Какви са състоянията на материята. Какво е агрегирано състояние? Съвкупно състояние на материята. Твърди и течни тела
Състоянието на агрегация на дадено вещество обикновено се нарича способността му да поддържа формата и обема си. Допълнителна характеристика са начините за преход на веществото от едно агрегатно състояние в друго. Въз основа на това има три състояния на агрегация: твърдо, течно и газово. Видимите им свойства са както следва:
Твърд - запазва както формата, така и обема си. Той може да премине както в течност чрез топене, така и директно в газ чрез сублимация.
- Течност - запазва обема, но не и формата, тоест има течливост. Разлятата течност има тенденция да се разпространява неограничено по повърхността, върху която се излива. Течността може да премине в твърдо вещество чрез кристализация и в газ чрез изпаряване.
- Газ - не запазва нито форма, нито обем. Газът извън всеки контейнер има тенденция да се разширява безкрайно във всички посоки. Само силата на гравитацията може да му попречи да направи това, поради което земната атмосфера не се разсейва в космоса. Газът преминава в течност чрез кондензация и директно в твърдо тяло може да премине през валежи.
Фазови преходи
Преходът на веществото от едно състояние на агрегация в друго се нарича фазов преход, тъй като научното състояние на агрегиране е фазата на веществото. Например водата може да съществува в твърдо (лед), течно (обикновена вода) и газообразно (водни пари).
Примерът с вода също е добре демонстриран. Излизането в двора да изсъхне в мразовит, безветрен ден веднага замръзва, но след известно време се оказва сухо: ледът се сублимира, директно преминавайки във водни пари.
По правило фазовият преход от твърдо вещество към течност и газ изисква нагряване, но температурата на средата в този случай не се увеличава: топлинната енергия се изразходва за разрушаване на вътрешните връзки в веществото. Това е така наречената латентна топлина. По време на обратни фазови преходи (кондензация, кристализация) тази топлина се отделя.
Ето защо изгарянията с пара са толкова опасни. При контакт с кожата се кондензира. Скритата топлина на изпаряване / кондензация на водата е много висока: водата в това отношение е аномално вещество; затова е възможен животът на Земята. В случай на изгаряне с пара, латентната топлина на конденз на вода "опарва" изгореното място много дълбоко и последиците от изгарянето с пара са много по-тежки, отколкото от пламък на същата област на тялото.
Псевдофази
Течливостта на течната фаза на дадено вещество се определя от неговия вискозитет, а вискозитетът се определя от естеството на вътрешните връзки, на които е посветен следващият раздел. Вискозитетът на течността може да бъде много висок и течността може да тече незабелязано за окото.
Стъклото е класически пример. Това не е твърда, а много вискозна течност. Имайте предвид, че стъклените листове в складовете никога не се съхраняват наклонени до стената. В рамките на няколко дни те ще се огънат под собственото си тегло и ще бъдат неизползваеми.
Други примери за псевдо твърди вещества са стъпка на зареждане и строителни битуми. Ако забравите ъгловото парче битум на покрива, през лятото то ще се разпространи в торта и ще се залепи за основата. Псевдо твърдите вещества могат да бъдат разграничени от истинските по природата на топене: истинските или запазват формата си, докато не се разпространят наведнъж (запояване по време на запояване), или плуват, пускайки локви и рекички (лед). И много вискозни течности постепенно омекват, като същата смола или битум.
Пластмасите са изключително вискозни течности, които не се забелязват от много години и десетилетия. Тяхната висока способност да запазват формата си се осигурява от огромното молекулно тегло на полимерите, в много хиляди и милиони водородни атоми.
Фазова структура на материята
В газовата фаза молекулите или атомите на веществото са много отдалечени една от друга, многократно по-големи от разстоянието между тях. Те взаимодействат помежду си от време на време и нередовно, само при сблъсъци. Самото взаимодействие е еластично: те се сблъскаха като твърди топки и след това отлетяха.
В течност молекулите / атомите непрекъснато се "усещат" взаимно поради много слаби химически връзки. Тези връзки се разкъсват през цялото време и веднага се възстановяват отново, молекулите на течността непрекъснато се движат една спрямо друга, така че течността тече. Но за да го превърнете в газ, трябва да скъсате всички връзки наведнъж и това изисква много енергия, тъй като течността запазва обема си.
В това отношение водата се различава от другите вещества по това, че нейните молекули в течност са свързани с така наречените водородни връзки, които са доста силни. Следователно водата може да бъде течност при нормална за живота температура. Много вещества с молекулно тегло са десетки и стотици пъти по-големи от тези на водата, при нормални условия те са газове, точно като обикновения битов газ.
В едно твърдо вещество всички негови молекули са здраво на мястото си поради силни химически връзки между тях, образуващи кристална решетка. Кристалите с правилна форма изискват специални условия за растежа си и поради това рядко се срещат в природата. Повечето твърди вещества са конгломерати от малки и дребни кристали - кристалити, здраво свързани чрез сили от механично и електрическо естество.
