Наиболее распространено знание о трех агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном, иногда вспоминают о плазменном, реже жидкокристаллическом. Последнее время в интернете распространился перечень 17 фаз вещества, взятый из известной () Стивена Фрая. Поэтому мы расскажем о них подробнее, т.к. о материи следует знать немного больше хотя бы для того, чтобы лучше понимать процессы, происходящие во Вселенной.
Приведённый ниже список агрегатных состояний вещества возрастает от самых холодных состояний к самым горячим и т.о. может быть продолжен. Одновременно следует понимать, что от газообразного состояния (№11), самого «разжатого», в обе стороны списка степень сжатия вещества и его давление (с некоторыми оговорками для таких неизученных гипотетических состояний, как квантовое, лучевое или слабо симметричное) возрастают.После текста приведен наглядный график фазовых переходов материи.
1. Квантовое — агрегатное состояние вещества, достигаемое при понижении температуры до абсолютного нуля, в результате чего исчезают внутренние связи и материя рассыпается на свободные кварки.
2. Конденсат Бозе-Эйнштейна
— агрегатное состояние материи, основу которой составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли градуса выше абсолютного нуля). В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Конденсат Бозе-Эйнштейна (который зачастую называют «бозе-конденсат», или попросту «бэк») возникает, когда вы охлаждаете тот или иной химический элемент до чрезвычайно низких температур (как правило, до температуры чуть выше абсолютного нуля, минус 273 градуса по Цельсию, — теоретическая температура, при которой все перестает двигаться).
Вот тут с веществом начинают происходить совершенно странные вещи. Процессы, обычно наблюдаемые лишь на уровне атомов, теперь протекают в масштабах, достаточно крупных для наблюдения невооруженным глазом. Например, если поместить «бэк» в лабораторный стакан и обеспечить нужный температурный режим, вещество начнет ползти вверх по стенке и в конце концов само по себе выберется наружу.
Судя по всему, здесь мы имеем дело с тщетной попыткой вещества понизить собственную энергию (которая и без того находится на самом низком из всех возможных уровней).
Замедление атомов с использованием охлаждающей аппаратуры позволяет получить сингулярное квантовое состояние, известное как конденсат Бозе, или Бозе — Эйнштейна. Это явление было предсказано в 1925 году А. Эйнштейном, как результат обобщения работы Ш. Бозе, где строилась статистическая механика для частиц, начиная от безмассовых фотоно до обладающих массой атомов (рукопись Эйнштейна, считавшаяся утерянной, была обнаружена в библиотеке Лейденского университета в 2005 году). Результатом усилий Бозе и Эйнштейна стала концепция Бозе газа, подчиняющегося статистике Бозе — Эйнштейна, которая описывает статистическое распределение тождественных частиц с целым спином, называемых бозонами. Бозоны, которыми являются, например, и отдельные элементарные частицы — фотоны, и целые атомы, могут находиться друг с другом в одинаковых квантовых состояниях. Эйнштейн предположил, что охлаждение атомов — бозонов до очень низких температур заставит их перейти (или, по-другому, сконденсироваться) в наинизшее возможное квантовое состояние. Результатом такой конденсации станет возникновение новой формы вещества.
Этот переход возникает ниже критической температуры, которая для однородного трёхмерного газа, состоящего из невзаимодействующих частиц без каких-либо внутренних степеней свободы.
3. Фермионный конденсат
— агрегатное состояние вещества, схожее с бэком, но отличающееся по строению. При приближении к абсолютному нулю атомы ведут себя по-разному в зависимости от величины собственного момента количества движения (спина). У бозонов спины имеют целочисленные значения, а у фермионов - кратные 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Фермионы подчиняются принципу запрета Паули, согласно которому два фермиона не могут иметь одно и то же квантовое состояние. Для бозонов такого запрета нет, и поэтому у них есть возможность существовать в одном квантовом состоянии и образовывать тем самым так называмый конденсат Бозе-Эйнштейна. Процесс образования этого конденсата отвечает за переход в сверхпроводящее состояние.
Электроны имеют спин 1/2 и, следовательно, относятся к фермионам. Они объединяются в пары (так называемые пары Купера), которые затем образуют Бозе-конденсат.
Американские ученые предприняли попытку получить своего рода молекулы из атомов-фермионов при глубоком охлаждении. Отличие от настоящих молекул заключалось в том, что между атомами не было химической связи - просто они двигались вместе, коррелированным образом. Связь между атомами оказалась даже прочнее, чем между электронами в куперовских парах. У образованных пар фермионов суммарный спин уже не кратен 1/2, следовательно, они уже ведут себя как бозоны и могут образовывать бозе-конденсат с единым квантовым состоянием. В ходе эксперимента охлаждали газ из атомов калия-40 до 300 нанокельвинов, при этом газ заключался в так называемую оптическую ловушку. Затем наложили внешнее магнитное поле, с помощью которого удалось изменить природу взаимодействий между атомами - вместо сильного отталкивания стало наблюдаться сильное притяжение. При анализе влияния магнитного поля удалось найти такое его значение, при котором атомы стали вести себя, как куперовские пары электронов. На следующем этапе эксперимента ученые предполагают получить эффекты сверхпроводимости для фермионного конденсата.
