Агрегатное состояние веществ. Агрегатные состояния вещества Твердые и жидкие тела
В зависимости от температуры и давления любое вещество способно принимать различные агрегатные состояния. Каждое такое состояние характеризуется определенными качественными свойствами, которые остаются неизменными в рамках температур и давлений, требуемых для данного агрегатного состояния.
К характерным свойствам агрегатных состояний можно отнести, например, способность тела, находящегося в твердом состоянии, сохранять свою форму, или наоборот – способность жидкого тела изменять форму. Однако, иногда границы между различными состояниями вещества довольно размыты, как в случаях с жидкими кристаллами, либо так называемыми «аморфными телами», которые могут быть упругими как твердые тела и текучими как жидкости.
Переход между агрегатными состояниями может происходить с выделением свободной энергии, изменением плотности, энтропии или других физических величин. Переход от одного агрегатного состояния к другому называется фазовым переходом, а явления, сопровождающие такие переходы – критическими явлениями.
Список известных агрегатных состояний
Твердое тело |
||
|---|---|---|
Твердые тела, атомы или молекулы которых не образуют кристаллическую решетку. |
||
Твердые тела, атомы или молекулы которых образуют кристаллическую решетку. |
||
Мезофаза |
||
Жидкий кристалл – это такое фазовое состояние, во время которого вещество одновременно обладает как свойствами жидкостей, так и свойствами кристаллов. |
||
Жидкость |
||
Состояние вещества при температурах, выше температуры плавления и ниже температуры кипения. |
||
Жидкость, температура которой превышает температуру кипения. |
||
Жидкость, температура которой меньше температуры кристаллизации. |
||
Состояние жидкого вещества при отрицательном давлении, вызываемым силами Ван-дер-Ваальса (силами притяжения между молекулами). |
||
Состояние жидкости при температуре выше критической точки. |
||
Жидкость, на свойства которой влияют квантовые эффекты. |
||
Состояние вещества, имеющего очень слабые связи между молекулами или атомами. Не поддается математическому описанию идеального газа. |
||
Газ, на свойства которого влияют квантовые эффекты. |
||
Агрегатное состояние, представленное набором отдельных заряженных частиц, суммарный заряд которых в любом объеме системы равен нулю. |
||
Состояние вещества, при котором оно представляет собой набор глюонов, кварков и антикварков. |
||
Кратковременное состояние, во время которого глюонные силовые поля натягиваются между ядрами. Предшествует кварк-глюонной плазме. |
||
Квантовый газ |
||
Газ, состоящий из фермионов, на свойства которого влияют квантовые эффекты. |
||
Газ, состоящий из бозонов, на свойства которого влияют квантовые эффекты. |
||
Агрегатным состоянием вещества принято называть его способность сохранять свою форму и объем. Дополнительный признак – способы перехода вещества их одного агрегатного состояния в другое. Исходя из этого, выделяют три агрегатных состояния: твердое тело, жидкость и газ. Видимые свойства их таковы:
Твердое тело – сохраняет и форму, и объем. Может переходить как в жидкость путем плавления, так и непосредственно в газ путем сублимации.
- Жидкость – сохраняет объем, но не форму, то есть обладает текучестью. Пролитая жидкость стремится неограниченно растечься по поверхности, на которую вылита. В твердое тело жидкость может перейти путем кристаллизации, а в газ – путем испарения.
- Газ – не сохраняет ни формы, ни объема. Газ вне какого-нибудь вместилища стремится неограниченно расшириться во все стороны. Помешать ему в этом может только сила тяжести, благодаря чему земная атмосфера не рассеивается в космос. В жидкость газ переходит путем конденсации, а непосредственно в твердое тело может перейти путем осаждения.
Фазовые переходы
Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом, так как научный агрегатного состояния – фаза вещества. Например, вода может существовать в твердой фазе (лед), жидкой (обычная вода) и газообразной (водяной пар).
На примере воды также хорошо демонстрируется . Вывешенное во дворе на просушку в морозный безветренный день тут же промерзает, но спустя некоторое время оказывается сухим: лед сублимирует, непосредственно переходя в водяной пар.
Как правило, фазовый переход из твердого тела в жидкость и газ требует нагрева, но температура среды при этом не повышается: тепловая энергия уходит на разрыв внутренних связей в веществе. Это так называемая скрытая теплота . При обратных фазовых переходах (конденсации, кристаллизации) эта теплота выделяется.
Именно поэтому так опасны ожоги паром. Попадая на кожу, он конденсируется. Скрытая теплота испарения/конденсации воды очень велика: вода в этом отношении – аномальное вещество; именно поэтому и возможна жизнь на Земле. При ожоге паром скрытая теплота конденсации воды «прошпаривает» обожженное место очень глубоко, и последствия парового ожога оказываются куда тяжелее, чем от пламени на такой же площади тела.
Псевдофазы
Текучесть жидкой фазы вещества определяется ее вязкостью, а вязкость – характером внутренних связей, которым посвящен следующий раздел. Вязкость жидкости может быть очень высокой, и такая жидкость может течь незаметно для глаза.
Классический пример – стекло. Оно не твердое тело, а очень вязкая жидкость. Обратите внимание, что листы стекла на складах никогда не хранят прислоненными наискось к стене. Уже через несколько дней они прогнутся под собственной тяжестью и окажутся непригодными к употреблению.
Другие примеры псевдотвердых тел – сапожный вар и строительный битум. Если забыть угловатый кусок битума на крыше, за лето он растечется в лепешку и прилипнет к основе. Псевдотвердые тела отличить от настоящих можно по характеру плавления: настоящие при нем либо сохраняют свою форму, пока враз не растекутся (припой при пайке), либо оплывают, пуская лужицы и ручейки (лед). А очень вязкие жидкости постепенно размягчаются, как тот же вар или битум.
