Aggregert materietilstand. Hvordan statlige overganger gjøres

Aggregert materietilstand

Substans- et virkelig sett av partikler forbundet med kjemiske bindinger og under visse forhold i en av aggregeringstilstandene. Ethvert stoff består av en samling av et veldig stort antall partikler: atomer, molekyler, ioner, som kan kombineres med hverandre til assosiasjoner, også kalt aggregater eller klynger. Avhengig av temperaturen og oppførselen til partikler i assosiater (det gjensidige arrangementet av partikler, deres antall og interaksjon i en assosiat, samt fordelingen av assosiater i rommet og deres interaksjon med hverandre), kan et stoff være i to hovedtilstander av aggregering - krystallinsk (fast) eller gassformig, og i overgangstilstander av aggregering - amorf (fast), flytende krystall, væske og damp. Faste, flytende krystaller og flytende aggregeringstilstander kondenseres, og damp og gass avgis sterkt.

Fase- dette er et sett med homogene mikroregioner, preget av samme orden og konsentrasjon av partikler og innelukket i et makroskopisk volum av et stoff avgrenset av et grensesnitt. I denne forståelsen er fasen bare karakteristisk for stoffer som er i krystallinsk og gassform, fordi de er homogene aggregattilstander.

metafase- dette er et sett med heterogene mikroregioner som skiller seg fra hverandre i graden av rekkefølge av partikler eller deres konsentrasjon og er innelukket i et makroskopisk volum av et stoff avgrenset av et grensesnitt. I denne forståelsen er metafase bare karakteristisk for stoffer som er i inhomogene overgangstilstander av aggregering. Ulike faser og metafaser kan blande seg med hverandre og danne én aggregeringstilstand, og da er det ingen grensesnitt mellom dem.

Vanligvis ikke skille begrepet "grunnleggende" og "overgangs" tilstand av aggregering. Begrepene "aggregert tilstand", "fase" og "mesofase" brukes ofte som synonymer. Det anbefales å vurdere fem mulige aggregerte tilstander for stoffenes tilstand: fast, flytende krystall, flytende, damp, gassformig. Overgangen av en fase til en annen fase kalles en faseovergang av første og andre orden. Faseoverganger av den første typen er preget av:

En brå endring i fysiske størrelser som beskriver materiens tilstand (volum, tetthet, viskositet, etc.);

En viss temperatur der en gitt faseovergang skjer

En viss varme som kjennetegner denne overgangen, pga bryte intermolekylære bindinger.

Faseoverganger av den første typen observeres under overgangen fra en aggregeringstilstand til en annen aggregeringstilstand. Faseoverganger av den andre typen observeres når rekkefølgen av partikler innenfor en enkelt aggregeringstilstand endres, og er preget av:

Gradvis endring i de fysiske egenskapene til et stoff;

Endring i rekkefølgen av partiklene til et stoff under påvirkning av en gradient av ytre felt eller ved en viss temperatur, kalt faseovergangstemperaturen;

Varmen til faseoverganger av andre orden er lik og nær null.

Hovedforskjellen mellom faseoverganger av første og andre orden er at under overganger av den første typen endres først og fremst energien til partiklene i systemet, og i tilfelle overganger av den andre typen, rekkefølgen av partikler i systemet.

Overgangen til et stoff fra en fast til en flytende tilstand kalles smelting og er preget av sitt smeltepunkt. Overgangen til et stoff fra en væske- til en damptilstand kalles fordampning og preget av kokepunktet. For noen stoffer med liten molekylvekt og svak intermolekylær interaksjon er en direkte overgang fra fast tilstand til damptilstand mulig, utenom flytende tilstand. En slik overgang kalles sublimering. Alle disse prosessene kan gå i motsatt retning: så kalles de frysing, kondensering, desublimering.

Stoffer som ikke brytes ned under smelting og koking kan, avhengig av temperatur og trykk, være i alle fire aggregeringstilstander.

Solid state

Ved tilstrekkelig lave temperaturer er nesten alle stoffer i fast tilstand. I denne tilstanden er avstanden mellom partiklene til et stoff sammenlignbar med størrelsen på partiklene selv, noe som sikrer deres sterke interaksjon og et betydelig overskudd av deres potensielle energi i forhold til kinetisk energi. . Dette fører til indre orden i arrangementet av partikler. Derfor er faste stoffer preget av sin egen form, mekanisk styrke, konstant volum (de er praktisk talt ukomprimerbare). Avhengig av graden av rekkefølge av partiklene, er faste stoffer delt inn i krystallinsk og amorf.

Krystallinske stoffer er preget av tilstedeværelsen av orden i arrangementet av alle partikler. Den faste fasen av krystallinske stoffer består av partikler som danner en homogen struktur, preget av streng repeterbarhet av samme enhetscelle i alle retninger. Elementærcellen til en krystall karakteriserer en tredimensjonal periodisitet i arrangementet av partikler, dvs. dets krystallgitter. Krystallgitter klassifiseres i henhold til typen partikler som utgjør krystallen og naturen til tiltrekningskreftene mellom dem.

Mange krystallinske stoffer, avhengig av forholdene (temperatur, trykk), kan ha en annen krystallstruktur. Dette fenomenet kalles polymorfisme. Velkjente polymorfe modifikasjoner av karbon: grafitt, fulleren, diamant, karbin.

Amorfe (formløse) stoffer. Denne tilstanden er typisk for polymerer. Lange molekyler bøyer seg lett og flettes sammen med andre molekyler, noe som fører til uregelmessigheter i arrangementet av partikler.

Forskjellen mellom amorfe partikler og krystallinske:

isotropi - likheten mellom de fysiske og kjemiske egenskapene til en kropp eller et medium i alle retninger, dvs. uavhengighet av eiendommer fra retning;

ikke noe fast smeltepunkt.

Glass, smeltet kvarts og mange polymerer har en amorf struktur. Amorfe stoffer er mindre stabile enn krystallinske, og derfor kan enhver amorf kropp til slutt bevege seg inn i en energimessig mer stabil tilstand - en krystallinsk.

flytende tilstand

Når temperaturen stiger, øker energien til termiske vibrasjoner av partikler, og for hvert stoff er det en temperatur som starter fra hvilken energien til termiske vibrasjoner overstiger bindingsenergien. Partikler kan utføre forskjellige bevegelser, skiftende i forhold til hverandre. De forblir fortsatt i kontakt, selv om den riktige geometriske strukturen til partiklene er krenket - stoffet eksisterer i flytende tilstand. På grunn av mobiliteten til partikler er den flytende tilstanden preget av Brownsk bevegelse, diffusjon og flyktighet av partikler. En viktig egenskap ved en væske er viskositet, som karakteriserer interassosiative krefter som hindrer fri flyt av en væske.

Væsker inntar en mellomposisjon mellom gassform og fast tilstand av stoffer. Mer ryddig struktur enn en gass, men mindre enn et fast stoff.

Damp og gassformige tilstander

Den damp-gassformige tilstanden skilles vanligvis ikke.

gass ​​- dette er et svært sjeldne homogent system, bestående av individuelle molekyler langt fra hverandre, som kan betraktes som en enkelt dynamisk fase.

Steam - dette er et svært utladet inhomogent system, som er en blanding av molekyler og ustabile små assosiater som består av disse molekylene.

Den molekylære kinetiske teorien forklarer egenskapene til en ideell gass basert på følgende antakelser: molekyler gjør kontinuerlig tilfeldig bevegelse; volumet av gassmolekyler er ubetydelig sammenlignet med de intermolekylære avstandene; det er ingen tiltrekkende eller frastøtende krefter mellom gassmolekyler; den gjennomsnittlige kinetiske energien til gassmolekyler er proporsjonal med dens absolutte temperatur. På grunn av ubetydeligheten av kreftene til intermolekylær interaksjon og tilstedeværelsen av et stort fritt volum, er gasser preget av: en høy hastighet av termisk bevegelse og molekylær diffusjon, molekylers ønske om å okkupere så mye volum som mulig, så vel som høyt komprimerbarhet.

