Αθροιστική κατάσταση της ύλης. Πώς γίνονται οι μεταβάσεις των κρατών

Αθροιστική κατάσταση της ύλης

Ουσία- ένα πραγματικό σύνολο σωματιδίων που διασυνδέονται με χημικούς δεσμούς και υπό ορισμένες συνθήκες σε μία από τις καταστάσεις συσσωμάτωσης. Οποιαδήποτε ουσία αποτελείται από μια συλλογή από έναν πολύ μεγάλο αριθμό σωματιδίων: άτομα, μόρια, ιόντα, τα οποία μπορούν να συνδυαστούν μεταξύ τους σε συναφή, που ονομάζονται επίσης συσσωματώματα ή συστάδες. Ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη συμπεριφορά των σωματιδίων σε συσχετιστές (την αμοιβαία διάταξη των σωματιδίων, τον αριθμό και την αλληλεπίδρασή τους σε ένα συσχετισμό, καθώς και την κατανομή των συσχετιζόμενων στο χώρο και την αλληλεπίδρασή τους μεταξύ τους), μια ουσία μπορεί να είναι σε δύο κύριες καταστάσεις της συνάθροισης - κρυσταλλικό (στερεό) ή αέριο,και σε μεταβατικές καταστάσεις συγκέντρωσης - άμορφο (στερεό), υγρό κρύσταλλο, υγρό και ατμό.Οι στερεές, υγρές-κρυσταλλικές και υγρές καταστάσεις συσσωμάτωσης συμπυκνώνονται και οι ατμοί και οι αέριες εκκενώνονται έντονα.

Φάση- αυτό είναι ένα σύνολο ομοιογενών μικροπεριοχών, που χαρακτηρίζονται από την ίδια τάξη και συγκέντρωση σωματιδίων και περικλείονται σε έναν μακροσκοπικό όγκο μιας ουσίας που οριοθετείται από μια διεπαφή. Σύμφωνα με αυτήν την κατανόηση, η φάση είναι χαρακτηριστική μόνο για ουσίες που βρίσκονται σε κρυσταλλική και αέρια κατάσταση, επειδή είναι ομοιογενείς συγκεντρωτικές καταστάσεις.

μετάφαση- αυτό είναι ένα σύνολο ετερογενών μικροπεριοχών που διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τον βαθμό ταξινόμησης των σωματιδίων ή τη συγκέντρωσή τους και περικλείονται σε έναν μακροσκοπικό όγκο μιας ουσίας που οριοθετείται από μια διεπαφή. Σύμφωνα με αυτήν την κατανόηση, η μετάφαση είναι χαρακτηριστική μόνο για ουσίες που βρίσκονται σε ανομοιογενείς μεταβατικές καταστάσεις συσσωμάτωσης. Διαφορετικές φάσεις και μεταφάσεις μπορούν να αναμειχθούν μεταξύ τους, σχηματίζοντας μια κατάσταση συνάθροισης και τότε δεν υπάρχει διεπαφή μεταξύ τους.

Συνήθως δεν διαχωρίζετε την έννοια της «βασικής» και της «μεταβατικής» κατάστασης συνάθροισης. Οι έννοιες «συνολική κατάσταση», «φάση» και «μεσόφαση» χρησιμοποιούνται συχνά ως συνώνυμες. Συνιστάται να ληφθούν υπόψη πέντε πιθανές συγκεντρωτικές καταστάσεις για την κατάσταση των ουσιών: στερεό, υγρό κρύσταλλο, υγρό, ατμό, αέριο.Η μετάβαση μιας φάσης σε μια άλλη φάση ονομάζεται μετάβαση φάσης πρώτης και δεύτερης τάξης. Οι μεταβάσεις φάσεων του πρώτου είδους χαρακτηρίζονται από:

Μια απότομη αλλαγή στα φυσικά μεγέθη που περιγράφουν την κατάσταση της ύλης (όγκος, πυκνότητα, ιξώδες κ.λπ.).

Μια ορισμένη θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει μια δεδομένη μετάβαση φάσης

Μια ορισμένη θερμότητα που χαρακτηρίζει αυτή τη μετάβαση, γιατί σπάσει τους διαμοριακούς δεσμούς.

Οι μεταβάσεις φάσεων του πρώτου είδους παρατηρούνται κατά τη μετάβαση από μια κατάσταση συσσωμάτωσης σε μια άλλη κατάσταση συσσωμάτωσης. Οι μεταπτώσεις φάσεων του δεύτερου είδους παρατηρούνται όταν αλλάζει η σειρά των σωματιδίων σε μια ενιαία κατάσταση συσσωμάτωσης και χαρακτηρίζονται από:

Σταδιακή αλλαγή στις φυσικές ιδιότητες μιας ουσίας.

Αλλαγή στη διάταξη των σωματιδίων μιας ουσίας υπό τη δράση μιας βαθμίδας εξωτερικών πεδίων ή σε μια ορισμένη θερμοκρασία, που ονομάζεται θερμοκρασία μετάβασης φάσης.

Η θερμότητα των μεταπτώσεων φάσης δεύτερης τάξης είναι ίση και κοντά στο μηδέν.

Η κύρια διαφορά μεταξύ των μεταβάσεων φάσης πρώτης και δεύτερης τάξης είναι ότι κατά τις μεταβάσεις του πρώτου είδους, πρώτα απ 'όλα, αλλάζει η ενέργεια των σωματιδίων του συστήματος, και στην περίπτωση μεταβάσεων δεύτερου είδους, η σειρά σωματίδια του συστήματος.

Η μετάβαση μιας ουσίας από στερεή σε υγρή κατάσταση ονομάζεται τήξηκαι χαρακτηρίζεται από το σημείο τήξης του. Η μετάβαση μιας ουσίας από υγρή σε αττική κατάσταση ονομάζεται εξάτμισηκαι χαρακτηρίζεται από το σημείο βρασμού. Για ορισμένες ουσίες με μικρό μοριακό βάρος και ασθενή διαμοριακή αλληλεπίδραση, είναι δυνατή μια άμεση μετάβαση από μια στερεή κατάσταση σε μια κατάσταση ατμού, παρακάμπτοντας την υγρή κατάσταση. Μια τέτοια μετάβαση ονομάζεται εξάχνιση.Όλες αυτές οι διαδικασίες μπορούν να προχωρήσουν προς την αντίθετη κατεύθυνση: τότε καλούνται κατάψυξη, συμπύκνωση, αφυδάτωση.

Ουσίες που δεν αποσυντίθενται κατά την τήξη και το βρασμό μπορούν, ανάλογα με τη θερμοκρασία και την πίεση, να βρίσκονται και στις τέσσερις καταστάσεις συσσωμάτωσης.

Στερεάς κατάστασης

Σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες, σχεδόν όλες οι ουσίες βρίσκονται σε στερεή κατάσταση. Σε αυτή την κατάσταση, η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων μιας ουσίας είναι συγκρίσιμη με το μέγεθος των ίδιων των σωματιδίων, γεγονός που εξασφαλίζει την ισχυρή αλληλεπίδρασή τους και μια σημαντική περίσσεια της δυναμικής τους ενέργειας έναντι της κινητικής ενέργειας. Αυτό οδηγεί σε εσωτερική τάξη στη διάταξη των σωματιδίων. Επομένως, τα στερεά χαρακτηρίζονται από το δικό τους σχήμα, μηχανική αντοχή, σταθερό όγκο (πρακτικά είναι ασυμπίεστα). Ανάλογα με τον βαθμό ταξινόμησης των σωματιδίων, τα στερεά χωρίζονται σε κρυσταλλική και άμορφη.

Οι κρυσταλλικές ουσίες χαρακτηρίζονται από την παρουσία τάξης στη διάταξη όλων των σωματιδίων. Η στερεά φάση των κρυσταλλικών ουσιών αποτελείται από σωματίδια που σχηματίζουν μια ομοιογενή δομή, που χαρακτηρίζεται από αυστηρή επαναληψιμότητα της ίδιας μονάδας κυψέλης προς όλες τις κατευθύνσεις. Το στοιχειώδες στοιχείο ενός κρυστάλλου χαρακτηρίζει μια τρισδιάστατη περιοδικότητα στη διάταξη των σωματιδίων, δηλ. το κρυστάλλινο πλέγμα του. Τα κρυσταλλικά πλέγματα ταξινομούνται ανάλογα με τον τύπο των σωματιδίων που αποτελούν τον κρύσταλλο και τη φύση των ελκτικών δυνάμεων μεταξύ τους.

Πολλές κρυσταλλικές ουσίες, ανάλογα με τις συνθήκες (θερμοκρασία, πίεση), μπορούν να έχουν διαφορετική κρυσταλλική δομή. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται πολυμορφισμός.Γνωστές πολυμορφικές τροποποιήσεις άνθρακα: γραφίτης, φουλερένιο, διαμάντι, καραμπίνα.

Άμορφες (άμορφες) ουσίες.Αυτή η κατάσταση είναι χαρακτηριστική για τα πολυμερή. Τα μακρά μόρια λυγίζουν εύκολα και συμπλέκονται με άλλα μόρια, γεγονός που οδηγεί σε ανωμαλίες στη διάταξη των σωματιδίων.

Η διαφορά μεταξύ άμορφων και κρυσταλλικών σωματιδίων:

ισοτροπία - η ομοιότητα των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων ενός σώματος ή μέσου προς όλες τις κατευθύνσεις, δηλ. ανεξαρτησία των ιδιοκτησιών από την κατεύθυνση·

χωρίς σταθερό σημείο τήξης.

Το γυαλί, ο λιωμένος χαλαζίας και πολλά πολυμερή έχουν άμορφη δομή. Οι άμορφες ουσίες είναι λιγότερο σταθερές από τις κρυσταλλικές, και επομένως κάθε άμορφο σώμα μπορεί τελικά να μετακινηθεί σε μια ενεργειακά πιο σταθερή κατάσταση - μια κρυσταλλική.

υγρή κατάσταση

Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η ενέργεια των θερμικών δονήσεων των σωματιδίων αυξάνεται και για κάθε ουσία υπάρχει μια θερμοκρασία, από την οποία η ενέργεια των θερμικών δονήσεων υπερβαίνει την ενέργεια των δεσμών. Τα σωματίδια μπορούν να εκτελούν διάφορες κινήσεις, μετατοπίζοντας το ένα σε σχέση με το άλλο. Παραμένουν ακόμα σε επαφή, αν και παραβιάζεται η σωστή γεωμετρική δομή των σωματιδίων - η ουσία υπάρχει σε υγρή κατάσταση. Λόγω της κινητικότητας των σωματιδίων, η υγρή κατάσταση χαρακτηρίζεται από κίνηση Brown, διάχυση και πτητότητα των σωματιδίων. Μια σημαντική ιδιότητα ενός υγρού είναι το ιξώδες, το οποίο χαρακτηρίζει τις διασυνδετικές δυνάμεις που εμποδίζουν την ελεύθερη ροή ενός υγρού.

Τα υγρά καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ της αέριας και της στερεάς κατάστασης της ύλης. Πιο τακτοποιημένη δομή από ένα αέριο, αλλά λιγότερο από ένα στερεό.

Ατμοί και αέριες καταστάσεις

Η ατμοαέρια κατάσταση συνήθως δεν διακρίνεται.

Αέριο - είναι ένα εξαιρετικά σπάνιο ομοιογενές σύστημα, που αποτελείται από μεμονωμένα μόρια που βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους, τα οποία μπορούν να θεωρηθούν ως μια ενιαία δυναμική φάση.

ατμός - Αυτό είναι ένα ανομοιογενές σύστημα υψηλής εκφόρτισης, το οποίο είναι ένα μείγμα μορίων και ασταθών μικρών συνεργατών που αποτελείται από αυτά τα μόρια.

Η μοριακή-κινητική θεωρία εξηγεί τις ιδιότητες ενός ιδανικού αερίου, με βάση τις ακόλουθες διατάξεις: τα μόρια κάνουν μια συνεχή τυχαία κίνηση. ο όγκος των μορίων αερίου είναι αμελητέος σε σύγκριση με τις διαμοριακές αποστάσεις. Δεν υπάρχουν ελκτικές ή απωστικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων αερίου. η μέση κινητική ενέργεια των μορίων του αερίου είναι ανάλογη της απόλυτης θερμοκρασίας του. Λόγω της ασημαντότητας των δυνάμεων της διαμοριακής αλληλεπίδρασης και της παρουσίας μεγάλου ελεύθερου όγκου, τα αέρια χαρακτηρίζονται από: υψηλό ρυθμό θερμικής κίνησης και μοριακής διάχυσης, επιθυμία των μορίων να καταλαμβάνουν όσο το δυνατόν περισσότερο όγκο, καθώς και υψηλό συμπιεστό.

