Вся материя может существовать в одном из четырех видов. Каждый из них — это определенное агрегатное состояние вещества. В природе Земли только одно представлено сразу в трех из них. Это вода. Ее легко увидеть и испаренную, и расплавленную, и отвердевшую. То есть пар, воду и лед. Ученые научились проводить изменение агрегатных состояний вещества. Самую большую сложность для них составляет только плазма. Для этого состояния нужны особенные условия.
Что это такое, от чего зависит и как характеризуется?
Если тело перешло в другое агрегатное состояние вещества, то это не значит, что появилось что-то другое. Вещество остается прежним. Если у жидкости были молекулы воды, то такие же они будут и у пара со льдом. Изменится только их расположение, скорость движения и силы взаимодействия друг с другом.
При изучении темы «Агрегатные состояния (8 класс)» рассматриваются только три из них. Это жидкость, газ и твердое тело. Их проявления зависят от физических условий окружающей среды. Характеристики этих состояний представлены в таблице.
| Название агрегатного состояния | твердое тело | жидкость | газ |
| Его свойства | сохраняет форму с объемом | имеет постоянный объем, принимает форму сосуда | не имеет постоянных объема и формы |
| Расположение молекул | в узлах кристаллической решетки | беспорядочное | хаотичное |
| Расстояние между ними | сравнимо с размерами молекул | приблизительно равно размерам молекул | существенно больше их размеров |
| Как двигаются молекулы | колеблются около узла решетки | не перемещаются от места равновесия, но иногда совершают большие скачки | беспорядочное с редкими столкновениями |
| Как они взаимодействуют | сильно притягиваются | сильно притягиваются друг к другу | не притягиваются, силы отталкивания проявляются при ударах |
Первое состояние: твердое тело
Его принципиальное отличие от других в том, что молекулы имеют строго определенное место. Когда говорят про твердое агрегатное состояние, то чаще всего имеют в виду кристаллы. В них структура решетки симметричная и строго периодичная. Поэтому она сохраняется всегда, как далеко не распространялось бы тело. Колебательного движения молекул вещества недостаточно для того, чтобы разрушить эту решетку.
Но существуют еще и аморфные тела. В них отсутствует строгая структура в расположении атомов. Они могут быть где угодно. Но это место так же стабильно, как и в кристаллическом теле. Отличие аморфных веществ от кристаллических в том, что у них нет определенной температуры плавления (отвердевания) и им свойственна текучесть. Яркие примеры таких веществ: стекло и пластмасса.
Второе состояние: жидкость
Это агрегатное состояние вещества представляет собой нечто среднее между твердым телом и газом. Поэтому сочетает в себе некоторые свойства от первого и второго. Так, расстояние между частицами и их взаимодействие похоже на то, что было в случае с кристаллами. Но вот расположение и движение ближе к газу. Поэтому и форму жидкость не сохраняет, а растекается по сосуду, в который налита.
Третье состояние: газ
Для науки под названием «физика» агрегатное состояние в виде газа стоит не на последнем месте. Ведь она изучает окружающий мир, а воздух в нем очень распространен.
Особенности этого состояния заключаются в том, что силы взаимодействия между молекулами практически отсутствуют. Этим объясняется их свободное движение. Из-за которого газообразное вещество заполняет весь объем, предоставленный ему. Причем в это состояние можно перевести все, нужно только увеличить температуру на нужную величину.
Четвертое состояние: плазма
Это агрегатное состояние вещества представляет собой газ, который полностью или частично ионизирован. Это значит, что в нем число отрицательно и положительно заряженных частиц практически одинаковое. Возникает такая ситуация при нагревании газа. Тогда происходит резкое ускорение процесса термической ионизации. Оно заключается в том, что молекулы делятся на атомы. Последние потом превращаются в ионы.
В рамках Вселенной такое состояние очень распространено. Потому что в нем находятся все звезды и среда между ними. В границах Земной поверхности оно возникает крайне редко. Если не считать ионосферы и солнечного ветра, плазма возможна только во время грозы. Во вспышках молнии создаются такие условия, в которых газы атмосферы переходят в четвертое состояние вещества.
Но это не означает, что плазму не создали в лаборатории. Первое, что удалось воспроизвести — это газовый разряд. Теперь плазма заполняет лампы дневного света и неоновую рекламу.
Как осуществляется переход между состояниями?
Для этого нужно создать определенные условия: постоянное давление и конкретную температуру. При этом изменение агрегатных состояний вещества сопровождается выделением или поглощением энергии. Причем этот переход не происходит молниеносно, а требует определенных временных затрат. В течение всего этого времени условия должны быть неизменными. Переход происходит при одновременном существовании вещества в двух ипостасях, которые поддерживают тепловое равновесие.
