Riešenie: Určme, aké procesy v systéme prebiehajú, aké súhrnné stavy hmoty sme mali a čo sme získali.

Vodná para kondenzuje a uvoľňuje teplo.

Toto teplo sa využíva na roztopenie ľadu a prípadne na ohrev dostupnej vody získanej z ľadu.

Najprv skontrolujte, koľko tepla sa uvoľní počas kondenzácie dostupnej masy pary:

tu z referenčných materiálov máme $r=2,26 10^6\frac(J)(kg)$ - špecifické teplo vyparovania (použiteľné aj pre kondenzáciu).

Teplo potrebné na roztopenie ľadu:

tu z referenčných materiálov máme $\lambda =3,3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - špecifické teplo topenia ľadu.

Dostaneme, že para vydáva viac tepla, ako je potrebné, len aby roztopila existujúci ľad, preto napíšeme rovnicu tepelnej bilancie v tvare:

Teplo sa uvoľňuje, keď para s hmotnosťou $m_(p\ )$ kondenzuje a voda, ktorá z pary vzniká, sa ochladí z teploty $T_p$ na požadovanú T. Teplo sa absorbuje, keď sa roztopí ľad s hmotnosťou $m_(i\ )$ a voda s hmotnosťou $m_v+ sa zohreje m_i$ z teploty $T_i$ na $T.\ $ Označme $T-T_i=\trojuholník T$, pre rozdiel $T_p-T$ dostaneme:

Rovnica tepelnej bilancie bude mať tvar:

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

Urobíme výpočty, berúc do úvahy, že tepelná kapacita vody je tabuľková $c=4,2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273 000 $:

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

Odpoveď: Teplota vody v nádobe po vytvorení tepelnej rovnováhy sa bude rovnať 276 K.

Príklad 2

Úloha: Na obrázku je znázornený úsek izotermy zodpovedajúci prechodu látky z kryštalického do kvapalného skupenstva. Čo zodpovedá tejto časti na diagrame p,T?

Celá sada stavov znázornená v diagrame p,V horizontálne priamka na diagrame p,T je reprezentovaná jedným bodom, ktorý určuje hodnoty p a T, v ktorých dochádza k prechodu z jedného stavu agregácie do druhého.

Súhrnný stav hmoty

Látka- reálny súbor častíc navzájom prepojených chemickými väzbami a za určitých podmienok v niektorom zo stavov agregácie. Akákoľvek látka pozostáva z kombinácie veľmi Vysoké čísločastice: atómy, molekuly, ióny, ktoré sa môžu navzájom spájať do asociátov, nazývaných aj agregáty alebo zhluky. V závislosti od teploty a správania častíc v asociátoch (vzájomné usporiadanie častíc, ich počet a interakcia v asociáte, ako aj distribúcia asociátov v priestore a ich vzájomná interakcia) môže byť látka v dvoch hlavných stavoch: agregácie - kryštalické (tuhé) alebo plynné, a v prechodných stavoch agregácie - amorfné (tuhé), tekuté kryštály, kvapalina a para. Tuhé, kvapalné kryštály a kvapalné stavy agregácie sú kondenzované a parné a plynné sú silne vypúšťané.

Fáza- ide o súbor homogénnych mikroregiónov, ktoré sa vyznačujú rovnakou usporiadanosťou a koncentráciou častíc a sú uzavreté v makroskopickom objeme látky ohraničenej rozhraním. V tomto chápaní je fáza charakteristická len pre látky, ktoré sú v kryštalickom a plynnom skupenstve, pretože sú to homogénne agregátne stavy.

metafáza- ide o súbor heterogénnych mikroregiónov, ktoré sa navzájom líšia stupňom usporiadania častíc alebo ich koncentráciou a sú uzavreté v makroskopickom objeme látky ohraničenej rozhraním. V tomto chápaní je metafáza charakteristická len pre látky, ktoré sú v nehomogénnych prechodných stavoch agregácie. Rôzne fázy a metafázy sa môžu navzájom miešať, vytvárať jeden stav agregácie a potom medzi nimi neexistuje žiadne rozhranie.