Чрезвычайно вязкими жидкостями, текучесть которых не заметна на протяжении многих лет и десятилетий, являются пластики. Высокая их способность сохранять форму обеспечивается огромным молекулярным весом полимеров, во многие тысячи и миллионы атомов водорода.
Структура фаз вещества
В газовой фазе молекулы или атомы вещества отстоят друг от друга очень далеко, во много раз больше, чем расстояние между ними. Взаимодействуют они между собой изредка и нерегулярно, только при столкновениях. Само взаимодействие упругое: столкнулись, как твердые шарики, и тут же разлетелись.
В жидкости молекулы/атомы постоянно «чувствуют» друг друга за счет очень слабых связей химической природы. Эти связи все время рвутся и тут же опять восстанавливаются, молекулы жидкости непрерывно перемещаются относительно друг друга, поэтому жидкость и течет. Но чтобы превратить ее в газ, нужно разорвать все связи сразу, а на это нужно очень много энергии, потому жидкость и сохраняет объем.
Вода в этом отношении отличается от прочих веществ тем, что ее молекулы в жидкости связаны так называемыми водородными связями, довольно прочными. Поэтому вода и может быть жидкостью при нормальной для жизни температуре. Многие вещества с молекулярной массой в десятки и сотни раз больше, чем у воды, в нормальных условиях – газы, как хотя бы обычный бытовой газ.
В твердом теле все его молекулы прочно стоят на своих местах благодаря сильным химическим связям между ними, образуя кристаллическую решетку. Кристаллы правильной формы требуют для своего роста особых условий и потому в природе встречаются редко. Большинство твердых тел представляют собой прочно сцепленные силами механической и электрической природы конгломераты мелких и мельчайших кристалликов – кристаллитов.
Если читателю доводилось видеть, например, треснувшую полуось автомобиля или чугунный колосник, то зерна кристаллитов на сломе там видны простым глазом. А на осколках разбитой фарфоровой или фаянсовой посуды их можно наблюдать под лупой.
Плазма
Физики выделяют и четвертое агрегатное состояние вещества – плазму. В плазме электроны оторваны от атомных ядер, и она представляет собой смесь электрически заряженных частиц. Плазма может быть очень плотной. Например, один кубический сантиметр плазмы из недр звезд – белых карликов, весит десятки и сотни тонн.
Плазму выделяют в отдельное агрегатное состояние потому, что она активно взаимодействует с электромагнитными полями из-за того, что ее частицы заряжены. В свободном пространстве плазма стремится расшириться, остывая и переходя в газ. Но под воздействием электромагнитных полей она может вне сосуда сохранять форму и объем, как твердое тело. Это свойство плазмы используется в термоядерных энергетических реакторах – прообразах энергоустановок будущего.
В повседневной практике приходится иметь дело не отдельно с индивидуальными атомами, молекулами и ионами, а с реальными веществами — совокупностью большого количества частиц. В зависимости от характера их взаимодействия различают четыре вида агрегатного состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Вещество может превращаться из одного агрегатного состояния в другое в результате соответствующего фазового перехода.
Пребывание вещества в том или ином агрегатном состоянии обусловлено силами, действующими между частицами, расстоянием между ними и особенностями их движения. Каждое агрегатное состояние характеризуется совокупностью определенных свойств.
Свойства веществ в зависимости от агрегатного состояния:
| состояние | свойство |
| газообразное |
|
| жидкое |
|
| твердое |
|
В соответствии со степенью упорядоченности в системе для каждого агрегатного состояния характерно собственное соотношение между кинетической и потенциальной энергиями частиц. В твердых телах потенциальная преобладает над кинетической, так как частицы занимают определенные положения и только колеблются вокруг них. Для газов наблюдается обратное соотношение между потенциальной и кинетической энергиями, как следствие того, что молекулы газа всегда хаотично движутся, а силы сцепления между ними почти отсутствуют, поэтому газ занимает весь объем. В случае жидкостей кинетическая и потенциальная энергии частиц примерно одинаковы, между частицами действует нежесткая связь, поэтому жидкостям присущи текучесть и постоянный при данной объем.
Когда частицы вещества образуют правильную геометрическую структуру, а энергия связей между ними больше энергии тепловых колебаний, что предотвращает разрушение сложившейся структуры — значит, вещество находится в твердом состоянии. Но начиная с некоторой температуры, энергия тепловых колебаний превышает энергию связей между частицами. При этом частицы, хотя и остаются в контакте, перемещаются друг относительно друга. В результате геометрическая структура нарушается и вещество переходит в жидкое состояние. Если тепловые колебания настолько возрастают, что между частицами практически теряется связь, вещество приобретает газообразное состояние. В «идеальном» газе частицы свободно перемещаются во всех направлениях.
При повышении температуры вещество переходит из упорядоченного состояния (твердое) в неупорядоченный состояние (газообразное) жидкое состояние является промежуточным по упорядоченности частиц.
Четвертым агрегатным состоянием называют плазму — газ, состоящий из смеси нейтральных и ионизированных частиц и электронов. Плазма образуется при сверхвысоких температурах (10 5 -10 7 0 С) за счет значительной энергии столкновения частиц, которые имеют максимальную неупорядоченность движения. Обязательным признаком плазмы, как и других состояний вещества, является ее электронейтральность. Но в результате неупорядоченности движения частиц в плазме могут возникать отдельные заряженные микрозоны, благодаря чему она становится источником электромагнитного излучения. В плазменном состоянии существует вещество на , звездах, других космических объектах, а также при термоядерных процессах.
