Plazma nima - g'ayrioddiy gaz

Bolaligimizdan beri biz moddalarni yig'ishning bir nechta holatini bilamiz. Masalan, suvni olaylik. Uning odatiy holati hammaga ma'lum - suyuq, u hamma joyda tarqalgan: daryolar, ko'llar, dengizlar, okeanlar. Agregatning ikkinchi holati gazdir. Biz uni tez-tez uchratmaymiz. Ko'pchilik oson yo'l suv yaqinidagi gaz holatiga erishing - uni qaynatib oling. Bug 'suvning gaz holatidan boshqa narsa emas. Uchinchi agregat holat - qattiq. Shunga o'xshash holatni, masalan, qish oylarida kuzatishimiz mumkin. Muz muzlatilgan suv bo'lib, uchinchi agregatsiya holati mavjud.
Ushbu misol deyarli har qanday moddaning uchta agregat holatiga ega ekanligini aniq ko'rsatadi. Ba'zilar uchun bunga erishish oson, boshqalari uchun esa qiyinroq (maxsus shartlar talab qilinadi).

Lekin zamonaviy fizika materiyaning boshqa, mustaqil holatini - plazmani ta'kidlaydi.

Plazma - bu musbat va manfiy zaryadlarning zichligi bir xil bo'lgan ionlangan gaz. Ma'lumki, kuchli isitish bilan har qanday modda uchinchi agregatsiya holatiga - gazga o'tadi. Agar hosil bo'lgan gazsimon moddani qizdirishda davom etsak, u holda chiqishda biz issiqlik ionlash jarayoni keskin kuchaygan moddani olamiz, gazni tashkil etuvchi atomlar ionlar hosil qiladi. Bu holatni yalang'och ko'z bilan kuzatish mumkin. Bizning Quyoshimiz yulduzdir, koinotdagi millionlab boshqa yulduzlar va galaktikalar kabi, yuqori haroratli plazmadan boshqa narsa emas. Afsuski, Yerda plazma tabiiy sharoitda mavjud emas. Ammo biz buni hali ham kuzatishimiz mumkin, masalan, chaqmoq chaqishi. Laboratoriya sharoitida plazma birinchi marta yuqori kuchlanishni gaz orqali o'tkazish yo'li bilan olingan. Bugungi kunda ko'pchiligimiz kundalik hayotda plazmadan foydalanamiz - bu oddiy gazli lyuminestsent lampalar. Ko'chalarda neon reklama doimo ko'rinadi, bu shisha naychalardagi past haroratli plazmadan boshqa narsa emas.

Gaz holatidan plazmaga o'tish uchun gazni ionlashtirish kerak. Ionlanish darajasi to'g'ridan-to'g'ri atomlar soniga bog'liq. Yana bir shart - harorat.

1879 yilgacha fizika moddalarni yig'ishning faqat uchta holatini tasvirlab bergan va ularga amal qilgan. Ingliz olimi, kimyogari va fizigi Uilyam Kruks gazlardagi elektr tokining o'tkazuvchanligini o'rganish bo'yicha tajribalar o'tkazishni boshlamagan. Uning kashfiyotlari orasida Thalia elementining ochilishi, laboratoriyada geliy ishlab chiqarilishi va, albatta, gaz chiqarish naychalarida sovuq plazma ishlab chiqarish bo'yicha birinchi tajribalar mavjud. Ma'lum bo'lgan "plazma" atamasi birinchi marta 1923 yilda amerikalik olim Lengmyur, keyinroq Tonkson tomonidan ishlatilgan. O'sha vaqtga qadar "plazma" faqat qon yoki sutning rangsiz tarkibiy qismini anglatadi.

Bugungi tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, mashhur e'tiqoddan farqli o'laroq, koinotdagi barcha moddalarning taxminan 99% plazma holatidadir. Barcha yulduzlar, barcha yulduzlararo fazo, galaktikalar, tumanliklar, quyosh fanati plazmaning tipik vakillaridir.
Er yuzida biz buni kuzatishimiz mumkin tabiiy hodisalar chaqmoq kabi Shimoliy yog'du, "Sent Elmo olovi", Yerning ionosferasi va, albatta, olov.
Inson ham plazmadan o'z manfaati uchun foydalanishni o'rgandi. Moddaning to'rtinchi agregat holati tufayli biz gaz deşarj lampalari, plazma televizorlari, elektr boshq manbai va lazerlardan foydalanishimiz mumkin. Shuningdek, biz yadroviy portlash yoki kosmik raketalarni uchirish paytida plazma hodisalarini kuzatishimiz mumkin.

Plazma yo'nalishidagi ustuvor tadqiqotlardan biri yadro energiyasining xavfsiz o'rnini bosishi kerak bo'lgan termoyadro sintezi reaktsiyasi hisoblanadi.