Zvyčajne neoddeľujte pojem „základný“ a „prechodný“ stav agregácie. Pojmy „agregovaný stav“, „fáza“ a „mezofáza“ sa často používajú ako synonymá. Pre stav látok sa odporúča zvážiť päť možných agregovaných stavov: tuhá látka, tekutý kryštál, kvapalina, para, plyn. Prechod jednej fázy do druhej fázy sa nazýva fázový prechod prvého a druhého rádu. Fázové prechody prvého druhu sa vyznačujú:

Náhla zmena fyzikálnych veličín, ktoré opisujú stav hmoty (objem, hustota, viskozita atď.);

Určitá teplota, pri ktorej nastáva daný fázový prechod

Určité teplo, ktoré charakterizuje tento prechod, pretože rozbiť medzimolekulové väzby.

Fázové prechody prvého druhu sa pozorujú počas prechodu z jedného stavu agregácie do iného stavu agregácie. Fázové prechody druhého druhu sa pozorujú pri zmene usporiadania častíc v rámci jedného stavu agregácie a sú charakterizované:

postupná zmena fyzikálne vlastnosti látky;

Zmena v usporiadaní častíc látky pôsobením gradientu vonkajších polí alebo pri určitej teplote, ktorá sa nazýva teplota fázového prechodu;

Teplo fázových prechodov druhého rádu je rovné a blízke nule.

Hlavný rozdiel medzi fázovými prechodmi prvého a druhého rádu je v tom, že pri prechodoch prvého druhu sa v prvom rade mení energia častíc systému a v prípade prechodov druhého druhu sa mení usporiadanie častice systému sa menia.

Prechod látky z tuhého do kvapalného skupenstva sa nazýva topenie a vyznačuje sa teplotou topenia. Prechod látky z kvapalného do parného stavu sa nazýva odparovanie a vyznačuje sa teplotou varu. Pre niektoré látky s nízkou molekulovou hmotnosťou a slabou medzimolekulovou interakciou je možný priamy prechod z pevného skupenstva do parného skupenstva, pričom sa obchádza kvapalné skupenstvo. Takýto prechod je tzv sublimácia. Všetky tieto procesy môžu prebiehať opačným smerom: potom sa nazývajú mrazenie, kondenzácia, desublimácia.

Látky, ktoré sa pri tavení a vare nerozkladajú, môžu byť v závislosti od teploty a tlaku vo všetkých štyroch stavoch agregácie.

Pevné skupenstvo

Pri dostatočne nízkych teplotách sú takmer všetky látky v pevnom stave. V tomto stave je vzdialenosť medzi časticami látky porovnateľná s veľkosťou častíc samotných, čo zabezpečuje ich silnú interakciu a výrazný prebytok ich potenciálnej energie nad kinetickou energiou. To vedie k vnútornému poriadku v usporiadaní častíc. Preto sa pevné látky vyznačujú vlastným tvarom, mechanickou pevnosťou, stálym objemom (sú prakticky nestlačiteľné). V závislosti od stupňa usporiadania častíc sa pevné látky delia na kryštalické a amorfné.

Kryštalické látky sa vyznačujú prítomnosťou poriadku v usporiadaní všetkých častíc. Pevná fáza kryštalických látok pozostáva z častíc, ktoré tvoria homogénnu štruktúru, vyznačujúcu sa prísnou opakovateľnosťou tej istej základnej bunky vo všetkých smeroch. Elementárna bunka kryštálu charakterizuje trojrozmernú periodicitu v usporiadaní častíc, t.j. jeho kryštálovú mriežku. Kryštálové mriežky sú klasifikované podľa typu častíc, ktoré tvoria kryštál a podľa povahy príťažlivých síl medzi nimi.

Mnohé kryštalické látky môžu mať v závislosti od podmienok (teplota, tlak) rôznu kryštalickú štruktúru. Tento jav sa nazýva polymorfizmus. Známe polymorfné modifikácie uhlíka: grafit, fullerén, diamant, karabína.

Amorfné (beztvaré) látky. Tento stav je typický pre polyméry. Dlhé molekuly sa ľahko ohýbajú a prepletajú s inými molekulami, čo vedie k nepravidelnostiam v usporiadaní častíc.