Et isolert gassfasesystem er preget av fire parametere: trykk, temperatur, volum, mengde stoff. Forholdet mellom disse parameterne er beskrevet av tilstandsligningen for en ideell gass:

R = 8,31 kJ/mol er den universelle gasskonstanten.

aggregerte stater. Væsker. Faser i termodynamikk. Faseoverganger.

Forelesning 1.16

Alle stoffer kan eksistere i tre aggregeringstilstander - fast, flytende Og gassformig. Overganger mellom dem er ledsaget av en brå endring i en rekke fysiske egenskaper (tetthet, termisk ledningsevne, etc.).

Aggregeringstilstanden avhenger av de fysiske forholdene stoffet befinner seg i. Eksistensen av flere aggregeringstilstander i et stoff skyldes forskjeller i den termiske bevegelsen til dets molekyler (atomer) og i deres interaksjon under forskjellige forhold.

Gass- aggregeringstilstand for et stoff der partiklene ikke er bundet eller veldig svakt bundet av interaksjonskrefter; den kinetiske energien til den termiske bevegelsen til partiklene (molekyler, atomer) overstiger betydelig den potensielle energien til interaksjoner mellom dem, så partiklene beveger seg nesten fritt, fyller karet der de er plassert fullstendig og tar sin form. I gassform har materie verken sitt eget volum eller sin egen form. Ethvert stoff kan omdannes til en gassform ved å endre trykket og temperaturen.

Væske- aggregeringstilstanden til et stoff, mellom fast og gass. Det er preget av høy mobilitet av partikler og lite ledig plass mellom dem. Dette fører til at væsker beholder volumet og får form av et kar. I en væske er molekylene veldig nær hverandre. Derfor er tettheten til en væske mye større enn tettheten til gasser (ved normalt trykk). Egenskapene til en væske er like (isotropiske) i alle retninger, med unntak av flytende krystaller. Ved oppvarming eller en reduksjon i tetthet, endres egenskapene til en væske, termisk ledningsevne, viskositet, som regel i retning av konvergens med egenskapene til gasser.

Den termiske bevegelsen til væskemolekyler består av en kombinasjon av kollektive oscillerende bevegelser og sporadiske hopp av molekyler fra en likevektsposisjon til en annen.

Faste (krystallinske) legemer- aggregert tilstand av materie, preget av stabiliteten til formen og arten av den termiske bevegelsen til atomer. Denne bevegelsen er vibrasjonene til atomene (eller ionene) som utgjør en fast kropp. Vibrasjonsamplituden er vanligvis liten sammenlignet med de interatomiske avstandene.

Egenskaper til væsker.

Molekyler av et stoff i flytende tilstand befinner seg nesten nær hverandre. I motsetning til faste krystallinske legemer, der molekyler danner ordnede strukturer gjennom hele volumet av krystallen og kan utføre termiske vibrasjoner rundt faste sentre, har flytende molekyler større frihet. Hvert molekyl i en væske, så vel som i et fast legeme, "klemmes" på alle sider av nabomolekyler og utfører termiske vibrasjoner rundt en viss likevektsposisjon. Men fra tid til annen kan ethvert molekyl flytte til en ledig stilling i nærheten. Slike hopp i væske forekommer ganske ofte; derfor er ikke molekylene knyttet til visse sentre, som i krystaller, og kan bevege seg gjennom hele væskevolumet. Dette forklarer fluiditeten til væsker. På grunn av det sterke samspillet mellom molekyler med tett avstand, kan de danne lokale (ustabile) ordnede grupper som inneholder flere molekyler. Dette fenomenet kalles kort rekkevidde.

På grunn av den tette pakkingen av molekyler, er komprimerbarheten til væsker, dvs. volumendringen med en trykkendring, svært liten; det er titalls og hundretusenvis av ganger mindre enn i gasser. For å endre volumet av vann med 1%, må du for eksempel øke trykket med omtrent 200 ganger. En slik trykkøkning sammenlignet med atmosfærisk trykk oppnås på en dybde på ca. 2 km.

Væsker, som faste stoffer, endrer volumet med en endring i temperaturen. For ikke veldig store temperaturområder vil den relative volumendringen Δ V / V 0 er proporsjonal med temperaturendringer Δ T:

Koeffisienten β kalles temperaturutvidelseskoeffisient. Denne koeffisienten for væsker er ti ganger større enn for faste stoffer. For vann, for eksempel, ved en temperatur på 20 ° С β i ≈ 2 10 -4 K -1, for stål - β st ≈ 3,6 10 -5 K -1, for kvartsglass - β kv ≈ 9 10 - 6 K -1.

Den termiske utvidelsen av vann har en interessant og viktig anomali for livet på jorden. Ved temperaturer under 4 °C utvider vannet seg med synkende temperatur (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

Når vann fryser, utvider det seg, slik at isen forblir flytende på overflaten av den frysende vannmassen. Temperaturen på frysevann under is er 0°C. I tettere lag med vann nær bunnen av reservoaret er temperaturen rundt 4 °C. Takket være dette kan liv eksistere i vannet i frysereservoarer.

Den mest interessante egenskapen til væsker er tilstedeværelsen fri overflate. Væske, i motsetning til gasser, fyller ikke hele volumet av karet som det helles i. Det dannes et grensesnitt mellom væsken og gassen (eller dampen), som er under spesielle forhold sammenlignet med resten av væskens masse. Molekylene i grenselaget til en væske er, i motsetning til molekylene i dens dybde, ikke omgitt av andre molekyler av samme væske fra alle sider. Kreftene til intermolekylær interaksjon som virker på et av molekylene inne i væsken fra nabomolekylene blir i gjennomsnitt gjensidig kompensert. Ethvert molekyl i grenselaget tiltrekkes av molekyler inne i væsken (kreftene som virker på et gitt molekyl av væsken fra gass- (eller damp-) molekylene kan neglisjeres). Som et resultat vises en resulterende kraft, rettet dypt inn i væsken. Overflatemolekyler trekkes inn i væsken av kreftene til intermolekylær tiltrekning. Men alle molekyler, inkludert de i grenselaget, må være i en likevektstilstand. Denne likevekten oppnås på grunn av en viss reduksjon i avstanden mellom molekylene i overflatelaget og deres nærmeste naboer inne i væsken. Når avstanden mellom molekylene minker, oppstår frastøtende krefter. Hvis den gjennomsnittlige avstanden mellom molekyler inne i en væske er r 0 , så pakkes molekylene i overflatelaget noe tettere, og derfor har de en ekstra reserve av potensiell energi sammenlignet med de indre molekylene. Det bør tas i betraktning at på grunn av den ekstremt lave komprimerbarheten, fører tilstedeværelsen av et tettere pakket overflatelag ikke til noen merkbar endring i væskevolumet. Hvis molekylet beveger seg fra overflaten til væsken, vil kreftene til intermolekylær interaksjon gjøre positivt arbeid. Omvendt, for å trekke noen molekyler fra dybden av væsken til overflaten (dvs. øke overflaten til væsken), eksterne krefter må gjøre en god jobb EN ekstern, proporsjonal med endringen Δ S flateareal:

Koeffisienten σ kalles overflatespenningskoeffisienten (σ > 0). Dermed er overflatespenningskoeffisienten lik arbeidet som kreves for å øke overflaten til en væske ved konstant temperatur med en enhet.

I SI måles overflatespenningskoeffisienten i joule pr måler kvadrat (J / m 2) eller i newton per meter (1 N / m \u003d 1 J / m 2).

Følgelig har molekylene i væskens overflatelag et overskudd sammenlignet med molekylene inne i væsken potensiell energi. Potensiell energi E p av væskeoverflaten er proporsjonal med arealet: (1.16.1)

Det er kjent fra mekanikken at likevektstilstandene til et system tilsvarer minimumsverdien av dets potensielle energi. Det følger at den frie overflaten av væsken har en tendens til å redusere arealet. Av denne grunn får en fri dråpe væske en sfærisk form. Væsken oppfører seg som om krefter virker tangentielt til overflaten, og reduserer (trekker sammen) denne overflaten. Disse kreftene kalles overflatespenningskrefter.