Ако читателят някога е виждал например напукана полуоска на автомобил или чугунена решетка, тогава там се виждат зърна кристалити върху счупването с просто око... А върху фрагментите от счупен порцелан или глинени съдове те могат да се наблюдават под лупа.
Плазма
Физиците различават и четвъртото състояние на агрегация на материята - плазмата. В плазмата електроните се откъсват от атомните ядра и това е смес от електрически заредени частици. Плазмата може да бъде много плътна. Например, един кубичен сантиметър плазма от недрата на звездите - бели джуджета, тежи десетки и стотици тонове.
Плазмата е изолирана в отделно агрегатно състояние, тъй като тя активно взаимодейства с електромагнитните полета поради факта, че нейните частици се зареждат. В свободното пространство плазмата има тенденция да се разширява, охлажда се и се превръща в газ. Но под въздействието на електромагнитни полета той може да запази формата и обема си извън съда, като твърдо вещество. Това свойство на плазмата се използва в термоядрени енергийни реактори - прототипи на електроцентрали от бъдещето.
Веществата могат да бъдат в различни агрегатни състояния: твърди, течни, газообразни. Молекулните сили в различните агрегатни състояния са различни: в твърдо състояние те са най-големи, в газообразно състояние са най-малки. Обяснява се разликата в молекулните сили свойства, които се появяват в различни агрегатни състояния:
При твърдите вещества разстоянието между молекулите е малко и преобладават силите на взаимодействие. Следователно твърдите вещества имат свойството да запазват формата и обема си. Молекулите на твърдите вещества са в постоянно движение, но всяка молекула се движи около равновесно положение.
При течностите разстоянието между молекулите е по-голямо, което означава, че силите на взаимодействие също са по-малки. Следователно течността запазва обема си, но лесно променя формата си.
В газовете силите на взаимодействие са доста малки, тъй като разстоянието между молекулите на газа е няколко десетки пъти по-голямо от размера на молекулите. Следователно газът заема целия предоставен му обем.
Преходи от едно агрегирано състояние на материята в друго
Определение
Топяща се материя $ - $ преход на материята от твърдо в течно състояние.
Този фазов преход винаги е придружен от абсорбция на енергия, т.е. трябва да се подава топлина към веществото. При това вътрешна енергия материята се увеличава. Топенето става само при определена температура, наречена точка на топене. Всяко вещество има своя точка на топене. Например, ледът има $ t_ (pl) \u003d 0 ^ 0 \\ textrm (C) $.
Докато настъпва топене, температурата на веществото не се променя.
Какво трябва да се направи, за да се стопи вещество с маса $ m $? Първо, трябва да го загреете до точката на топене $ t_ (pl) $, като отчетете количеството топлина $ c (\\ cdot) m (\\ cdot) (\\ Delta) T $, където $ c $ $ е специфичната топлина на веществото. След това е необходимо да се добави количеството топлина $ (\\ lambda) (\\ cdot) m $, където $ \\ lambda $ $ е специфичната топлина на сливане на веществото. Самото топене ще се случи при постоянна температура, равна на температурата на топене.
Определение
Кристализация (втвърдяване) на вещество $ - $ преход на вещество от течно в твърдо състояние.
Това е обратният процес на топене. Кристализацията винаги е придружена от освобождаване на енергия, тоест е необходимо да се отстрани топлината от веществото. В този случай вътрешната енергия на веществото намалява. Това се случва само при определена температура, която съвпада с точката на топене.
Докато настъпва кристализация, температурата на веществото не се променя.
Какво трябва да се направи, за да кристализира веществото с маса $ m $? Първо трябва да го охладите до точката на топене $ t_ (pl) $, като премахнете количеството топлина $ c (\\ cdot) m (\\ cdot) (\\ Delta) T $, където $ c $ $ е специфичната топлина на веществото. След това е необходимо да се премахне количеството топлина $ (\\ lambda) (\\ cdot) m $, където $ \\ lambda $ $ е специфичната топлина на сливане на веществото. Кристализацията ще се осъществи при постоянна температура, равна на точката на топене.
Определение
Изпаряване на веществото $ - $ преход на вещество от течно в газообразно състояние.
Този фазов преход винаги е придружен от абсорбцията на енергия, т.е. топлината трябва да се подава към веществото. В този случай вътрешната енергия на веществото се увеличава.
Има два вида изпаряване: изпаряване и кипене.
Определение
Изпаряване $ - $ изпаряване от повърхността на течността при всякаква температура.
Скоростта на изпаряване зависи от:
температура;
площ;
вид течност;
вятър.
Определение
Кипене $ - $ изпаряване в целия обем на течността, което се случва само при определена температура, наречена точка на кипене.