Tasniflash bo'yicha plazma past haroratli va yuqori haroratli, muvozanatli va muvozanatsiz, ideal va ideal bo'lmaganlarga bo'linadi.
Past haroratli plazma past darajadagi ionlanish (taxminan 1%) va 100 ming darajagacha bo'lgan harorat bilan tavsiflanadi. Shuning uchun bunday plazma ko'pincha turli xil texnologik jarayonlarda qo'llaniladi (sirtga olmos plyonkasi cho'kishi, moddaning namlanishining o'zgarishi, suvning ozonlanishi va boshqalar).

Yuqori haroratli yoki "issiq" plazma deyarli 100% ionlashuvga ega (bu holat to'rtinchi agregatsiya holatini nazarda tutadi) va 100 million darajagacha bo'lgan haroratga ega. Tabiatda ular yulduzlardir. Er sharoitida termoyadroviy termoyadroviy tajribalar uchun yuqori haroratli plazma ishlatiladi. Boshqariladigan reaktsiya juda murakkab va energiya talab qiladi, ammo nazoratsiz reaktsiya o'zini ulkan kuch quroli - SSSR tomonidan 1953 yil 12 avgustda sinovdan o'tgan termoyadroviy bomba sifatida etarlicha isbotladi.
Ammo bu haddan tashqari holatlar. Sovuq plazma inson hayotida o'z o'rnini mustahkam egalladi, hali ham foydali boshqariladigan termoyadro sintezini orzu qilish mumkin, qurollar aslida qo'llanilmaydi.

Ammo kundalik hayotda plazma har doim ham bir xil darajada foydali emas. Ba'zida plazma oqimlarining oldini olish kerak bo'lgan holatlar mavjud. Misol uchun, har qanday kommutatsiya jarayonlarida biz kontaktlar orasidagi plazma yoyini kuzatamiz, bu zudlik bilan o'chirilishi kerak.

Har qanday modda molekulalardan iborat bo'lib, uning fizik xususiyatlari molekulalarning qanday tartiblanganligi va ularning bir-biri bilan o'zaro ta'siriga bog'liq. Oddiy hayotda biz materiyaning uchta agregat holatini kuzatamiz - qattiq, suyuq va gazsimon.

Masalan, suv qattiq (muz), suyuq (suv) va gazsimon (bug ') holatda bo'lishi mumkin.

Gaz unga ajratilgan butun hajmni to'ldirguncha kengayadi. Agar biz gazni molekulyar darajada ko'rib chiqsak, molekulalarning tasodifiy ravishda bir-biri bilan va tomir devorlari bilan to'qnashayotganini ko'ramiz, ammo ular bir-biri bilan deyarli o'zaro ta'sir qilmaydi. Agar siz tomir hajmini oshirsangiz yoki kamaytirsangiz, molekulalar yangi hajmda teng ravishda qayta taqsimlanadi.

Ma'lum bir haroratdagi gazdan farqli o'laroq, u belgilangan hajmni egallaydi, ammo u to'ldirilgan idish shaklini ham oladi - lekin faqat uning sirt darajasidan past. Molekulyar darajada suyuqlik haqida fikr yuritishning eng oson yo‘li sharsimon molekulalardir, ular bir-biri bilan yaqin aloqada bo‘lsa-da, bankadagi dumaloq boncuklar kabi bir-birining atrofida aylanib yurish erkinligiga ega. Idishga suyuqlik quying - va molekulalar tezda tarqaladi va idish hajmining pastki qismini to'ldiradi, natijada suyuqlik o'z shaklini oladi, lekin idishning to'liq hajmida tarqalmaydi.

Qattiq o'z shakliga ega, idish hajmi bo'ylab tarqalmaydiva uning shaklini olmaydi. Mikroskopik darajada atomlar bir-biriga yopishadi kimyoviy bog'lanishlar, va ularning bir-biriga nisbatan pozitsiyasi qat'iydir. Shu bilan birga, ular qattiq tartibli tuzilmalar - kristall panjaralar - va tasodifiy to'p - amorf jismlarni hosil qilishi mumkin (bu polimerlarning tuzilishi, ular idishdagi chigal va yopishqoq makaronga o'xshaydi).

Yuqorida materiyaning uchta klassik agregat holati tasvirlangan. Biroq, fiziklar agregat deb tasniflashga moyil bo'lgan to'rtinchi holat mavjud. Bu plazma holati. Plazma elektronlarning atom orbitalaridan qisman yoki to'liq ajralib chiqishi bilan tavsiflanadi, erkin elektronlarning o'zi esa moddaning ichida qoladi.

Biz tabiatda materiyaning agregat holatlaridagi o'zgarishlarni o'z ko'zimiz bilan kuzatishimiz mumkin. Suv havzalari yuzasidan suv bug'lanadi va bulutlar hosil bo'ladi. Shunday qilib, suyuqlik gazga aylanadi. Qishda suv omborlaridagi suv muzlab, qattiq holatga aylanadi va bahorda u yana erib, yana suyuqlikka aylanadi. Moddaning bir holatdan ikkinchi holatga o'tganda molekulalari bilan nima sodir bo'ladi? Ular o'zgaradimi? Masalan, muz molekulalari bug 'molekulalaridan farq qiladimi? Javob aniq: yo'q. Molekulalar bir xil bo'lib qoladi. Ularning kinetik energiyasi va shunga mos ravishda moddaning xususiyatlari o'zgaradi.