Ένα απομονωμένο σύστημα αέριας φάσης χαρακτηρίζεται από τέσσερις παραμέτρους: πίεση, θερμοκρασία, όγκος, ποσότητα ουσίας. Η σχέση μεταξύ αυτών των παραμέτρων περιγράφεται από την εξίσωση κατάστασης για ένα ιδανικό αέριο:

R = 8,31 kJ/mol είναι η καθολική σταθερά αερίου.

συγκεντρωτικά κράτη. Υγρά. Φάσεις στη θερμοδυναμική. Μεταβάσεις φάσεων.

Διάλεξη 1.16

Όλες οι ουσίες μπορούν να υπάρχουν σε τρεις καταστάσεις συσσωμάτωσης - στερεό, υγρόΚαι αεριώδης. Οι μεταβάσεις μεταξύ τους συνοδεύονται από μια απότομη αλλαγή σε μια σειρά από φυσικές ιδιότητες (πυκνότητα, θερμική αγωγιμότητα κ.λπ.).

Η κατάσταση συσσωμάτωσης εξαρτάται από τις φυσικές συνθήκες στις οποίες βρίσκεται η ουσία. Η ύπαρξη πολλών καταστάσεων συσσωμάτωσης σε μια ουσία οφείλεται σε διαφορές στη θερμική κίνηση των μορίων της (ατόμων) και στην αλληλεπίδρασή τους κάτω από διαφορετικές συνθήκες.

Αέριο- κατάσταση συσσωμάτωσης μιας ουσίας στην οποία τα σωματίδια δεν δεσμεύονται ή δεσμεύονται πολύ ασθενώς από δυνάμεις αλληλεπίδρασης. η κινητική ενέργεια της θερμικής κίνησης των σωματιδίων του (μόρια, άτομα) υπερβαίνει σημαντικά τη δυναμική ενέργεια των αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους, έτσι τα σωματίδια κινούνται σχεδόν ελεύθερα, γεμίζοντας πλήρως το δοχείο στο οποίο βρίσκονται και παίρνουν το σχήμα του. Στην αέρια κατάσταση, η ύλη δεν έχει ούτε δικό της όγκο ούτε δικό της σχήμα. Οποιαδήποτε ουσία μπορεί να μετατραπεί σε αέρια κατάσταση αλλάζοντας την πίεση και τη θερμοκρασία.

Υγρό- η κατάσταση συσσωμάτωσης μιας ουσίας, ενδιάμεσης μεταξύ στερεού και αερίου. Χαρακτηρίζεται από υψηλή κινητικότητα σωματιδίων και μικρό ελεύθερο χώρο μεταξύ τους. Αυτό κάνει τα υγρά να διατηρούν τον όγκο τους και να παίρνουν το σχήμα αγγείου. Σε ένα υγρό, τα μόρια είναι πολύ κοντά το ένα στο άλλο. Επομένως, η πυκνότητα ενός υγρού είναι πολύ μεγαλύτερη από την πυκνότητα των αερίων (σε κανονική πίεση). Οι ιδιότητες ενός υγρού είναι ίδιες (ισότροπες) προς όλες τις κατευθύνσεις, με εξαίρεση τους υγρούς κρυστάλλους. Όταν θερμαίνεται ή μειώνεται η πυκνότητα, οι ιδιότητες ενός υγρού, η θερμική αγωγιμότητα, το ιξώδες αλλάζουν, κατά κανόνα, προς την κατεύθυνση της σύγκλισης με τις ιδιότητες των αερίων.

Η θερμική κίνηση των υγρών μορίων αποτελείται από έναν συνδυασμό συλλογικών ταλαντωτικών κινήσεων και περιστασιακών αλμάτων μορίων από τη μια θέση ισορροπίας στην άλλη.

Στερεά (κρυσταλλικά) σώματα- αθροιστική κατάσταση της ύλης, που χαρακτηρίζεται από τη σταθερότητα της μορφής και τη φύση της θερμικής κίνησης των ατόμων. Αυτή η κίνηση είναι οι δονήσεις των ατόμων (ή ιόντων) που συνθέτουν ένα στερεό σώμα. Το πλάτος της δόνησης είναι συνήθως μικρό σε σύγκριση με τις διατομικές αποστάσεις.

Ιδιότητες υγρών.

Τα μόρια μιας ουσίας σε υγρή κατάσταση βρίσκονται σχεδόν κοντά το ένα στο άλλο. Σε αντίθεση με τα στερεά κρυσταλλικά σώματα, στα οποία τα μόρια σχηματίζουν διατεταγμένες δομές σε όλο τον όγκο του κρυστάλλου και μπορούν να εκτελούν θερμικές δονήσεις γύρω από σταθερά κέντρα, τα υγρά μόρια έχουν μεγαλύτερη ελευθερία. Κάθε μόριο ενός υγρού, όπως και σε ένα στερεό σώμα, «σφίγγει» από όλες τις πλευρές από γειτονικά μόρια και εκτελεί θερμικές δονήσεις γύρω από μια ορισμένη θέση ισορροπίας. Ωστόσο, από καιρό σε καιρό οποιοδήποτε μόριο μπορεί να μετακινηθεί σε μια κοντινή κενή θέση. Τέτοια άλματα σε υγρά συμβαίνουν αρκετά συχνά. Επομένως, τα μόρια δεν συνδέονται με ορισμένα κέντρα, όπως στους κρυστάλλους, και μπορούν να κινηθούν σε όλο τον όγκο του υγρού. Αυτό εξηγεί τη ρευστότητα των υγρών. Λόγω της ισχυρής αλληλεπίδρασης μεταξύ μορίων σε κοντινή απόσταση, μπορούν να σχηματίσουν τοπικές (ασταθές) διατεταγμένες ομάδες που περιέχουν πολλά μόρια. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται παραγγελία μικρής εμβέλειας.

Λόγω της πυκνής συσσώρευσης των μορίων, η συμπιεστότητα των υγρών, δηλαδή η μεταβολή του όγκου με την αλλαγή της πίεσης, είναι πολύ μικρή. είναι δεκάδες και εκατοντάδες χιλιάδες φορές λιγότερο από ό,τι στα αέρια. Για παράδειγμα, για να αλλάξετε τον όγκο του νερού κατά 1%, πρέπει να αυξήσετε την πίεση κατά περίπου 200 φορές. Μια τέτοια αύξηση της πίεσης σε σύγκριση με την ατμοσφαιρική πίεση επιτυγχάνεται σε βάθος περίπου 2 km.

Τα υγρά, όπως και τα στερεά, αλλάζουν τον όγκο τους με την αλλαγή της θερμοκρασίας. Για όχι πολύ μεγάλα εύρη θερμοκρασίας, η σχετική μεταβολή όγκου Δ V / VΤο 0 είναι ανάλογο της μεταβολής της θερμοκρασίας Δ Τ:

Ο συντελεστής β ονομάζεται συντελεστής διαστολής θερμοκρασίας. Αυτός ο συντελεστής για τα υγρά είναι δέκα φορές μεγαλύτερος από ότι για τα στερεά. Για νερό, για παράδειγμα, σε θερμοκρασία 20 ° C β σε ≈ 2 10 -4 K -1, για χάλυβα - β st ≈ 3,6 10 -5 K -1, για γυαλί χαλαζία - β kv ≈ 9 10 - 6 K –1.

Η θερμική διαστολή του νερού έχει μια ενδιαφέρουσα και σημαντική ανωμαλία για τη ζωή στη Γη. Σε θερμοκρασίες κάτω των 4 °C, το νερό διαστέλλεται με φθίνουσα θερμοκρασία (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

Όταν το νερό παγώνει, διαστέλλεται, οπότε ο πάγος παραμένει να επιπλέει στην επιφάνεια του παγωμένου σώματος του νερού. Η θερμοκρασία του παγωμένου νερού κάτω από τον πάγο είναι 0°C. Σε πιο πυκνά στρώματα νερού κοντά στον πυθμένα της δεξαμενής, η θερμοκρασία είναι περίπου 4 °C. Χάρη σε αυτό, μπορεί να υπάρχει ζωή στο νερό των δεξαμενών κατάψυξης.

Το πιο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό των υγρών είναι η παρουσία τους ελεύθερη επιφάνεια. Το υγρό, σε αντίθεση με τα αέρια, δεν γεμίζει ολόκληρο τον όγκο του δοχείου στο οποίο χύνεται. Μεταξύ του υγρού και του αερίου (ή ατμού) σχηματίζεται μια διεπαφή, η οποία βρίσκεται σε ειδικές συνθήκες σε σύγκριση με την υπόλοιπη μάζα του υγρού. Τα μόρια στο οριακό στρώμα ενός υγρού, σε αντίθεση με τα μόρια στο βάθος του, δεν περιβάλλονται από άλλα μόρια του ίδιου υγρού από όλες τις πλευρές. Οι δυνάμεις της διαμοριακής αλληλεπίδρασης που δρουν σε ένα από τα μόρια μέσα στο υγρό από τα γειτονικά μόρια αντισταθμίζονται, κατά μέσο όρο, αμοιβαία. Οποιοδήποτε μόριο στο οριακό στρώμα έλκεται από μόρια μέσα στο υγρό (οι δυνάμεις που ασκούνται σε ένα δεδομένο μόριο του υγρού από τα μόρια αερίου (ή ατμού) μπορούν να παραμεληθούν). Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται κάποια προκύπτουσα δύναμη, που κατευθύνεται βαθιά μέσα στο υγρό. Τα επιφανειακά μόρια έλκονται στο υγρό από τις δυνάμεις της διαμοριακής έλξης. Αλλά όλα τα μόρια, συμπεριλαμβανομένων εκείνων του οριακού στρώματος, πρέπει να βρίσκονται σε κατάσταση ισορροπίας. Αυτή η ισορροπία επιτυγχάνεται λόγω κάποιας μείωσης της απόστασης μεταξύ των μορίων του επιφανειακού στρώματος και των πλησιέστερων γειτόνων τους μέσα στο υγρό. Όταν η απόσταση μεταξύ των μορίων μειώνεται, δημιουργούνται απωστικές δυνάμεις. Αν η μέση απόσταση μεταξύ των μορίων μέσα σε ένα υγρό είναι r 0 , τότε τα μόρια της επιφανειακής στιβάδας συσκευάζονται κάπως πιο πυκνά και επομένως έχουν ένα επιπλέον απόθεμα δυναμικής ενέργειας σε σύγκριση με τα εσωτερικά μόρια. Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι, λόγω της εξαιρετικά χαμηλής συμπιεστότητας, η παρουσία μιας πιο πυκνής επιφανειακής στρώσης δεν οδηγεί σε αξιοσημείωτη αλλαγή στον όγκο του υγρού. Εάν το μόριο μετακινηθεί από την επιφάνεια στο υγρό, οι δυνάμεις της διαμοριακής αλληλεπίδρασης θα κάνουν θετική εργασία. Αντίθετα, για να τραβήξετε μερικά μόρια από το βάθος του υγρού στην επιφάνεια (δηλαδή να αυξήσετε την επιφάνεια του υγρού), εξωτερικές δυνάμειςπρέπει να κάνει καλή δουλειά ΕΝΑεξωτερική, ανάλογη με τη μεταβολή Δ μικρόεπιφάνεια:

Ο συντελεστής σ ονομάζεται συντελεστής επιφανειακής τάσης (σ > 0). Έτσι, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης είναι ίσος με το έργο που απαιτείται για την αύξηση της επιφάνειας ενός υγρού σε σταθερή θερμοκρασία κατά μία μονάδα.

Στο SI, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης μετράται σε τζάουλ ανά μετρητήςτετράγωνο (J / m 2) ή σε νιούτον ανά μέτρο (1 N / m = 1 J / m 2).

Κατά συνέπεια, τα μόρια της επιφανειακής στιβάδας του υγρού έχουν περίσσεια σε σύγκριση με τα μόρια μέσα στο υγρό δυναμική ενέργεια. Δυναμική ενέργεια μιΤο p της υγρής επιφάνειας είναι ανάλογο με το εμβαδόν της: (1.16.1)

Είναι γνωστό από τη μηχανική ότι οι καταστάσεις ισορροπίας ενός συστήματος αντιστοιχούν στην ελάχιστη τιμή της δυναμικής του ενέργειας. Από αυτό προκύπτει ότι η ελεύθερη επιφάνεια του υγρού τείνει να μειώσει την έκτασή της. Για το λόγο αυτό, μια ελεύθερη σταγόνα υγρού παίρνει σφαιρικό σχήμα. Το ρευστό συμπεριφέρεται σαν δυνάμεις να δρουν εφαπτομενικά στην επιφάνειά του, μειώνοντας (συστέλλοντας) αυτήν την επιφάνεια. Αυτές οι δυνάμεις ονομάζονται δυνάμεις επιφανειακής τάσης.