4. Сверхтекучее вещество
— состояние, при котором у вещества фактически отсутствует вязкость, а при течении он не испытывает трения с твёрдой поверхностью. Следствием этого является, например, такой интересный эффект, как полное самопроизвольное «выползание» сверхтекучего гелия из сосуда по его стенкам против силы тяжести. Нарушения закона сохранения энергии здесь, конечно же, нет. В отсутствие сил трения на гелий действуют только силы тяжести, силы межатомного взаимодействия между гелием и стенками сосуда и между атомами гелия. Так вот, силы межатомного взаимодействия превышают все остальные силы вместе взятые. В результате гелий стремится растечься как можно сильнее по всем возможным поверхностям, поэтому и «путешествует» по стенкам сосуда. В 1938 году советский учёный Пётр Капица доказал, что гелий может существовать в сверхтекучем состоянии.
Стоит отметить, что многие из необычных свойств гелия известны уже довольно давно. Однако и в последние годы этот химический элемент «балует» нас интересными и неожиданными эффектами. Так, в 2004 году Мозес Чань и Эун-Сьонг Ким из Университета Пенсильвании заинтриговали научный мир заявлением о том, что им удалось получить совершенно новое состояние гелия — сверхтекучее твёрдое вещество. В этом состоянии одни атомы гелия в кристаллической решётке могут обтекать другие, и гелий таким образом может течь сам через себя. Эффект «сверхтвёрдости» теоретически был предсказан ещё в 1969 году. И вот в 2004 году — как будто бы и экспериментальное подтверждение. Однако более поздние и весьма любопытные эксперименты показали, что не всё так просто, и, возможно, такая интерпретация явления, которое до этого принималось за сверхтекучесть твёрдого гелия, неверна.
Эксперимент учёных под руководством Хэмфри Мариса из Университета Брауна в США был прост и изящен. Учёные помещали перевёрнутую вверх дном пробирку в замкнутый резервуар с жидким гелием. Часть гелия в пробирке и в резервуаре они замораживали таким образом, чтобы граница между жидким и твёрдым внутри пробирки была выше, чем в резервуаре. Иными словами, в верхней части пробирки был жидкий гелий, в нижней — твёрдый, он плавно переходил в твёрдую фазу резервуара, над которой был налито немного жидкого гелия — ниже, чем уровень жидкости в пробирке. Если бы жидкий гелий стал просачиваться через твёрдый, то разница уровней уменьшилась бы, и тогда можно говорить о твёрдом сверхтекучем гелии. И в принципе, в трёх из 13 экспериментов разница уровней действительно уменьшалась.
5. Сверхтвёрдое вещество — агрегатное состояние при котором материя прозрачна и может "течь", как жидкость, но фактически она лишена вязкости. Такие жидкости известны много лет, их называют суперфлюидами. Дело в том, что если супержидкость размешать, она будет циркулировать чуть ли не вечно, тогда как нормальная жидкость в конечном счёте успокоится. Первые два суперфлюида были созданы исследователями с использованием гелия-4 и гелия-3. Они были охлаждены почти до абсолютного нуля — до минус 273 градусов Цельсия. А из гелия-4 американским учёным удалось получить сверхтвёрдое тело. Замороженный гелий они сжали давлением более чем в 60 раз, а затем заполненный веществом стакан установили на вращающийся диск. При температуре 0,175 градусов Цельсия диск внезапно начал вращаться свободнее, что, по мнению учёных, свидетельствует о том, что гелий стал супертелом.
6. Твёрдое — агрегатное состояние вещества, отличающееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания вокруг положений равновесия. Устойчивым состоянием твердых тел является кристаллическое. Различают твердые тела с ионной, ковалентной, металлической и др. типами связи между атомами, что обусловливает разнообразие их физических свойств. Электрические и некоторые др. свойства твердых тел в основном определяются характером движения внешних электронов его атомов. По электрическим свойствам твердые тела делятся на диэлектрики, полупроводники и металлы, по магнитным — на диамагнетики, парамагнетики и тела с упорядоченной магнитной структурой. Исследования свойств твердых тел объединились в большую область — физику твердого тела, развитие которой стимулируется потребностями техники.
7. Аморфное твёрдое — конденсированное агрегатное состояние вещества, характеризующееся изотропией физических свойств, обусловленной неупорядоченным расположением атомов и молекул. В аморфных твердых телах атомы колеблются около хаотически расположенных точек. В отличие от кристаллического состояния переход из твердого аморфного в жидкое происходит постепенно. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т. д.
8. Жидкокристаллическое
— это специфическое агрегатное со-стояние вещества, в котором оно проявляет одновре-менно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо огово-риться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Однако, некоторые органические вещества, обладающие сложными молеку-лами, могут образовы-вать специфическое агрегатное состояние — жидкокристалли-ческое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении обра-зуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.
Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жид-костью, он обладает свойством, характерным для кри-сталлов. Это - упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не та-кое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное про-странственное упорядочение молекул, образующих жид-кий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристал-лах нет полного порядка в пространственном располо-жении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кри-сталлической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, по-добно обычным жидкостям, обладают свойством текуче-сти.
Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли-жающим их с обычными кристаллами, является наличие порядка пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристалличе-ском образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейше-го названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул.
В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.
Исследования по физике жидких кристаллов и их при-менениям в настоящее время ведутся широким фрон-том во всех наиболее развитых странах мира. Отечествен-ные исследования сосредоточены как в академических, так и отраслевых научно-исследовательских учреждени-ях и имеют давние традиции. Широкую известность и признание получили выполненные еще в тридцатые годы в Ленинграде работы В.К. Фредерикса к В.Н. Цветкова. В последние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователи также вносят весомый вклад в развитие учения о жидких кристаллах в целом и, в частности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И.Г. Чистякова, А.П. Капустина, С.А. Бразовского, С.А. Пикина, Л.М. Блинова и многих других советских иссле-дователей широко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов.
Существование жидких кристаллов было установлено очень давно, а именно в 1888 году, то есть почти столетие назад. Хотя учёные и до 1888 года сталкивались с данным состоянием вещества, но официально его открыли позже.
Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был авст-рийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син-тезированное им вещество холестерилбензоат, он обна-ружил, что при температуре 145°С кристаллы этого ве-щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начина-ет вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе. Рассматри-вая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рей-нитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е скорость света е этой фазе, зависит от поляризации.
9. Жидкое — агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе черты твердого состояния (сохранение объема, определенная прочность на разрыв) и газообразного (изменчивость формы). Для жидкости характерны ближний порядок в расположении частиц (молекул, атомов) и малое различие в кинетической энергии теплового движения молекул и их потенциальной энергии взаимодействия. Тепловое движение молекул жидкости состоит из колебаний около положений равновесия и сравнительно редких перескоков из одного равновесного положения в другое, с этим связана текучесть жидкости.
10. Сверхкритический флюид
(СКФ) — агрегатное состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки является сверхкритическим флюидом. Свойства вещества в сверхкритическом состоянии промежуточные между его свойствами в газовой и жидкой фазе. Так, СКФ обладает высокой плотностью, близкой к жидкости, и низкой вязкостью, как и газы. Коэффициент диффузии при этом имеет промежуточное между жидкостью и газом значение. Вещества в сверхкритическом состоянии могут применяться в качестве заменителей органических растворителей в лабораторных и промышленных процессах. Наибольший интерес и распространение в связи с определенными свойствами получили сверхкритическая вода и сверхкритический диоксид углерода.
Одно из наиболее важных свойств сверхкритического состояния - это способность к растворению веществ. Изменяя температуру или давление флюида можно менять его свойства в широком диапазоне. Так, можно получить флюид, по свойствам близкий либо к жидкости, либо к газу. Так, растворяющая способность флюида увеличивается с увеличением плотности (при постоянной температуре). Поскольку плотность возрастает при увеличении давления, то меняя давление можно влиять на растворяющую способность флюида (при постоянной температуре). В случае с температурой завистимость свойств флюида несколько более сложная - при постоянной плотности растворяющая способность флюида также возрастает, однако вблизи критической точки незначительное увеличение температуры может привести к резкому падению плотности, и, соответственно, растворяющей способности. Сверхкритические флюиды неограниченно смешиваются друг с другом, поэтому при достижении критической точки смеси система всегда будет однофазной. Приблизительная критическая температура бинарной смеси может быть рассчитана как среднее арифмитическое от критических параметров веществ Tc(mix) = (мольная доля A) x TcA + (мольная доля B) x TcB.
11. Газообразное — (франц. gaz, от греч. chaos — хаос), агрегатное состояние вещества, в котором кинетическая энергия теплового движения его частиц (молекул, атомов, ионов) значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействий между ними, в связи с чем частицы движутся свободно, равномерно заполняя в отсутствие внешних полей весь предоставленный им объем.
12. Плазма — (от греч. plasma — вылепленное, оформленное), состояние вещества, представляющее из себя ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны (квазинейтральность). В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра, магнитосферы и ионосферы. Высокотемпературная плазма (Т ~ 106 — 108К) из смеси дейтерия и трития исследуется с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза. Низкотемпературная плазма (Т Ј 105К) используется в различных газоразрядных приборах (газовых лазерах, ионных приборах, МГД-генераторах, плазмотронах, плазменных двигателях и т. д.), а также в технике (см. Плазменная металлургия, Плазменное бурение, Плазменная технология).
13. Вырожденное вещество — является промежуточной стадией между плазмой и нейтрониумом. Оно наблюдается в белых карликах, играет важную роль в эволюции звезд. Когда атомы находятся в условиях чрезвычайно высоких температур и давлений, они теряют свои электроны (они переходят в электронный газ). Другими словами, они полностью ионизованы (плазма). Давление такого газа (плазмы) определяется давлением электронов. Если плотность очень высока, все частицы вынуждены приближаться к друг другу. Электроны могут находится в состояниях с определенными энергиями, причем два электрона не могут иметь одинаковую энергию (если только их спины не противоположны). Таким образом, в плотном газе все нижние уровни энергии оказываются заполненными электронами. Такой газ называется вырожденным. В этом состоянии электроны проявляют вырожденное электронное давление, которое противодействует силам гравитации.