Первые три состояния вещества могут взаимно переходить одно в другое. Существуют прямые процессы и обратные. Они имеют такие названия:
- плавление (из твердого в жидкое) и кристаллизация , например, таяние льда и отвердевание воды;
- парообразование (из жидкого в газообразное) и конденсация , примером является испарение воды и получение ее из пара;
- сублимация (из твердого в газообразное) и десублимация , к примеру, испарение сухого ароматизатора для первого из них и морозные узоры на стекле ко второму.
Физика плавления и кристаллизации
Если твердое тело нагревать, то при определенной температуре, называемой температурой плавления конкретного вещества, начнется изменение агрегатного состояния, которое называется плавление. Этот процесс идет с поглощением энергии, которая называется количеством теплоты и обозначается буквой Q . Для ее расчета потребуется знать удельную теплоту плавления , которая обозначается λ . И формула принимает такое выражение:
Q = λ * m , где m — масса вещества, которое задействовано в плавлении.
Если происходит обратный процесс, то есть кристаллизация жидкости, то условия повторяются. Отличие только в том, что энергия выделяется, и в формуле появляется знак «минус».
Физика парообразования и конденсации
При продолжении нагревания вещества, оно постепенно приблизится к температуре, при которой начнется его интенсивное испарение. Этот процесс называется парообразованием. Оно опять же характеризуется поглощением энергии. Только для его вычисления требуется знать удельную теплоту парообразования r . А формула будет такой:
Q = r * m .
Обратный процесс или конденсация происходят с выделением того же количества теплоты. Поэтому в формуле опять появляется минус.
Любое тело может находиться в разных агрегатных состояниях при определенных температуре и давлении - в твердом, жидком, газообразном и плазменном состояниях.
Для перехода из одного агрегатного состояния в другое происходит при условии, что нагревание тела из вне происходит быстрее, чем его охлаждение. И наоборот, если охлаждение тела из вне происходит быстрее, чем нагрев тела за счет его внутренней энергии.
При переходе в другое агрегатное состояние вещество остается прежним, останутся те же молекулы, изменится только их взаимное расположение, скорость движения и силы взаимодействия друг с другом.
Т.е. изменение внутренней энергии частиц тела переводит его из одной фазы состояния в другую. При этом это состояние может поддерживаться в большом температурном интервале внешней среды.
При изменении агрегатного состояния нужно определенное количество энергии. И в процессе перехода энергия тратится не на изменение температуры тела, а на изменение внутренней энергии тела.
Отобразим на графике зависимость температуры тела T (при постоянном давлении) от количества подаваемого к телу тепла Q при переходе из одного агрегатного состояния в другое.
Рассмотри тело массой m , которое находится в твердом состоянии с температурой T 1 .
Тело переходит не моментально из одного состояния в другое. Сначала нужна энергия на изменение внутренней энергии, а на это нужно время. Скорость перехода зависит от массы тела и его теплоёмкости.
Начнем нагревать тело. Через формулы можно записать так:
Q = c⋅m⋅(T 2 -T 1)
Столько тепла тело должно усвоить, чтобы нагреться с температуры T 1 до T 2 .
Переход твердого тела в жидкое
Далее при критической температуре T 2 , которая для каждого тела своя, начинают рушиться межмолекулярные связи и тело переходит в другое агрегатное состояние - жидкость, т.е. межмолекулярные связи слабеют, молекулы начинаю перемещаться с большей амплитудой с большей скоростью и большей кинетической энергией. Поэтому температура одного и того же тела в жидком состоянии выше, чем в твердом.
Для того чтобы всё тело перешло из твердого состояния в жидкое, нужно время на накопление внутренней энергии. В это время вся энергия идет не на нагрев тела, а на разрушение старых межмолекулярных связей и создание новых. Количество энергии нужно:
λ - удельная теплота плавления и кристаллизации вещества в Дж/кг, для каждого вещества своя.
После того как всё тело перешло в жидкое состояние, эта жидкость опять начинает нагреваться по формуле: Q = c⋅m⋅(T-T 2); [Дж].
Переход тела из жидкого состояния в газообразное
При достижении новой критической температуры Т 3 , начинается новый процесс перехода из жидкого состояния в парообразный. Чтобы дальше перейти из жидкости в пар, нужно затратить энергии:
r - удельная теплота газообразования и конденсации вещества в Дж/кг, для каждого вещества своя.
Заметим, что возможен переход из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс именуется возгонкой , а обратный ему процесс - десублимацией .
Переход тела из газообразного состояния в плазменное
Плазма - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.
Плазма обычно возникает при высокой температуре, от нескольких тысяч °С и выше. По способу образования различают два вида плазмы: термическую, возникающую при нагревании газа до высоких температур, и газообразную, образующуюся при электрических разрядах в газовой среде.
Этот процесс очень сложный и имеет простого описания, да и нам в бытовых условиях он не достижим. Поэтому не будем подробно останавливаться на этом вопросе.