Η παρουσία δυνάμεων επιφανειακής τάσης κάνει την επιφάνεια του υγρού να μοιάζει με ελαστική τεντωμένη μεμβράνη, με τη μόνη διαφορά ότι οι ελαστικές δυνάμεις στο φιλμ εξαρτώνται από το εμβαδόν της επιφάνειάς του (δηλαδή από το πώς παραμορφώνεται το φιλμ) και οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης δεν εξαρτώνται από τα υγρά της επιφάνειας.

Οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης τείνουν να συντομεύουν την επιφάνεια του φιλμ. Επομένως, μπορούμε να γράψουμε: (1.16.2)

Έτσι, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης σ μπορεί να οριστεί ως ο συντελεστής της δύναμης επιφανειακής τάσης που ενεργεί ανά μονάδα μήκους της γραμμής που οριοθετεί την επιφάνεια ( μεγάλοείναι το μήκος αυτής της γραμμής).

Λόγω της δράσης των δυνάμεων επιφανειακής τάσης σε σταγόνες υγρού και μέσα σε σαπουνόφουσκες, μια υπερβολική πίεση Δ Π. Αν κόψουμε νοερά μια σφαιρική πτώση ακτίνας Rσε δύο μισά, τότε το καθένα από αυτά πρέπει να βρίσκεται σε ισορροπία υπό την επίδραση δυνάμεων επιφανειακής τάσης που εφαρμόζονται στο όριο της τομής με μήκος 2π Rκαι δυνάμεις υπερπίεσης που δρουν στην περιοχή π R 2 ενότητες (Εικ.1.16.1). Η συνθήκη ισορροπίας γράφεται ως

Κοντά στο όριο μεταξύ ενός υγρού, ενός στερεού και ενός αερίου, το σχήμα της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού εξαρτάται από τις δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ μορίων υγρού και στερεών μορίων (η αλληλεπίδραση με μόρια αερίου (ή ατμού) μπορεί να παραμεληθεί). Αν αυτές οι δυνάμεις είναι μεγαλύτερες από τις δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων του ίδιου του υγρού, τότε το υγρό βρέχεταιτην επιφάνεια ενός στερεού σώματος. Στην περίπτωση αυτή, το υγρό πλησιάζει την επιφάνεια του στερεού σώματος σε κάποια οξεία γωνία θ, η οποία είναι χαρακτηριστική του δεδομένου ζεύγους υγρού-στερεού. Η γωνία θ ονομάζεται γωνία επαφής. Εάν οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των υγρών μορίων υπερβαίνουν τις δυνάμεις της αλληλεπίδρασής τους με τα στερεά μόρια, τότε η γωνία επαφής θ αποδεικνύεται αμβλεία (Εικ. 1.16.2 (2)). Σε αυτή την περίπτωση, το υγρό λέγεται ότι δεν βρέχεταιτην επιφάνεια ενός στερεού σώματος. Διαφορετικά (γωνιακό - οξύ) υγρό βρέχεταιεπιφάνεια (εικ.1.16.2(1)). Στο πλήρης διαβροχήθ = 0, στο πλήρης μη διαβροχήθ = 180°.

τριχοειδή φαινόμεναονομάζεται η άνοδος ή η πτώση του υγρού σε σωλήνες μικρής διαμέτρου - τριχοειδή. Τα υγρά διαβροχής ανεβαίνουν μέσω των τριχοειδών αγγείων, τα μη διαβρέχοντα υγρά κατεβαίνουν.

Το σχήμα 1.16.3 δείχνει έναν τριχοειδή σωλήνα ορισμένης ακτίνας rχαμηλώνεται από το κάτω άκρο σε υγρό διαβροχής πυκνότητας ρ. Το άνω άκρο του τριχοειδούς είναι ανοιχτό. Η άνοδος του υγρού στο τριχοειδές συνεχίζεται έως ότου η δύναμη της βαρύτητας που ασκεί η στήλη υγρού στο τριχοειδές γίνει ίση σε απόλυτη τιμή με την προκύπτουσα φά n δυνάμεις επιφανειακής τάσης που δρουν κατά μήκος του ορίου επαφής του υγρού με την επιφάνεια του τριχοειδούς: φά t = φά n, όπου φά t = mg = ρ ηπ r 2 σολ, φά n = σ2π r cos θ.

Αυτό υπονοεί:

Με πλήρη διαβροχή θ = 0, cos θ = 1. Στην περίπτωση αυτή

Με πλήρη μη διαβροχή, θ = 180°, cos θ = –1 και, επομένως, η < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Το νερό βρέχει σχεδόν εντελώς την καθαρή γυάλινη επιφάνεια. Αντίθετα, ο υδράργυρος δεν διαβρέχει εντελώς τη γυάλινη επιφάνεια. Επομένως, το επίπεδο του υδραργύρου στο γυάλινο τριχοειδές πέφτει κάτω από το επίπεδο στο δοχείο.

Η πιο διαδεδομένη γνώση είναι για τρεις καταστάσεις συσσωμάτωσης: υγρό, στερεό, αέριο, μερικές φορές σκέφτονται για πλάσμα, λιγότερο συχνά υγρό κρύσταλλο. Πρόσφατα, μια λίστα με 17 φάσεις της ύλης, βγαλμένη από τον διάσημο () Stephen Fry, διαδόθηκε στο Διαδίκτυο. Ως εκ τούτου, θα μιλήσουμε για αυτά με περισσότερες λεπτομέρειες, γιατί. θα πρέπει να γνωρίζει κανείς λίγο περισσότερα για την ύλη, έστω και μόνο για να κατανοήσει καλύτερα τις διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στο Σύμπαν.

Ο κατάλογος των αθροιστικών καταστάσεων της ύλης που δίνεται παρακάτω αυξάνεται από τις πιο κρύες καταστάσεις στην πιο καυτή και ούτω καθεξής. μπορεί να συνεχιστεί. Ταυτόχρονα, θα πρέπει να γίνει κατανοητό ότι από την αέρια κατάσταση (Νο. 11), ο πιο «διογκωμένος», και στις δύο πλευρές της λίστας, ο βαθμός συμπίεσης της ουσίας και η πίεσή της (με κάποιες επιφυλάξεις για τέτοια ανεξερεύνητα υποθετικές καταστάσεις ως κβαντικές, ακτίνες ή ασθενώς συμμετρικές) αυξάνονται.Μετά το κείμενο δίνεται ένα οπτικό γράφημα των μεταπτώσεων φάσης της ύλης.

1. Κβαντική- η κατάσταση συσσωμάτωσης της ύλης, που επιτυγχάνεται όταν η θερμοκρασία πέσει στο απόλυτο μηδέν, με αποτέλεσμα οι εσωτερικοί δεσμοί να εξαφανίζονται και η ύλη να θρυμματίζεται σε ελεύθερα κουάρκ.

2. Συμπύκνωμα Bose-Einstein- η αθροιστική κατάσταση της ύλης, η οποία βασίζεται σε μποζόνια που ψύχονται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (λιγότερο από ένα εκατομμυριοστό του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν). Σε μια τόσο έντονα ψυχρή κατάσταση, ένας αρκετά μεγάλος αριθμός ατόμων βρίσκονται στην ελάχιστη δυνατή κβαντική τους κατάσταση και τα κβαντικά φαινόμενα αρχίζουν να εκδηλώνονται σε μακροσκοπικό επίπεδο. Το συμπύκνωμα Bose-Einstein (συχνά αναφέρεται ως "συμπύκνωμα Bose" ή απλά "πίσω") εμφανίζεται όταν ψύχετε ένα χημικό στοιχείο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (συνήθως λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν, μείον 273 βαθμούς Κελσίου). , είναι η θεωρητική θερμοκρασία σε που όλα σταματούν να κινούνται).
Εδώ αρχίζουν να συμβαίνουν περίεργα πράγματα. Διεργασίες που συνήθως παρατηρούνται μόνο σε ατομικό επίπεδο συμβαίνουν τώρα σε κλίμακες αρκετά μεγάλες ώστε να παρατηρούνται με γυμνό μάτι. Για παράδειγμα, εάν βάλετε μια «πλάτη» σε ένα ποτήρι ζέσεως και παρέχετε την επιθυμητή θερμοκρασία, η ουσία θα αρχίσει να σέρνεται στον τοίχο και τελικά να βγει μόνη της.
Προφανώς, εδώ έχουμε να κάνουμε με μια μάταιη προσπάθεια της ύλης να μειώσει τη δική της ενέργεια (η οποία βρίσκεται ήδη στο χαμηλότερο από όλα τα δυνατά επίπεδα).
Η επιβράδυνση των ατόμων χρησιμοποιώντας ψυκτικό εξοπλισμό παράγει μια μοναδική κβαντική κατάσταση γνωστή ως συμπύκνωμα Bose ή Bose-Einstein. Αυτό το φαινόμενο είχε προβλεφθεί το 1925 από τον A. Einstein, ως αποτέλεσμα της γενίκευσης του έργου του S. Bose, όπου κατασκευάστηκε στατιστική μηχανική για σωματίδια, που κυμαίνονταν από φωτόνια χωρίς μάζα έως άτομα με μάζα (χειρόγραφο του Einstein, το οποίο θεωρήθηκε χαμένο, βρέθηκε στη βιβλιοθήκη του Πανεπιστημίου του Λέιντεν το 2005). Το αποτέλεσμα των προσπαθειών του Bose και του Einstein ήταν η έννοια του Bose για ένα αέριο που υπακούει στις στατιστικές Bose-Einstein, το οποίο περιγράφει τη στατιστική κατανομή πανομοιότυπων σωματιδίων με ακέραιο σπιν, που ονομάζονται μποζόνια. Τα μποζόνια, τα οποία είναι, για παράδειγμα, και μεμονωμένα στοιχειώδη σωματίδια - φωτόνια, και ολόκληρα άτομα, μπορούν να βρίσκονται μεταξύ τους στις ίδιες κβαντικές καταστάσεις. Ο Αϊνστάιν πρότεινε ότι η ψύξη των ατόμων - μποζονίων σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, θα τα έκανε να πάνε (ή, με άλλα λόγια, να συμπυκνωθούν) στη χαμηλότερη δυνατή κβαντική κατάσταση. Το αποτέλεσμα μιας τέτοιας συμπύκνωσης θα είναι η εμφάνιση μιας νέας μορφής ύλης.
Αυτή η μετάβαση συμβαίνει κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία, η οποία είναι για ένα ομοιογενές τρισδιάστατο αέριο που αποτελείται από μη αλληλεπιδρώντα σωματίδια χωρίς εσωτερικούς βαθμούς ελευθερίας.

3. Φερμιονικό συμπύκνωμα- η κατάσταση συσσωμάτωσης μιας ουσίας, παρόμοια με το υπόστρωμα, αλλά με διαφορετική δομή. Όταν πλησιάζουν το απόλυτο μηδέν, τα άτομα συμπεριφέρονται διαφορετικά ανάλογα με το μέγεθος της δικής τους γωνιακής ορμής (σπιν). Τα μποζόνια έχουν ακέραιες περιστροφές, ενώ τα φερμιόνια έχουν σπιν που είναι πολλαπλάσια του 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Τα φερμιόνια υπακούουν στην αρχή αποκλεισμού Pauli, η οποία δηλώνει ότι δύο φερμιόνια δεν μπορούν να έχουν την ίδια κβαντική κατάσταση. Για τα μποζόνια, δεν υπάρχει τέτοια απαγόρευση, και επομένως έχουν την ευκαιρία να υπάρχουν σε μια κβαντική κατάσταση και έτσι να σχηματίσουν το λεγόμενο συμπύκνωμα Bose-Einstein. Η διαδικασία σχηματισμού αυτού του συμπυκνώματος είναι υπεύθυνη για τη μετάβαση στην υπεραγώγιμη κατάσταση.
Τα ηλεκτρόνια έχουν σπιν 1/2 και επομένως είναι φερμιόνια. Συνδυάζονται σε ζεύγη (τα λεγόμενα ζεύγη Cooper), τα οποία στη συνέχεια σχηματίζουν ένα συμπύκνωμα Bose.
Αμερικανοί επιστήμονες προσπάθησαν να αποκτήσουν ένα είδος μορίου από άτομα φερμιονίων με βαθιά ψύξη. Η διαφορά από τα πραγματικά μόρια ήταν ότι δεν υπήρχε χημικός δεσμός μεταξύ των ατόμων - απλώς κινούνταν μαζί με συσχετισμένο τρόπο. Ο δεσμός μεταξύ των ατόμων αποδείχθηκε ακόμη ισχυρότερος από ό,τι μεταξύ των ηλεκτρονίων στα ζεύγη Cooper. Για τα ζεύγη φερμιονίων που σχηματίζονται, το συνολικό σπιν δεν είναι πλέον πολλαπλάσιο του 1/2, επομένως, συμπεριφέρονται ήδη σαν μποζόνια και μπορούν να σχηματίσουν ένα συμπύκνωμα Bose με μία μόνο κβαντική κατάσταση. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, ένα αέριο ατόμων καλίου-40 ψύχθηκε σε 300 νανοκελβίνες, ενώ το αέριο ήταν εγκλεισμένο σε μια λεγόμενη οπτική παγίδα. Στη συνέχεια εφαρμόστηκε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, με τη βοήθεια του οποίου ήταν δυνατό να αλλάξει η φύση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ατόμων - αντί για ισχυρή απώθηση, άρχισε να παρατηρείται ισχυρή έλξη. Κατά την ανάλυση της επίδρασης του μαγνητικού πεδίου, ήταν δυνατό να βρεθεί μια τέτοια τιμή στην οποία τα άτομα άρχισαν να συμπεριφέρονται σαν ζεύγη ηλεκτρονίων Cooper. Στο επόμενο στάδιο του πειράματος, οι επιστήμονες προτείνουν να ληφθούν τα αποτελέσματα της υπεραγωγιμότητας για το φερμιονικό συμπύκνωμα.