Tilstedeværelsen av overflatespenningskrefter gjør at væskeoverflaten ser ut som en elastisk strukket film, med den eneste forskjellen at de elastiske kreftene i filmen avhenger av overflatearealet (dvs. hvordan filmen deformeres), og overflatespenningskreftene gjør det. ikke avhengig av overflatearealet væsker.

Overflatespenningskrefter har en tendens til å forkorte overflaten av filmen. Derfor kan vi skrive: (1.16.2)

Dermed kan overflatespenningskoeffisienten σ defineres som modulen til overflatespenningskraften som virker per lengdeenhet av linjen som avgrenser overflaten ( l er lengden på denne linjen).

På grunn av virkningen av overflatespenningskrefter i væskedråper og inne i såpebobler, et overtrykk Δ s. Hvis vi mentalt kutter en sfærisk dråpe med radius R i to halvdeler, så må hver av dem være i likevekt under påvirkning av overflatespenningskrefter påført grensen til et kutt med en lengde på 2π R og overtrykkskrefter som virker på området π R 2 seksjoner (Fig.1.16.1). Likevektstilstanden skrives som

Nær grensen mellom en væske, et fast stoff og en gass, avhenger formen på væskens frie overflate av kreftene i samspillet mellom flytende molekyler og faste molekyler (interaksjonen med gass- (eller damp-) molekyler kan neglisjeres). Hvis disse kreftene er større enn interaksjonskreftene mellom molekylene i selve væsken, så våter overflaten av et fast legeme. I dette tilfellet nærmer væsken seg overflaten av det faste legeme ved en spiss vinkel θ, som er karakteristisk for det gitte væske-faststoff-paret. Vinkelen θ kalles kontaktvinkel. Hvis interaksjonskreftene mellom flytende molekyler overstiger kreftene til deres interaksjon med faste molekyler, viser kontaktvinkelen θ seg å være stump (fig. 1.16.2(2)). I dette tilfellet sies væsken til våter ikke overflaten av et fast legeme. Ellers (vinkel - akutt) væske våter overflate (fig.1.16.2(1)). På full fuktingθ = 0, at fullstendig ikke-fuktingθ = 180°.

kapillære fenomener kalt stigning eller fall av væske i rør med liten diameter - kapillærer. Fuktende væsker stiger gjennom kapillærene, ikke-fuktende væsker kommer ned.

Figur 1.16.3 viser et kapillærrør med en viss radius r senket av den nedre enden til en fuktende væske med tetthet ρ. Den øvre enden av kapillæren er åpen. Væskens stigning i kapillæren fortsetter til tyngdekraften som virker på væskesøylen i kapillæren blir lik absoluttverdi med den resulterende F n overflatespenningskrefter som virker langs grensen for kontakt mellom væsken og overflaten av kapillæren: F t = F n, hvor F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.

Dette medfører:

Med fullstendig fukting θ = 0, cos θ = 1. I dette tilfellet

Med fullstendig ikke-fukting, θ = 180°, cos θ = –1 og derfor, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Vann fukter nesten helt den rene glassoverflaten. Omvendt fukter ikke kvikksølv glassoverflaten helt. Derfor faller nivået av kvikksølv i glasskapillæren under nivået i karet.

Den mest utbredte kunnskapen handler om tre aggregeringstilstander: flytende, fast, gassformig, noen ganger tenker de på plasma, sjeldnere flytende krystall. Nylig har en liste over 17 faser av materie, hentet fra den berømte () Stephen Fry, spredt seg på Internett. Derfor vil vi snakke om dem mer detaljert, fordi. man bør vite litt mer om materie, om så bare for å bedre forstå prosessene som foregår i universet.

Listen over aggregattilstander gitt nedenfor øker fra de kaldeste tilstandene til de varmeste, og så videre. kan fortsettes. Samtidig bør det forstås at fra gasstilstanden (nr. 11), den mest "utvidede", på begge sider av listen, graden av kompresjon av stoffet og dets trykk (med noen forbehold for slike uutforskede hypotetiske tilstander som kvante, stråle eller svakt symmetriske) øker Etter teksten er det gitt en visuell graf over faseovergangene til materie.

1. Kvante- tilstanden for aggregering av materie, oppnådd når temperaturen synker til absolutt null, som et resultat av at interne bindinger forsvinner og materie smuldrer opp til frie kvarker.

2. Bose-Einstein kondensat- aggregert tilstand av materie, som er basert på bosoner avkjølt til temperaturer nær absolutt null (mindre enn en milliondel av en grad over absolutt null). I en så sterkt avkjølt tilstand befinner et tilstrekkelig stort antall atomer seg i sine minimum mulige kvantetilstander, og kvanteeffekter begynner å manifestere seg på makroskopisk nivå. Bose-Einstein-kondensat (ofte referert til som "Bose-kondensat", eller ganske enkelt "tilbake") oppstår når du avkjøler et kjemisk grunnstoff til ekstremt lave temperaturer (vanligvis like over absolutt null, minus 273 grader Celsius). , er den teoretiske temperaturen kl. som alt slutter å bevege seg).
Det er her merkelige ting begynner å skje. Prosesser som normalt bare kan observeres på atomnivå skjer nå på skalaer som er store nok til å kunne observeres med det blotte øye. Hvis du for eksempel legger en "rygg" i et beger og gir ønsket temperatur, vil stoffet begynne å krype oppover veggen og til slutt komme seg ut av seg selv.
Tilsynelatende har vi her å gjøre med et fåfengt forsøk fra stoffet på å senke sin egen energi (som allerede er på det laveste av alle mulige nivåer).
Bremsing av atomer ved hjelp av kjøleutstyr produserer en enkelt kvantetilstand kjent som et Bose-kondensat, eller Bose-Einstein. Dette fenomenet ble spådd i 1925 av A. Einstein, som et resultat av en generalisering av arbeidet til S. Bose, der statistisk mekanikk ble bygget for partikler, alt fra masseløse fotoner til atomer med masse (Einsteins manuskript, som ble ansett som tapt, ble funnet på biblioteket ved Universitetet i Leiden i 2005). Resultatet av innsatsen til Bose og Einstein var Bose-konseptet om en gass som følger Bose-Einstein-statistikken, som beskriver den statistiske fordelingen av identiske partikler med heltallsspinn, kalt bosoner. Bosoner, som for eksempel er både individuelle elementærpartikler - fotoner og hele atomer, kan være med hverandre i samme kvantetilstand. Einstein foreslo at avkjøling av atomer - bosoner til svært lave temperaturer ville få dem til å gå (eller, med andre ord, kondensere) inn i lavest mulig kvantetilstand. Resultatet av slik kondensering vil være fremveksten av en ny form for materie.
Denne overgangen skjer under den kritiske temperaturen, som er for en homogen tredimensjonal gass bestående av ikke-samvirkende partikler uten noen indre frihetsgrader.

3. Fermionisk kondensat- aggregeringstilstanden til et stoff, lik baksiden, men med forskjellig struktur. Når de nærmer seg absolutt null, oppfører atomer seg forskjellig avhengig av størrelsen på deres eget vinkelmoment (spinn). Bosoner har heltallspinn, mens fermioner har spinn som er multipler av 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Fermioner følger Pauli eksklusjonsprinsippet, som sier at to fermioner ikke kan ha samme kvantetilstand. For bosoner er det ikke noe slikt forbud, og derfor har de muligheten til å eksistere i én kvantetilstand og dermed danne det såkalte Bose-Einstein-kondensatet. Prosessen med dannelsen av dette kondensatet er ansvarlig for overgangen til den superledende tilstanden.
Elektroner har spin 1/2 og er derfor fermioner. De kombineres til par (såkalte Cooper-par), som deretter danner et Bose-kondensat.
Amerikanske forskere forsøkte å oppnå et slags molekyl fra fermionatomer ved dyp avkjøling. Forskjellen fra ekte molekyler var at det ikke var noen kjemisk binding mellom atomene - de bare beveget seg sammen på en korrelert måte. Bindingen mellom atomer viste seg å være enda sterkere enn mellom elektroner i Cooper-par. For parene med fermioner som dannes, er ikke lenger det totale spinnet et multiplum av 1/2, derfor oppfører de seg allerede som bosoner og kan danne et Bose-kondensat med en enkelt kvantetilstand. Under forsøket ble en gass med kalium-40 atomer avkjølt til 300 nanokelvin, mens gassen ble innelukket i en såkalt optisk felle. Deretter ble det påført et eksternt magnetfelt, ved hjelp av hvilket det var mulig å endre arten av interaksjoner mellom atomer - i stedet for sterk frastøting, begynte en sterk tiltrekning å bli observert. Når man analyserte påvirkningen av magnetfeltet, var det mulig å finne en slik verdi ved at atomene begynte å oppføre seg som Cooper-elektronpar. På neste stadium av eksperimentet foreslår forskere å oppnå effekten av superledning for det fermioniske kondensatet.