Всяко вещество има своя точка на кипене. Например водата има $ t_ (бала) \u003d 100 ^ 0 \\ textrm (C) $. Докато настъпва кипене, температурата на веществото не се променя.
Какво трябва да се направи, за да накара веществото с маса $ m $ да заври? Първо, трябва да го загреете до точката на кипене $ t_ (кипене) $, като отчетете количеството топлина $ c (\\ cdot) m (\\ cdot) (\\ Delta) T $, където $ c $ $ е специфичната топлина на веществото. След това е необходимо да се добави количеството топлина $ (L) (\\ cdot) m $, където $ L $ $ е специфичната топлина на изпаряване на веществото. Самото кипене ще се случи при постоянна температура, равна на точката на кипене.
Определение
Кондензация на материята $ - $ преход на вещество от газообразно състояние в течност.
Това е обратният процес на изпаряване. Кондензацията винаги е придружена от отделянето на енергия, тоест е необходимо да се отстрани топлината от веществото. В този случай вътрешната енергия на веществото намалява. Това се случва само при определена температура, която съвпада с точката на кипене.
Докато се получава кондензация, температурата на веществото не се променя.
Какво трябва да се направи, за да се кондензира материя с маса $ m $? Първо трябва да го охладите до точката на кипене $ t_ (кипене) $, като премахнете количеството топлина $ c (\\ cdot) m (\\ cdot) (\\ Delta) T $, където $ c $ $ е специфичната топлина на веществото. След това е необходимо да се отстрани количеството топлина $ (L) (\\ cdot) m $, където $ L $ $ е специфичната топлина на изпаряване на веществото. Кондензацията ще се получи при постоянна температура, равна на точката на кипене.
Цели на урока:
- да задълбочи и обобщи знанията за агрегатните състояния на материята, да изучи в какви състояния могат да бъдат веществата.
Цели на урока:
Образователна - да формулира представа за свойствата на твърдите вещества, газовете, течностите.
Развиване - развиване на уменията на учениците в речта, анализ, заключения върху преминатия и изучен материал.
Образователен - насаждане на умствен труд, създаване на всички условия за повишаване на интереса към изучавания предмет.
Основни термини:
Състояние на агрегиране- това е състояние на веществото, което се характеризира с определени качествени свойства: - способността или невъзможността да се поддържа форма и обем; - наличие или отсъствие на поръчка от близко и далечно разстояние; - други.
Фиг. 6. Съвкупно състояние на веществото, когато температурата се промени.
Когато веществото преминава от твърдо състояние в течност, тогава това се нарича топене, обратният процес е кристализация. Когато веществото преминава от течност в газ, този процес се нарича изпаряване, в течност от газ - кондензация. И преходът директно в газ от твърдо вещество, заобикаляйки течността - чрез сублимация, обратния процес - чрез десублимация.
1. Кристализация; 2. Топене; 3. Конденз; 4. Генериране на пара;
5. Сублимация; 6. Десублимация.
Постоянно наблюдаваме тези примери за преходи в ежедневието... Когато ледът се топи, той се превръща във вода, а водата от своя страна се изпарява и се образува пара. Ако погледнем в обратната посока, парата, кондензирайки, започва отново да преминава във вода, а водата, от своя страна, замръзва, става лед. Миризмата на всяко твърдо тяло е сублимация. Някои от молекулите излизат от тялото, докато се образува газ, който придава миризма. Пример за обратния процес са шарките върху стъклото през зимата, когато парата във въздуха се утаява върху стъклото, когато замръзне.
Видеото показва промяната в агрегатното състояние на материята.
Контролен блок.
1. След замръзване водата се превърна в лед. Променили ли са се водните молекули?
2. В стаята използват медицински етер. И поради това там обикновено миришат силно. Какво е състоянието на етера?
3. Какво се случва с формата на течността?
4. Лед. Какво е състоянието на водата?
5. Какво се случва, когато водата замръзне?
Домашна работа.
Отговори на въпросите:
1. Можете ли да напълните половината от обема на съда с газ? Защо?
2. Могат ли азотът и кислородът да са течни при стайна температура?
3. Могат ли да бъдат в газообразно състояние при стайна температура: желязо и живак?
4. В мразовит зимен ден над реката се образува мъгла. Какво е това състояние на материята?
Ние вярваме, че веществото има три агрегатни състояния. Всъщност те са поне петнадесет, докато списъкът с тези условия продължава да расте всеки ден. Това са: аморфно твърдо вещество, твърдо вещество, неутроний, кварк-глюонна плазма, силно симетрична материя, слабосиметрична материя, фермионен кондензат, кондензат на Бозе-Айнщайн и странна материя.
В този раздел ще разгледаме агрегирани състояния, в който се намира околната материя и силите на взаимодействие между частиците на материята, присъщи на всяко от агрегатните състояния.