4. Υπερρευστή ύλη- μια κατάσταση στην οποία η ουσία δεν έχει ουσιαστικά ιξώδες, και όταν ρέει, δεν υφίσταται τριβή με μια στερεή επιφάνεια. Συνέπεια αυτού είναι, για παράδειγμα, ένα τόσο ενδιαφέρον αποτέλεσμα όπως η πλήρης αυθόρμητη «έρπουσα» υπερρευστού ηλίου από το σκάφος κατά μήκος των τοιχωμάτων του ενάντια στη βαρύτητα. Φυσικά, δεν υπάρχει παραβίαση του νόμου της διατήρησης της ενέργειας εδώ. Ελλείψει δυνάμεων τριβής, μόνο δυνάμεις βαρύτητας δρουν στο ήλιο, δυνάμεις διατομικής αλληλεπίδρασης μεταξύ του ηλίου και των τοιχωμάτων του δοχείου και μεταξύ των ατόμων ηλίου. Έτσι, οι δυνάμεις της διατομικής αλληλεπίδρασης υπερβαίνουν όλες τις άλλες δυνάμεις μαζί. Ως αποτέλεσμα, το ήλιο τείνει να εξαπλώνεται όσο το δυνατόν περισσότερο σε όλες τις πιθανές επιφάνειες, και ως εκ τούτου «ταξιδεύει» κατά μήκος των τοιχωμάτων του αγγείου. Το 1938, ο Σοβιετικός επιστήμονας Pyotr Kapitsa απέδειξε ότι το ήλιο μπορεί να υπάρχει σε υπερρευστή κατάσταση.
Αξίζει να σημειωθεί ότι πολλές από τις ασυνήθιστες ιδιότητες του ηλίου είναι γνωστές εδώ και αρκετό καιρό. Ωστόσο, ακόμη και τα τελευταία χρόνια αυτό το χημικό στοιχείο μας «χαλάζει» με ενδιαφέροντα και απροσδόκητα αποτελέσματα. Έτσι, το 2004, ο Moses Chan και ο Eun-Syong Kim από το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια κέντρισαν το ενδιαφέρον του επιστημονικού κόσμου υποστηρίζοντας ότι είχαν καταφέρει να αποκτήσουν μια εντελώς νέα κατάσταση ηλίου - ένα υπερρευστό στερεό. Σε αυτή την κατάσταση, μερικά άτομα ηλίου στο κρυσταλλικό πλέγμα μπορούν να ρέουν γύρω από άλλα και έτσι το ήλιο μπορεί να ρέει μέσα από τον εαυτό του. Η επίδραση της «υπερσκληρότητας» είχε προβλεφθεί θεωρητικά το 1969. Και το 2004 - σαν πειραματική επιβεβαίωση. Ωστόσο, μεταγενέστερα και πολύ περίεργα πειράματα έδειξαν ότι όλα δεν είναι τόσο απλά, και ίσως μια τέτοια ερμηνεία του φαινομένου, που προηγουμένως είχε ληφθεί για την υπερρευστότητα του στερεού ηλίου, να είναι εσφαλμένη.
Το πείραμα των επιστημόνων με επικεφαλής τον Humphrey Maris από το Brown University των ΗΠΑ ήταν απλό και κομψό. Οι επιστήμονες τοποθέτησαν έναν δοκιμαστικό σωλήνα αναποδογυρισμένο σε μια κλειστή δεξαμενή υγρού ηλίου. Μέρος του ηλίου στον δοκιμαστικό σωλήνα και στη δεξαμενή ήταν παγωμένο με τέτοιο τρόπο ώστε το όριο μεταξύ υγρού και στερεού μέσα στον δοκιμαστικό σωλήνα ήταν υψηλότερο από ό,τι στη δεξαμενή. Με άλλα λόγια, υπήρχε υγρό ήλιο στο πάνω μέρος του δοκιμαστικού σωλήνα και στερεό ήλιο στο κάτω μέρος, περνούσε ομαλά στη στερεά φάση της δεξαμενής, πάνω από την οποία χύθηκε λίγο υγρό ήλιο - χαμηλότερα από τη στάθμη του υγρού. στον δοκιμαστικό σωλήνα. Εάν το υγρό ήλιο άρχιζε να διαρρέει στερεό, τότε η διαφορά στάθμης θα μειωνόταν και τότε μπορούμε να μιλάμε για στερεό υπερρευστό ήλιο. Και καταρχήν, σε τρία από τα 13 πειράματα, η διαφορά επιπέδου πράγματι μειώθηκε.

5. Υπερσκληρή ύλη- μια κατάσταση συσσωμάτωσης στην οποία η ύλη είναι διαφανής και μπορεί να «ρέει» σαν υγρό, αλλά στην πραγματικότητα στερείται ιξώδους. Τέτοια υγρά είναι γνωστά εδώ και πολλά χρόνια και ονομάζονται υπερρευστά. Γεγονός είναι ότι αν το υπερρευστό αναδευτεί, θα κυκλοφορεί σχεδόν για πάντα, ενώ το κανονικό υγρό τελικά θα ηρεμήσει. Τα δύο πρώτα υπερρευστά δημιουργήθηκαν από ερευνητές χρησιμοποιώντας ήλιο-4 και ήλιο-3. Ψύχθηκαν σχεδόν στο απόλυτο μηδέν - στους μείον 273 βαθμούς Κελσίου. Και από το ήλιο-4, Αμερικανοί επιστήμονες κατάφεραν να αποκτήσουν ένα υπερσκληρό σώμα. Συμπίεσαν το παγωμένο ήλιο με πίεση περισσότερες από 60 φορές και στη συνέχεια το γυαλί γεμάτο με την ουσία τοποθετήθηκε σε έναν περιστρεφόμενο δίσκο. Σε θερμοκρασία 0,175 βαθμών Κελσίου, ο δίσκος άρχισε ξαφνικά να περιστρέφεται πιο ελεύθερα, κάτι που, σύμφωνα με τους επιστήμονες, δείχνει ότι το ήλιο έχει γίνει υπερσώμα.

6. Στερεό- η κατάσταση συσσωμάτωσης της ύλης, που χαρακτηρίζεται από τη σταθερότητα της μορφής και τη φύση της θερμικής κίνησης των ατόμων, που κάνουν μικρές δονήσεις γύρω από τις θέσεις ισορροπίας. Η σταθερή κατάσταση των στερεών είναι κρυσταλλική. Τα στερεά διακρίνονται με ιοντικούς, ομοιοπολικούς, μεταλλικούς και άλλους τύπους δεσμών μεταξύ των ατόμων, γεγονός που καθορίζει την ποικιλία των φυσικών τους ιδιοτήτων. Οι ηλεκτρικές και κάποιες άλλες ιδιότητες των στερεών καθορίζονται κυρίως από τη φύση της κίνησης των εξωτερικών ηλεκτρονίων των ατόμων τους. Σύμφωνα με τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες, τα στερεά χωρίζονται σε διηλεκτρικά, ημιαγωγούς και μέταλλα· ανάλογα με τις μαγνητικές τους ιδιότητες, χωρίζονται σε διαμαγνήτες, παραμαγνήτες και σώματα με διατεταγμένη μαγνητική δομή. Οι έρευνες των ιδιοτήτων των στερεών έχουν ενωθεί σε ένα μεγάλο πεδίο - τη φυσική στερεάς κατάστασης, η ανάπτυξη του οποίου διεγείρεται από τις ανάγκες της τεχνολογίας.

7. Άμορφο στερεό- μια συμπυκνωμένη κατάσταση συσσωμάτωσης μιας ουσίας, που χαρακτηρίζεται από την ισοτροπία των φυσικών ιδιοτήτων λόγω της διαταραγμένης διάταξης ατόμων και μορίων. Στα άμορφα στερεά, τα άτομα δονούνται γύρω από τυχαία σημεία. Σε αντίθεση με την κρυσταλλική κατάσταση, η μετάβαση από ένα στερεό άμορφο σε υγρό συμβαίνει σταδιακά. Διάφορες ουσίες βρίσκονται σε άμορφη κατάσταση: γυαλιά, ρητίνες, πλαστικά κ.λπ.

8. Υγρός κρύσταλλος- αυτή είναι μια συγκεκριμένη κατάσταση συσσωμάτωσης μιας ουσίας στην οποία εμφανίζει ταυτόχρονα τις ιδιότητες ενός κρυστάλλου και ενός υγρού. Πρέπει να κάνουμε αμέσως επιφύλαξη ότι δεν μπορούν όλες οι ουσίες να βρίσκονται σε κατάσταση υγρών κρυστάλλων. Ωστόσο, ορισμένες οργανικές ουσίες με πολύπλοκα μόρια μπορούν να σχηματίσουν μια συγκεκριμένη κατάσταση συσσωμάτωσης - υγρό κρύσταλλο. Αυτή η κατάσταση πραγματοποιείται κατά την τήξη κρυστάλλων ορισμένων ουσιών. Όταν λιώνουν, σχηματίζεται μια υγροκρυσταλλική φάση, η οποία διαφέρει από τα συνηθισμένα υγρά. Αυτή η φάση υπάρχει στην περιοχή από τη θερμοκρασία τήξης του κρυστάλλου έως κάποια υψηλότερη θερμοκρασία, όταν θερμαίνεται στην οποία ο υγρός κρύσταλλος μετατρέπεται σε ένα συνηθισμένο υγρό.
Σε τι διαφέρει ένας υγρός κρύσταλλος από έναν υγρό και έναν συνηθισμένο κρύσταλλο και σε τι μοιάζει με αυτούς; Όπως ένα συνηθισμένο υγρό, ένας υγρός κρύσταλλος έχει ρευστότητα και παίρνει τη μορφή δοχείου στο οποίο τοποθετείται. Σε αυτό διαφέρει από τους γνωστούς σε όλους κρυστάλλους. Ωστόσο, παρά αυτή την ιδιότητα, που το ενώνει με ένα υγρό, έχει μια ιδιότητα χαρακτηριστική των κρυστάλλων. Αυτή είναι η διάταξη στο χώρο των μορίων που σχηματίζουν τον κρύσταλλο. Είναι αλήθεια ότι αυτή η παραγγελία δεν είναι τόσο πλήρης όσο στους συνηθισμένους κρυστάλλους, αλλά, ωστόσο, επηρεάζει σημαντικά τις ιδιότητες των υγρών κρυστάλλων, γεγονός που τους διακρίνει από τα συνηθισμένα υγρά. Η ατελής χωρική διάταξη των μορίων που σχηματίζουν έναν υγρό κρύσταλλο εκδηλώνεται στο γεγονός ότι στους υγρούς κρυστάλλους δεν υπάρχει πλήρης τάξη στη χωρική διάταξη των κέντρων βάρους των μορίων, αν και μπορεί να υπάρχει μερική τάξη. Αυτό σημαίνει ότι δεν έχουν άκαμπτο κρυσταλλικό πλέγμα. Επομένως, οι υγροί κρύσταλλοι, όπως και τα συνηθισμένα υγρά, έχουν την ιδιότητα της ρευστότητας.
Μια υποχρεωτική ιδιότητα των υγρών κρυστάλλων, που τους φέρνει πιο κοντά στους συνηθισμένους κρυστάλλους, είναι η παρουσία μιας τάξης στον χωρικό προσανατολισμό των μορίων. Μια τέτοια σειρά προσανατολισμού μπορεί να εκδηλωθεί, για παράδειγμα, στο γεγονός ότι όλοι οι μεγάλοι άξονες μορίων σε ένα δείγμα υγρών κρυστάλλων είναι προσανατολισμένοι με τον ίδιο τρόπο. Αυτά τα μόρια πρέπει να έχουν επίμηκες σχήμα. Εκτός από την απλούστερη ονομαστική διάταξη των αξόνων των μορίων, μια πιο σύνθετη προσανατολιστική σειρά μορίων μπορεί να πραγματοποιηθεί σε έναν υγρό κρύσταλλο.
Ανάλογα με τον τύπο της διάταξης των μοριακών αξόνων, οι υγροί κρύσταλλοι χωρίζονται σε τρεις τύπους: νηματικούς, σμηκτικούς και χοληστερικούς.
Η έρευνα για τη φυσική των υγρών κρυστάλλων και τις εφαρμογές τους διεξάγεται αυτή τη στιγμή σε ευρύ μέτωπο σε όλες τις πιο ανεπτυγμένες χώρες του κόσμου. Η εγχώρια έρευνα συγκεντρώνεται τόσο σε ακαδημαϊκά όσο και σε βιομηχανικά ερευνητικά ιδρύματα και έχει μακρά παράδοση. Τα έργα του Β.Κ. Frederiks προς V.N. Τσβέτκοβα. Τα τελευταία χρόνια, με την ταχεία μελέτη των υγρών κρυστάλλων, Ρώσοι ερευνητές συμβάλλουν επίσης σημαντικά στην ανάπτυξη της θεωρίας των υγρών κρυστάλλων γενικά και, ειδικότερα, της οπτικής των υγρών κρυστάλλων. Έτσι, τα έργα του I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, Α.Ε. Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Ο Blinov και πολλοί άλλοι Σοβιετικοί ερευνητές είναι ευρέως γνωστοί στην επιστημονική κοινότητα και χρησιμεύουν ως το θεμέλιο για μια σειρά αποτελεσματικών τεχνικών εφαρμογών υγρών κρυστάλλων.
Η ύπαρξη υγρών κρυστάλλων διαπιστώθηκε πολύ καιρό πριν, δηλαδή το 1888, δηλαδή σχεδόν πριν από έναν αιώνα. Αν και οι επιστήμονες είχαν αντιμετωπίσει αυτή την κατάσταση της ύλης πριν από το 1888, ανακαλύφθηκε επίσημα αργότερα.
Ο πρώτος που ανακάλυψε υγρούς κρυστάλλους ήταν ο Αυστριακός βοτανολόγος Reinitzer. Ερευνώντας τη νέα ουσία βενζοϊκή χοληστερόλη που συνέθεσε, διαπίστωσε ότι σε θερμοκρασία 145 ° C, οι κρύσταλλοι αυτής της ουσίας λιώνουν, σχηματίζοντας ένα θολό υγρό που διασκορπίζει έντονα το φως. Με τη συνεχή θέρμανση, όταν φτάσει σε θερμοκρασία 179 ° C, το υγρό γίνεται διαυγές, δηλαδή αρχίζει να συμπεριφέρεται οπτικά σαν ένα συνηθισμένο υγρό, όπως το νερό. Το βενζοϊκό χοληστερύλιο έδειξε απροσδόκητες ιδιότητες στη θολή φάση. Εξετάζοντας αυτή τη φάση κάτω από ένα πολωτικό μικροσκόπιο, ο Reinitzer διαπίστωσε ότι έχει διπλή διάθλαση. Αυτό σημαίνει ότι ο δείκτης διάθλασης του φωτός, δηλαδή η ταχύτητα του φωτός σε αυτή τη φάση, εξαρτάται από την πόλωση.