14. Нейтрониум
— агрегатное состояние, в которое вещество переходит при сверхвысоком давлении, недостижимом пока в лаборатории, но существующем внутри нейтронных звёзд. При переходе в нейтронное состояние электроны вещества взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. В результате вещество в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть слишком высока (в энергетическом эквиваленте не более сотни МэВ).
При сильном повышении температуры (сотни МэВ и выше) в нейтронном состоянии начинают рождаться и аннигилировать разнообразные мезоны. При дальнейшем повышении температуры происходит деконфайнмент, и вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Оно состоит уже не из адронов, а из постоянно рождающихся и исчезающих кварков и глюонов.
15. Кварк-глюонная плазма
(хромоплазма) — агрегатное состояние вещества в физике высоких энергий и физике элементарных частиц, при котором адронное вещество переходит в состояние, аналогичное состоянию, в котором находятся электроны и ионы в обычной плазме.
Обычно вещество в адронах находится в так называемом бесцветном («белом») состоянии. То есть, кварки различных цветов компенсируют друг друга. Аналогичное состояние есть и у обычного вещества — когда все атомы электрически нейтральны, то есть,
положительные заряды в них компенсированы отрицательными. При высоких температурах может происходить ионизация атомов, при этом заряды разделяются, и вещество становится, как говорят, «квазинейтральным». То есть, нейтральным остаётся всё облако вещества в целом, а отдельные его частицы нейтральными быть перестают. Точно так же, по-видимому, может происходить и с адронным веществом — при очень высоких энергиях, цвет выходит на свободу и делает вещество «квазибесцветным».
Предположительно, вещество Вселенной находилось в состоянии кварк-глюонной плазмы в первые мгновения после Большого Взрыва. Сейчас кварк-глюонная плазма может на короткое время образовываться при соударениях частиц очень высоких энергий.
Кварк-глюонная плазма была получена экспериментально на ускорителе RHIC Брукхейвенской национальной лаборатории в 2005 году. Максимальная температура плазмы в 4 триллиона градусов Цельсия была получена там же в феврале 2010 года.
16. Странное вещество
— агрегатное состояние, при котором материя сжимается до предельных значений плотности, оно может существовать в виде "кваркового супа". Кубический сантиметр вещества в этом состоянии будет весить миллиарды тонн; к тому же он будет превращать любое нормальное вещество, с которым соприкоснётся, в ту же "странную" форму с выбросом значительного количества энергии.
Энергия, которая может выделиться при превращении вещества ядра звезды в "странное вещество", приведёт к сверхмощному взрыву "кварковой новой", - и, по мнению Лихи и Уйеда, именно его астрономы в сентябре 2006 года и наблюдали.
Процесс образования этого вещества начался с обычной сверхновой, в которую обратилась массивная звезда. В результате первого взрыва образовалась нейтронная звезда. Но, по мнению Лихи и Уйеда, просуществовала она очень недолго, - по мере того, как её вращение казалось затормозилось её собственным магнитным полем, она начала сжиматься ещё сильнее, с образованием сгустка "странного вещества", что привело к ещё более мощному, нежели при обычном взрыве сверхновой, выбросу энергии - и внешних слоёв вещества бывшей нейтронной звезды, разлетавшихся в окружающее пространство со скоростью, близкой к скорости света.
17. Сильно симметричное вещество
— это вещество, сжатое до такой степени, при которой микрочастицы внутри него наслаиваются друг на друга, а само тело коллапсирует в чёрную дыру. Термин «симметрия» объясняется следующим: Возьмём известные всем со школьной скамьи агрегатные состояния вещества - твёрдые, жидкие, газообразные. Для определённости в качестве твёрдого вещества рассмотрим идеальный бесконечный кристалл. В нём существует определённая, так называемая дискретная симметрия относительно переноса. Это означает, что, если сдвинуть кристаллическую решётку на расстояние, равное интервалу между двумя атомами, в ней ничего не изменится - кристалл совпадет сам с собой. Если же кристалл расплавить, то симметрия получившейся из него жидкости будет иной: она возрастёт. В кристалле равноценными были только точки, удалённые друг от друга на определённые расстояния, так называемые узлы кристаллической решётки, в которых находились одинаковые атомы.
Жидкость же однородна по всему объёму, все её точки неотличимы одна от другой. Это означает, что жидкости можно смещаться на любые произвольные расстояния (а не только на какие-то дискретные, как в кристалле) или поворачиваться на любые произвольные углы (чего в кристаллах делать нельзя вообще) и она будет совпадать сама с собой. Степень её симметрии выше. Газ ещё более симметричен: жидкость занимает определённый объём в сосуде и наблюдается асимметрия внутри сосуда, где жидкость есть, и точки, где её нет. Газ же занимает весь предоставленный ему объём, и в этом смысле все её точки неотличимы одна от другой. Всё же здесь было бы правильнее говорить не о точках, а о малых, но макроскопических элементах, потому что на микроскопическом уровне отличия всё-таки есть. В одних точках в данный момент времени имеются атомы или молекулы, а в других нет. Симметрия наблюдается только в среднем, либо по некоторым макроскопическим параметра объёма, либо по времени.