4. Superflytende stoff- en tilstand der stoffet praktisk talt ikke har noen viskositet, og når det flyter, opplever det ikke friksjon med en fast overflate. Konsekvensen av dette er for eksempel en så interessant effekt som den fullstendige spontane "kryping ut" av superfluid helium fra fartøyet langs veggene mot tyngdekraften. Selvfølgelig er det ingen brudd på loven om bevaring av energi her. I fravær av friksjonskrefter virker bare gravitasjonskrefter på helium, krefter av interatomisk interaksjon mellom helium og karets vegger og mellom heliumatomer. Så kreftene til interatomisk interaksjon overgår alle andre krefter til sammen. Som et resultat har helium en tendens til å spre seg så mye som mulig over alle mulige overflater, og derfor "reiser" langs fartøyets vegger. I 1938 beviste den sovjetiske forskeren Pyotr Kapitsa at helium kan eksistere i en superflytende tilstand.
Det er verdt å merke seg at mange av de uvanlige egenskapene til helium har vært kjent i ganske lang tid. Imidlertid har dette kjemiske elementet de siste årene "skjemt bort" oss med interessante og uventede effekter. Så i 2004 fascinerte Moses Chan og Eun-Syong Kim fra University of Pennsylvania den vitenskapelige verden ved å hevde at de hadde lyktes i å oppnå en helt ny tilstand av helium - et superfluid fast stoff. I denne tilstanden kan noen heliumatomer i krystallgitteret strømme rundt andre, og helium kan dermed strømme gjennom seg selv. Effekten av "superhardhet" ble teoretisk spådd tilbake i 1969. Og i 2004 - som om eksperimentell bekreftelse. Imidlertid viste senere og veldig nysgjerrige eksperimenter at alt ikke er så enkelt, og kanskje er en slik tolkning av fenomenet, som tidligere ble tatt for overfluiditeten til fast helium, feil.
Eksperimentet til forskere ledet av Humphrey Maris fra Brown University i USA var enkelt og elegant. Forskerne plasserte et reagensrør snudd opp ned i en lukket tank med flytende helium. En del av heliumet i reagensrøret og i tanken ble frosset på en slik måte at grensen mellom væske og fast stoff inne i reagensrøret var høyere enn i tanken. Det var med andre ord flytende helium i den øvre delen av reagensrøret, og fast helium i den nedre delen; det gikk jevnt over i den faste fasen av tanken, som litt flytende helium ble helt over - lavere enn væskenivået i reagensrøret. Hvis flytende helium begynte å sive gjennom faststoff, ville nivåforskjellen minke, og da kan vi snakke om fast superfluid helium. Og i prinsippet ble nivåforskjellen redusert i tre av 13 forsøk.

5. Superhard materie- en aggregeringstilstand der materie er gjennomsiktig og kan "flyte" som en væske, men faktisk er den blottet for viskositet. Slike væsker har vært kjent i mange år og kalles superfluider. Faktum er at hvis supervæsken røres, vil den sirkulere nesten for alltid, mens den normale væsken til slutt vil roe seg. De to første superfluidene ble laget av forskere som brukte helium-4 og helium-3. De ble avkjølt nesten til absolutt null - til minus 273 grader Celsius. Og fra helium-4 klarte amerikanske forskere å få en superhard kropp. De komprimerte det frosne heliumet med trykk mer enn 60 ganger, og deretter ble glasset fylt med stoffet installert på en roterende skive. Ved en temperatur på 0,175 grader Celsius begynte disken plutselig å rotere mer fritt, noe som ifølge forskere indikerer at helium har blitt en superkropp.

6. Solid- tilstanden av aggregering av materie, preget av stabiliteten til formen og arten av den termiske bevegelsen til atomer, som lager små vibrasjoner rundt likevektsposisjonene. Den stabile tilstanden til faste stoffer er krystallinsk. Skille faste stoffer med ioniske, kovalente, metalliske og andre typer bindinger mellom atomer, som bestemmer variasjonen av deres fysiske egenskaper. De elektriske og noen andre egenskapene til faste stoffer bestemmes hovedsakelig av arten av bevegelsen til de ytre elektronene til atomene. I henhold til deres elektriske egenskaper er faste stoffer delt inn i dielektriske stoffer, halvledere og metaller; i henhold til deres magnetiske egenskaper er de delt inn i diamagneter, paramagneter og legemer med en ordnet magnetisk struktur. Undersøkelsene av egenskapene til faste stoffer har forenet seg til et stort felt - faststofffysikk, hvis utvikling stimuleres av teknologiens behov.

7. Amorft fast stoff- en kondensert tilstand av aggregering av et stoff, preget av isotropien av fysiske egenskaper på grunn av det uordnede arrangementet av atomer og molekyler. I amorfe faste stoffer vibrerer atomer rundt tilfeldig plasserte punkter. I motsetning til den krystallinske tilstanden, skjer overgangen fra en fast amorf til flytende gradvis. Ulike stoffer er i amorf tilstand: glass, harpiks, plast, etc.

8. Flytende krystall- dette er en spesifikk aggregeringstilstand av et stoff der det samtidig viser egenskapene til en krystall og en væske. Vi må umiddelbart ta forbehold om at ikke alle stoffer kan være i flytende krystalltilstand. Imidlertid kan noen organiske stoffer med komplekse molekyler danne en spesifikk aggregeringstilstand - flytende krystall. Denne tilstanden utføres under smelting av krystaller av visse stoffer. Når de smelter, dannes det en flytende-krystallinsk fase, som skiller seg fra vanlige væsker. Denne fasen eksisterer i området fra krystallens smeltetemperatur til noe høyere temperatur, når den oppvarmes, hvortil den flytende krystallen forvandles til en vanlig væske.
Hvordan skiller en flytende krystall seg fra en flytende og en vanlig krystall, og hvordan ligner den på dem? Som en vanlig væske har en flytende krystall flytende og tar form av et kar som den er plassert i. I dette skiller den seg fra krystallene kjent for alle. Men til tross for denne egenskapen, som forener den med en væske, har den en egenskap som er karakteristisk for krystaller. Dette er rekkefølgen i rommet til molekylene som danner krystallen. Riktignok er denne rekkefølgen ikke så komplett som i vanlige krystaller, men likevel påvirker den egenskapene til flytende krystaller betydelig, noe som skiller dem fra vanlige væsker. Den ufullstendige romlige rekkefølgen av molekylene som danner en flytende krystall viser seg ved at det i flytende krystaller ikke er noen fullstendig rekkefølge i det romlige arrangementet av tyngdepunktene til molekylene, selv om det kan være en delvis rekkefølge. Dette betyr at de ikke har et stivt krystallgitter. Derfor har flytende krystaller, som vanlige væsker, egenskapen til flyt.
En obligatorisk egenskap til flytende krystaller, som bringer dem nærmere vanlige krystaller, er tilstedeværelsen av en orden i den romlige orienteringen til molekyler. En slik rekkefølge i orientering kan for eksempel vise seg ved at alle lange akser av molekyler i en flytende krystallprøve er orientert på samme måte. Disse molekylene skal ha en langstrakt form. I tillegg til den enkleste navngitte rekkefølgen av aksene til molekyler, kan en mer kompleks orienteringsrekkefølge av molekyler realiseres i en flytende krystall.
Avhengig av typen bestilling av molekylaksene, er flytende krystaller delt inn i tre typer: nematiske, smektiske og kolesteriske.
Forskning på fysikken til flytende krystaller og deres anvendelser utføres for tiden på bred front i alle de mest utviklede landene i verden. Innenlandsk forskning er konsentrert både i akademiske og industrielle forskningsinstitusjoner og har lange tradisjoner. Verkene til V.K. Frederiks til V.N. Tsvetkova. I de siste årene, den raske studien av flytende krystaller, gir russiske forskere også et betydelig bidrag til utviklingen av teorien om flytende krystaller generelt og spesielt optikken til flytende krystaller. Så verkene til I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Blinov og mange andre sovjetiske forskere er viden kjent for det vitenskapelige miljøet og fungerer som grunnlaget for en rekke effektive tekniske anvendelser av flytende krystaller.
Eksistensen av flytende krystaller ble etablert for veldig lenge siden, nemlig i 1888, det vil si for nesten et århundre siden. Selv om forskere hadde møtt denne tilstanden før 1888, ble den offisielt oppdaget senere.
Den første som oppdaget flytende krystaller var den østerrikske botanikeren Reinitzer. Ved å undersøke det nye stoffet kolesterylbenzoat syntetisert av ham, fant han at ved en temperatur på 145 ° C smelter krystallene av dette stoffet og danner en uklar væske som sterkt sprer lys. Ved fortsatt oppvarming, når den når en temperatur på 179 ° C, blir væsken klar, det vil si at den begynner å oppføre seg optisk som en vanlig væske, for eksempel vann. Kolesterylbenzoat viste uventede egenskaper i den uklare fasen. Ved å undersøke denne fasen under et polariserende mikroskop fant Reinitzer at den har dobbeltbrytning. Dette betyr at lysets brytningsindeks, det vil si lyshastigheten i denne fasen, avhenger av polarisasjonen.