Каждое агрегатное состояние определяется, прежде всего, интервалом температур и давлений, поэтому для наглядной количественной характеристики используют фазовую диаграмму вещества, которая показывает зависимость агрегатного состояния от давления и температуры.
Диаграмма состояния вещества с кривыми фазовых переходов: 1 — плавления-кристаллизации, 2 — кипения-конденсации, 3 — сублимации-десублимации
Диаграмма состояния состоит из трех основных областей, которые соответствуют кристаллическому, жидкому и газообразному состояниям. Отдельные области разделяются кривыми, отражающие фазовые переходы:
- твердого состояния в жидкое и, наоборот, жидкого в твердое (кривая плавления-кристаллизации — пунктирный зеленый график)
- жидкого в газообразное и обратного преобразования газа в жидкость (кривая кипения-конденсации — синий график)
- твердого состояния в газообразное и газообразного в твердое (кривая сублимации-десублимации — красный график).
Координаты пересечения этих кривых называются тройной точкой, в которой в условиях определенного давления Р=Р в и определенной температуры Т=T в вещество может сосуществовать сразу в трех агрегатных состояниях, причем жидкое и твердое состояние имеют одинаковое давление пара. Координаты Р в и Т в — это единственные значения давления и температуры, при которых могут одновременно сосуществовать все три фазы.
Точке К на фазовой диаграмме состояния отвечает температура Т к — так называемая критическая температура, при которой кинетическая энергия частиц превышает энергию их взаимодействия и поэтому стирается грань разделения между жидкой и газовой фазами, а вещество существует в газообразном состоянии по любым давлением.
Из анализа фазовой диаграммы следует, что при высоком давлении, большем чем в тройной точке (Р в), нагрев твердого вещества заканчивается его плавлением, например, при Р 1 плавления происходит в точке d . Дальнейшее повышение температуры от Т d к Т е приводит к кипению вещества при данном давлении Р 1 . При давлении Р 2 , меньшем, чем давление в тройной точке Р в, нагрев вещества приводит к его переходу непосредственно из кристаллического в газообразное состояние (точка q ), то есть к сублимации. Для большинства веществ давление в тройной точке ниже, чем давление насыщенного пара (Р в
Р насыщ.пара, поэтому при нагревании кристаллов таких веществ они не плавятся, а испаряются, то есть подвергаются сублимации. Например, так ведут себя кристаллы йода или «сухой лед» (твердый СО 2).
Анализ диаграммы состояния вещества
Газообразное состояние
При нормальных условиях (273 К, 101325 Па) в газообразном состоянии могут находиться как простые вещества, молекулы которых состоят из одного (Не, Ne, Ar) или из нескольких несложных атомов (Н 2 , N 2 , O 2), так и сложные вещества с малой молярной массой (СН 4 , HCl, C 2 H 6).
Поскольку кинетическая энергия частиц газа превышает их потенциальную энергию, то молекулы в газообразном состоянии непрерывно хаотически двигаются. Благодаря большим расстояниям между частицами силы межмолекулярного взаимодействия в газах настолько незначительны, что их не хватает для привлечения частиц друг к другу и удержания их вместе. Именно по этой причине газы не имеют собственной формы и характеризуются малой плотностью и высокой способностью к сжатию и к расширению. Поэтому газ постоянно давит на стенки сосуда, в котором он находится, одинаково во всех направлениях.
Для изучения взаимосвязи между важнейшими параметрами газа (давление Р, температура Т, количество вещества n, молярная масса М, масса m) используется простейшая модель газообразного состояния вещества — идеальный газ , которая базируется на следующих допущениях:
- взаимодействием между частицами газа можно пренебречь;
- сами частицы являются материальными точками, которые не имеют собственного размера.
Наиболее общим уравнением, описывающим модель идеального газа, считается уравнения Менделеева-Клапейрона для одного моля вещества:
Однако поведение реального газа отличается, как правило, от идеального. Это объясняется, во-первых, тем, что между молекулами реального газа все же действуют незначительные силы взаимного притяжения, которые в определенной степени сжимают газ. С учетом этого общее давление газа возрастает на величину a /V 2 , которая учитывает дополнительное внутреннее давление, обусловленное взаимным притяжением молекул. В результате общее давление газа выражается суммой Р+ а /V 2 . Во-вторых, молекулы реального газа имеют хоть и малый, но вполне определенный объем b , поэтому действительный объем всего газа в пространстве составляет V — b . При подстановке рассмотренных значений в уравнение Менделеева-Клапейрона получаем уравнение состояния реального газа, которое называется уравнением Ван-дер-Ваальса :
где а и b — эмпирические коэффициенты, которые определяются на практике для каждого реального газа. Установлено, что коэффициент a имеет большую величину для газов, которые легко сжижаются (например, СО 2 , NH 3), а коэффициент b — наоборот, тем выше по величине, чем больше размеры имеют молекулы газа (например, газообразные углеводороды).
Уравнение Ван-дер-Ваальса гораздо точнее описывает поведение реального газа, чем уравнения Менделеева-Клапейрона, которое тем не менее, благодаря наглядному физическому смыслу широко используется в практических расчетах. Хотя идеальное состояние газа является предельным, мнимым случаем, однако простота законов, которые ему отвечают, возможность их применения для описания свойств многих газов в условиях низких давлений и высоких температур делает модель идеального газа очень удобной.