Но мгновенной симметрии на микроскопическом уровне здесь по-прежнему ещё нет. Если же вещество сжимать очень сильно, до давлений которые в обиходе недопустимы, сжимать так, что атомы были раздавлены, их оболочки проникли друг в друга, а ядра начали соприкасаться, возникает симметрия и на микроскопическом уровне. Все ядра одинаковы и прижаты друг к другу, нет не только межатомных, но и межъядерных расстояний и вещество становится однородным (странное вещество).
Но есть ещё субмикроскопический уровень. Ядра состоят из протонов и нейтронов, которые двигаются внутри ядра. Между ними тоже есть какое-то пространство. Если продолжать сжимать так, что будут раздавлены и ядра, нуклоны плотно прижмутся друг к другу. Тогда и на субмикроскопическом уровне появится симметрия, которой нет даже внутри обычных ядер.
Из сказанного можно усмотреть вполне определённую тенденцию: чем выше температура и больше давление, тем более симметричным становится вещество. Исходя из этих соображений сжатое до максимума вещество именуется сильно симметричным.
18. Слабо симметричное вещество — состояние, противоположное сильно симметричному веществу по своим свойствам, присутствовавшее в очень ранней Вселенной при температуре близкой к планковской, возможно, через 10-12 секунд после Большого Взрыва, когда сильные, слабые и электромагнитные силы представляли из себя единую суперсилу. В этом состоянии вещество сжато до такой степени, что его масса переходит в энергию, которая начинает инфлуировать, то есть неограниченно расширяться. Достичь энергий для экспериментального получения суперсилы и перевода вещества в эту фазу в земных условиях пока невозможно, хотя такие попытки предпринимались на Большом Адронном Коллайдере с целью изучения ранней вселенной. Ввиду отсутствия в составе суперсилы, образующей это вещество, гравитационного взаимодействия, суперсила является не достаточно симметричной в сравнении с суперсимметричной силой, содержащей все 4 вида взаимодействий. Поэтому данное агрегатное состояние и получило такое название.
19. Лучевое вещество
— это, по сути дела, уже совсем не вещество, а в чистом виде энергия. Однако именно это гипотетическое агрегатное состояние примет тело, достигшее скорости света. Также его можно получить, разогрев тело до планковской температуры (1032К), то есть разогнав молекулы вещества до скорости света. Как следует из теории относительности, при достижении скорости более 0,99 с, масса тела начинает расти гораздо быстрее, нежели при "обычном" ускорении, кроме того тело удлиняется, разогревается, то есть начинает излучать в инфракрасном спектре. При пересечении порога 0,999 с, тело кардинально видоизменяется и начинает стремительный фазовый переход вплоть до лучевого состояния. Как следует из формулы Эйнштейна, взятой в полном виде, растущая масса итогового вещества складывается из масс, отделяющихся от тела в виде теплового, рентгеновского, оптического и других излучений, энергия каждого из которых описывается следующим членом в формуле. Таким образом, тело приблизившееся к скорости света начнет излучать во всех спектрах, расти в длину и замедляться во времени, утоньшаясь до планковской длины, то есть по достижении скорости с, тело превратится в бесконечно длинный и тонкий луч, двигающийся со скоростью света и состоящий из фотонов, не имеющих длины, а его бесконечная масса полностью перейдет в энергию. Поэтому такое вещество и называется лучевым.
Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой. В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное.
Например, вода может находиться в твердом (лед), жидком (вода) и газообразном (пар) состояниях.
Газ расширяется, пока не заполнит весь отведенный ему объем. Если рассмотреть газ на молекулярном уровне, мы увидим беспорядочно мечущиеся и сталкивающиеся между собой и со стенками сосуда молекулы, которые, однако, практически не вступают во взаимодействие друг с другом. Если увеличить или уменьшить объем сосуда, молекулы равномерно перераспределятся в новом объеме.
В отличие от газа при заданной температуре занимает фиксированный объем, однако и она принимает форму заполняемого сосуда - но только ниже уровня ее поверхности. На молекулярном уровне жидкость проще всего представить в виде молекул-шариков, которые хотя и находятся в тесном контакте друг с другом, однако имеют свободу перекатываться друг относительно друга, подобно круглым бусинам в банке. Налейте жидкость в сосуд - и молекулы быстро растекутся и заполнят нижнюю часть объема сосуда, в результате жидкость примет его форму, но не распространится в полном объеме сосуда.
Твердое тело
имеет собственную форму, не растекается по объему контейнера
и не принимает его форму. На микроскопическом уровне атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жесткие упорядоченные структуры - кристаллические решетки, - так и беспорядочное нагромождение - аморфные тела (именно такова структура полимеров, которые похожи на перепутанные и слипшиеся макароны в миске).