9. Væske- aggregeringstilstanden til et stoff, som kombinerer egenskapene til en fast tilstand (bevaring av volum, en viss strekkstyrke) og en gassform (formvariabilitet). En væske er preget av en kort rekkefølge i arrangementet av partikler (molekyler, atomer) og en liten forskjell i den kinetiske energien til den termiske bevegelsen til molekyler og deres potensielle interaksjonsenergi. Den termiske bevegelsen til væskemolekyler består av oscillasjoner rundt likevektsposisjoner og relativt sjeldne hopp fra en likevektsposisjon til en annen, som er assosiert med væskens fluiditet.

10. Superkritisk væske(GFR) er aggregeringstilstanden til et stoff, der forskjellen mellom væske- og gassfasen forsvinner. Ethvert stoff ved en temperatur og trykk over det kritiske punktet er en superkritisk væske. Egenskapene til et stoff i superkritisk tilstand er mellomliggende mellom dets egenskaper i gass- og væskefasen. Dermed har SCF en høy tetthet, nær væske, og lav viskositet, som gasser. Diffusjonskoeffisienten har i dette tilfellet en mellomverdi mellom væske og gass. Stoffer i superkritisk tilstand kan brukes som erstatning for organiske løsemidler i laboratorie- og industrielle prosesser. Superkritisk vann og superkritisk karbondioksid har fått størst interesse og fordeling i forbindelse med enkelte egenskaper.
En av de viktigste egenskapene til den superkritiske tilstanden er evnen til å løse opp stoffer. Ved å endre temperaturen eller trykket til væsken kan man endre dens egenskaper i et bredt område. Dermed er det mulig å oppnå et fluid hvis egenskaper er nær enten en væske eller en gass. Dermed øker oppløsningskraften til en væske med økende tetthet (ved konstant temperatur). Siden tettheten øker med økende trykk, kan endring av trykket påvirke væskens oppløsningskraft (ved konstant temperatur). Når det gjelder temperatur, er avhengigheten av væskeegenskapene noe mer komplisert - ved konstant tetthet øker også væskens oppløsningskraft, men nær det kritiske punktet kan en liten økning i temperaturen føre til et kraftig fall i tettheten, og følgelig oppløsende kraft. Superkritiske væsker blandes med hverandre i det uendelige, så når det kritiske punktet for blandingen er nådd, vil systemet alltid være enfaset. Den omtrentlige kritiske temperaturen til en binær blanding kan beregnes som det aritmetiske gjennomsnittet av de kritiske parameterne til stoffene Tc(mix) = (molfraksjon av A) x TcA + (molfraksjon av B) x TcB.

11. Gassformig- (fransk gaz, fra gresk kaos - kaos), den aggregerte tilstanden til materie der den kinetiske energien til den termiske bevegelsen til partiklene (molekyler, atomer, ioner) betydelig overstiger den potensielle energien til interaksjoner mellom dem, og derfor partiklene Beveg deg fritt, fyll jevnt ut fravær av eksterne felt, hele volumet gitt til dem.

12. Plasma- (fra gresk plasma - støpt, formet), en tilstand av materie, som er en ionisert gass, der konsentrasjonene av positive og negative ladninger er like (kvasi-nøytralitet). Det store flertallet av materie i universet er i plasmatilstanden: stjerner, galaktiske tåker og det interstellare mediet. Nær Jorden eksisterer plasma i form av solvinden, magnetosfæren og ionosfæren. Høytemperaturplasma (T ~ 106 - 108 K) fra en blanding av deuterium og tritium undersøkes med sikte på å implementere kontrollert termonukleær fusjon. Lavtemperaturplasma (T Ј 105K) brukes i forskjellige gassutladningsenheter (gasslasere, ioneenheter, MHD-generatorer, plasmabrennere, plasmamotorer, etc.), samt i teknologi (se Plasmametallurgi, Plasmaboring, Plasmateknologi).

13. Degenerert materie- er et mellomstadium mellom plasma og nøytronium. Den er observert hos hvite dverger og spiller en viktig rolle i utviklingen av stjerner. Når atomer er under forhold med ekstremt høye temperaturer og trykk, mister de elektronene sine (de går inn i en elektrongass). Med andre ord er de fullstendig ionisert (plasma). Trykket til en slik gass (plasma) bestemmes av elektrontrykket. Hvis tettheten er veldig høy, tvinges alle partikler til å nærme seg hverandre. Elektroner kan være i tilstander med visse energier, og to elektroner kan ikke ha samme energi (med mindre spinnene deres er motsatte). Således, i en tett gass, viser alle lavere energinivåer seg å være fylt med elektroner. En slik gass kalles degenerert. I denne tilstanden viser elektronene et degenerert elektrontrykk som motsetter seg tyngdekreftene.

14. Nøytronium— aggregeringstilstand som materie går inn i under ultrahøyt trykk, som er uoppnåelig i laboratoriet ennå, men som eksisterer inne i nøytronstjerner. Under overgangen til nøytrontilstanden samhandler stoffets elektroner med protoner og blir til nøytroner. Som et resultat består materie i nøytrontilstand utelukkende av nøytroner og har en tetthet i størrelsesorden kjernefysisk. Temperaturen på stoffet i dette tilfellet bør ikke være for høy (i energiekvivalent, ikke mer enn hundre MeV).
Med en sterk økning i temperatur (hundrevis av MeV og over), i nøytrontilstanden, begynner forskjellige mesoner å bli født og utslette. Med en ytterligere økning i temperaturen oppstår deconfinement, og stoffet går over i tilstanden til kvark-gluonplasma. Den består ikke lenger av hadroner, men av konstant fødte og forsvinnende kvarker og gluoner.