1. В твърдо състояние,
2. Течно състояние и
3. Газообразно състояние.
Често се обособява четвъртото агрегирано състояние - плазма.
Понякога плазменото състояние се счита за вид газообразно състояние.
Плазма - частично или напълно йонизиран газ, най-често съществуващи при високи температури.
Плазма е най-често срещаното състояние на материята във Вселената, тъй като материята на звездите е в това състояние.
За всеки агрегирано състояние характерни черти в характера на взаимодействието между частиците на дадено вещество, което засяга неговите физични и химични свойства.
Всяко вещество може да бъде в различни агрегатни състояния. При достатъчно ниски температури всички вещества са вътре в твърдо състояние... Но докато се нагряват, те стават течноститогава газове... При по-нататъшно нагряване те се йонизират (атомите губят част от електроните си) и преминават в състояние плазма.
Газ
Газообразно състояние (от Dutch.gas, връща се към древногръцки. Χάος ), характеризиращ се с много слаби връзки между съставните частици.
Молекулите или атомите, образуващи газа, се движат хаотично и в този случай през по-голямата част от времето са на голямо (в сравнение с техния размер) разстояния една от друга. Следователно силите на взаимодействие между газовите частици са незначителни.
Основната характеристика на газа е, че запълва цялото налично пространство, без да образува повърхност. Газовете винаги се смесват. Газът е изотропно вещество, тоест свойствата му са независими от посоката.
При липса на гравитационни сили натиск във всички точки на газа едни и същи. В областта на гравитационните сили плътността и налягането не са еднакви във всяка точка, намалявайки с височината. Съответно в полето на гравитацията газовата смес става нехомогенна. Тежки газове са склонни да потъват по-ниско и повече бели дробове - да се качваш.
Газът има висока свиваемост - с увеличаване на налягането плътността му се увеличава. Когато температурата се повиши, те се разширяват.
Компресираният газ може да се превърне в течност, но кондензацията не се получава при която и да е температура, а при температура под критичната температура. Критичната температура е характеристика на даден газ и зависи от силите на взаимодействие между неговите молекули. Например газ хелий може да се втечнява само при температура по-ниска от 4.2K.
Има газове, които при охлаждане преминават в твърдо вещество, заобикаляйки течната фаза. Трансформацията на течността в газ се нарича изпаряване, а директната трансформация на твърдо вещество в газ е сублимация.
Твърдо
В твърдо състояние в сравнение с други агрегатни състояния характеризираща се със стабилност на формата.
Разграничете кристален и аморфни твърди вещества.
Кристално състояние на материята
Стабилността на формата на твърдите вещества се дължи на факта, че повечето в твърдо състояние имат кристална структура.
В този случай разстоянията между частиците на веществото са малки, а силите на взаимодействие между тях са големи, което определя стабилността на формата.
Лесно е да се убедите в кристалната структура на много твърди вещества чрез разделяне на парче материя и изследване на получената фрактура. Обикновено при счупване (например в захар, сяра, метали и т.н.) малки кристални повърхности, разположени под различни ъгли, са ясно видими, блестящи поради различното отражение на светлината от тях.
В случаите, когато кристалите са много малки, кристалната структура на веществото може да бъде установена с помощта на микроскоп.
Кристални форми
Всяко вещество се образува кристали съвсем определена форма.
Разнообразието от кристални форми може да бъде обобщено в седем групи:
1. Триклинна (паралелепипед),
2. Моноклина (призма с успоредник в основата),
3. Ромбичен (правоъгълен паралелепипед),
4. Тетрагонален (правоъгълен паралелепипед с квадрат в основата),
5. Тригонален,
6. Шестоъгълна (призма с основата на правилната центрирана
шестоъгълник),
7. Кубичен (куб).
В нея кристализират много вещества, по-специално желязо, мед, диамант, натриев хлорид кубична система... Най-простите форми на тази система са куб, октаедър, тетраедър.
В него кристализират магнезий, цинк, лед, кварц шестоъгълна система... Основните форми на тази система са - шестнадесетични призми и бипирамида.
Естествените кристали, както и кристалите, получени чрез изкуствени средства, рядко точно отговарят на теоретичните форми. Обикновено, когато разтопеното вещество се втвърди, кристалите растат заедно и поради това формата на всеки от тях се оказва не напълно правилна.
Въпреки това, колкото и неравномерно да се развива кристалът, колкото и да е изкривена неговата форма, ъглите, под които кристалът е обърнат, се сближават за едно и също вещество.
Анизотропия
Характеристиките на кристалните тела не се ограничават само до формата на кристалите. Въпреки че веществото в кристала е напълно хомогенно, много от него физични свойства - якост, топлопроводимост, отношение към светлината и т.н. - не винаги са еднакви в различни посоки вътре в кристала. Тази важна характеристика на кристалните вещества се нарича анизотропия.