Выше были описаны три классических агрегатных состояния вещества. Имеется, однако, и четвертое состояние, которые физики склонны относить к числу агрегатных. Это плазменное состояние. Плазма характеризуется частичным или полным срывом электронов с их атомных орбит, при этом сами свободные электроны остаются внутри вещества.
Изменение агрегатных состояний вещества мы можем наблюдать воочию в природе. Вода с поверхности водоемов испаряется, и образуются облака. Так жидкость переходит в газ. Зимой вода в водоемах замерзает, переходя в твердое состояние, а весной вновь тает, переходя в обратно в жидкость. Что происходит с молекулами вещества при переходе его из одного состояния в другое? Меняются ли они? Отличаются ли, например, молекулы льда от молекул пара? Ответ однозначный: нет. Молекулы остаются абсолютно теми же. Меняется их кинетическая энергия, а соответственно и свойства вещества.
Энергия молекул пара достаточно велика, чтобы разлетаться в разные стороны, а при охлаждении пар конденсируется в жидкость, и энергии у молекул все еще достаточно для почти свободного перемещения, но уже недостаточно, чтобы оторваться от притяжения других молекул и улететь. При дальнейшем охлаждении вода замерзает, становясь твердым телом, и энергии молекул уже недостаточно даже для свободного перемещения внутри тела. Они колеблются около одного места, удерживаемые силами притяжения других молекул.
В природе вода содержится в трех состояниях:
- твердое состояние (снег, град, лед);
- жидкое состояние (вода, туман, роса и дождь);
- газообразное состояние (пар).
С раннего детства, еще в школе изучают разные агрегатные состояния воды: туман, дождевые осадки, град, снег, лёд и тп. Существует , которые в школе изучают подробно. Они каждый день встречаются нам в жизни и влияют на жизнедеятельность. – это состояние воды при определенном температурном режиме и давлении, которое характеризуется в пределе некоторого интервала.
К основным понятиям состояния воды следует внести уточнения, что состояние тумана и облачное состояние не относится к газообразованию. Они появляются при конденсации . Это уникальное свойство воды которое может находиться в трех разных агрегатных состояниях. Три состояния воды жизненно важны для планеты, они образуют гидрологический цикл, обеспечивают процесс круговорота воды в природе. В школе показывают различные опыты по испарению и . В любом уголочке природы вода считается источником жизни. Есть и четвертое состояние, не менее важное – Дерягинская вода (Российский вариант), или как её принято называть в данный момент — Нанотрубочная вода (Американский вариант).
Твердое состояние воды
В сохраняется форма и объем. При пониженной температуре вещество замерзает и превращается в твердое тело. Если высокое давление, то температура затвердевания требуется выше. Твердое тело бывает кристаллическим и аморфным. В кристалле положение атома строго упорядоченно. Формы кристаллов естественные и напоминают многогранник. В аморфном теле точки расположены хаотично и колеблются, в них сохраняется только ближний порядок.
Жидкое состояние воды
В жидком состоянии вода сохраняет свой объем, но ее форма не сохраняется. Под этим понимает, что жидкость занимает лишь часть объема, может протекать по всей поверхности. Изучая в школе вопросы жидкого состояния, следует понимать, что это промежуточное состояние между твердой средой и газовой средой. Жидкости делятся на чистые и состояния смеси. Некоторые смеси очень важны для жизни, например кровь или морская вода. Жидкости могут выполнять функцию растворителя.
Состояние газа
В форма и объем не сохраняются. По-другому газообразное состояние, изучение которого происходит еще в школе, называется водяным паром. Опыты показывают наглядно, что пар невидим, он растворим в воздухе, и показывает относительную влажность. Растворимость зависит от температуры и давления. Насыщенный пар и точка росы – это показатель предельной концентрации. Пар и туман это разные агрегатные состояния.
Четвертое агрегатное состояние — плазма
Изучение плазмы и современные опыты стали рассматриваться чуть в более позднем сроке. Плазмой называется полностью или частично ионизированный газ, она возникает в состоянии равновесия при высокой температуре. В условиях земли образуется газовый разряд. Свойства плазмы определяют его газообразное состояние, за исключением того, что огромную роль во всем этом играет электродинамика. Среди агрегатных состояний плазма самое распространенное во Вселенной. Изучение звезд и межпланетного пространства показало, что вещества находятся в состоянии плазмы.
Как меняются агрегатные состояния?
Изменение процесса перехода из одного состояния в другое:
— жидкость — пар (парообразование и кипение);
— пар — жидкость (конденсация);
— жидкость — лед (кристаллизация);
— лед – жидкость (плавление);
— лед – пар (сублимация);
— пар – лед, образование инея (десублимация).