Bug 'molekulalarining energiyasi turli yo'nalishlarda tarqalish uchun etarlicha katta va sovutilganda bug' suyuqlikka kondensatsiyalanadi va molekulalar hali ham deyarli erkin harakatlanish uchun etarli energiyaga ega, ammo boshqa molekulalarni jalb qilishdan ajralib chiqish uchun etarli emas. va uchib keting. Keyinchalik sovutish bilan suv muzlaydi, qattiq jismga aylanadi va molekulalarning energiyasi tanadagi erkin harakat uchun ham etarli emas. Ular boshqa molekulalarning jozibador kuchlari tomonidan ushlab turilgan bir joyda tebranadilar.

Ta'rif

Moddaning agregat holatlari (lotincha aggrego - biriktirish, bog'lash) - bular bir xil moddaning holatlari - qattiq, suyuq, gazsimon.

Bir holatdan ikkinchi holatga o'tish jarayonida moddaning energiyasi, entropiyasi, zichligi va boshqa xususiyatlarining keskin o'zgarishi sodir bo'ladi.

Qattiq va suyuq jismlar

Ta'rif

Qattiq jismlar shakli va hajmining doimiyligi bilan ajralib turadigan jismlardir.

Ularda molekulalararo masofalar kichik va molekulalarning potentsial energiyasi kinetik bilan solishtirish mumkin. Qattiq jismlar ikki turga bo'linadi: kristall va amorf. Faqat kristall jismlar termodinamik muvozanat holatidadir. Amorf jismlar, aslida, metastabil holatlarni ifodalaydi, ular tuzilishida muvozanatsiz, sekin kristallanadigan suyuqliklarga yaqinlashadi. Amorf jismda juda sekin kristallanish jarayoni, moddaning kristall fazaga bosqichma-bosqich o'tish jarayoni sodir bo'ladi. Kristal va amorf qattiq jism o'rtasidagi farq birinchi navbatda uning xossalarining anizotropiyasidadir. Kristal jismning xossalari kosmosdagi yo'nalishga bog'liq. Issiqlik o'tkazuvchanligi, elektr o'tkazuvchanligi, yorug'lik, tovush kabi turli xil jarayonlar tarqaladi. turli yo'nalishlar turli yo'llar bilan qattiq tana. Amorf jismlar (shisha, qatronlar, plastmassalar) suyuqliklar kabi izotopikdir. Amorf jismlar va suyuqliklar o'rtasidagi yagona farq shundaki, ikkinchisi suyuqlikdir, ularda statik siljish deformatsiyalari mumkin emas.

Kristal jismlar to'g'ri molekulyar tuzilishga ega. Uning xususiyatlarining anizotropiyasi kristallning to'g'ri tuzilishi bilan bog'liq. Kristal atomlarining to'g'ri joylashishi kristall panjara deb ataladigan narsani hosil qiladi. Turli yo'nalishlarda atomlarning panjaradagi joylashishi har xil bo'lib, bu anizotropiyaga olib keladi. Kristal panjaradagi atomlar (yoki ionlar yoki butun molekulalar) tasodifiy hosil qiladi tebranish harakati kristall panjaraning tugunlari sifatida qaraladigan o'rta pozitsiyalar yaqinida. Harorat qanchalik baland bo'lsa, tebranishlar energiyasi shunchalik katta bo'ladi va shuning uchun tebranishlarning o'rtacha amplitudasi. Kristalning o'lchami tebranishlarning amplitudasiga bog'liq. Tebranishlar amplitudasining ortishi tananing hajmining oshishiga olib keladi. Bu qattiq jismlarning termal kengayishini tushuntiradi.

Ta'rif

Suyuq jismlar - ma'lum hajmga ega bo'lgan, ammo shaklning elastikligiga ega bo'lmagan jismlar.

Suyuqliklar kuchli molekulalararo o'zaro ta'sir va past siqilish bilan tavsiflanadi. Suyuqlik qattiq va gaz o'rtasida oraliq pozitsiyani egallaydi. Suyuqliklar, gazlar kabi, izotopikdir. Bundan tashqari, suyuqlik suyuqlikka ega. Unda, gazlardagi kabi, jismlarning tangensial kuchlanishlari (kesish kuchlanishlari) mavjud emas. Suyuqliklar og'ir, ya'ni. ularning solishtirma og'irligi qattiq jismlarning solishtirma og'irligi bilan solishtirish mumkin. Kristallanish harorati yaqinida ularning issiqlik sig'imlari va boshqa termal ko'rsatkichlari qattiq moddalarnikiga yaqin. Suyuqliklarda ma'lum darajada atomlarning to'g'ri joylashishi kuzatiladi, lekin faqat kichik joylarda. Bu yerda atomlar kvazristall hujayraning tugunlari yaqinida ham tebranadi, lekin qattiq jismning atomlaridan farqli o'laroq, ular vaqti-vaqti bilan bir tugundan ikkinchisiga sakrab turadilar. Natijada, atomlarning harakati juda murakkab bo'ladi: u tebranuvchi, lekin ayni paytda tebranishlar markazi kosmosda harakat qiladi.