Жидкое состояние вещества
Жидкое состояние любого конкретного вещества являются термодинамически устойчивым в определенном интервале температур и давлений, характерных для природы (состава) данного вещества. Верхний температурный предел жидкого состояния — температура кипения, выше которой вещество в условиях устойчивого давления находится в газообразном состоянии. Нижняя граница устойчивого состояния существования жидкости — температура кристаллизации (затвердевания). Температуры кипения и кристаллизации, измеренные при давлении 101,3 кПа, называются нормальными.
Для обычных жидкостей присуща изотропность — единообразие физических свойств во всех направлениях внутри вещества. Иногда для изотропности употребляют и другие термины: инвариантность, симметрия относительно выбора направления.
В формировании взглядов на природу жидкого состояния важное значение имеет представление о критическом состоянии, который был открыт Менделеевым (1860 г.):
Критическое состояние — это равновесное состояние, при котором предел разделения между жидкостью и ее паром исчезает, поскольку жидкость и ее насыщенный пар приобретают одинаковые физические свойства.
В критическом состоянии значение как плотностей, так и удельных объемов жидкости и ее насыщенного пара становятся одинаковыми.
Жидкое состояние вещества является промежуточным между газообразным и твердым. Некоторые свойства приближают жидкое состояние к твердому. Если для твердых веществ характерна жесткая упорядоченность частиц, которая распространяется на расстояние до сотен тысяч межатомных или межмолекулярных радиусов, то в жидком состоянии наблюдается, как правило, не более нескольких десятков упорядоченных частиц. Объясняется это тем, что упорядоченность между частицами в разных местах жидкого вещества быстро возникает, и так же быстро снова «размывается» тепловым колебаниям частиц. Вместе с тем общая плотность «упаковки» частиц мало отличается от твердого вещества, поэтому плотность жидкостей не сильно отличается от плотности большинства твердых тел. К тому же способность жидкостей к сжатию почти такая же мала, что и в твердых тел (примерно в 20000 раз меньше, чем у газов).
Структурный анализ подтвердил, что в жидкостях наблюдается так называемый ближний порядок , который означает, что число ближайших «соседей» каждой молекулы и их взаимное расположение примерно одинаковы по всему объему.
Относительно небольшое количество различных по составу частиц, соединенных силами межмолекулярного взаимодействия, называется кластером . Если все частицы в жидкости одинаковы, то такой кластер называется ассоциатом . Именно в кластерах и ассоциатах наблюдается ближний порядок.
Степень упорядоченности в различных жидкостях зависит от температуры. При низких температурах, незначительно превышающих температуру плавления, степень упорядоченности размещения частиц очень большая. С повышением температуры она уменьшается и по мере нагревания свойства жидкости все больше приближаются к свойствам газов, а по достижении критической температуры разница между жидким и газообразным состоянием исчезает.
Близость жидкого состояния к твердому подтверждается значениями стандартных энтальпий испарения DН 0 испарения и плавления DН 0 плавления. Напомним, что величина DН 0 испарения показывает количество теплоты, которая нужна для преобразования 1 моля жидкости в пар при 101,3 кПа; такое же количество теплоты расходуется на конденсацию 1 моля пара в жидкость при тех же условиях (т.е. DН 0 испарения = DН 0 конденсации). Количество теплоты, затрачиваемое на превращение 1 моля твердого вещества в жидкость при 101,3 кПа, называется стандартной энтальпией плавления ; такое же количество теплоты высвобождается при кристаллизации 1 моля жидкости в условиях нормального давления (DН 0 плавления = DН 0 кристаллизации). Известно, что DН 0 испарения << DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.
Однако другие важные свойства жидкостей больше напоминают свойства газов. Так, подобно газам, жидкости могут течь — это свойство называется текучестью . Они могут сопротивляться течению, то есть им присуща вязкость . На эти свойства влияют силы притяжения между молекулами, молекулярная масса жидкого вещества и другие факторы. Вязкость жидкостей примерно в 100 раз больше, чем у газов. Так же, как и газы, жидкости способны диффундировать, но гораздо медленнее, поскольку частицы жидкости упакованы плотнее, чем частицы газа.
Одной из самых интересных свойств жидкого состояния, которая не характерна ни для газов, ни для твердых веществ, является поверхностное натяжение .
Схема поверхностного натяжения жидкости
На молекулу, находящуюся в объеме жидкости, со всех сторон равномерно действуют межмолекулярные силы. Однако на поверхности жидкости баланс этих сил нарушается, вследствие чего поверхностные молекулы находятся под действием некоторой результирующей силы, которая направлена внутрь жидкости. По этой причине поверхность жидкости находится в состоянии натяжения. Поверхностное натяжение — это минимальная сила, которая удерживает частицы жидкости внутри и тем самым предотвращает сокращении поверхности жидкости.
Строение и свойства твердых веществ
Большинство известных веществ как природного, так и искусственного происхождения при обычных условиях находятся в твердом состоянии. Из всех известных на сегодня соединений около 95% относятся к твердым веществам, которые приобрели важное значение, поскольку является основой не только конструкционных, но и функциональных материалов.
- Конструкционные материалы — это твердые вещества или их композиции, которые используются для изготовления орудий труда, предметов быта, и различных других конструкций.
- Функциональные материалы — это твердые вещества, использование которых обусловлено наличием в них тех или иных полезных свойств.
Например, сталь, алюминий, бетон, керамика принадлежат к конструкционным материалам, а полупроводники, люминофоры — к функциональным.