15. Quark-gluon plasma(kromoplasma) er en aggregert materietilstand i høyenergifysikk og elementærpartikkelfysikk, der hadronisk materie går over i en tilstand som ligner på tilstanden der elektroner og ioner er i vanlig plasma.
Vanligvis er saken i hadroner i såkalt fargeløs ("hvit") tilstand. Det vil si at kvarker i forskjellige farger kompenserer hverandre. En lignende tilstand eksisterer i vanlig materie - når alle atomer er elektrisk nøytrale, dvs.
positive ladninger i dem kompenseres av negative. Ved høye temperaturer kan det oppstå ionisering av atomer, mens ladningene skilles, og stoffet blir som de sier «kvasi-nøytralt». Det vil si at hele materieskyen som helhet forblir nøytral, og dens individuelle partikler slutter å være nøytrale. Antagelig kan det samme skje med hadronisk materie – ved svært høye energier frigjøres farge og gjør stoffet «kvasifargeløst».
Antagelig var universets materie i tilstanden av kvark-gluonplasma i de første øyeblikkene etter Big Bang. Nå kan kvark-gluonplasma dannes i kort tid ved kollisjoner av partikler med svært høy energi.
Quark-gluon plasma ble oppnådd eksperimentelt ved RHIC-akseleratoren ved Brookhaven National Laboratory i 2005. Den maksimale plasmatemperaturen på 4 billioner grader Celsius ble oppnådd der i februar 2010.

16. Merkelig stoff- aggregeringstilstand, der stoffet er komprimert til grenseverdiene for tetthet, det kan eksistere i form av "kvarksuppe". En kubikkcentimeter materie i denne tilstanden ville veie milliarder av tonn; dessuten vil det gjøre ethvert normalt stoff som det kommer i kontakt med til samme "merkelige" form med frigjøring av en betydelig mengde energi.
Energien som kan frigjøres under transformasjonen av stoffet i kjernen til en stjerne til et "rart stoff" vil føre til en superkraftig eksplosjon av en "kvarknova" - og ifølge Leahy og Wyed var det nettopp denne eksplosjonen som astronomer observerte i september 2006.
Prosessen med dannelsen av dette stoffet begynte med en vanlig supernova, som en massiv stjerne ble til. Som et resultat av den første eksplosjonen ble det dannet en nøytronstjerne. Men ifølge Leahy og Wyed varte den ikke lenge – ettersom rotasjonen så ut til å bli bremset av dets eget magnetfelt, begynte den å krympe enda mer, med dannelsen av en klump med "rare ting", noe som førte til en enda kraftigere enn i en vanlig supernovaeksplosjon, frigjøring av energi - og de ytre lagene av stoffet til den tidligere nøytronstjernen, som flyr inn i det omkringliggende rommet med en hastighet nær lysets hastighet.

17. Sterkt symmetrisk materie- dette er et stoff som er komprimert i en slik grad at mikropartiklene inni det ligger lagvis oppå hverandre, og kroppen selv kollapser til et sort hull. Begrepet "symmetri" forklares på følgende måte: La oss ta de aggregerte materietilstandene som er kjent for alle fra skolebenken - fast, flytende, gassformig. For bestemthet, vurder en ideell uendelig krystall som et fast stoff. Den har en viss, såkalt diskret symmetri med hensyn til oversettelse. Dette betyr at hvis krystallgitteret forskyves med en avstand lik intervallet mellom to atomer, vil ingenting endre seg i det - krystallen vil falle sammen med seg selv. Hvis krystallen smeltes, vil symmetrien til den resulterende væsken være annerledes: den vil øke. I en krystall var det bare punkter som var fjernt fra hverandre på visse avstander, de såkalte nodene til krystallgitteret, der identiske atomer var lokalisert, likeverdige.
Væsken er homogen gjennom hele volumet, alle punktene kan ikke skilles fra hverandre. Dette betyr at væsker kan fortrenges med alle vilkårlige avstander (og ikke bare av noen diskrete, som i en krystall) eller roteres av hvilke som helst vilkårlige vinkler (som ikke kan gjøres i krystaller i det hele tatt), og det vil falle sammen med seg selv. Graden av symmetri er høyere. Gassen er enda mer symmetrisk: væsken opptar et visst volum i karet og det er en asymmetri inne i karet, der det er væske, og punkter der det ikke er det. Gassen, på den annen side, opptar hele volumet som gis til den, og i denne forstand er alle punktene ikke å skille fra hverandre. Likevel ville det være mer riktig å snakke her ikke om poeng, men om små, men makroskopiske elementer, for på mikroskopisk nivå er det fortsatt forskjeller. På noen tidspunkter er det atomer eller molekyler, mens andre ikke gjør det. Symmetri observeres bare i gjennomsnitt, enten i noen makroskopiske volumparametere eller i tid.
Men det er fortsatt ingen øyeblikkelig symmetri på mikroskopisk nivå. Hvis stoffet er komprimert veldig sterkt, til trykk som er uakseptabelt i hverdagen, komprimert slik at atomene ble knust, deres skall penetrerte hverandre, og kjernene begynte å berøre, oppstår symmetri på mikroskopisk nivå. Alle kjerner er like og presset mot hverandre, det er ikke bare interatomiske, men også indre nukleære avstander, og stoffet blir homogent (rart stoff).
Men det er også et submikroskopisk nivå. Kjerner er bygd opp av protoner og nøytroner som beveger seg rundt inne i kjernen. Det er også litt mellomrom mellom dem. Fortsetter du å komprimere slik at kjernene også knuses, vil nukleonene presse seg tett mot hverandre. Da vil det på submikroskopisk nivå vises symmetri, som ikke engang er inne i vanlige kjerner.
Ut fra det som er sagt kan man se en ganske bestemt trend: Jo høyere temperatur og jo høyere trykk, jo mer symmetrisk blir stoffet. Basert på disse betraktningene kalles stoffet maksimalt komprimert sterkt symmetrisk.

18. Svakt symmetrisk materie- en tilstand motsatt av sterkt symmetrisk materie i sine egenskaper, som var tilstede i det tidlige universet ved en temperatur nær Planck-temperaturen, kanskje 10-12 sekunder etter Big Bang, da sterke, svake og elektromagnetiske krefter var en enkelt superkraft . I denne tilstanden komprimeres materie i en slik grad at massen omdannes til energi, som begynner å blåse opp, det vil si utvide seg uten grenser. Det er ennå ikke mulig å oppnå energier for eksperimentell produksjon av superkraft og overføring av materie til denne fasen under jordiske forhold, selv om slike forsøk ble gjort ved Large Hadron Collider for å studere det tidlige universet. På grunn av fraværet av gravitasjonsinteraksjon i sammensetningen av superkraften som danner dette stoffet, er ikke superkraften tilstrekkelig symmetrisk sammenlignet med den supersymmetriske kraften, som inneholder alle 4 typer interaksjoner. Derfor fikk denne aggregeringstilstanden et slikt navn.

19. Strålingsstoff– dette er faktisk ikke lenger et stoff, men energi i sin reneste form. Imidlertid er det denne hypotetiske aggregeringstilstanden et legeme som har nådd lysets hastighet vil ta. Det kan også oppnås ved å varme opp kroppen til Planck-temperaturen (1032K), det vil si ved å spre stoffets molekyler til lysets hastighet. Som følger av relativitetsteorien, når hastigheten når mer enn 0,99 s, begynner kroppens masse å vokse mye raskere enn med "normal" akselerasjon, i tillegg forlenges kroppen, varmes opp, det vil si at den begynner å stråle i det infrarøde spekteret. Når man krysser terskelen på 0,999 s, endrer kroppen seg dramatisk og begynner en rask faseovergang opp til stråletilstanden. Som følger av Einsteins formel, tatt i sin helhet, består den voksende massen av det endelige stoffet av masser som er separert fra kroppen i form av termisk, røntgen, optisk og annen stråling, energien til hver av disse er beskrevet av neste ledd i formelen. Dermed vil et legeme som nærmer seg lysets hastighet begynne å stråle i alle spektre, vokse i lengde og sakte ned over tid, tynnere til Planck-lengden, det vil si at når den når hastighet c, vil kroppen bli til en uendelig lang og tynn stråle som beveger seg med lysets hastighet og består av fotoner som ikke har noen lengde, og dens uendelige masse vil fullstendig bli til energi. Derfor kalles et slikt stoff stråling.