Вода названа интересным природным земным минералом. Вопросы эти сложные и изучение требуется постоянное. Агрегатное состояние в школе подтверждают проведенные опыты и если возникают вопросы, то опыты наглядно дают разобраться в рассказанном на уроке материале. При испарении жидкость переходит в , процесс способен начаться уже с нуля градусов. При повышении температуры увеличивается . Интенсивность этого подтверждают опыты кипения при 100 градусах. Вопросы испарения находят ответ в испарении с поверхностей озер, рек и даже с суши. При охлаждении получается процесс обратного превращения, когда из газа образуется жидкость. Этот процесс называется конденсацией, когда из водяного пара, находящегося в воздухе образуются мелкие капельки облака.
Ярким примером является ртутный градусник, в котором ртуть представлена в жидком состоянии, при температуре -39 градусов ртуть становится твердым телом. Изменить состояние твердого тела можно, но это потребует дополнительных усилий, например при сгибании гвоздя. Зачастую школьники задают вопросы, о том, как же придают форму твердому телу. Этим занимаются на заводах и в специализированных цехах на специальном оборудовании. Абсолютно любое вещество может существовать в трех состояниях, в том числе и вода, это зависит от физических условий. При переходе воды из одного состояния в другое изменяется молекулярное расположение и движение, состав молекулы не меняется. Экспериментальные задания помогут понаблюдать за такими интересными состояниями.
Определение
Агрегатные состояния вещества (от латинского aggrego -- присоединяю, связываю) -- это состояния одного и того же вещества твердое, жидкое, газообразное.
При переходе из одного состояния в другое происходит скачкообразное изменение энергии, энтропии, плотности и других характеристик вещества.
Твердые и жидкие тела
Определение
Твердыми телами называются тела, отличающиеся постоянством формы и объема.
В них межмолекулярные расстояния малы и потенциальная энергия молекул сравнима с кинетической. Твёрдые тела делятся на два вида: на кристаллические и аморфные. В состоянии термодинамического равновесия пребывают лишь кристаллические тела. Аморфные же тела по сути представляют метастабильные состояния, которые по своему строению приближаются к неравновесным, медленно кристаллизующимся жидкостям. В аморфном теле идет очень медленный процесс кристаллизации, процесс постепенного перехода вещества в кристаллическую фазу. Отличие кристалла от аморфного твёрдого тела заключается прежде всего в анизотропии его свойств. Свойства кристаллического тела зависят от направления в пространстве. Различного рода процессы, такие как теплопроводность, электропроводность, свет, звук, распространяются в различных направлениях твёрдого тела по-разному. Аморфные же тела (стекло, смолы, пластмассы) изотpопны, как и жидкости. Отличие аморфных тел от жидкостей состоит только в том, что последние текучи, в них невозможны статические деформации сдвига.
Кристаллические тела обладают правильным молекулярным строением. Именно правильному строению кристалла обязана анизотропия его свойств. Правильное расположение атомов кристалла образует так называемую кристаллическую решётку. В различных направлениях расположение атомов в решётке различно, что и ведет к анизотропии. Атомы (или ионы, или целые молекулы) в кристаллической решётке совершают беспорядочное колебательное движение около средних положений, которые и рассматриваются как узлы кристаллической решётки. Чем больше температура, тем больше энергия колебаний, а следовательно, и средняя амплитуда колебаний. В зависимости от амплитуды колебаний находится размер кристалла. Рост амплитуды колебаний ведет к росту размеров тела. Так объясняется тепловое расширение твёрдых тел.
Определение
Жидкими называют тела, которые имеют определенный объем, но не имеют упругости формы.
Жидкости отличаются сильным межмолекулярным взаимодействием и малой сжимаемостью. Жидкость занимает промежуточное положение между твёрдым телом и газом. Жидкости, как и газы, изотpопны. Кроме того, жидкость обладает текучестью. В ней, как и в газах, отсутствуют касательные напряжения (напряжения на сдвиг) тел. Жидкости тяжелы, т.е. их удельные веса сравнимы с удельными весами твёрдых тел. Вблизи температур кристаллизации их теплоемкости и другие тепловые характеристики близки к соответствующим характеристикам твёрдых тел. В жидкостях наблюдается до известной степени правильное расположение атомов, но лишь в малых областях. Здесь атомы тоже совершают колебательное движение возле узлов квазикpисталлической ячейки, но в отличие от атомов твёрдого тела они время от времени перескакивают от одного узла к другому. В результате движение атомов будет весьма сложным: оно колебательное, но вместе с тем центр колебаний перемещается в пространстве.
Газ, испарение, конденсация и плавление
Определение
Газ -- такое состояние вещества, в котором расстояния между молекулами велики.
Силами взаимодействия между молекулами при невысоких давлениях можно пренебречь. Частицы газа заполняют весь объем, который предоставлен газу. Газы можно рассматривать как сильно перегретые или ненасыщенные пары. Особым видом газа является плазма -- это частично ли полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Плазма представляет собой газ из заряженных частиц, которые взаимодействуют между собой с помощью электрических сил на большом расстоянии, но не имеют ближнего и дальнего расположения частиц.
Вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое.
Определение
Испарение -- это процесс изменения агрегатного состояния вещества, при котором с поверхности жидкости или твердого тела вылетают молекулы, кинетическая энергия которых превышает потенциальную энергию взаимодействия молекул.