В твердом состоянии расстояния между частицами вещества маленькие и имеют по величине такой же порядок, что и сами частицы. Энергии взаимодействия между ними достаточно велики, что предотвращает свободное движение частиц — они могут только колебаться относительно определенных равновесных положений, например, вокруг узлов кристаллической решетки. Неспособность частиц к свободному перемещению приводит к одной из самых характерных особенностей твердых веществ — наличие собственной формы и объема. Способность к сжатию у твердых веществ очень незначительна, а плотность высокая и мало зависит от изменения температуры. Все процессы, происходящие в твердом веществе, происходят медленно. Законы стехиометрии для твердых веществ имеют другой и, как правило, более широкий смысл, чем для газообразных и жидких веществ.
Подробное описание твердых веществ слишком объемно для этого материала и поэтому рассматривается в отдельных статьях: , и .
Агрегатное состояние вещества
Вещество – реально существующая совокупность частиц, связанных между собой химическими связями и находящихся при определенных условиях в одном из агрегатных состояний. Любое вещество состоит из совокупности очень большого числа частиц: атомов, молекул, ионов, которые могут объединяться между собой в ассоциаты, называемые также агрегатами или кластерами. В зависимости от температуры и поведения частиц в ассоциатах (взаимное расположение частиц, их число и взаимодействие в ассоциате, а также распределение ассоциатов в пространстве и их взаимодействии между собой) вещество может находиться в двух основных агрегатных состояниях – кристаллическом (твердом) или газообразном, и в переходных агрегатных состояниях – аморфном (твердом), жидкокристаллическом, жидком и парообразном. Твердое, жидкокристаллическое и жидкое агрегатные состояния являются конденсированными, а парообразное и газообразное – сильно разряженными.
Фаза – это совокупность однородных микрообластей, характеризующихся одинаковой упорядоченностью и концентрацией частиц и заключенных в макроскопическом объеме вещества, ограниченном поверхностью раздела. В таком понимании фаза характерна только для веществ, находящихся в кристаллическом и газообразном состояниях, т.к. это однородные агрегатные состояния.
Метафаза – это совокупность разнородных микрообластей, отличающихся друг от друга степенью упорядоченности частиц или их концентрацией и заключенных в макроскопическом объеме вещества, ограниченном поверхностью раздела. В таком понимании метафаза характерна только для веществ, находящихся в неоднородных переходных агрегатных состояний. Разные фазы и метафазы могут смешиваться между друг с другом, образуя одно агрегатное состояние, и тогда между ними нет поверхности раздела.
Обычно не разделяют понятия «основное» и «переходное» агрегатные состояния. Понятия «агрегатное состояние», «фаза» и «мезофаза» часто используют как синонимы. Целесообразно рассматривать для состояния веществ пять возможных агрегатных состояний: твердое, жидкокристаллическое, жидкое, парообразное, газообразное. Переход одной фазы в другую фазу называют фазовым переходом первого и второго рода. Фазовые переходы первого рода характеризуются:
Скачкообразным изменением физических величие, описывающих состояние вещества (объем, плотность, вязкость и т.д.);
Определенной температурой, при которой совершается данный фазовый переход
Определенной теплотой, характеризующий данный переход, т.к. рвутся межмолекулярные связи.
Фазовые переходы первого рода наблюдаются при переходе из одного агрегатного состояния в другое агрегатное состояние. Фазовые переходы второго рода наблюдаются при изменении упорядоченности частиц в пределах одного агрегатного состояния, характеризуются:
Постепенное изменение физических свойств вещества;
Изменение упорядоченности частиц вещества под действием градиента внешних полей или при определенной температуры, называемой температурой фазового перехода;
Теплота фазовых переходов второго рода равна и близка к нулю.
Главное различие фазовых переходов первого и второго рода заключается в том, что при переходах первого рода, прежде всего, изменяется энергия частиц системы, а в случае переходов второго рода – упорядоченность частиц системы.
Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением и характеризуется температурой плавления. Переход вещества из жидкого в парообразное состояние называется испарением и характеризуется температурой кипения. Для некоторых веществ с небольшой молекулярной массой и слабым межмолекулярным взаимодействием возможен непосредственный переход из твердого состояния в парообразное, минуя жидкое. Такой переход называется сублимацией. Все перечисленные процессы могут протекать и в обратном направлении: тогда их называют замерзанием, конденсацией, десублимацией.
Вещества, не разлагающиеся при плавлении и кипении, могут находиться в зависимости от температуры и давления во всех четырех агрегатных состояниях.
Твердое состояние
При достаточно низкой температуре практически все вещества находятся в твердом состоянии. В этом состоянии расстояние между частицами вещества сопоставимы с размерами самих частиц, что обеспечивает их сильное взаимодействие и значительное превышение у них потенциальной энергии над кинетической энергией.. Движение частиц твердого вещества ограничено только незначительными колебаниями и вращениями относительно занимаемого положения, а поступательное движение у них отсутствует. Это приводит к внутренней упорядоченности в расположении частиц. Поэтому для твердых тел характерна собственная форма, механическая прочность, постоянный объем (они практически несжимаемы). В зависимости от степени упорядоченности частиц твердые вещества разделяются на кристаллические и аморфные.
Кристаллические вещества характеризуются наличием порядка в расположении всех частиц. Твердая фаза кристаллических веществ состоит из частиц, которые образуют однородную структуру, характеризующуюся строгой повторяемостью одной и той же элементарной ячейки во всех направлениях. Элементарная ячейка кристалла характеризует трехмерную периодичность в расположении частиц, т.е. его кристаллическую решетку. Кристаллические решетки классифицируются в зависимости от типа частиц, составляющих кристалл, и от природы сил притяжения между ними.
Многие кристаллические вещества в зависимости от условий (температура, давление) могут иметь разную кристаллическую структуру. Это явление называется полиморфизмом. Общеизвестные полиморфные модификации углерода: графит, фуллерен, алмаз, карбин.