Вътрешна структура на кристалите. Кристални решетки.
Външната форма на кристала го отразява вътрешна структура и се дължи на правилното разположение на частиците, които изграждат кристала - молекули, атоми или йони.
Това споразумение може да бъде представено като кристална решетка - решетъчна рамка, образувана от пресичащи се прави линии. В точките на пресичане на линии - решетъчни възли - центровете на частиците лежат.
В зависимост от естеството на частиците, разположени във възлите на кристалната решетка, и от това какви сили на взаимодействие между тях преобладават в даден кристал, се различават следните типове кристални решетки:
1. молекулярна,
2. атомен,
3. йонен и
4.метал.
Молекулярните и атомните решетки са присъщи на вещества с ковалентна връзка, йонно - йонни съединения, метални - метали и техните сплави.
Атомите са във възлите на атомните решетки... Те са свързани помежду си ковалентна връзка.
Съществуват относително малко вещества с атомни решетки. Те включват диамант, силиций и някои неорганични съединения.
Тези вещества се характеризират с висока твърдост, те са огнеупорни и неразтворими в почти всякакви разтворители. Тези свойства се дължат на тяхната здравина ковалентна връзка.
Молекулите са разположени на местата на молекулярните решетки... Те са свързани помежду си междумолекулни сили.
Има много вещества с молекулярна решетка. Те включват неметалис изключение на въглерод и силиций, всички органични съединения с нейонова комуникация и много неорганични съединения.
Силите на междумолекулното взаимодействие са много по-слаби от силите на ковалентните връзки; следователно молекулните кристали имат ниска твърдост, стопяеми и летливи.
На местата на йонните решетки са подредени, редуващи се положително и отрицателно заредени йони... Те са свързани помежду си със сили електростатично привличане.
Включват се съединения с йонни връзки, които образуват йонни решетки повечето соли и малко оксиди.
По сила йонни решетки по-нисък от атомния, но надвишаващ молекулярния.
Йонните съединения имат относително високи точки на топене. В повечето случаи тяхната променливост не е голяма.
На местата на металните решетки се намират метални атоми, между които електроните, общи за тези атоми, се движат свободно.
Наличието на свободни електрони в кристалните решетки на металите може да обясни многобройните им свойства: пластичност, ковкост, метален блясък, висока електрическа и топлопроводимост
Има вещества в кристалите, за които два вида взаимодействия между частиците играят съществена роля. Така че в графита въглеродните атоми са свързани помежду си в едни и същи посоки ковалентна връзка, а в други - метал... Следователно графитната решетка може да се разглежда като атомен, И как метал.
В много неорганични съединения, например, в BeO, ZnS, CuCl, връзката между частиците, разположени в решетъчните възли, е частично йонени отчасти ковалентен... Следователно решетките на такива съединения могат да се разглеждат като междинни между йонен и атомен.
Аморфно състояние на материята
Свойства на аморфните вещества
Сред твърдите вещества има такива, при счупването на които не могат да бъдат открити признаци на кристали. Например, ако напукате парче обикновено стъкло, тогава фрактурата му ще бъде гладка и, за разлика от фрактурите на кристали, тя е ограничена не до плоски, а до овални повърхности.
Подобен модел се наблюдава при разделяне на парчета смола, лепило и някои други вещества. Това състояние на материята се нарича аморфни.
Разлики между кристален и аморфни тела е особено изразено в отношението им към отоплението.
Докато кристалите на всяко вещество се топят при строго определена температура и при същата температура има преход от течно в твърдо състояние, аморфните тела нямат постоянна точка на топене... При нагряване аморфното тяло постепенно омеква, започва да се разпространява и накрая става напълно течно. Когато се охлади, също постепенно се втвърдява.
Поради липсата на определена точка на топене, аморфните тела имат различна способност: много от тях текат като течности, т.е. с продължително действие на относително малки сили те постепенно променят формата си. Например парче смола, положено върху равна повърхност, се разпространява в продължение на няколко седмици в топла стая, като приема формата на диск.
Структурата на аморфните вещества
Разлики между кристални и аморфни състоянието на материята е както следва.
Подредено подреждане на частиците в кристал, отразен от елементарната клетка, се задържа върху големи площи кристали, а в случай на добре оформени кристали - в тяхната цялост.
В аморфните тела се спазва само редът в подреждането на частиците на много малки площи... Освен това в редица аморфни тела дори това локално подреждане е само приблизително.
Това разграничение може да бъде обобщено, както следва:
- кристалната структура се характеризира с далечен ред,
- структура на аморфни тела - към съседите.
Примери за аморфни вещества.
Стабилните аморфни вещества включват стъкло (изкуствени и вулканични), естествени и изкуствени смоли, лепила, парафин, восък и т.н.
Преход от аморфно състояние в кристално.