Gaz, bug'lanish, kondensatsiya va erish

Ta'rif

Gaz - bu molekulalar orasidagi masofa katta bo'lgan moddaning holati.

Past bosimdagi molekulalar orasidagi o'zaro ta'sir kuchlarini e'tiborsiz qoldirish mumkin. Gaz zarralari gaz bilan ta'minlangan butun hajmni to'ldiradi. Gazlarni juda qizib ketgan yoki to'yinmagan bug'lar deb hisoblash mumkin. Plazma gazning maxsus turi - bu qisman yoki to'liq ionlangan gaz bo'lib, unda musbat va manfiy zaryadlarning zichligi deyarli bir xil. Plazma - bu juda katta masofada elektr kuchlari yordamida bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiluvchi, lekin yaqin va uzoq zarrachalarga ega bo'lmagan zaryadlangan zarrachalar gazidir.

Moddalar bir agregatsiya holatidan ikkinchisiga o'tishi mumkin.

Ta'rif

Bug'lanish - kinetik energiyasi molekulalarning o'zaro ta'sirining potentsial energiyasidan yuqori bo'lgan suyuqlik yoki qattiq jism yuzasidan molekulalar uchib chiqadigan moddaning agregatsiya holatini o'zgartirish jarayoni.

Bug'lanish fazali o'tishdir. Bug'lanish jarayonida suyuqlik yoki qattiq moddaning bir qismi bug'ga o'tadi. Suyuqlik bilan dinamik muvozanatda bo'lgan gaz holatidagi moddaga to'yingan bug' deyiladi. Shu bilan birga, o'zgarish ichki energiya organlar:

\[\uchburchak \ U=\pm mr\ \left(1\o'ng),\]

bu erda m - tana vazni, r - bug'lanishning o'ziga xos issiqligi (J / kg).

Ta'rif

Kondensatsiya bug'lanishning teskari jarayonidir.

Ichki energiyaning o'zgarishini hisoblash (1) formula bo'yicha amalga oshiriladi.

Ta'rif

Erish - moddaning qattiq holatdan suyuq holatga o'tish jarayoni, moddaning agregatsiya holatini o'zgartirish jarayoni.

Moddani qizdirganda uning ichki energiyasi ortadi, shuning uchun molekulalarning issiqlik harakati tezligi oshadi. Moddaning erish nuqtasiga erishilgan taqdirda, qattiq jismning kristall panjarasi parchalana boshlaydi. Zarralar orasidagi aloqalar buziladi, zarralar orasidagi o'zaro ta'sir energiyasi ortadi. Tanaga uzatiladigan issiqlik bu jismning ichki energiyasini oshirishga ketadi va energiyaning bir qismi eriganida tananing hajmini o'zgartirish bo'yicha ishlarni bajarishga ketadi. Ko'pgina kristall jismlar uchun eritilganda hajm ortadi, ammo istisnolar mavjud, masalan, muz, quyma temir. Amorf jismlar o'ziga xos erish nuqtasiga ega emas. Erish - bu erish haroratida issiqlik sig'imining keskin o'zgarishi bilan birga bo'lgan fazaviy o'tish. Erish nuqtasi moddaga bog'liq va jarayon davomida o'zgarmaydi. Bunday holda, tananing ichki energiyasining o'zgarishi:

\[\uchburchak U=\pm m\lambda \left(2\o'ng),\]

bu yerda $\lambda $ - sintezning solishtirma issiqligi (J/kg).

Erishning teskari jarayoni kristallanishdir. Ichki energiyaning o'zgarishini hisoblash (2) formula bo'yicha amalga oshiriladi.

Isitish yoki sovutish holatida tizimning har bir tanasining ichki energiyasining o'zgarishini quyidagi formula bo'yicha hisoblash mumkin:

\[\triangle U=mc\triangle T\left(3\o'ng),\]

Bu erda c - moddaning solishtirma issiqligi, J/(kgK), $\triangle T$ - tana haroratining o'zgarishi.

Moddalarning bir agregat holatidan ikkinchisiga o'tishini o'rganishda issiqlik balansi tenglamasisiz amalga oshirib bo'lmaydi, unda aytilishicha: issiqlik izolyatsiyalangan tizimda chiqarilgan issiqlikning umumiy miqdori bu tizimda so'rilgan issiqlik (jami).

O'z ma'nosida issiqlik balansi tenglamasi issiqlik izolyatsiyalangan tizimlarda issiqlik uzatish jarayonlari uchun energiyani saqlash qonunidir.