Аморфные (бесформенные) вещества. Это состояние характерно для полимеров. Длинные молекулы легко изгибаются и переплетаются с другими молекулами, что приводит к нерегулярности в расположении частиц.
Отличие аморфных частиц от кристаллических:
изотропия – одинаковость физических и химических свойств тела или среды по всем направлениям, т.е. независимость свойств от направления;
отсутствие фиксированной температуры плавления.
Аморфную структуру имеют стекло, плавленый кварц, многие полимеры. Аморфные вещества менее устойчивы, чем кристаллические, и поэтому любое аморфное тело со временем может перейти в энергетически более устойчивое состояние – кристаллическое.
Жидкое состояние
При повышении температуры энергия тепловых колебаний частиц возрастает, и для каждого вещества имеется температура, начиная с которой энергия тепловых колебаний превышает энергию связей. Частицы могут совершать различные движения, смещаясь относительно друг друга. Они еще остаются в контакте, хотя правильная геометрическая структура частиц нарушается – вещество существует в жидком состоянии. Вследствие подвижности частиц для жидкого состояния характерны броуновское движение, диффузия и летучесть частиц. Важным свойством жидкости является вязкость, которая характеризует межассоциатные силы, препятствующие свободному течению жидкости.
Жидкости занимают промежуточное положение между газообразным и твердым состоянием веществ. Более упорядочная структура, чем газ, но менее чем твердое вещество.
Паро – и газообразное состояния
Паро-газообразное состояние обычно не различают.
Газ – это сильно разряженная однородная система, состоящая из отдельных молекул, далеко отстоящих друг от друга, которую можно рассматривать как единую динамическую фазу.
Пар - это сильно разряженная неоднородная система, представляющая собой смесь молекул и неустойчивых небольших ассоциатов, состоящих из этих молекул.
Молекулярно-кинетическая теория объясняет свойства идеального газа, основываясь на следующих положениях: молекулы совершают непрерывное беспорядочное движение; объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с межмолекулярными расстояниями; между молекулами газа не действуют силы притяжения или отталкивания; средняя кинетическая энергия молекул газа пропорциональна его абсолютной температуре. Вследствие незначительности сил межмолекулярного взаимодействия и наличия большого свободного объема для газов характерны: высокая скорость теплового движения и молекулярной диффузии, стремление молекул занять как можно больший объем, а также большая сжимаемость.
Изолированная газофазная система характеризуется четырьмя параметрами: давлением, температурой, объемом, количеством вещества. Связь между данными параметрами описывается уравнением состояния идеального газа:
R = 8,31 кДж/моль – универсальная газовая постоянная.
Агрегатное состояние - это состояние вещества в определенном интервале температур и давлений, характеризуется свойствами: способностью (твердое тело) или неспособностью (жидкость, газ) сохранять объем и форму; наличием или отсутствием дальнего (твердое тело) или ближнего (жидкость) порядка и другими свойствами.
Вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком или газообразном, в настоящее время выделяют дополнительно плазменное (ионное) состояние.
В газообразном состоянии расстояние между атомами и молекулами вещества велико, силы взаимодействия малы и частицы, хаотично перемещаясь в пространстве, обладают большой кинетической энергией , превышающей потенциальную энергию. Материал в газообразном состоянии не имеет ни своей формы, ни объема. Газ заполняет все доступное пространство. Это состояние свойственно для веществ с малой плотностью.
В жидком состоянии сохраняется лишь ближний порядок атомов или молекул , когда в объеме вещества периодически возникают отдельные участки с упорядоченным расположением атомов, однако взаимная ориентация этих участков также отсутствует. Ближний порядок неустойчив и под действием тепловых колебаний атомов может либо исчезать, либо возникать вновь. Молекулы жидкости не имеют определенного положения, и в то же время им недоступна полная свобода перемещения. Материал в жидком состоянии своей формы не имеет, сохраняет лишь объем. Жидкость может занимать только часть объема сосуда, но свободно перетекать по всей поверхности сосуда. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твердым телом и газом.
В твердом веществе порядок расположения атомов становится строго определенным, закономерно упорядоченным, силы взаимодействия частиц взаимно уравновешены, поэтому тела сохраняют свою форму и объем. Закономерно упорядоченное расположение атомов в пространстве характеризует кристаллическое состояние, атомы образуют кристаллическую решетку.
Твердые тела имеют аморфное или кристаллическое строение. Для аморфных тел характерен только ближний порядок в расположении атомов или молекул, хаотичное расположение атомов, молекул или ионов в пространстве. Примерами аморфных тел являются стекло, пек, вар, внешне находящиеся в твердом состоянии, хотя на самом деле они медленно текут, подобно жидкости. Определенной температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет. Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями.
Большинство твердых тел имеет кристаллическое строение, которое отличается упорядоченным расположением атомов или молекул в пространстве. Для кристаллической структуры свойственен дальний порядок, когда элементы структуры периодически повторяются; при ближнем порядке такое правильное повторение отсутствует. Характерной особенностью кристаллического тела является способность сохранять форму. Признаком идеального кристалла, моделью которого служит пространственная решетка, является свойство симметрии. Под симметрией понимается теоретическая способность кристаллической решетки твердого тела совмещаться самой с собой при зеркальном отражении ее точек от некоторой плоскости, называемой плоскостью симметрии. Симметрия внешней формы отражает симметрию внутренней структуры кристалла. Кристаллическую структуру имеют, например, все металлы, для которых характерны два типа симметрии: кубическая и гексагональная.