All materie kan eksistere i en av fire former. Hver av dem er en viss aggregert tilstand av materie. I jordens natur er bare én representert i tre av dem samtidig. Dette er vann. Det er lett å se det fordampet, og smeltet og herdet. Det er damp, vann og is. Forskere har lært hvordan man endrer materiens aggregerte tilstander. Den største vanskeligheten for dem er bare plasma. Denne tilstanden krever spesielle forhold.

Hva er det, hva er det avhengig av og hvordan karakteriseres det?

Hvis kroppen har gått over i en annen aggregert materietilstand, betyr ikke dette at noe annet har dukket opp. Stoffet forblir det samme. Hvis væsken hadde vannmolekyler, vil de samme være i damp med is. Bare deres plassering, bevegelseshastighet og interaksjonskrefter med hverandre vil endre seg.

Når man studerer emnet "Aggregerte tilstander (grad 8)", vurderes bare tre av dem. Disse er flytende, gass og fast stoff. Deres manifestasjoner avhenger av de fysiske forholdene i miljøet. Egenskapene til disse tilstandene er presentert i tabellen.

Første tilstand: solid

Dens grunnleggende forskjell fra andre er at molekylene har en strengt definert plass. Når man snakker om en solid aggregeringstilstand, betyr de oftest krystaller. I dem er gitterstrukturen symmetrisk og strengt periodisk. Derfor er den alltid bevart, uansett hvor langt kroppen ville spre seg. Den oscillerende bevegelsen til molekylene til et stoff er ikke nok til å ødelegge dette gitteret.

Men det finnes også amorfe kropper. De mangler en streng struktur i arrangementet av atomer. De kan være hvor som helst. Men dette stedet er like stabilt som i den krystallinske kroppen. Forskjellen mellom amorfe og krystallinske stoffer er at de ikke har en spesifikk smeltetemperatur (størknings-) og de er preget av fluiditet. Levende eksempler på slike stoffer er glass og plast.

Andre tilstand: væske

Denne aggregerte materietilstanden er en krysning mellom et fast stoff og en gass. Derfor kombinerer den noen egenskaper fra den første og andre. Så avstanden mellom partiklene og deres interaksjon er lik det som var tilfellet med krystaller. Men her er plasseringen og bevegelsen nærmere gassen. Derfor beholder ikke væsken sin form, men sprer seg over karet den helles i.

Tredje tilstand: gass

For en vitenskap kalt "fysikk" er ikke aggregeringstilstanden i form av en gass på siste plass. Tross alt studerer hun verden rundt seg, og luften i den er veldig vanlig.

Egenskapene til denne tilstanden er at kreftene til interaksjon mellom molekyler er praktisk talt fraværende. Dette forklarer deres frie bevegelse. På grunn av dette fyller det gassformige stoffet hele volumet som leveres til det. Dessuten kan alt overføres til denne tilstanden, du trenger bare å øke temperaturen med ønsket mengde.

Fjerde tilstand: plasma

Denne aggregattilstanden er en gass som er helt eller delvis ionisert. Dette betyr at antallet negativt og positivt ladede partikler i den er nesten det samme. Denne situasjonen oppstår når gassen varmes opp. Så er det en kraftig akselerasjon av prosessen med termisk ionisering. Det ligger i det faktum at molekyler er delt inn i atomer. Sistnevnte blir deretter til ioner.

Innenfor universet er en slik tilstand veldig vanlig. Fordi den inneholder alle stjernene og mediet mellom dem. Innenfor grensene til jordens overflate forekommer det ekstremt sjelden. Bortsett fra ionosfæren og solvinden, er plasma bare mulig under tordenvær. I lynglimt skapes det forhold der atmosfærens gasser går over i materiens fjerde tilstand.

Men dette betyr ikke at plasma ikke har blitt laget i laboratoriet. Det første som kunne reproduseres var et gassutslipp. Plasma fyller nå fluorescerende lys og neonskilt.

Hvordan foregår overgangen mellom stater?

For å gjøre dette må du lage visse forhold: et konstant trykk og en spesifikk temperatur. I dette tilfellet er en endring i de samlede tilstandene til et stoff ledsaget av frigjøring eller absorpsjon av energi. Dessuten skjer ikke denne overgangen med lynets hastighet, men krever en viss tid. I løpet av denne tiden må forholdene forbli uendret. Overgangen skjer med den samtidige eksistensen av materie i to former, som opprettholder termisk likevekt.

De tre første tilstandene av materie kan gjensidig gå over i hverandre. Det er direkte prosesser og omvendte. De har følgende navn:

• smelting(fra fast til flytende) og krystallisering for eksempel smelting av is og størkning av vann;
• fordampning(fra flytende til gassformig) og kondensasjon, et eksempel er fordampning av vann og dets produksjon fra damp;
• sublimering(fra fast til gassformig) og desublimering, for eksempel fordampning av en tørr duft for den første av dem og frostige mønstre på glasset for den andre.

Fysikk for smelting og krystallisering

Hvis et fast legeme er oppvarmet, så ved en viss temperatur, kalt smeltepunkt et spesifikt stoff, vil en endring i aggregeringstilstanden, som kalles smelting, begynne. Denne prosessen går med absorpsjon av energi, som kalles mengde varme og er merket med bokstaven Q. For å beregne det, må du vite det spesifikk fusjonsvarme, som er betegnet λ . Og formelen ser slik ut:

Q=λ*m, hvor m er massen til stoffet som er involvert i smeltingen.

Hvis den omvendte prosessen skjer, det vil si krystalliseringen av væsken, gjentas forholdene. Den eneste forskjellen er at energi frigjøres, og minustegnet vises i formelen.

Fysikk for fordampning og kondensering

Med fortsatt oppvarming av stoffet vil det gradvis nærme seg temperaturen der dets intensive fordampning vil begynne. Denne prosessen kalles fordampning. Det er igjen preget av absorpsjon av energi. Bare for å beregne det, må du vite det spesifikk fordampningsvarme r. Og formelen vil være:

Q=r*m.

Den omvendte prosessen eller kondenseringen skjer med frigjøring av samme mengde varme. Derfor vises et minus i formelen igjen.

Definisjon 1

Aggregerte materietilstander(fra latin "aggrego" betyr "jeg fester", "jeg binder") - dette er tilstandene til det samme stoffet i fast, flytende og gassform.

Under overgangen fra en tilstand til en annen observeres en brå endring i energi, entropi, tetthet og andre egenskaper til materie.

Faste og flytende legemer

Faste stoffer– Dette er kropper som kjennetegnes ved konstansen i form og volum.

I faste stoffer er intermolekylære avstander små, og den potensielle energien til molekyler kan sammenlignes med den kinetiske energien.

Faste kropper er delt inn i 2 typer:

1. krystallinsk;
2. Amorf.

Bare krystallinske legemer er i en tilstand av termodynamisk likevekt. Amorfe legemer er faktisk metastabile tilstander, som i struktur ligner på ikke-likevekt, langsomt krystalliserende væsker. I en amorf kropp foregår en altfor langsom krystalliseringsprosess, en prosess med gradvis transformasjon av et stoff til en krystallinsk fase. Forskjellen mellom en krystall og et amorft fast stoff ligger først og fremst i anisotropien til dets egenskaper. Egenskapene til et krystallinsk legeme bestemmes avhengig av retningen i rommet. Ulike prosesser (for eksempel termisk ledningsevne, elektrisk ledningsevne, lys, lyd) forplanter seg i forskjellige retninger av et fast legeme på forskjellige måter. Men amorfe legemer (for eksempel glass, harpiks, plast) er isotrope, som væsker. Forskjellen mellom amorfe legemer og væsker ligger bare i det faktum at sistnevnte er flytende, statiske skjærdeformasjoner forekommer ikke i dem.