Някои вещества могат да бъдат както кристални, така и аморфни. Силициев диоксид SiO 2 се среща естествено като добре образован кварцови кристали, както и в аморфно състояние ( минерален кремък).
При това кристалното състояние винаги е по-стабилно... Следователно спонтанен преход от кристално вещество към аморфно е невъзможно, а обратната трансформация - спонтанен преход от аморфно състояние в кристално - е възможна и понякога се наблюдава.
Пример за такава трансформация е девитрификация - спонтанна кристализация на стъклото при повишени температури, придружена от неговото разрушаване.
Аморфно състояние много вещества се получават при висока степен на втвърдяване (охлаждане) на течната стопилка.
За метали и сплави аморфно състояние се образува, като правило, ако стопилката се охлади за време от порядъка на фракции от десетки милисекунди. За стъклото е достатъчна много по-ниска скорост на охлаждане.
Кварц (SiO 2) също има ниска скорост на кристализация. Следователно продуктите, отливани от него, са аморфни. Въпреки това, естественият кварц, който е имал стотици и хиляди години да кристализира по време на охлаждането на земната кора или дълбоките слоеве вулкани, има грубо-кристална структура, за разлика от вулканичното стъкло, замръзнал на повърхността и следователно аморфен.
Течности
Течността е междинно състояние между твърдо вещество и газ.
Течно състояние е междинно между газообразно и кристално. Според някои свойства течностите са близки до газове, на други - до твърди вещества.
Течните газове се събират, преди всичко, от изотропия и течливост... Последното определя способността на течността лесно да променя формата си.
въпреки това висока плътност и ниска свиваемост течности ги приближава до твърди вещества.
Способността на течностите лесно да променят формата си показва липсата на твърди сили на междумолекулно взаимодействие в тях.
В същото време ниската свиваемост на течностите, която определя способността да се поддържа постоянен обем при дадена температура, показва наличието на, макар и не твърди, но все пак значителни сили на взаимодействие между частиците.
Съотношението на потенциалната и кинетичната енергия.
Всяко агрегационно състояние се характеризира със собствено съотношение между потенциалната и кинетичната енергия на частиците материя.
В твърдите вещества средната потенциална енергия на частиците е по-голяма от средната им кинетична енергия. Следователно в твърдите частици частиците заемат определени позиции една спрямо друга и само вибрират спрямо тези позиции.
За газовете енергийното съотношение е обратно, в резултат на което молекулите на газа винаги са в състояние на хаотично движение и адхезионните сили между молекулите практически липсват, така че газът винаги заема целия обем, предоставен му.
В случай на течности, кинетичната и потенциалната енергия на частиците са приблизително еднакви, т.е. частиците са свързани помежду си, но не твърдо. Следователно течностите са течни, но имат постоянен обем при дадена температура.
Структурите на течностите и аморфните тела са сходни.
В резултат на прилагането на методите за структурен анализ към течности беше установено, че структурата течностите са като аморфни тела... Повечето течности имат близък ред - броят на най-близките съседи за всяка молекула и тяхното относително положение са приблизително еднакви в целия обем на течността.
Степента на подреждане на частиците е различна за различните течности. Освен това се променя с температурата.
При ниски температури, леко надвишаващи точката на топене на дадено вещество, степента на подреждане при подреждането на частици от дадена течност е висока.
С повишаване на температурата тя пада и докато се нагрява, свойствата на течността все повече се доближават до свойствата на газа... Когато се достигне критичната температура, разликата между течност и газ изчезва.
Поради сходството във вътрешната структура на течностите и аморфните тела, последните често се считат за течности с много висок вискозитет и само вещества в кристално състояние се наричат \u200b\u200bтвърди вещества.
Чрез уподобяване аморфни тела За течностите обаче трябва да се помни, че в аморфните тела, за разлика от обикновените течности, частиците имат незначителна подвижност - същата като в кристалите.
Съвкупни състояния. Течности. Фази в термодинамиката. Фазови преходи.
Лекция 1.16
Всички вещества могат да съществуват в три агрегатни състояния - твърдо, течнои газообразен... Преходите между тях са придружени от рязка промяна в редица физически свойства (плътност, топлопроводимост и др.).
Състоянието на агрегация зависи от физическите условия, в които се намира веществото. Съществуването на няколко агрегатни състояния в дадено вещество се дължи на разликите в топлинното движение на неговите молекули (атоми) и във взаимодействието им при различни условия.
Газ - агрегирано състояние на веществото, при което частиците не са свързани или много слабо свързани от силите на взаимодействие; кинетичната енергия на топлинното движение на неговите частици (молекули, атоми) значително надвишава потенциалната енергия на взаимодействия между тях, поради което частиците се движат почти свободно, запълвайки напълно съда, в който се намират, и приемат формата му. В газообразно състояние веществото няма нито собствен обем, нито собствена форма. Всяко вещество може да се превърне в газообразно чрез промяна на налягането и температурата.