1-misol

Topshiriq: Issiqlik izolyatsiyalangan idishda $t_i= 0^oS$ haroratda suv va muz bor. Suv ($m_(v\ ))$ va muzning ($m_(i\ ))$ massalari mos ravishda 0,5 kg va 60 g. Suvga $m_(p\ )=$10 g massali suv bug'i yuboriladi. haroratda $t_p= 100^oS$. Issiqlik muvozanati o'rnatilgandan keyin idishdagi suvning harorati qanday bo'ladi? Idishning issiqlik quvvati e'tiborga olinmaydi.

Yechish: Keling, tizimda qanday jarayonlar sodir bo'lishini, bizda materiyaning qanday agregat holatlari va nimaga ega bo'lganimizni aniqlaymiz.

Suv bug'lari kondensatsiyalanib, issiqlik chiqaradi.

Bu issiqlik muzni eritish va, ehtimol, mavjud va muzdan olingan suvni isitish uchun ishlatiladi.

Avval bug'ning mavjud massasining kondensatsiyasi paytida qancha issiqlik ajralib chiqishini tekshiramiz:

Bu erda, mos yozuvlar materiallaridan bizda $r=2,26 10^6\frac(J)(kg)$ - bug'lanishning o'ziga xos issiqligi (kondensatsiya uchun ham qo'llaniladi).

Muzni eritish uchun zarur bo'lgan issiqlik:

bu yerda mos yozuvlar materiallaridan bizda $\lambda =3,3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - muz erishining solishtirma issiqligi bor.

Biz bug 'kerak bo'lgandan ko'ra ko'proq issiqlik chiqarishini tushunamiz, faqat mavjud muzni eritish uchun, shuning uchun issiqlik balansi tenglamasini quyidagi shaklda yozamiz:

Massasi $m_(p\ )$ boʻlgan bugʻ kondensatsiyalanganda va bugʻdan hosil boʻlgan suv $T_p$ haroratdan kerakli T darajagacha soviganida issiqlik ajralib chiqadi. $m_(i\ )$ massali muz erishi bilan issiqlik soʻriladi. va massasi $m_v+ boʻlgan suv m_i$ temperaturadan $T_i$ dan $T gacha qizdiriladi.\ $ $T-T_i=\uchburchak T$ deb belgilansin, $T_p-T$ farqi uchun:

Issiqlik balansi tenglamasi quyidagicha bo'ladi:

\ \ \[\uchburchak T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\chap(m_v+m_i+m_(p\ )\o'ng))\chap (1.6\o'ng)\]

Biz hisob-kitoblarni amalga oshiramiz, suvning issiqlik sig'imi jadval shaklida $c=4,2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i. +273=273K$:

$\triangle T=\frac(2,26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4,2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2)\cdot 3,3\cdot 10^5)(4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^(-1))\taxminan 3\chap(K\o'ng)$keyin T=273+3=276 (K)

Javob: Issiqlik muvozanati o'rnatilgandan keyin idishdagi suvning harorati 276 K ga teng bo'ladi.

2-misol

Vazifa: Rasmda moddaning kristall holatdan suyuq holatga o'tishiga mos keladigan izotermiya kesimi ko'rsatilgan. p,T diagrammasidagi ushbu bo'limga nima mos keladi?

Diagrammada tasvirlangan barcha holatlar to'plami p, V gorizontal p,T diagrammasidagi to'g'ri chiziq segmenti p va T qiymatlarini aniqlaydigan bitta nuqta bilan ifodalanadi, bunda bir agregatsiya holatidan ikkinchisiga o'tish sodir bo'ladi.

Moddaning agregat holati

Modda- kimyoviy bog'lar orqali va ma'lum sharoitlarda agregatsiya holatlaridan birida o'zaro bog'langan zarrachalarning haqiqiy hayotiy to'plami. Har qanday modda juda birikmasidan iborat katta raqam zarralar: atomlar, molekulalar, ionlar, ular bir-biri bilan birlasha oladigan assotsiatsiyalar, shuningdek agregatlar yoki klasterlar deb ataladi. Assotsiatsiyalardagi zarrachalarning harorati va xatti-harakatiga qarab (zarralarning o'zaro joylashishi, ularning soni va assotsiatsiyadagi o'zaro ta'siri, shuningdek, assotsiatsiyalarning kosmosda tarqalishi va ularning bir-biri bilan o'zaro ta'siri) modda ikkita asosiy holatda bo'lishi mumkin. yig'ish - kristall (qattiq) yoki gazsimon, va o'tish davridagi yig'ilish holatlarida - amorf (qattiq), suyuq kristall, suyuqlik va bug '. Qattiq, suyuq kristall va suyuq agregat holatlari kondensatsiyalanadi, bug 'va gazsimon kuchli zaryadsizlanadi.