9. Υγρό- η κατάσταση συσσωμάτωσης μιας ουσίας, που συνδυάζει τα χαρακτηριστικά μιας στερεής κατάστασης (διατήρηση όγκου, μια ορισμένη αντοχή εφελκυσμού) και μια αέρια κατάσταση (μεταβλητότητα σχήματος). Ένα υγρό χαρακτηρίζεται από μια σειρά μικρής εμβέλειας στη διάταξη των σωματιδίων (μόρια, άτομα) και μια μικρή διαφορά στην κινητική ενέργεια της θερμικής κίνησης των μορίων και τη δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασής τους. Η θερμική κίνηση των μορίων του υγρού αποτελείται από ταλαντώσεις γύρω από θέσεις ισορροπίας και σχετικά σπάνια άλματα από τη μια θέση ισορροπίας στην άλλη, κάτι που σχετίζεται με τη ρευστότητα του υγρού.

10. Υπερκρίσιμο ρευστό(GFR) είναι η κατάσταση συσσωμάτωσης μιας ουσίας, στην οποία η διαφορά μεταξύ της υγρής και της αέριας φάσης εξαφανίζεται. Οποιαδήποτε ουσία σε θερμοκρασία και πίεση πάνω από το κρίσιμο σημείο είναι υπερκρίσιμο ρευστό. Οι ιδιότητες μιας ουσίας στην υπερκρίσιμη κατάσταση είναι ενδιάμεσες μεταξύ των ιδιοτήτων της στην αέρια και την υγρή φάση. Έτσι, το SCF έχει υψηλή πυκνότητα, κοντά στο υγρό, και χαμηλό ιξώδες, όπως τα αέρια. Ο συντελεστής διάχυσης σε αυτή την περίπτωση έχει μια ενδιάμεση τιμή μεταξύ υγρού και αερίου. Ουσίες σε υπερκρίσιμη κατάσταση μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υποκατάστατα των οργανικών διαλυτών σε εργαστηριακές και βιομηχανικές διεργασίες. Το υπερκρίσιμο νερό και το υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα έχουν λάβει το μεγαλύτερο ενδιαφέρον και κατανομή σε σχέση με ορισμένες ιδιότητες.
Μία από τις πιο σημαντικές ιδιότητες της υπερκρίσιμης κατάστασης είναι η ικανότητα διάλυσης ουσιών. Αλλάζοντας τη θερμοκρασία ή την πίεση του ρευστού, μπορεί κανείς να αλλάξει τις ιδιότητές του σε ένα ευρύ φάσμα. Έτσι, είναι δυνατό να ληφθεί ένα ρευστό του οποίου οι ιδιότητες είναι κοντά είτε σε υγρό είτε σε αέριο. Έτσι, η διαλυτική ισχύς ενός ρευστού αυξάνεται με την αύξηση της πυκνότητας (σε σταθερή θερμοκρασία). Δεδομένου ότι η πυκνότητα αυξάνεται με την αύξηση της πίεσης, η αλλαγή της πίεσης μπορεί να επηρεάσει τη διαλυτική ισχύ του ρευστού (σε σταθερή θερμοκρασία). Στην περίπτωση της θερμοκρασίας, η εξάρτηση των ιδιοτήτων του υγρού είναι κάπως πιο περίπλοκη - σε σταθερή πυκνότητα, η διαλυτική ισχύς του ρευστού αυξάνεται επίσης, αλλά κοντά στο κρίσιμο σημείο, μια ελαφρά αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να οδηγήσει σε απότομη πτώση της πυκνότητας. και, κατά συνέπεια, διαλυτική δύναμη. Τα υπερκρίσιμα ρευστά αναμειγνύονται μεταξύ τους επ' αόριστον, οπότε όταν φτάσει το κρίσιμο σημείο του μείγματος, το σύστημα θα είναι πάντα μονοφασικό. Η κατά προσέγγιση κρίσιμη θερμοκρασία ενός δυαδικού μείγματος μπορεί να υπολογιστεί ως ο αριθμητικός μέσος όρος των κρίσιμων παραμέτρων των ουσιών Tc(mix) = (μοριακό κλάσμα του A) x TcA + (μοριακό κλάσμα του B) x TcB.

11. Αέριο- (Γαλλικό gaz, από το ελληνικό χάος - χάος), η αθροιστική κατάσταση της ύλης στην οποία η κινητική ενέργεια της θερμικής κίνησης των σωματιδίων της (μόρια, άτομα, ιόντα) υπερβαίνει σημαντικά τη δυναμική ενέργεια των αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους και επομένως των σωματιδίων κινούνται ελεύθερα, συμπληρώνοντας ομοιόμορφα, ελλείψει εξωτερικών πεδίων, ολόκληρο τον τόμο που τους παρέχεται.

12. Πλάσμα- (από το ελληνικό πλάσμα - καλουπωμένο, διαμορφωμένο), κατάσταση ύλης, που είναι ιονισμένο αέριο, στην οποία οι συγκεντρώσεις θετικών και αρνητικών φορτίων είναι ίσες (οιονεί ουδετερότητα). Η συντριπτική πλειοψηφία της ύλης στο Σύμπαν βρίσκεται σε κατάσταση πλάσματος: αστέρια, γαλαξιακά νεφελώματα και το διαστρικό μέσο. Κοντά στη Γη, το πλάσμα υπάρχει με τη μορφή του ηλιακού ανέμου, της μαγνητόσφαιρας και της ιονόσφαιρας. Το πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας (T ~ 106 - 108 K) από ένα μείγμα δευτερίου και τριτίου διερευνάται με στόχο την εφαρμογή ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης. Το πλάσμα χαμηλής θερμοκρασίας (T Ј 105K) χρησιμοποιείται σε διάφορες συσκευές εκκένωσης αερίου (λέιζερ αερίου, συσκευές ιόντων, γεννήτριες MHD, πυρσούς πλάσματος, κινητήρες πλάσματος κ.λπ.), καθώς και στην τεχνολογία (βλέπε Μεταλλουργία πλάσματος, Διάτρηση πλάσματος, Τεχνολογία πλάσματος).

13. Εκφυλισμένη ύλη- είναι ένα ενδιάμεσο στάδιο μεταξύ πλάσματος και νετρονίου. Παρατηρείται σε λευκούς νάνους και παίζει σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη των άστρων. Όταν τα άτομα βρίσκονται σε συνθήκες εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων, χάνουν τα ηλεκτρόνια τους (πηγαίνουν σε ένα αέριο ηλεκτρονίων). Με άλλα λόγια, ιονίζονται πλήρως (πλάσμα). Η πίεση ενός τέτοιου αερίου (πλάσμα) καθορίζεται από την πίεση του ηλεκτρονίου. Εάν η πυκνότητα είναι πολύ υψηλή, όλα τα σωματίδια αναγκάζονται να πλησιάσουν το ένα το άλλο. Τα ηλεκτρόνια μπορεί να βρίσκονται σε καταστάσεις με συγκεκριμένες ενέργειες και δύο ηλεκτρόνια δεν μπορούν να έχουν την ίδια ενέργεια (εκτός αν τα σπιν τους είναι αντίθετα). Έτσι, σε ένα πυκνό αέριο, όλα τα χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας αποδεικνύονται γεμάτα με ηλεκτρόνια. Ένα τέτοιο αέριο ονομάζεται εκφυλισμένο. Σε αυτή την κατάσταση, τα ηλεκτρόνια παρουσιάζουν μια εκφυλισμένη πίεση ηλεκτρονίων που αντιτίθεται στις δυνάμεις της βαρύτητας.

14. Νετρόνιο— κατάσταση συσσωμάτωσης στην οποία η ύλη διέρχεται υπό υπερυψηλή πίεση, η οποία είναι αδύνατη ακόμη στο εργαστήριο, αλλά υπάρχει μέσα σε αστέρια νετρονίων. Κατά τη μετάβαση στην κατάσταση νετρονίων, τα ηλεκτρόνια της ύλης αλληλεπιδρούν με πρωτόνια και μετατρέπονται σε νετρόνια. Ως αποτέλεσμα, η ύλη στην κατάσταση νετρονίων αποτελείται εξ ολοκλήρου από νετρόνια και έχει πυκνότητα της τάξης των πυρηνικών. Η θερμοκρασία της ουσίας σε αυτή την περίπτωση δεν πρέπει να είναι πολύ υψηλή (σε ισοδύναμο ενέργειας, όχι περισσότερο από εκατό MeV).
Με έντονη αύξηση της θερμοκρασίας (εκατοντάδες MeV και άνω), στην κατάσταση νετρονίων, αρχίζουν να γεννιούνται και να εκμηδενίζονται διάφορα μεσόνια. Με μια περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας, εμφανίζεται αποσύνθεση και η ύλη περνά στην κατάσταση πλάσματος κουάρκ-γλουονίου. Δεν αποτελείται πλέον από αδρόνια, αλλά από κουάρκ και γκλουόνια που γεννιούνται και εξαφανίζονται συνεχώς.