Течност - състоянието на агрегация на материята, междинно между твърдо и газообразно. Характеризира се с висока подвижност на частиците и малко свободно пространство между тях. Това води до факта, че течностите запазват обема си и приемат формата на съд. В течност молекулите са много близо една до друга. Следователно плътността на течността е много по-висока от плътността на газовете (при нормално налягане). Свойствата на течността са еднакви във всички посоки (изотропни), с изключение на течните кристали. При нагряване или намаляване на плътността свойствата на течността, топлопроводимостта и вискозитетът се променят, като правило, в посока на приближаване на свойствата на газовете.
Термичното движение на течните молекули се състои от комбинация от колективни вибрационни движения и случайни скокове на молекули от едно равновесно положение в друго.
Твърди (кристални) тела - състоянието на агрегация на материята, характеризиращо се със стабилността на формата и характера на топлинното движение на атомите. Това движение е вибрациите на атомите (или йоните), които изграждат твърдото вещество. Амплитудата на вибрациите обикновено е малка в сравнение с междуатомните разстояния.
Свойства на течностите.
Молекулите на веществото в течно състояние са разположени почти близо една до друга. За разлика от твърдите кристални тела, в които молекулите образуват подредени структури по целия обем на кристала и могат да извършват топлинни вибрации около неподвижни центрове, течните молекули имат по-голяма свобода. Всяка молекула на течността, както в твърдо вещество, е „затегната“ от всички страни от съседни молекули и извършва топлинни вибрации около определено равновесно положение. Въпреки това, от време на време, всяка молекула може да се премести на съседно свободно място. Такива скокове в течности се случват доста често; следователно молекулите не са свързани със специфични центрове, както в кристалите, и могат да се движат по целия обем на течността. Това обяснява течливостта на течностите. Поради силното взаимодействие между близко разположени молекули, те могат да образуват локални (нестабилни) подредени групи, съдържащи няколко молекули. Това явление се нарича кратка поръчка.
Поради тясното опаковане на молекулите, сгъстимостта на течностите, т.е. промяната в обема с промяна на налягането, е много малка; това е десетки и стотици хиляди пъти по-малко, отколкото в газовете. Например, за да промените обема на водата с 1%, трябва да увеличите налягането приблизително 200 пъти. Такова увеличение на налягането в сравнение с атмосферното налягане се постига на дълбочина от около 2 км.
Течностите, като твърдите вещества, променят обема си, когато температурата се промени. За не много големи температурни диапазони относителната промяна на обема Δ V / V 0 пропорционално на температурната промяна Δ т:
| |
Извиква се коефициентът β температурен коефициент на обемно разширение... Този коефициент за течности е десетки пъти по-голям от този на твърдите вещества. Например за вода при температура от 20 ° C β в ≈ 2 · 10 –4 K –1, за стомана - β st ≈ 3.6 · 10 –5 K –1, за кварцово стъкло - β q ≈ 9 · 10 - 6 K –1.
Термично разширение водата има интересна и важна аномалия за живота на Земята. При температури под 4 ° C водата се разширява с намаляване на температурата (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Когато водата замръзне, тя се разширява, така че ледът остава да се носи по повърхността на замразяващия резервоар. Температурата на ледената вода под леда е 0 ° С. В по-плътни слоеве вода на дъното на резервоара температурата е около 4 ° C. Благодарение на това животът може да съществува във водата на замръзващите резервоари.
Най-интересната характеристика на течностите е присъствието свободна повърхност... Течността, за разлика от газовете, не запълва целия обем на съда, в който се излива. Между течността и газа (или парата) се образува интерфейс, който е в специални условия в сравнение с останалата част от течната маса. Молекулите в граничния слой на течността, за разлика от молекулите в нейната дълбочина, не са заобиколени от други молекули на същата течност от всички страни. Силите на междумолекулно взаимодействие, действащи върху една от молекулите вътре в течността от страната на съседните молекули, се компенсират средно взаимно. Всяка молекула в граничния слой е привлечена от молекули вътре в течността (силите, действащи върху дадена течна молекула от страна на молекулите на газа (или парата), могат да бъдат пренебрегнати). В резултат на това се появява определена резултираща сила, насочена дълбоко в течността. Повърхностните молекули се изтеглят в течността от силите на междумолекулното привличане. Но всички молекули, включително тези на граничния слой, трябва да са в равновесие. Това равновесие се постига поради леко намаляване на разстоянието между молекулите на повърхностния слой и техните най-близки съседи вътре в течността. С намаляването на разстоянието между молекулите възникват отблъскващи сили. Ако средното разстояние между молекулите вътре в течността е r 0, тогава молекулите на повърхностния слой са опаковани малко по-плътно и следователно те имат допълнителен запас от потенциална енергия в сравнение с вътрешните молекули. Трябва да се има предвид, че поради изключително ниската свиваемост, наличието на по-плътно натъпкан повърхностен слой не води до забележима промяна в обема на течността. Ако молекула се премести от повърхността във вътрешността на течността, силите на междумолекулното взаимодействие ще свършат положителна работа. Напротив, за да изтеглите определен брой молекули от дълбочината на течността към повърхността (т.е. да увеличите повърхността на течността), външни сили трябва да вършат положителна работа A ext, пропорционално на промяната Δ С площ:
| A ext \u003d σΔ С. |
Коефициентът σ се нарича коефициент на повърхностно напрежение (σ\u003e 0). По този начин коефициентът на повърхностно напрежение е равен на работата, необходима за увеличаване на повърхността на течността при постоянна температура с една единица.