Krystallinske legemer har riktig molekylstruktur. Det er på grunn av den riktige strukturen at krystallen har anisotrope egenskaper. Riktig arrangement av krystallatomer skaper det såkalte krystallgitteret. I forskjellige retninger er plasseringen av atomer i gitteret forskjellig, noe som fører til anisotropi. Atomer (ioner eller hele molekyler) i krystallgitteret utfører tilfeldig oscillerende bevegelse nær midtposisjonene, som regnes som noder i krystallgitteret. Jo høyere temperatur, jo høyere energi til svingninger, og derav gjennomsnittlig amplitude av svingninger. Avhengig av amplituden til oscillasjonene bestemmes størrelsen på krystallen. En økning i amplituden til oscillasjoner fører til en økning i størrelsen på kroppen. Dermed er den termiske utvidelsen av faste stoffer forklart.

Definisjon 3

flytende legemer– Dette er kropper som har et visst volum, men som ikke har en elastisk form.

Et stoff i flytende tilstand er preget av sterk intermolekylær interaksjon og lav komprimerbarhet. En væske inntar en mellomposisjon mellom et fast stoff og en gass. Væsker, som gasser, har isotopiske egenskaper. I tillegg har væsken egenskapen til fluiditet. I den, som i gasser, er det ingen skjærspenningslegemer (skjærspennings). Væsker er tunge, det vil si at deres egenvekt kan sammenlignes med faste stoffers egenvekt. Nær krystalliseringstemperaturene er deres varmekapasitet og andre termiske egenskaper nær de for faste stoffer. I væsker observeres riktig arrangement av atomer i en gitt grad, men bare i små områder. Her utfører atomene også en oscillerende bevegelse rundt nodene til den kvasikrystallinske cellen, men i motsetning til atomene i et fast legeme, hopper de periodisk fra en node til en annen. Som et resultat vil bevegelsen av atomer være veldig kompleks: oscillerende, men samtidig beveger sentrum av svingninger i rommet.

Gass Dette er en materietilstand der avstandene mellom molekylene er enorme.

Samspillskreftene mellom molekyler ved lavt trykk kan neglisjeres. Gasspartikler fyller hele volumet som er gitt for gass. Gasser regnes som svært overopphetede eller umettede damper. En spesiell type gass er plasma (en delvis eller fullstendig ionisert gass der tetthetene av positive og negative ladninger er nesten like). Det vil si at et plasma er en gass av ladede partikler som interagerer med hverandre ved hjelp av elektriske krefter på stor avstand, men som ikke har nære og fjerne partikler.

Som du vet, er stoffer i stand til å bevege seg fra en aggregeringstilstand til en annen.

Definisjon 5

Fordampning- dette er prosessen med å endre aggregeringstilstanden til et stoff, der molekyler flyr ut fra overflaten av et flytende eller fast legeme, hvis kinetiske energi konverterer den potensielle energien til interaksjonen mellom molekyler.

Fordampning er en faseovergang. Under fordampning omdannes en del av væsken eller faststoffet til damp.

Definisjon 6

Et stoff i gassform som er i dynamisk likevekt med en væske kalles mettet ferje. I dette tilfellet er endringen i kroppens indre energi lik:

∆ U = ± m r (1) ,

hvor m er massen til kroppen, r er den spesifikke fordampningsvarmen (J / k g).

Definisjon 7

Kondensasjon er den omvendte prosessen med fordampning.

Endringen i indre energi beregnes ved formel (1) .

Definisjon 8

Smelting– Dette er prosessen med å omdanne et stoff fra en fast tilstand til en flytende tilstand, prosessen med å endre aggregeringstilstanden til et stoff.

Når et stoff varmes opp, øker dens indre energi, derfor øker hastigheten på termisk bevegelse av molekyler. Når et stoff når smeltepunktet, blir krystallgitteret til et fast stoff ødelagt. Bindinger mellom partikler blir også ødelagt, og energien til interaksjon mellom partikler øker. Varmen som overføres til kroppen går til å øke den indre energien i denne kroppen, og en del av energien brukes på å gjøre arbeid for å endre volumet til kroppen når den smelter. For mange krystallinske legemer øker volumet når det smeltes, men det finnes unntak (for eksempel is, støpejern). Amorfe legemer har ikke et spesifikt smeltepunkt. Smelting er en faseovergang, som er preget av en brå endring i varmekapasiteten ved smeltetemperaturen. Smeltepunktet avhenger av stoffet og forblir konstant under prosessen. Da er endringen i kroppens indre energi lik:

∆ U = ± m λ (2) ,

hvor λ er den spesifikke fusjonsvarmen (D f/k g) .

Definisjon 9

Krystallisering er den omvendte prosessen med smelting.

Endringen i indre energi beregnes ved formel (2) .

Endringen i den indre energien til hver kropp av systemet under oppvarming eller avkjøling beregnes ved hjelp av formelen:

∆ U = m c ∆ T (3) ,

hvor c er den spesifikke varmekapasiteten til stoffet, J til g K, △ T er endringen i kroppstemperatur.

Definisjon 10

Når man vurderer omdannelser av stoffer fra en aggregeringstilstand til en annen, kan man ikke klare seg uten den såkalte varmebalanseligninger: den totale mengden varme som frigjøres i et termisk isolert system er lik mengden varme (totalt) som absorberes i dette systemet.

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

I hovedsak er varmebalanseligningen energisparingsloven for varmeoverføringsprosesser i termisk isolerte systemer.

Eksempel 1

I et varmeisolert kar er vann og is med en temperatur t i = 0 ° C. Massen av vann m υ og is m i er henholdsvis lik 0,5 kg og 60 g. Vanndamp med massen m p = 10 g slippes inn i vannet ved en temperatur t p = 100 ° C. Hva blir temperaturen på vannet i karet etter at termisk likevekt er etablert? I dette tilfellet trenger ikke varmekapasiteten til fartøyet å tas i betraktning.

Bilde 1

Løsning

La oss bestemme hvilke prosesser som utføres i systemet, hvilke aggregerte materietilstander vi observerte og hvilke vi oppnådde.

Vanndamp kondenserer og avgir varme.

Termisk energi brukes på å smelte is og kanskje varme opp vannet som er tilgjengelig og hentet fra is.

Først av alt, la oss sjekke hvor mye varme som frigjøres under kondenseringen av den tilgjengelige massen av damp:

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

her fra referansematerialer har vi r = 2,26 10 6 J k g - den spesifikke fordampningsvarmen (den brukes også til kondensering).

For å smelte is trenger du følgende mengde varme:

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

her, fra referansematerialer, har vi λ = 3, 3 10 5 J k g - den spesifikke varmen ved issmelting.

Det viser seg at dampen avgir mer varme enn nødvendig, bare for å smelte den eksisterende isen, noe som betyr at vi skriver varmebalanseligningen slik:

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

Varme frigjøres under kondensering av damp med masse m p og avkjøling av vann dannet fra damp fra temperatur T p til ønsket T . Varme absorberes når is med masse m i smelter og vann med masse m υ + m i varmes opp fra temperatur T i til T . Angi T - T i = ∆ T for forskjellen T p - T får vi:

T p - T = T p - Ti - ∆ T = 100 - ∆ T .

Varmebalanseligningen vil se slik ut:

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.

La oss gjøre beregninger, og ta hensyn til det faktum at varmekapasiteten til vann er tabellformet

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 4 10 - 2 + , 2 10 3 10 - 2 10 2 - 6 10 - 2 3, 3 10 5 4, 2 10 3 5, 7 10 - 1 ≈ 3 (K),

så T = 273 + 3 = 276 K

Svar: Temperaturen på vannet i fartøyet etter etablering av termisk likevekt vil være 276 K.

Eksempel 2

Figur 2 viser et utsnitt av isotermen, som tilsvarer overgangen til et stoff fra en krystallinsk til en flytende tilstand. Hva tilsvarer denne delen på p, T-diagrammet?

Bilde 2

Svar: Hele settet med tilstander som er vist på p , V-diagrammet som et horisontalt linjestykke på p , T-diagrammet er vist med ett punkt, som bestemmer verdiene til p og T , der transformasjonen fra en tilstand av aggregering til en annen finner sted.

Hvis du oppdager en feil i teksten, merk den og trykk Ctrl+Enter