15. Πλάσμα κουάρκ-γλουονίου(χρωμόπλασμα) είναι μια αθροιστική κατάσταση της ύλης στη φυσική υψηλής ενέργειας και στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων, στην οποία η αδρονική ύλη περνά σε μια κατάσταση παρόμοια με την κατάσταση στην οποία τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα βρίσκονται στο συνηθισμένο πλάσμα.
Συνήθως η ύλη στα αδρόνια βρίσκεται στη λεγόμενη άχρωμη («λευκή») κατάσταση. Δηλαδή, τα κουάρκ διαφορετικών χρωμάτων αντισταθμίζουν το ένα το άλλο. Μια παρόμοια κατάσταση υπάρχει στη συνηθισμένη ύλη - όταν όλα τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, δηλαδή
τα θετικά φορτία σε αυτά αντισταθμίζονται με αρνητικά. Σε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να συμβεί ιονισμός ατόμων, ενώ τα φορτία διαχωρίζονται και η ουσία γίνεται, όπως λένε, «οιονεί ουδέτερη». Δηλαδή, ολόκληρο το νέφος της ύλης στο σύνολό του παραμένει ουδέτερο και τα μεμονωμένα σωματίδια του παύουν να είναι ουδέτερα. Πιθανώς, το ίδιο πράγμα μπορεί να συμβεί και με την αδρονική ύλη - σε πολύ υψηλές ενέργειες, το χρώμα απελευθερώνεται και καθιστά την ουσία «οιονεί άχρωμη».
Πιθανώς, η ύλη του Σύμπαντος βρισκόταν σε κατάσταση πλάσματος κουάρκ-γλουονίων τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τώρα το πλάσμα κουάρκ-γλουονίου μπορεί να σχηματιστεί για μικρό χρονικό διάστημα σε συγκρούσεις σωματιδίων πολύ υψηλών ενεργειών.
Το πλάσμα κουάρκ-γλουονίου ελήφθη πειραματικά στον επιταχυντή RHIC στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven το 2005. Η μέγιστη θερμοκρασία πλάσματος των 4 τρισεκατομμυρίων βαθμών Κελσίου επιτεύχθηκε εκεί τον Φεβρουάριο του 2010.

16. Παράξενη ουσία- κατάσταση συσσωμάτωσης, στην οποία η ύλη συμπιέζεται στις οριακές τιμές της πυκνότητας, μπορεί να υπάρχει με τη μορφή "σούπας κουάρκ". Ένα κυβικό εκατοστό ύλης σε αυτή την κατάσταση θα ζύγιζε δισεκατομμύρια τόνους. εξάλλου θα μετατρέψει οποιαδήποτε κανονική ουσία με την οποία έρχεται σε επαφή στην ίδια «περίεργη» μορφή με την απελευθέρωση σημαντικής ποσότητας ενέργειας.
Η ενέργεια που μπορεί να απελευθερωθεί κατά τη μετατροπή της ουσίας του πυρήνα ενός άστρου σε μια «παράξενη ουσία» θα οδηγήσει σε μια υπερ-ισχυρή έκρηξη ενός «κουάρκ nova» - και, σύμφωνα με τους Leahy και Wyed, ήταν ακριβώς αυτή την έκρηξη που παρατήρησαν οι αστρονόμοι τον Σεπτέμβριο του 2006.
Η διαδικασία σχηματισμού αυτής της ουσίας ξεκίνησε με μια συνηθισμένη σουπερνόβα, στην οποία μετατράπηκε ένα τεράστιο αστέρι. Ως αποτέλεσμα της πρώτης έκρηξης, σχηματίστηκε ένα αστέρι νετρονίων. Όμως, σύμφωνα με τους Leahy και Wyed, δεν κράτησε πολύ - καθώς η περιστροφή του φαινόταν να επιβραδύνεται από το δικό του μαγνητικό πεδίο, άρχισε να συρρικνώνεται ακόμη περισσότερο, με το σχηματισμό ενός θρόμβου από «παράξενα πράγματα», που οδήγησε σε μια ακόμη πιο ισχυρή από ό,τι σε μια κανονική έκρηξη σουπερνόβα, η απελευθέρωση ενέργειας - και τα εξωτερικά στρώματα της ουσίας του πρώην αστέρα νετρονίων, που πετούν στον περιβάλλοντα χώρο με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός.

17. Έντονα συμμετρική ύλη- αυτή είναι μια ουσία συμπιεσμένη σε τέτοιο βαθμό που τα μικροσωματίδια στο εσωτερικό της τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο και το ίδιο το σώμα καταρρέει σε μια μαύρη τρύπα. Ο όρος «συμμετρία» εξηγείται ως εξής: Ας πάρουμε τις αθροιστικές καταστάσεις της ύλης που είναι γνωστές σε όλους από τον σχολικό πάγκο - στερεό, υγρό, αέριο. Για βεβαιότητα, θεωρήστε έναν ιδανικό άπειρο κρύσταλλο ως στερεό. Έχει μια ορισμένη, τη λεγόμενη διακριτή συμμετρία ως προς τη μετάφραση. Αυτό σημαίνει ότι εάν το κρυσταλλικό πλέγμα μετατοπιστεί κατά μια απόσταση ίση με το διάστημα μεταξύ δύο ατόμων, τίποτα δεν θα αλλάξει σε αυτό - ο κρύσταλλος θα συμπέσει με τον εαυτό του. Εάν ο κρύσταλλος λιώσει, τότε η συμμετρία του υγρού που προκύπτει θα είναι διαφορετική: θα αυξηθεί. Σε έναν κρύσταλλο, ισοδύναμα ήταν μόνο τα σημεία που απείχαν το ένα από το άλλο σε ορισμένες αποστάσεις, οι λεγόμενοι κόμβοι του κρυσταλλικού πλέγματος, στους οποίους βρίσκονταν πανομοιότυπα άτομα.
Το υγρό είναι ομοιογενές σε όλο τον όγκο του, όλα τα σημεία του δεν διακρίνονται μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι τα υγρά μπορούν να μετατοπιστούν από οποιεσδήποτε αυθαίρετες αποστάσεις (και όχι μόνο από κάποιες διακριτές, όπως σε έναν κρύσταλλο) ή να περιστραφούν από οποιεσδήποτε αυθαίρετες γωνίες (κάτι που δεν μπορεί να γίνει καθόλου στους κρυστάλλους) και θα συμπίπτει με τον εαυτό του. Ο βαθμός συμμετρίας του είναι υψηλότερος. Το αέριο είναι ακόμα πιο συμμετρικό: το υγρό καταλαμβάνει έναν ορισμένο όγκο στο δοχείο και υπάρχει μια ασυμμετρία μέσα στο δοχείο, όπου υπάρχει υγρό, και σημεία όπου δεν υπάρχει. Το αέριο, από την άλλη πλευρά, καταλαμβάνει ολόκληρο τον όγκο που του παρέχεται και με αυτή την έννοια όλα τα σημεία του δεν διακρίνονται μεταξύ τους. Ωστόσο, εδώ θα ήταν πιο σωστό να μην μιλάμε για σημεία, αλλά για μικρά, αλλά μακροσκοπικά στοιχεία, γιατί σε μικροσκοπικό επίπεδο εξακολουθούν να υπάρχουν διαφορές. Σε ορισμένα χρονικά σημεία υπάρχουν άτομα ή μόρια, ενώ άλλα όχι. Η συμμετρία παρατηρείται μόνο κατά μέσο όρο, είτε σε ορισμένες μακροσκοπικές παραμέτρους όγκου, είτε στο χρόνο.
Αλλά δεν υπάρχει ακόμα στιγμιαία συμμετρία σε μικροσκοπικό επίπεδο. Εάν η ουσία συμπιέζεται πολύ έντονα, σε πιέσεις που είναι απαράδεκτες στην καθημερινή ζωή, συμπιέζεται έτσι ώστε τα άτομα να συνθλίβονται, τα κελύφη τους να διαπερνούν το ένα το άλλο και οι πυρήνες άρχισαν να αγγίζουν, εμφανίζεται συμμετρία σε μικροσκοπικό επίπεδο. Όλοι οι πυρήνες είναι ίδιοι και πιέζονται μεταξύ τους, δεν υπάρχουν μόνο διατομικές, αλλά και διαπυρηνικές αποστάσεις και η ουσία γίνεται ομοιογενής (περίεργη ουσία).
Υπάρχει όμως και ένα υπομικροσκοπικό επίπεδο. Οι πυρήνες αποτελούνται από πρωτόνια και νετρόνια που κινούνται μέσα στον πυρήνα. Υπάρχει επίσης λίγος χώρος μεταξύ τους. Εάν συνεχίσετε να συμπιέζετε έτσι ώστε να συνθλίβονται και οι πυρήνες, τα νουκλεόνια θα πιεστούν σφιχτά το ένα πάνω στο άλλο. Στη συνέχεια, στο υπομικροσκοπικό επίπεδο, θα εμφανιστεί συμμετρία, η οποία δεν βρίσκεται καν μέσα σε συνηθισμένους πυρήνες.
Από όσα ειπώθηκαν, μπορεί κανείς να δει μια αρκετά σαφή τάση: όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία και όσο υψηλότερη είναι η πίεση, τόσο πιο συμμετρική γίνεται η ουσία. Με βάση αυτές τις εκτιμήσεις, η ουσία που συμπιέζεται στο μέγιστο ονομάζεται έντονα συμμετρική.

18. Ασθενώς συμμετρική ύλη- μια κατάσταση αντίθετη από την έντονα συμμετρική ύλη στις ιδιότητές της, η οποία ήταν παρούσα στο πολύ πρώιμο Σύμπαν σε θερμοκρασία κοντά στη θερμοκρασία Planck, ίσως 10-12 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν ισχυρές, αδύναμες και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις ήταν μια ενιαία υπερδύναμη . Σε αυτή την κατάσταση, η ύλη συμπιέζεται σε τέτοιο βαθμό που η μάζα της μετατρέπεται σε ενέργεια, η οποία αρχίζει να φουσκώνει, δηλαδή να διαστέλλεται χωρίς όρια. Δεν είναι ακόμη δυνατό να επιτευχθούν ενέργειες για την πειραματική παραγωγή υπερδύναμης και τη μεταφορά της ύλης σε αυτή τη φάση κάτω από γήινες συνθήκες, αν και τέτοιες προσπάθειες έγιναν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων προκειμένου να μελετηθεί το πρώιμο σύμπαν. Λόγω της απουσίας βαρυτικής αλληλεπίδρασης στη σύνθεση της υπερδύναμης που σχηματίζει αυτή την ουσία, η υπερδύναμη δεν είναι επαρκώς συμμετρική σε σύγκριση με την υπερσυμμετρική δύναμη, η οποία περιέχει και τους 4 τύπους αλληλεπιδράσεων. Επομένως, αυτή η κατάσταση συγκέντρωσης έλαβε ένα τέτοιο όνομα.

19. Ακτινοβολική ύλη- αυτό, στην πραγματικότητα, δεν είναι πλέον ουσία, αλλά ενέργεια στην πιο αγνή της μορφή. Ωστόσο, είναι αυτή η υποθετική κατάσταση συσσωμάτωσης που θα λάβει ένα σώμα που έχει φτάσει την ταχύτητα του φωτός. Μπορεί επίσης να ληφθεί με θέρμανση του σώματος στη θερμοκρασία Planck (1032K), δηλαδή με διασπορά των μορίων της ουσίας στην ταχύτητα του φωτός. Όπως προκύπτει από τη θεωρία της σχετικότητας, όταν η ταχύτητα φτάσει πάνω από 0,99 s, η μάζα του σώματος αρχίζει να αυξάνεται πολύ πιο γρήγορα από ό, τι με την "κανονική" επιτάχυνση, επιπλέον, το σώμα επιμηκύνεται, θερμαίνεται, δηλαδή αρχίζει να ακτινοβολούν στο υπέρυθρο φάσμα. Όταν ξεπερνά το όριο των 0,999 s, το σώμα αλλάζει δραματικά και ξεκινά μια γρήγορη μετάβαση φάσης μέχρι την κατάσταση δέσμης. Όπως προκύπτει από τον τύπο του Αϊνστάιν, που λαμβάνεται πλήρως, η αυξανόμενη μάζα της τελικής ουσίας αποτελείται από μάζες που διαχωρίζονται από το σώμα με τη μορφή θερμικής, ακτίνων Χ, οπτικής και άλλης ακτινοβολίας, η ενέργεια καθεμίας από τις οποίες είναι περιγράφεται από τον επόμενο όρο στον τύπο. Έτσι, ένα σώμα που πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός θα αρχίσει να ακτινοβολεί σε όλα τα φάσματα, θα μεγαλώνει σε μήκος και θα επιβραδύνεται στο χρόνο, αραιώνοντας στο μήκος Planck, δηλαδή όταν φτάσει στην ταχύτητα c, το σώμα θα μετατραπεί σε ένα απείρως μακρύ και λεπτό δέσμη που κινείται με την ταχύτητα του φωτός και αποτελείται από φωτόνια που δεν έχουν μήκος και η άπειρη μάζα της θα μετατραπεί εντελώς σε ενέργεια. Επομένως, μια τέτοια ουσία ονομάζεται ακτινοβολία.