Bosqich- bu zarrachalarning bir xil tartibliligi va kontsentratsiyasi bilan tavsiflangan va interfeys bilan chegaralangan moddaning makroskopik hajmiga kiritilgan bir hil mikroregionlar to'plami. Ushbu tushunchada faza faqat kristall va gazsimon holatda bo'lgan moddalar uchun xarakterlidir, chunki ular bir hil agregat holatlardir.

metafaza- bu zarrachalarning joylashish darajasi yoki ularning kontsentratsiyasi bo'yicha bir-biridan farq qiluvchi va interfeys bilan chegaralangan moddaning makroskopik hajmiga kiritilgan geterogen mikroregionlar to'plami. Ushbu tushunchada metafaza faqat agregatsiyaning bir hil bo'lmagan o'tish holatida bo'lgan moddalar uchun xarakterlidir. Turli fazalar va metafazalar bir-biri bilan aralashib, bitta agregat holatini hosil qilishi mumkin, keyin esa ular o'rtasida interfeys yo'q.

Odatda "asosiy" va "o'tish" agregatsiya holati tushunchalarini ajratmang. "Agregat holat", "faza" va "mezofaz" tushunchalari ko'pincha sinonim sifatida ishlatiladi. Moddalarning holati uchun beshta mumkin bo'lgan agregat holatini ko'rib chiqish tavsiya etiladi: qattiq, suyuq kristall, suyuq, bug ', gazsimon. Bir fazaning boshqa fazaga o'tishi birinchi va ikkinchi darajali fazali o'tish deb ataladi. Birinchi turdagi fazali o'tishlar quyidagilar bilan tavsiflanadi:

Moddaning holatini tavsiflovchi fizik kattaliklarning keskin o'zgarishi (hajm, zichlik, yopishqoqlik va boshqalar);

Berilgan fazali o'tish sodir bo'lgan ma'lum bir harorat

Bu o'tishni tavsiflovchi ma'lum bir issiqlik, chunki molekulalararo aloqalarni buzadi.

Birinchi turdagi fazali o'tishlar yig'ilishning bir holatidan boshqa agregatsiya holatiga o'tishda kuzatiladi. Ikkinchi turdagi fazali o'tishlar bir xil agregat holatdagi zarrachalarning tartibi o'zgarganda kuzatiladi, ular quyidagilar bilan tavsiflanadi:

bosqichma-bosqich o'zgarish jismoniy xususiyatlar moddalar;

Tashqi maydonlar gradienti ta'sirida yoki ma'lum bir haroratda moddaning zarrachalari tartibining o'zgarishi, fazaviy o'tish harorati deb ataladi;

Ikkinchi tartibli fazali o'tishlarning issiqligi nolga teng va yaqin.

Birinchi va ikkinchi tartibli fazali o'tishlarning asosiy farqi shundaki, birinchi turdagi o'tishlarda, birinchi navbatda, tizim zarrachalarining energiyasi o'zgaradi, ikkinchi turdagi o'tishlarda esa, o'zgarishlarning tartibi o'zgaradi. tizimning zarralari o'zgaradi.

Moddaning qattiq holatdan suyuq holatga o'tishi deyiladi erish va erish nuqtasi bilan tavsiflanadi. Moddaning suyuqlikdan bug 'holatiga o'tishi deyiladi bug'lanish va qaynash nuqtasi bilan tavsiflanadi. Kichik molekulyar og'irligi va zaif molekulalararo o'zaro ta'siri bo'lgan ba'zi moddalar uchun suyuqlik holatini chetlab o'tib, qattiq holatdan bug' holatiga to'g'ridan-to'g'ri o'tish mumkin. Bunday o'tish deyiladi sublimatsiya. Bu jarayonlarning barchasi teskari yo'nalishda davom etishi mumkin: keyin ular chaqiriladi muzlash, kondensatsiya, desublimatsiya.

Erish va qaynatish jarayonida parchalanmaydigan moddalar harorat va bosimga qarab, to'rtta agregat holatida bo'lishi mumkin.

Qattiq holat

Etarlicha past haroratlarda deyarli barcha moddalar qattiq holatda bo'ladi. Bu holatda moddaning zarralari orasidagi masofani zarrachalarning o'lchamlari bilan solishtirish mumkin, bu ularning kuchli o'zaro ta'sirini va potentsial energiyasining kinetik energiyadan sezilarli darajada oshishini ta'minlaydi. . Bu zarrachalarni joylashtirishda ichki tartibni keltirib chiqaradi. Shuning uchun qattiq jismlar o'ziga xos shakli, mexanik mustahkamligi, doimiy hajmi bilan tavsiflanadi (ular amalda siqilmaydi). Zarrachalarning joylashish darajasiga qarab, qattiq jismlar quyidagilarga bo'linadi kristall va amorf.

Kristalli moddalar barcha zarrachalarning joylashishida tartib mavjudligi bilan tavsiflanadi. Kristalli moddalarning qattiq fazasi bir hil strukturani tashkil etuvchi zarrachalardan iborat bo'lib, bir xil birlik hujayraning barcha yo'nalishlarda qat'iy takrorlanishi bilan tavsiflanadi. Kristalning elementar xujayrasi zarrachalarning joylashishidagi uch o'lchovli davriylikni tavsiflaydi, ya'ni. uning kristall panjarasi. Kristal panjaralar kristallni tashkil etuvchi zarrachalar turiga va ular orasidagi jozibador kuchlarning tabiatiga ko'ra tasniflanadi.