В аморфных структурах с неупорядоченным распределением атомов свойства вещества в разных направлениях одинаковы, т. е стеклообразные (аморфные) вещества изотропны.
Для всех кристаллов характерна анизотропия . В кристаллах расстояния между атомами упорядочены, но в разных направлениях степень упорядоченности может быть неодинаковой, что приводит к различию свойств вещества кристалла в разных направлениях. Зависимость свойств вещества кристалла от направления в его решетке называют анизотропией свойств. Анизотропия проявляется при измерении как физических, так и механических и других характеристик. Существуют свойства (плотность, теплоемкость), не зависящие от направления в кристалле. Большинство же характеристик зависит от выбора направления.
Измерить свойства возможно у объектов, имеющих определенный материальный объем: размеры - от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Эти объекты со строением, идентичным кристаллической ячейке, называются монокристаллами.
Анизотропия свойств проявляется в монокристаллах и практически отсутствует в поликристаллическом веществе, состоящем из множества мелких хаотично ориентированных кристаллов. Поэтому поликристаллические вещества называют квазиизотропными.
Кристаллизация полимеров, молекулы которых могут располагаться упорядоченно с образованием надмолекулярных структур в виде пачек, клубков (глобул), фибрилл и пр., происходит в определенном интервале температур. Сложное строение молекул и их агрегатов определяет специфику поведения полимеров при нагреве. Они не могут перейти в жидкое состояние с низкой вязкостью, не имеют газообразного состояния. В твердом виде полимеры могут находиться в стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем состояниях. Полимеры с линейными или разветвленными молекулами при изменении температуры могут переходить из одного состояния в другое, что проявляется в процессе деформации полимера. На рис. 9 приведена зависимость деформации от температуры.
Рис. 9 Термомеханическая кривая аморфного полимера : t c , t т, t р - температуры стеклования, текучести и начала химического разложения соответственно; I - III - зоны стеклообразного, высокоэластического и вязкотекучего состояния соответственно; Δl - деформация.
Пространственная структура расположения молекул определяет только стеклообразное состояние полимера. При низких температурах все полимеры деформируются упруго (рис. 9, зона I ). Выше температуры стеклования t c аморфный полимер с линейной структурой переходит в высокоэластическое состояние (зона II ), и его деформация в стеклообразном и высокоэластическом состояниях обратима. Нагрев выше температуры текучести t т переводит полимер в вязкотекучее состояние (зона III ). Деформация полимера в вязкотекучем состоянии необратима. Аморфный полимер с пространственной (сетчатой, сшитой) структурой не имеет вязкотекучего состояния, температурная область высокоэластического состояния расширяется до температуры разложения полимера t р. Такое поведение характерно для материалов типа резин.
Температура вещества в любом агрегатном состоянии характеризует среднюю кинетическую энергию его частиц (атомов и молекул). Эти частицы в телах обладают в основном кинетической энергией колебательных движений относительно центра равновесия, где энергия минимальна. При достижении некоторой критической температуры твердый материал теряет свою прочность (устойчивость) и расплавляется, а жидкость превращается в пар: кипит и испаряется. Этими критическими температурами являются температуры плавления и кипения.
При нагреве кристаллического материала при определенной температуре молекулы двигаются настолько энергично, что жесткие связи в полимере нарушаются и кристаллы разрушаются - переходят в жидкое состояние. Температура, при которой кристаллы и жидкость находятся в равновесии, называется точкой плавления кристалла, или точкой затвердевания жидкости. Для иода эта температура равна 114 о С.
Каждый химический элемент обладает индивидуальной температурой плавления t пл, разделяющей существование твердого тела и жидкости, и температурой кипения t кип, соответствующей переходу жидкости в газ. При этих температурах вещества находятся в термодинамическом равновесии. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других физических величин.
Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы из одной фазы в другую, называют критическими.
При нагревании вещества претерпевают фазовые превращения. Медь при плавлении (1083 о С) превращается в жидкость, в которой атомы имеют только ближний порядок. При давлении 1 атм медь кипит при 2310 о С и превращается в газообразную медь с беспорядочно расположенными атомами меди. В точке плавления давления насыщенного пара кристалла и жидкости равны.
Материал в целом представляет собой систему.
Система - группа веществ, объединенных физическими, химическими или механическими взаимодействиями. Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей физическими границами раздела (в чугуне: графит + зерна железа; в воде со льдом: лед + вода). Составные части системы - это различные фазы, образующие данную систему. Компоненты системы - это вещества, образующие все фазы (составные части) данной системы.
Материалы, состоящие из двух и более фаз, представляют собой дисперсные системы . Дисперсныесистемы разделяют на золи, поведение которых напоминает поведение жидкостей, и гели с характерными свойствами твердых тел. В золях дисперсионной средой, в которой распределено вещество, является жидкость, в гелях преобладает твердая фаза. Гелями являются полукристаллический металл, бетон, раствор желатина в воде при низкой температуре (при высокой температуре желатин переходит в золь). Гидрозолем называют дисперсию в воде, аэрозолем - дисперсию в воздухе.
Диаграммы состояния.
В термодинамической системе каждая фаза характеризуется такими параметрами, как температура Т , концентрация с и давление Р . Для описания фазовых превращений используется единая энергетическая характеристика - свободная энергия Гиббса ΔG (термодинамический потенциал).
Термодинамика при описании превращений ограничивается рассмотрением состояния равновесия. Равновесное состояние термодинамической системы характеризуется неизменностью термодинамических параметров (температуры и концентрации, так как в технологических обработках Р = const) во времени и отсутствием в ней потоков энергии и вещества - при постоянстве внешних условий. Фазовое равновесие - равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из двух или большего числа фаз.