Rozdiel medzi amorfnými časticami a kryštalickými časticami:

izotropia - rovnakosť fyzikálnych a chemických vlastností telesa alebo média vo všetkých smeroch, t.j. nezávislosť vlastností od smeru;

žiadny pevný bod topenia.

Sklo, tavený kremeň a mnohé polyméry majú amorfnú štruktúru. Amorfné látky sú menej stabilné ako kryštalické, a preto sa každé amorfné teleso môže časom presunúť do energeticky stabilnejšieho stavu – kryštalického.

tekutom stave

So stúpajúcou teplotou sa zvyšuje energia tepelných vibrácií častíc a pre každú látku existuje teplota, od ktorej energia tepelných vibrácií prevyšuje energiu väzieb. Častice môžu vykonávať rôzne pohyby a navzájom sa posúvať. Stále zostávajú v kontakte, aj keď je narušená správna geometrická štruktúra častíc - látka existuje v kvapalnom stave. V dôsledku pohyblivosti častíc je kvapalný stav charakterizovaný Brownovým pohybom, difúziou a prchavosťou častíc. Dôležitou vlastnosťou kvapaliny je viskozita, ktorá charakterizuje interasociatívne sily, ktoré bránia voľnému toku kvapaliny.

Kvapaliny zaujímajú medzipolohu medzi plynným a pevným stavom látok. Usporiadanejšia štruktúra ako plyn, ale menej ako pevná látka.

Para a plynné skupenstvo

Parno-plynné skupenstvo sa väčšinou nerozlišuje.

plyn - ide o vysoko riedky homogénny systém pozostávajúci z jednotlivých molekúl ďaleko od seba, ktorý možno považovať za jednu dynamickú fázu.

Steam - ide o vysoko vybitý nehomogénny systém, ktorý je zmesou molekúl a nestabilných malých asociácií pozostávajúcich z týchto molekúl.

Molekulárno-kinetická teória vysvetľuje vlastnosti ideálneho plynu na základe nasledujúcich ustanovení: molekuly vykonávajú nepretržitý náhodný pohyb; objem molekúl plynu je zanedbateľný v porovnaní s medzimolekulovými vzdialenosťami; medzi molekulami plynu nie sú žiadne príťažlivé ani odpudivé sily; priemerná kinetická energia molekúl plynu je úmerná jeho absolútnej teplote. Vzhľadom na nevýznamnosť síl medzimolekulovej interakcie a prítomnosť veľkého voľného objemu sa plyny vyznačujú: vysokou rýchlosťou tepelného pohybu a molekulárnej difúzie, túžbou molekúl zaberať čo najväčší objem, ako aj vysokou stlačiteľnosťou .

Izolovaný plynový systém je charakterizovaný štyrmi parametrami: tlak, teplota, objem, množstvo látky. Vzťah medzi týmito parametrami je opísaný stavovou rovnicou pre ideálny plyn:

R = 8,31 kJ/mol je univerzálna plynová konštanta.

DEFINÍCIA

Látka- súbor veľkého počtu častíc (atómov, molekúl alebo iónov).

Látky majú zložitú štruktúru. Častice v hmote na seba vzájomne pôsobia. Povaha interakcie častíc v látke určuje jej stav agregácie.

Typy agregovaných stavov

Rozlišujú sa tieto stavy agregácie: pevná látka, kvapalina, plyn, plazma.

V pevnom stave sú častice spravidla spojené do pravidelnej geometrickej štruktúry. Energia väzby častíc je väčšia ako energia ich tepelných vibrácií.

Ak sa telesná teplota zvýši, zvýši sa energia tepelných kmitov častíc. Pri určitej teplote je energia tepelných vibrácií väčšia ako energia väzby. Pri tejto teplote sa väzby medzi časticami zničia a znovu sa vytvoria. V tomto prípade častice tvoria rôzne druhy pohyby (oscilácie, rotácie, vzájomné pohyby atď.). Stále sú však spolu v kontakte. Správna geometrická štruktúra je porušená. Látka je v tekutom stave.