Όλη η ύλη μπορεί να υπάρχει σε μία από τις τέσσερις μορφές. Κάθε ένα από αυτά είναι μια ορισμένη αθροιστική κατάσταση της ύλης. Στη φύση της Γης, μόνο ένας εκπροσωπείται σε τρία από αυτά ταυτόχρονα. Αυτό είναι νερό. Είναι εύκολο να το δεις να εξατμίζεται, να λιώνει και να σκληραίνει. Δηλαδή ατμός, νερό και πάγος. Οι επιστήμονες έχουν μάθει πώς να αλλάζουν τις αθροιστικές καταστάσεις της ύλης. Η μεγαλύτερη δυσκολία για αυτούς είναι μόνο το πλάσμα. Αυτή η κατάσταση απαιτεί ειδικούς όρους.

Τι είναι, από τι εξαρτάται και πώς χαρακτηρίζεται;

Εάν το σώμα έχει περάσει σε μια άλλη αθροιστική κατάσταση της ύλης, αυτό δεν σημαίνει ότι έχει εμφανιστεί κάτι άλλο. Η ουσία παραμένει ίδια. Εάν το υγρό είχε μόρια νερού, τότε το ίδιο θα είναι σε ατμό με πάγο. Μόνο η θέση τους, η ταχύτητα κίνησης και οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ τους θα αλλάξουν.

Κατά τη μελέτη του θέματος "Συνολικές καταστάσεις (Βαθμός 8)", λαμβάνονται υπόψη μόνο τρεις από αυτές. Αυτά είναι υγρά, αέρια και στερεά. Οι εκδηλώσεις τους εξαρτώνται από τις φυσικές συνθήκες του περιβάλλοντος. Τα χαρακτηριστικά αυτών των καταστάσεων παρουσιάζονται στον πίνακα.

Πρώτη κατάσταση: στερεά

Η θεμελιώδης διαφορά του από άλλα είναι ότι τα μόρια έχουν μια αυστηρά καθορισμένη θέση. Όταν μιλάμε για στερεά κατάσταση συσσωμάτωσης, εννοούν τις περισσότερες φορές κρύσταλλα. Σε αυτά, η δομή του πλέγματος είναι συμμετρική και αυστηρά περιοδική. Επομένως, διατηρείται πάντα, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά θα εξαπλωνόταν το σώμα. Η ταλαντωτική κίνηση των μορίων μιας ουσίας δεν είναι αρκετή για να καταστρέψει αυτό το πλέγμα.

Υπάρχουν όμως και άμορφα σώματα. Δεν έχουν αυστηρή δομή στη διάταξη των ατόμων. Μπορούν να είναι οπουδήποτε. Αλλά αυτό το μέρος είναι τόσο σταθερό όσο στο κρυστάλλινο σώμα. Η διαφορά μεταξύ άμορφων και κρυσταλλικών ουσιών είναι ότι δεν έχουν συγκεκριμένη θερμοκρασία τήξης (στερεοποίησης) και χαρακτηρίζονται από ρευστότητα. Ζωντανά παραδείγματα τέτοιων ουσιών είναι το γυαλί και το πλαστικό.

Δεύτερη κατάσταση: υγρό

Αυτή η αθροιστική κατάσταση της ύλης είναι μια διασταύρωση μεταξύ ενός στερεού και ενός αερίου. Επομένως, συνδυάζει κάποιες ιδιότητες από την πρώτη και τη δεύτερη. Έτσι, η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων και η αλληλεπίδρασή τους είναι παρόμοια με αυτή που συνέβαινε με τους κρυστάλλους. Αλλά εδώ είναι η θέση και η κίνηση πιο κοντά στο αέριο. Επομένως, το υγρό δεν διατηρεί το σχήμα του, αλλά απλώνεται πάνω από το δοχείο στο οποίο χύνεται.

Τρίτη κατάσταση: αέριο

Για μια επιστήμη που ονομάζεται «φυσική», η κατάσταση συσσωμάτωσης με τη μορφή αερίου δεν βρίσκεται στην τελευταία θέση. Εξάλλου, μελετά τον κόσμο γύρω της και ο αέρας σε αυτόν είναι πολύ κοινός.

Τα χαρακτηριστικά αυτής της κατάστασης είναι ότι οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων είναι πρακτικά απούσες. Αυτό εξηγεί την ελεύθερη μετακίνησή τους. Εξαιτίας του οποίου η αέρια ουσία γεμίζει ολόκληρο τον όγκο που της παρέχεται. Επιπλέον, όλα μπορούν να μεταφερθούν σε αυτήν την κατάσταση, απλά πρέπει να αυξήσετε τη θερμοκρασία κατά την επιθυμητή ποσότητα.

Τέταρτη κατάσταση: πλάσμα

Αυτή η αθροιστική κατάσταση της ύλης είναι ένα αέριο που είναι πλήρως ή μερικώς ιονισμένο. Αυτό σημαίνει ότι ο αριθμός των αρνητικά και θετικά φορτισμένων σωματιδίων σε αυτό είναι σχεδόν ο ίδιος. Αυτή η κατάσταση συμβαίνει όταν το αέριο θερμαίνεται. Στη συνέχεια, υπάρχει μια απότομη επιτάχυνση της διαδικασίας του θερμικού ιονισμού. Βρίσκεται στο γεγονός ότι τα μόρια χωρίζονται σε άτομα. Τα τελευταία στη συνέχεια μετατρέπονται σε ιόντα.

Μέσα στο σύμπαν, μια τέτοια κατάσταση είναι πολύ συνηθισμένη. Γιατί περιέχει όλα τα αστέρια και το μέσο ανάμεσά τους. Εντός των ορίων της επιφάνειας της Γης, εμφανίζεται εξαιρετικά σπάνια. Εκτός από την ιονόσφαιρα και τον ηλιακό άνεμο, το πλάσμα είναι δυνατό μόνο κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Σε αστραπές δημιουργούνται συνθήκες κατά τις οποίες τα αέρια της ατμόσφαιρας περνούν στην τέταρτη κατάσταση της ύλης.

Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι δεν έχει δημιουργηθεί πλάσμα στο εργαστήριο. Το πρώτο πράγμα που μπορούσε να αναπαραχθεί ήταν μια εκκένωση αερίου. Το πλάσμα τώρα γεμίζει φώτα φθορισμού και επιγραφές νέον.

Πώς πραγματοποιείται η μετάβαση μεταξύ κρατών;

Για να γίνει αυτό, πρέπει να δημιουργήσετε ορισμένες συνθήκες: σταθερή πίεση και συγκεκριμένη θερμοκρασία. Σε αυτή την περίπτωση, μια αλλαγή στις αθροιστικές καταστάσεις μιας ουσίας συνοδεύεται από την απελευθέρωση ή την απορρόφηση ενέργειας. Επιπλέον, αυτή η μετάβαση δεν συμβαίνει με αστραπιαία ταχύτητα, αλλά απαιτεί συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, οι συνθήκες πρέπει να παραμείνουν αμετάβλητες. Η μετάβαση γίνεται με την ταυτόχρονη ύπαρξη ύλης σε δύο μορφές, που διατηρούν τη θερμική ισορροπία.

Οι τρεις πρώτες καταστάσεις της ύλης μπορούν να περάσουν η μία στην άλλη. Υπάρχουν άμεσες διαδικασίες και αντίστροφες. Έχουν τα ακόλουθα ονόματα:

• τήξη(από στερεό σε υγρό) και αποκρυστάλλωση, για παράδειγμα, το λιώσιμο του πάγου και η στερεοποίηση του νερού.
• εξάτμιση(από υγρό σε αέριο) και συμπύκνωση, παράδειγμα είναι η εξάτμιση του νερού και η παραγωγή του από ατμό.
• εξάχνιση(από στερεό σε αέριο) και αποεξάχνωση, για παράδειγμα, η εξάτμιση ενός ξηρού αρώματος για το πρώτο από αυτά και παγωμένα σχέδια στο ποτήρι για το δεύτερο.

Φυσική τήξης και κρυστάλλωσης

Εάν ένα στερεό σώμα θερμαίνεται, τότε σε μια ορισμένη θερμοκρασία, καλείται σημείο τήξηςμια συγκεκριμένη ουσία, μια αλλαγή στην κατάσταση συσσωμάτωσης, που ονομάζεται τήξη, θα ξεκινήσει. Αυτή η διαδικασία πηγαίνει με την απορρόφηση ενέργειας, η οποία ονομάζεται ποσότητα θερμότηταςκαι σημειώνεται με το γράμμα Q. Για να το υπολογίσετε, πρέπει να ξέρετε ειδική θερμότητα σύντηξης, που συμβολίζεται λ . Και ο τύπος μοιάζει με αυτό:

Q=λ*m, όπου m είναι η μάζα της ουσίας που εμπλέκεται στην τήξη.

Αν συμβεί η αντίστροφη διαδικασία, δηλαδή η κρυστάλλωση του υγρού, τότε οι συνθήκες επαναλαμβάνονται. Η μόνη διαφορά είναι ότι απελευθερώνεται ενέργεια και το σύμβολο μείον εμφανίζεται στον τύπο.

Φυσική εξάτμισης και συμπύκνωσης

Με συνεχή θέρμανση της ουσίας, θα πλησιάσει σταδιακά τη θερμοκρασία στην οποία θα ξεκινήσει η εντατική εξάτμισή της. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται εξάτμιση. Χαρακτηρίζεται πάλι από την απορρόφηση ενέργειας. Απλά για να το υπολογίσεις, πρέπει να ξέρεις ειδική θερμότητα εξάτμισης r. Και ο τύπος θα είναι:

Q=r*m.

Η αντίστροφη διαδικασία ή η συμπύκνωση συμβαίνει με την απελευθέρωση της ίδιας ποσότητας θερμότητας. Επομένως, εμφανίζεται ξανά ένα μείον στον τύπο.

Ορισμός 1

Συγκεντρωτικές καταστάσεις της ύλης(από το λατινικό "aggrego" σημαίνει "συνδέω", "δεσμεύω") - αυτές είναι οι καταστάσεις της ίδιας ουσίας σε στερεή, υγρή και αέρια μορφή.

Κατά τη μετάβαση από τη μια κατάσταση στην άλλη, παρατηρείται απότομη μεταβολή της ενέργειας, της εντροπίας, της πυκνότητας και άλλων ιδιοτήτων της ύλης.

Στερεά και υγρά σώματα

Στερεά- Πρόκειται για σώματα που διακρίνονται από τη σταθερότητα του σχήματος και του όγκου τους.

Στα στερεά, οι διαμοριακές αποστάσεις είναι μικρές και η δυναμική ενέργεια των μορίων μπορεί να συγκριθεί με την κινητική ενέργεια.

Τα στερεά σώματα χωρίζονται σε 2 τύπους:

1. κρυστάλλινος;
2. Αμορφος.

Μόνο τα κρυσταλλικά σώματα βρίσκονται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. Τα άμορφα σώματα, στην πραγματικότητα, είναι μετασταθερές καταστάσεις, οι οποίες είναι παρόμοιες στη δομή με τα υγρά που δεν βρίσκονται σε ισορροπία, που κρυσταλλώνουν αργά. Σε ένα άμορφο σώμα λαμβάνει χώρα μια υπερβολικά αργή διαδικασία κρυστάλλωσης, μια διαδικασία σταδιακής μετατροπής μιας ουσίας σε κρυσταλλική φάση. Η διαφορά μεταξύ ενός κρυστάλλου και ενός άμορφου στερεού έγκειται κυρίως στην ανισοτροπία των ιδιοτήτων του. Οι ιδιότητες ενός κρυσταλλικού σώματος καθορίζονται ανάλογα με την κατεύθυνση στο διάστημα. Διάφορες διεργασίες (για παράδειγμα, θερμική αγωγιμότητα, ηλεκτρική αγωγιμότητα, φως, ήχος) διαδίδονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις ενός στερεού σώματος με διαφορετικούς τρόπους. Αλλά τα άμορφα σώματα (για παράδειγμα, γυαλί, ρητίνες, πλαστικά) είναι ισότροπα, όπως τα υγρά. Η διαφορά μεταξύ άμορφων σωμάτων και υγρών έγκειται μόνο στο γεγονός ότι τα τελευταία είναι ρευστά, δεν συμβαίνουν σε αυτά στατικές διατμητικές παραμορφώσεις.

Τα κρυσταλλικά σώματα έχουν τη σωστή μοριακή δομή. Λόγω της σωστής δομής ο κρύσταλλος έχει ανισότροπες ιδιότητες. Η σωστή διάταξη των κρυσταλλικών ατόμων δημιουργεί το λεγόμενο κρυσταλλικό πλέγμα. Σε διαφορετικές κατευθύνσεις, η θέση των ατόμων στο πλέγμα είναι διαφορετική, γεγονός που οδηγεί σε ανισοτροπία. Τα άτομα (ιόντα ή ολόκληρα μόρια) στο κρυσταλλικό πλέγμα εκτελούν τυχαία ταλαντωτική κίνηση κοντά στις μεσαίες θέσεις, οι οποίες θεωρούνται ως κόμβοι του κρυσταλλικού πλέγματος. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια των ταλαντώσεων και επομένως το μέσο πλάτος των ταλαντώσεων. Ανάλογα με το πλάτος των ταλαντώσεων προσδιορίζεται το μέγεθος του κρυστάλλου. Η αύξηση του πλάτους των ταλαντώσεων οδηγεί σε αύξηση του μεγέθους του σώματος. Έτσι, εξηγείται η θερμική διαστολή των στερεών.