Для математического описания условий равновесия системы существует правило фаз , выведенное Гиббсом. Оно связывает число фаз (Ф) и компонентов (К) в равновесной системе с вариантностью системы, т. е. числом термодинамических степеней свободы (С).
Число термодинамических степеней свободы (вариантность) системы - это число независимых переменных как внутренних (химический состав фаз), так и внешних (температура), которым можно придавать различные произвольные (в некотором интервале) значения так, чтобы не появились новые и не исчезли старые фазы.
Уравнение правила фаз Гиббса:
С = К - Ф + 1.
В соответствии с этим правилом в системе из двух компонентов (К = 2) возможны следующие варианты степеней свободы:
Для однофазного состояния (Ф = 1) С = 2, т. е. можно менять температуру и концентрацию;
Для двухфазного состояния (Ф = 2) С = 1, т. е. можно менять только один внешний параметр (например, температуру);
Для трехфазного состояния число степеней свободы равно нулю, т. е. нельзя менять температуру без нарушения равновесия в системе (система нонвариантна).
Например, для чистого металла (К = 1) во время кристаллизации, когда имеются две фазы (Ф = 2), число степеней свободы равно нулю. Это означает, что температура кристаллизации не может быть изменена, пока не закончится процесс и не останется одна фаза - твердый кристалл. После окончания кристаллизации (Ф = 1) число степеней свободы равно 1, поэтому можно менять температуру, т. е. охлаждать твердое вещество, не нарушая равновесия.
Поведение систем в зависимости от температуры и концентрации описывается диаграммой состояния. Диаграмма состояния воды — система с одним компонентом H 2 O, поэтому наибольшее число фаз, которые одновременно могут находиться в равновесии, равно трем (рис. 10). Эти три фазы — жидкость, лед, пар. Число степеней свободы в этом случае равно нулю, т.е. нельзя изменить ни давление, ни температуру, чтобы не исчезла ни одна из фаз. Обычный лед, жидкая вода и водяной пар могут существовать в равновесии одновременно только при давлении 0,61 кПа и температуре 0,0075°С. Точка сосуществования трех фаз называется тройной точкой (O ).
Кривая ОС разделяет области пара и жидкости и представляет собой зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры. Кривая ОС показывает те взаимосвязанные значения температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом, поэтому она называется кривой равновесия жидкость — пар или кривой кипения.
Рис 10 Диаграмма состояния воды
Кривая ОВ отделяет область жидкости от области льда. Она является кривой равновесия твердое состояние — жидкость и называется кривой плавления. Эта кривая показывает те взаимосвязанные пары значений температуры и давления, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии.
Кривая OA называется кривой сублимации и показывает взаимосвязанные пары значений давления и температуры, при которых в равновесии находятся лед и водяной пар.
Диаграмма состояния — наглядный способ представления областей существования различных фаз в зависимости от внешних условий, например от давления и температуры. Диаграммы состояния активно используются в материаловедении на разных технологических этапах получения изделия.
Жидкость отличается от твердого кристаллического тела малыми значениями вязкости (внутреннего трения молекул) и высокими значениями текучести (величина, обратная вязкости). Жидкость состоит из множества агрегатов молекул, внутри которых частицы расположены в определенном порядке, подобно порядку в кристаллах. Природа структурных единиц и межчастичного взаимодействия определяет свойства жидкости. Различают жидкости: моноатомные (сжиженные благородные газы), молекулярные (вода), ионные (расплавленные соли), металлические (расплавленные металлы), жидкие полупроводники. В большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической (жидкой) фазой.
Жидкие вещества чаще всего представляет собой растворы. Раствор однороден, но не является химически чистым веществом, состоит из растворенного вещества и растворителя (примеры растворителя - вода или органические растворители: дихлорэтан, спирт, четыреххлористый углерод и др.), поэтому представляет собой смесь веществ. Пример - раствор спирта в воде. Однако растворами также являются смеси газообразных (например, воздух) или твердых (сплавы металлов) веществ.
При охлаждении в условиях малой скорости образования центров кристаллизации и сильного увеличения вязкости может возникнуть стеклообразное состояние. Стекла - это изотропные твердые материалы, получаемые переохлаждением расплавленных неорганических и органических соединений.
Известно много веществ, переход которых из кристаллического состояния в изотропное жидкое осуществляется через промежуточное жидкокристаллическое состояние. Оно характерно для веществ, молекулы которых имеют форму длинных стержней (палочек) с асимметричным строением. Такие фазовые переходы, сопровождаемые тепловыми эффектами, вызывают скачкообразное изменение механических, оптических, диэлектрических и других свойств.
Жидкие кристаллы , подобно жидкости, могут принимать форму удлиненной капли или форму сосуда, обладают высокой текучестью, способны к слиянию. Они получили широкое применение в разных областях науки и техники. Их оптические свойства сильно зависят от небольших изменений внешних условий. Эта особенность используется в электрооптических устройствах. В частности, жидкие кристаллы применяют при изготовлении электронных наручных часов, визуальной аппаратуры и др.
К числу основных агрегатных состояний относится плазма - частично или полностью ионизированный газ. По способу образования различают два вида плазмы: термическую, возникающую при нагревании газа до высоких температур, и газообразную, образующуюся при электрических разрядах в газовой среде.
Плазмохимические процессы заняли прочное место в ряде отраслей техники. Они применяются для резки и сварки тугоплавких металлов, синтеза разных веществ, широко используют плазменные источники света, перспективно применение плазмы в термоядерных энергетических установках и пр.