S ďalším zvýšením teploty sa tepelné výkyvy zintenzívňujú, väzby medzi časticami sa stávajú ešte slabšími a prakticky chýbajú. Látka je v plynnom stave. Najjednoduchším modelom hmoty je ideálny plyn, v ktorom sa predpokladá, že častice sa voľne pohybujú ľubovoľným smerom, vzájomne na seba pôsobia len v momente zrážok, pričom sú splnené zákony pružného nárazu.

Dá sa usúdiť, že so zvyšujúcou sa teplotou látka prechádza z usporiadanej štruktúry do neusporiadaného stavu.

Plazma je plynná látka pozostávajúca zo zmesi neutrálnych častíc iónov a elektrónov.

Teplota a tlak v rôznych stavoch hmoty

Rôzne súhrnné stavy hmoty určujú: teplotu a tlak. Nízky tlak a vysoká teplota zodpovedajú plynom. Pri nízkych teplotách je látka zvyčajne v pevnom stave. Medziteploty sa vzťahujú na látky v kvapalnom stave. Fázový diagram sa často používa na charakterizáciu agregovaných stavov látky. Ide o diagram znázorňujúci závislosť stavu agregácie od tlaku a teploty.

Hlavnou črtou plynov je ich schopnosť expandovať a stlačiteľnosť. Plyny nemajú tvar, majú tvar nádoby, v ktorej sú umiestnené. Objem plynu určuje objem nádoby. Plyny sa môžu navzájom miešať v akomkoľvek pomere.

Kvapalina nemá tvar, ale má objem. Kvapaliny sa zle stláčajú, iba pri vysokom tlaku.

Pevné látky majú tvar a objem. V pevnom stave môžu byť zlúčeniny s kovovými, iónovými a kovalentnými väzbami.

Príklady riešenia problémov

PRÍKLAD 1

Cvičenie

Nakreslite fázový diagram stavov pre nejakú abstraktnú látku. Vysvetlite jeho význam.

Riešenie

Urobme si kresbu. Stavový diagram je na obr.1. Skladá sa z troch oblastí, ktoré zodpovedajú kryštalickému (tuhému) skupeniu hmoty, kvapalnému a plynnému skupeniu. Tieto oblasti sú oddelené krivkami, ktoré označujú hranice vzájomne inverzných procesov: 01 - topenie - kryštalizácia; 02 - varenie - kondenzácia; 03 - sublimácia - desublimácia. Priesečník všetkých kriviek (O) je trojitý bod. V tomto bode môže hmota existovať v troch stavoch agregácie. Ak je teplota látky nad kritickou hodnotou () (bod 2), potom je kinetická energia častíc väčšia ako potenciálna energia ich interakcie, pri takýchto teplotách sa látka stáva plynom pri akomkoľvek tlaku. Z fázového diagramu je možné vidieť, že ak je tlak väčší ako , potom sa pevná látka topí, keď sa teplota zvyšuje. Po roztavení vedie zvýšenie tlaku k zvýšeniu teploty varu. Ak je tlak menší ako , potom zvýšenie teploty tuhej látky vedie k jej prechodu priamo do plynného stavu (sublimácia) (bod G).

PRÍKLAD 2

Cvičenie

Vysvetlite, čo odlišuje jeden stav agregácie od druhého?

Riešenie

V rôznych stavoch agregácie majú atómy (molekuly) rôzne usporiadanie. Takže atómy (molekuly alebo ióny) kryštálových mriežok sú usporiadané usporiadaným spôsobom, môžu vytvárať malé vibrácie okolo rovnovážnych polôh. Molekuly plynov sú v neusporiadanom stave a môžu sa pohybovať na značné vzdialenosti. Okrem toho vnútorná energia látok v rôznych agregovaných stavoch (pre rovnaké hmotnosti hmoty) pri rozdielne teploty rôzne. Procesy prechodu z jedného stavu agregácie do druhého sú sprevádzané zmenou vnútornej energie. Prechod: pevná látka - kvapalina - plyn znamená zvýšenie vnútornej energie, pretože dochádza k zvýšeniu kinetickej energie pohybu molekúl.