В SI повърхностното напрежение се измерва в джаули на метърквадрат (J / m 2) или в нютони на метър (1 N / m \u003d 1 J / m 2).
Следователно молекулите на повърхностния слой на течността имат излишък в сравнение с молекулите вътре в течността потенциална енергия... Потенциална енергия Е p от повърхността на течността е пропорционална на нейната площ: (1.16.1)
От механиката е известно, че равновесните състояния на дадена система съответстват на минималната стойност на нейната потенциална енергия. Оттук следва, че свободната повърхност на течността има тенденция да намалява нейната площ. По тази причина свободна капка течност придобива сферична форма. Течността се държи така, сякаш сили действат тангенциално на повърхността й, които свиват (изтеглят) тази повърхност. Тези сили се наричат сили на повърхностното напрежение.
Наличието на сили на повърхностно напрежение прави повърхността на течността подобна на еластично опънат филм, с единствената разлика, че еластичните сили във филма зависят от повърхността му (т.е. от това как се деформира филмът) и силите на повърхностното опън не зависят от повърхността на течностите.
Силите на повърхностно напрежение са склонни да свиват повърхността на филма. Следователно можем да напишем: (1.16.2)
По този начин коефициентът на повърхностно напрежение σ може да се определи като модул на силата на повърхностно напрежение, действащ върху единичната дължина на линията, ограничаваща повърхността ( ле дължината на този ред).
Поради действието на силите на повърхностно напрежение в капчици течност и вътре сапунени мехурчета излишно налягане Δ стр... Ако мислено отрежете сферична капка радиус R на две половини, тогава всяка от тях трябва да бъде в равновесие под действието на сили на повърхностно напрежение, приложени към границата на разреза 2π R и силите на свръхналягане, действащи върху площта π R 2 раздела (Фигура 1.16.1). Условието за равновесие се записва като
Близо до границата между течност, твърдо вещество и газ, формата на свободната повърхност на течността зависи от силите на взаимодействие на течните молекули с твърдите молекули (взаимодействието с молекулите на газа (или парата) може да бъде пренебрегнато). Ако тези сили са по-големи от силите на взаимодействие между молекулите на самата течност, тогава течността мокри повърхност на твърдо вещество. В този случай течността се доближава до повърхността на твърдото вещество под определен остър ъгъл θ, който е характерен за дадената двойка течност - твърдо вещество. Извиква се ъгълът θ ъгъл на ръба... Ако силите на взаимодействие между течните молекули надвишат силите на тяхното взаимодействие с молекули на твърдо вещество, тогава контактният ъгъл θ се оказва тъп (фиг. 1.16.2 (2)). В този случай те казват, че течността не мокри повърхност на твърдо вещество. В противен случай (остър ъгъл) течност мокриповърхност (Фигура 1.16.2 (1)). Кога пълно омокрянеθ \u003d 0, за пълно ненамокрянеθ \u003d 180 °.
Капилярни явления наречено покачване или спадане на течност в тръби с малък диаметър - капиляри... Омокрящите течности се издигат през капилярите, немокрящите течности слизат надолу.
Фигура 1.16.3 показва капилярна тръба с определен радиус rспуснат от долния си край в омокряща течност с плътност ρ. Горният край на капиляра е отворен. Повишаването на течността в капиляра продължава, докато силата на гравитация, действаща върху колоната с течност в капиляра, стане равна по големина на получената F n сили на повърхностно напрежение, действащи по границата между течността и капилярната повърхност: F t \u003d F n, където F t \u003d mg = ρ зπ r 2 ж, F n \u003d σ2π r cos θ.
Това предполага:
При пълно омокряне θ \u003d 0, cos θ \u003d 1. В този случай
С пълно ненамокряне θ \u003d 180 °, cos θ \u003d –1 и следователно з < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Водата почти напълно напоява чистата стъклена повърхност. И обратно, живакът не навлажнява напълно стъклената повърхност. Следователно нивото на живак в стъклената капиляра пада под нивото в съда.