Испарение -- это фазовый переход. При испарении часть жидкости или твердого тела переходит в пар. Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью называется насыщенным паром. При этом изменение внутренней энергии тела:
\[\triangle \ U=\pm mr\ \left(1\right),\]
где m -- масса тела, r -- удельная теплота парообразования (Дж/кг).
Определение
Конденсация -- процесс, обратный парообразованию.
Расчет изменения внутренней энергии происходит по формуле (1).
Определение
Плавление -- процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое, процесс изменения агрегатного состояния вещества.
Когда вещество нагревают увеличивается его внутренняя энергия, следовательно, увеличивается скорость теплового движения молекул. В том случае, если достигнута температура плавления вещества, то кристаллическая решетка твердого тела начинает разрушаться. Связи между частицами разрушаются, возрастает энергия взаимодействия между частицами. Теплота, передаваемая телу, идет на увеличении внутренней энергии этого тела, и часть энергии идет на совершение работы по изменению объема тела при его плавлении. У большинства кристаллических тел объем увеличивается при плавлении, но есть исключения, например, лед, чугун. Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления. Плавление является фазовым переходом, который сопровождается скачкообразным изменением теплоемкости при температуре плавления. Температура плавления зависит от вещества и она не изменяется в ходе процесса. При этом изменение внутренней энергии тела:
\[\triangle U=\pm m\lambda \left(2\right),\]
где $\lambda $ -- удельная теплота плавления (Дж/кг).
Процесс обратный плавлению - кристаллизация. Расчет изменения внутренней энергии происходит по формуле (2).
Изменение внутренней энергии каждого тела системы в случае нагревания или охлаждения можно рассчитать по формуле:
\[\triangle U=mc\triangle T\left(3\right),\]
где c - удельная теплоемкость вещества, Дж/(кгК), $\triangle T$- изменение температуры тела.
При изучении переходов веществ из одних агрегатных состояний в другие невозможно обойтись без так называемого уравнения теплового баланса , которое гласит: суммарное количество теплоты, которое выделяется в теплоизолированной системе, равно количеству теплоты (суммарному), которое в этой системе поглощается.
По своему смыслу, уравнение теплового баланса -- это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в термоизолированных системах.
Пример 1
Задание: В теплоизолированном сосуде находятся вода и лед при температуре $t_i= 0^oС$. Масса воды ($m_{v\ })$ и льда ($m_{i\ })$ соответственно равны 0,5 кг и 60 гр. В воду впускается водяной пар массой $m_{p\ }=$10 гр. при температуре $t_p= 100^oС$. Какой станет температура воды в сосуде после установления теплового равновесия? Теплоемкость сосуда не учитывать.
Решение: Определим, какие процессы происходят в системе, какие агрегатные состояния вещества мы имели и какие получили.
Водяной пар конденсируется, отдавая тепло.
Это тепло идет на плавление льда и, возможно, нагрев имеющейся и полученной изо льда воды.
Проверим сначала, какое количество теплоты выделяется при конденсации имеющейся массы пара:
здесь из справочных материалов имеем $r=2,26 10^6\frac{Дж}{кг}$- удельная теплота парообразования (применима и для конденсации).
Для плавления льда необходимо тепла:
здесь из справочных материалов имеем $\lambda =3,3\cdot 10^5\frac{Дж}{кг}$- удельная теплота плавления льда.
Получаем, что пар отдает тепла больше, чем требуется, только для расплавления имеющегося льда, следовательно уравнение теплового баланса запишем в виде:
Теплота выделяется при конденсации пара массой $m_{p\ }$ и остывании воды, которая образуется из пара от температуры $T_p$ до искомой T. Теплота поглощается при плавлении льда массой $m_{i\ }$ и нагревании воды массой $m_v+m_i$ от температуры $T_i$до $T.\ $ Обозначим $T-T_i=\triangle T$, для разности $T_p-T$ получим:
Уравнение теплового баланса приобретет вид:
\ \ \[\triangle T=\frac{rm_{p\ }+cm_{p\ }100-лm_{i\ }}{c\left(m_v+m_i+m_{p\ }\right)}\left(1.6\right)\]
Проведем вычисления, учитывая, что теплоемкость воды табличная $c=4,2\cdot 10^3\frac{Дж}{кгК}$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i+273=273K$:
$\triangle T=\frac{2,26\cdot 10^6\cdot 10^{-2}+4,2\cdot 10^3\cdot 10^{-2}10^2-6\cdot 10^{-2}\cdot 3,3\cdot 10^5}{4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^{-1}}\approx 3\left(К\right)$тогда T=273+3=276 (K)
Ответ: Температура воды в сосуде после установления теплового равновесия станет равна 276 К.
Пример 2
Задание: На рисунке показан участок изотермы, отвечающий переходу вещества из кристаллического в жидкое состояние. Что соответствует этому участку на диаграмме p,T?
Вся совокупность состояний, изображенных на диаграмме p,V горизонтальным отрезком прямой на диаграмме p,T изображается одной точкой, определяющей значения p и T, при которых осуществляется переход из одного агрегатного состояния в другое.
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 .