Ko'pgina kristalli moddalar sharoitga (harorat, bosim) qarab, boshqa kristalli tuzilishga ega bo'lishi mumkin. Bu hodisa deyiladi polimorfizm. Uglerodning taniqli polimorfik modifikatsiyalari: grafit, fulleren, olmos, karbin.

Amorf (shaklsiz) moddalar. Bu holat polimerlar uchun xosdir. Uzoq molekulalar osongina egilib, boshqa molekulalar bilan o'zaro bog'lanadi, bu esa zarrachalarning joylashishida tartibsizliklarga olib keladi.

Amorf zarralar va kristall zarralar o'rtasidagi farq:

izotropiya - tananing yoki muhitning fizik va kimyoviy xususiyatlarining barcha yo'nalishlarda bir xilligi, ya'ni. xususiyatlarning yo'nalishdan mustaqilligi;

qat'iy erish nuqtasi yo'q.

Shisha, eritilgan kvarts va ko'plab polimerlar amorf tuzilishga ega. Amorf moddalar kristall moddalarga qaraganda kamroq barqarordir va shuning uchun har qanday amorf jism oxir-oqibat energetik jihatdan barqarorroq holatga - kristall holatga o'tishi mumkin.

suyuqlik holati

Haroratning oshishi bilan zarrachalarning termal tebranishlari energiyasi ortadi va har bir modda uchun harorat mavjud bo'lib, undan boshlab termal tebranishlar energiyasi bog'lanish energiyasidan oshadi. Zarrachalar bir-biriga nisbatan siljib, turli harakatlarni amalga oshirishi mumkin. Zarrachalarning to'g'ri geometrik tuzilishi buzilgan bo'lsa-da, ular hali ham aloqada bo'lib qoladilar - modda suyuq holatda mavjud. Zarrachalarning harakatchanligi tufayli suyuqlik holati zarrachalarning Broun harakati, diffuziyasi va uchuvchanligi bilan tavsiflanadi. Suyuqlikning muhim xususiyati yopishqoqlik bo'lib, suyuqlikning erkin oqishiga to'sqinlik qiluvchi interassotsiativ kuchlarni tavsiflaydi.

Suyuqliklar moddalarning gazsimon va qattiq holati o'rtasida oraliq pozitsiyani egallaydi. Gazdan ko'ra ko'proq tartibli tuzilish, lekin qattiqdan kamroq.

Bug 'va gazsimon holatlar

Bug '-gaz holati odatda ajratilmaydi.

Gaz - u bir-biridan uzoqda joylashgan alohida molekulalardan tashkil topgan juda kam uchraydigan bir jinsli sistema bo'lib, uni yagona dinamik faza deb hisoblash mumkin.

Steam - bu molekulalar va bu molekulalardan tashkil topgan beqaror kichik assotsiatsiyalar aralashmasi bo'lgan juda zaryadsizlangan bir hil bo'lmagan tizimdir.

Molekulyar-kinetik nazariya ideal gazning xossalarini quyidagi qoidalarga asoslanib tushuntiradi: molekulalar uzluksiz tasodifiy harakat qiladi; gaz molekulalarining hajmi molekulalararo masofalarga nisbatan ahamiyatsiz; gaz molekulalari orasida jozibador yoki itaruvchi kuchlar mavjud emas; gaz molekulalarining o'rtacha kinetik energiyasi uning mutlaq haroratiga proportsionaldir. Molekulyar o'zaro ta'sir kuchlarining ahamiyatsizligi va katta bo'sh hajm mavjudligi tufayli gazlar quyidagilar bilan tavsiflanadi: issiqlik harakati va molekulyar diffuziyaning yuqori tezligi, molekulalarning iloji boricha ko'proq hajmni egallash istagi, shuningdek yuqori siqilish. .

Izolyatsiya qilingan gaz fazali tizim to'rtta parametr bilan tavsiflanadi: bosim, harorat, hajm, moddaning miqdori. Ushbu parametrlar orasidagi munosabat ideal gazning holat tenglamasi bilan tavsiflanadi:

R = 8,31 kJ/mol - universal gaz doimiysi.

TA'RIF

Modda- ko'p sonli zarralar (atomlar, molekulalar yoki ionlar) to'plami.

Moddalar murakkab tuzilishga ega. Moddadagi zarralar bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiladi. Moddadagi zarrachalarning o'zaro ta'sirining tabiati uning agregatsiya holatini belgilaydi.

Agregat holatlarning turlari

Quyidagi agregatsiya holatlari ajratiladi: qattiq, suyuq, gaz, plazma.

Qattiq holatda zarralar, qoida tariqasida, muntazam geometrik tuzilishga birlashtiriladi. Zarrachalarning bog'lanish energiyasi ularning termal tebranishlari energiyasidan kattaroqdir.