Ορισμός 3

υγρά σώματα- Πρόκειται για σώματα που έχουν ορισμένο όγκο, αλλά δεν έχουν ελαστικό σχήμα.

Μια ουσία σε υγρή κατάσταση χαρακτηρίζεται από ισχυρή διαμοριακή αλληλεπίδραση και χαμηλή συμπιεστότητα. Ένα υγρό καταλαμβάνει μια ενδιάμεση θέση μεταξύ ενός στερεού και ενός αερίου. Τα υγρά, όπως και τα αέρια, έχουν ισοτοπικές ιδιότητες. Επιπλέον, το υγρό έχει την ιδιότητα της ρευστότητας. Σε αυτό, όπως και στα αέρια, δεν υπάρχει διατμητική τάση (διάτμηση) σώματα. Τα υγρά είναι βαριά, δηλαδή το ειδικό τους βάρος μπορεί να συγκριθεί με το ειδικό βάρος των στερεών. Κοντά στις θερμοκρασίες κρυστάλλωσης, οι θερμικές τους ικανότητες και άλλες θερμικές ιδιότητες είναι κοντά σε αυτές των στερεών. Στα υγρά, η σωστή διάταξη των ατόμων παρατηρείται σε δεδομένο βαθμό, αλλά μόνο σε μικρές επιφάνειες. Εδώ, τα άτομα εκτελούν επίσης μια ταλαντωτική κίνηση γύρω από τους κόμβους του οιονεί κρυσταλλικού κυττάρου, αλλά, σε αντίθεση με τα άτομα ενός στερεού σώματος, πηδούν περιοδικά από τον έναν κόμβο στον άλλο. Ως αποτέλεσμα, η κίνηση των ατόμων θα είναι πολύ περίπλοκη: ταλαντωτική, αλλά ταυτόχρονα, το κέντρο των ταλαντώσεων κινείται στο διάστημα.

ΑέριοΑυτή είναι μια κατάσταση της ύλης στην οποία οι αποστάσεις μεταξύ των μορίων είναι τεράστιες.

Οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ μορίων σε χαμηλές πιέσεις μπορούν να παραμεληθούν. Τα σωματίδια αερίου γεμίζουν ολόκληρο τον όγκο που παρέχεται για το αέριο. Τα αέρια θεωρούνται ως πολύ υπερθερμασμένοι ή ακόρεστοι ατμοί. Ένας ειδικός τύπος αερίου είναι το πλάσμα (ένα μερικώς ή πλήρως ιονισμένο αέριο στο οποίο οι πυκνότητες θετικών και αρνητικών φορτίων είναι σχεδόν ίδιες). Δηλαδή, ένα πλάσμα είναι ένα αέριο φορτισμένων σωματιδίων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας ηλεκτρικές δυνάμεις σε μεγάλη απόσταση, αλλά δεν έχουν κοντινά και μακρινά σωματίδια.

Όπως γνωρίζετε, οι ουσίες μπορούν να μετακινηθούν από τη μια κατάσταση συσσωμάτωσης στην άλλη.

Ορισμός 5

Εξάτμιση- αυτή είναι η διαδικασία αλλαγής της κατάστασης συσσωμάτωσης μιας ουσίας, κατά την οποία μόρια πετούν έξω από την επιφάνεια ενός υγρού ή στερεού σώματος, η κινητική ενέργεια του οποίου μετατρέπει τη δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασης των μορίων.

Η εξάτμιση είναι μια μετάβαση φάσης. Κατά την εξάτμιση, μέρος του υγρού ή του στερεού μετατρέπεται σε ατμό.

Ορισμός 6

Μια ουσία σε αέρια κατάσταση που βρίσκεται σε δυναμική ισορροπία με ένα υγρό ονομάζεται κορεσμένη πορθμείο. Σε αυτή την περίπτωση, η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια του σώματος είναι ίση με:

∆ U = ± m r (1) ,

όπου m είναι η μάζα του σώματος, r είναι η ειδική θερμότητα της εξάτμισης (J / k g).

Ορισμός 7

Συμπύκνωσηείναι η αντίστροφη διαδικασία της εξάτμισης.

Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας υπολογίζεται με τον τύπο (1) .

Ορισμός 8

Τήξη- Αυτή είναι η διαδικασία μετατροπής μιας ουσίας από στερεή σε υγρή κατάσταση, η διαδικασία αλλαγής της κατάστασης συσσωμάτωσης μιας ουσίας.

Όταν μια ουσία θερμαίνεται, η εσωτερική της ενέργεια αυξάνεται, επομένως, αυξάνεται η ταχύτητα της θερμικής κίνησης των μορίων. Όταν μια ουσία φτάσει στο σημείο τήξης της, το κρυσταλλικό πλέγμα ενός στερεού καταστρέφεται. Οι δεσμοί μεταξύ των σωματιδίων καταστρέφονται επίσης και η ενέργεια αλληλεπίδρασης μεταξύ των σωματιδίων αυξάνεται. Η θερμότητα που μεταφέρεται στο σώμα πηγαίνει για να αυξήσει την εσωτερική ενέργεια αυτού του σώματος και μέρος της ενέργειας δαπανάται για την εκτέλεση εργασιών για την αλλαγή του όγκου του σώματος όταν λιώνει. Για πολλά κρυσταλλικά σώματα, ο όγκος αυξάνεται όταν λιώνουν, αλλά υπάρχουν εξαιρέσεις (για παράδειγμα, πάγος, χυτοσίδηρος). Τα άμορφα σώματα δεν έχουν συγκεκριμένο σημείο τήξης. Η τήξη είναι μια μετάβαση φάσης, η οποία χαρακτηρίζεται από μια απότομη μεταβολή της θερμικής ικανότητας στη θερμοκρασία τήξης. Το σημείο τήξης εξαρτάται από την ουσία και παραμένει σταθερό κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Τότε η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του σώματος είναι ίση με:

∆ U = ± m λ (2) ,

όπου λ είναι η ειδική θερμότητα της σύντηξης (D f / k g) .

Ορισμός 9

Αποκρυστάλλωσηείναι η αντίστροφη διαδικασία τήξης.

Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας υπολογίζεται με τον τύπο (2) .

Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας κάθε σώματος του συστήματος κατά τη θέρμανση ή την ψύξη υπολογίζεται με τον τύπο:

∆ U = m c ∆ T (3) ,

όπου c είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα της ουσίας, J έως g K, △ T είναι η μεταβολή της θερμοκρασίας του σώματος.

Ορισμός 10

Όταν εξετάζουμε τους μετασχηματισμούς ουσιών από τη μια κατάσταση συσσωμάτωσης σε μια άλλη, δεν μπορούμε να κάνουμε χωρίς το λεγόμενο εξισώσεις ισοζυγίου θερμότητας: η συνολική ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται σε ένα θερμομονωμένο σύστημα είναι ίση με την ποσότητα θερμότητας (συνολική) που απορροφάται σε αυτό το σύστημα.

Q 1 + Q 2 + Q 3 + . . . + Q n = Q " 1 + Q " 2 + Q " 3 + . . . + Q " k .

Στην ουσία, η εξίσωση του ισοζυγίου θερμότητας είναι ο νόμος εξοικονόμησης ενέργειας για διεργασίες μεταφοράς θερμότητας σε θερμικά μονωμένα συστήματα.

Παράδειγμα 1

Σε ένα θερμομονωμένο δοχείο βρίσκονται νερό και πάγος με θερμοκρασία t i = 0 ° C. Η μάζα του νερού m υ και του πάγου m i είναι αντίστοιχα ίση με 0,5 kg και 60 g. Υδρατμοί μάζας m p = 10 g αφήνονται στο νερό σε θερμοκρασία t p = 100 ° C. Ποια θα είναι η θερμοκρασία του νερού στο δοχείο αφού επιτευχθεί η θερμική ισορροπία; Σε αυτή την περίπτωση, η θερμοχωρητικότητα του δοχείου δεν χρειάζεται να ληφθεί υπόψη.

Εικόνα 1

Λύση

Ας προσδιορίσουμε ποιες διεργασίες εκτελούνται στο σύστημα, ποιες συγκεντρωτικές καταστάσεις ύλης παρατηρήσαμε και ποιες αποκτήσαμε.

Οι υδρατμοί συμπυκνώνονται, εκπέμποντας θερμότητα.

Η θερμική ενέργεια δαπανάται για το λιώσιμο του πάγου και, ίσως, για τη θέρμανση του διαθέσιμου και λαμβανόμενου νερού από τον πάγο.

Πρώτα απ 'όλα, ας ελέγξουμε πόση θερμότητα απελευθερώνεται κατά τη συμπύκνωση της διαθέσιμης μάζας ατμού:

Q p = - r m p ; Q p \u003d 2, 26 10 6 10 - 2 \u003d 2, 26 10 4 (D w),

εδώ από υλικά αναφοράς έχουμε r = 2,26 10 6 J k g - την ειδική θερμότητα της εξάτμισης (χρησιμοποιείται και για συμπύκνωση).

Για να λιώσετε τον πάγο, χρειάζεστε την ακόλουθη ποσότητα θερμότητας:

Q i \u003d λ m i Q i \u003d 6 10 - 2 3, 3 10 5 ≈ 2 10 4 (D w),

εδώ, από υλικά αναφοράς, έχουμε λ = 3, 3 10 5 J k g - την ειδική θερμότητα της τήξης του πάγου.

Αποδεικνύεται ότι ο ατμός εκπέμπει περισσότερη θερμότητα από την απαραίτητη, μόνο για να λιώσει ο υπάρχων πάγος, πράγμα που σημαίνει ότι γράφουμε την εξίσωση του ισοζυγίου θερμότητας ως εξής:

r m p + c m p (T p - T) = λ m i + c (m υ + m i) (T - T i) .

Η θερμότητα απελευθερώνεται κατά τη συμπύκνωση του ατμού μάζας m p και την ψύξη του νερού που σχηματίζεται από τον ατμό από τη θερμοκρασία T p στην επιθυμητή T . Η θερμότητα απορροφάται όταν ο πάγος με μάζα m i λιώνει και το νερό με μάζα m υ + m i θερμαίνεται από τη θερμοκρασία T i έως T . Συμβολίζουμε T - T i = ∆ T για τη διαφορά T p - T παίρνουμε:

T p - T = T p - T i - ∆ T = 100 - ∆ T .

Η εξίσωση του ισοζυγίου θερμότητας θα μοιάζει με αυτό:

r m p + c m p (100 - ∆ T) = λ m i + c (m υ + m i) ∆ T ; c (m υ + m i + m p) ∆ T = r m p + c m p 100 - λ m i ; ∆ T = r m p + c m p 100 - λ m i c m υ + m i + m p .

Ας κάνουμε υπολογισμούς, λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι η θερμοχωρητικότητα του νερού είναι πίνακας

c \u003d 4, 2 10 3 J kg K, T p \u003d tp + 273 \u003d 373 K, T i \u003d ti + 273 \u003d 273 K: ∆ T \u003d 2, 26 10 2 6 14 - , 2 10 3 10 - 2 10 2 - 6 10 - 2 3, 3 10 5 4, 2 10 3 5, 7 10 - 1 ≈ 3 (K),

τότε T = 273 + 3 = 276 K

Απάντηση:Η θερμοκρασία του νερού στο δοχείο μετά την αποκατάσταση της θερμικής ισορροπίας θα είναι 276 Κ.

Παράδειγμα 2

Το Σχήμα 2 δείχνει μια τομή της ισόθερμης, η οποία αντιστοιχεί στη μετάβαση μιας ουσίας από κρυσταλλική σε υγρή κατάσταση. Τι αντιστοιχεί σε αυτή την ενότητα στο διάγραμμα p, T;

Εικόνα 2

Απάντηση:Ολόκληρο το σύνολο των καταστάσεων που εμφανίζονται στο διάγραμμα p , V ως οριζόντιο τμήμα γραμμής στο διάγραμμα p , T φαίνεται από ένα σημείο, το οποίο καθορίζει τις τιμές των p και T, στο οποίο ο μετασχηματισμός από μία κατάσταση λαμβάνει χώρα συνάθροιση σε άλλο.

Εάν παρατηρήσετε κάποιο λάθος στο κείμενο, επισημάνετε το και πατήστε Ctrl+Enter