Agar tana harorati ko'tarilsa, zarrachalarning termal tebranishlari energiyasi ortadi. Muayyan haroratda termal tebranishlarning energiyasi bog'lanish energiyasidan kattaroq bo'ladi. Bu haroratda zarralar orasidagi bog'lanishlar buziladi va yana hosil bo'ladi. Bunday holda, zarralar hosil qiladi har xil turlari harakatlar (tebranishlar, aylanishlar, bir-biriga nisbatan harakatlar va boshqalar). Biroq, ular hali ham bir-biri bilan aloqada. To'g'ri geometrik struktura buzilgan. Modda suyuq holatda.

Haroratning yanada oshishi bilan termal tebranishlar kuchayadi, zarralar orasidagi aloqalar yanada zaiflashadi va amalda yo'q bo'ladi. Modda gazsimon holatda. Moddaning eng oddiy modeli ideal gaz bo'lib, unda zarrachalar har qanday yo'nalishda erkin harakatlanadi, faqat to'qnashuv momentida bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiladi, elastik ta'sir qonunlari bajariladi deb taxmin qilinadi.

Bundan xulosa qilish mumkinki, harorat oshishi bilan modda tartiblangan tuzilishdan tartibsiz holatga o'tadi.

Plazma - ionlar va elektronlarning neytral zarralari aralashmasidan tashkil topgan gazsimon modda.

Moddaning turli holatlaridagi harorat va bosim

Moddaning turli agregat holatlari aniqlaydi: harorat va bosim. Past bosim va yuqori harorat gazlarga mos keladi. Past haroratlarda, odatda, modda qattiq holatda bo'ladi. Oraliq haroratlar suyuqlik holatidagi moddalarni bildiradi. Faza diagrammasi ko'pincha moddaning agregat holatini tavsiflash uchun ishlatiladi. Bu agregatsiya holatining bosim va haroratga bog'liqligini ko'rsatadigan diagramma.

Gazlarning asosiy xususiyati ularning kengayish qobiliyati va siqilish qobiliyatidir. Gazlar shaklga ega emas, ular joylashgan idish shaklini oladi. Gazning hajmi idishning hajmini aniqlaydi. Gazlar bir-biri bilan har qanday nisbatda aralashishi mumkin.

Suyuqlik shakli yo'q, lekin hajmi bor. Suyuqliklar yomon siqiladi, faqat yuqori bosimda.

Qattiq jismlar shakli va hajmiga ega. Qattiq holatda metall, ion va kovalent aloqalarga ega bo'lgan birikmalar bo'lishi mumkin.

Muammoni hal qilishga misollar

MISOL 1

Mashq qilish

Ayrim mavhum modda uchun holatlarning fazaviy diagrammasini chizing. Uning ma'nosini tushuntiring.

Yechim

Keling, rasm chizamiz. Holat diagrammasi 1-rasmda ko'rsatilgan. U moddaning kristall (qattiq) holatiga, suyuq va gaz holatiga mos keladigan uchta maydondan iborat. Ushbu hududlar o'zaro teskari jarayonlarning chegaralarini ko'rsatadigan egri chiziqlar bilan ajratilgan: 01 - erish - kristallanish; 02 - qaynash - kondensatsiya; 03 - sublimatsiya - desublimatsiya. Barcha egri chiziqlarning kesishish nuqtasi (O) uchlik nuqtadir. Bu vaqtda materiya uchta agregatsiya holatida mavjud bo'lishi mumkin. Agar moddaning harorati kritik () dan yuqori bo'lsa (2-band), u holda zarrachalarning kinetik energiyasi ularning o'zaro ta'sirining potentsial energiyasidan katta bo'ladi, bunday haroratlarda modda har qanday bosimda gazga aylanadi. Faza diagrammasidan ko'rinib turibdiki, agar bosim dan katta bo'lsa, u holda qattiq harorat oshgani sayin eriydi. Eritgandan keyin bosimning oshishi qaynash nuqtasining oshishiga olib keladi. Agar bosim dan kam bo'lsa, u holda qattiq haroratning oshishi uning to'g'ridan-to'g'ri gazsimon holatga (sublimatsiya) o'tishiga olib keladi (G nuqtasi).

2-MISA

Mashq qilish

Agregatsiyaning bir holati boshqasidan nimasi bilan farqlanishini tushuntiring?

Yechim

Agregatning turli holatlarida atomlar (molekulalar) turli xil tartibga ega. Shunday qilib, kristall panjaralarning atomlari (molekulalari yoki ionlari) tartibli joylashtirilgan, ular muvozanat pozitsiyalari atrofida kichik tebranishlarni amalga oshirishi mumkin. Gaz molekulalari tartibsiz holatda bo'lib, juda katta masofada harakatlana oladi. Bundan tashqari, turli agregat holatlardagi moddalarning ichki energiyasi (bir xil materiya massalari uchun) at turli haroratlar boshqacha. Bir agregatsiya holatidan ikkinchi holatga o'tish jarayonlari ichki energiyaning o'zgarishi bilan birga keladi. O'tish: qattiq - suyuq - gaz, ichki energiyaning ko'payishini anglatadi, chunki molekulalar harakatining kinetik energiyasi ortadi.