Любое вещество при определенных условиях может находиться в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном.
Область, в которой вещество однородно по всем физическим и химическим свойствам, называется фазой состояния этого вещества.
Переход из одного состояния в другое называется фазовым переходом .
Фазовый переход происходит при изменении температуры тела, т.е. при фазовом переходе изменяется внутренняя энергия вещества.
Одним из важнейших понятий термодинамики является внутренняя энергия тела. Все макроскопические тела обладают энергией, заключенной внутри самих тел. С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия вещества складывается из кинетической энергии всех атомов и молекул и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом .
Внутренняя энергия – это сумма энергий молекулярных взаимодействий и энергии теплового движения молекул.
В частности, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий всех частиц газа, находящихся в непрерывном и беспорядочном тепловом движении. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объема (закон Джоуля).
Внутреннюю энергию тела можно изменить разными способами :
- Совершение механической работы.
- Теплообмен.
Количеством теплоты Q , полученной телом, называют изменение внутренней энергии тела в результате теплообмена.
Количество теплоты Q является энергетической величиной. В СИ количество теплоты измеряется в единицах механической работы – джоулях (Дж).
Если в результате теплообмена телу передается некоторое количество теплоты, то внутренняя энергия тела и его температура изменяются.
Чтобы нагреть тело массой m от температуры t 1 до температуры t 2 ему необходимо сообщить количество теплоты
Q = cm (t 2 – t 1 )
Количество теплоты Q, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 К называют удельной теплоемкостью вещества c.
c = Q / (mΔT).
Испарение и конденсация являются примерами фазовых переходов.
Все реальные газы (кислород, азот, водород и т. д.) при определенных условиях способны превращаться в жидкость.
Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием.
Парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости называется испарением.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории, испарение – это процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, то есть к охлаждению жидкости (если нет подвода энергии от окружающих тел). Жидкость при испарении охлаждается (ощущение холода при выходе из воды).
Покинувшие жидкость молекулы составляют пар над её поверхностью. Некоторые молекулы пара при хаотическом движении над поверхностью жидкости залетают обратно в жидкость. Это означает, что наряду с испарением жидкости всегда происходит и конденсация её паров. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость.
Конденсация – это процесс превращения пара в жидкость.
Скорость испарения зависит:
- от рода жидкости (эфир и вода);
- от площади её свободной поверхности (чем больше площадь, тем быстрее испаряется жидкость – блюдце и стакан);
- от температуры (чем выше температура, тем быстрее испаряется жидкость – лужи зимой и летом);
- от наличия движения воздуха над поверхностью (в ветреную погоду и в безветренную).
На практике для превращения жидкости в пар в процессе теплообмена к ней подводится теплота.
Количество теплоты Q п, необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре называется теплотой парообразования.
Для того, чтобы превратить в пар при неизменной температуре жидкость массой m , ей необходимо сообщить количество теплоты, равное Q п = r·m
r – удельная теплота парообразования – количество теплоты, необходимое для превращения в пар 1 кг жидкости при неизменной температуре [Дж/кг]
При конденсации выделяется количество теплоты, равное Q к = - r·m
Испарение может происходить не только с поверхности, но и в объеме жидкости.
В жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки газа. Если давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению (то есть давлению газа в пузырьках) или превышает его, жидкость будет испаряться внутрь пузырьков. Пузырьки, наполненные паром, расширяются и всплывают на поверхность. Этот процесс называется кипением .
Кипением называют парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости при постоянной температуре.
Кипение жидкости начинается при такой температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению .
Каждая жидкость при нормальных условиях кипит при определенной температуре, которая называется температура кипения. Она остается постоянной при одном и том же давлении.
Вещество существует в твердом кристаллическом состоянии при определенных значениях давления и температуры. В этом состоянии вещество находится до тех пор, пока кинетической энергии атомов недостаточно, чтобы преодолеть силы взаимного притяжения. Эти силы удерживают атомы на некотором расстоянии друг относительно друга, не позволяя им перемещаться. При этом атом колеблется около положения своего равновесия. При нагревании твердого тела кинетическая энергия атомов или молекул возрастает. При этом амплитуды колебаний могут стать настолько большими, что уже будут сравнимы с периодом решетки, произойдет нарушение дальнего порядка, кристаллическая решетка начнет разрушаться. При дальнейшем увеличении температуры происходит плавление твердых тел.
Плавление – переход вещества из твердого состояния в жидкое.
При плавлении температура тела остается постоянной . Все переданное телу тепло идет на разрушение кристалла. При плавлении кристаллическое тело находится одновременно в твердом и жидком состояниях.
После разрушения кристалла и образования жидкости подводимая теплота идет на нагревание жидкости.
Температура плавления зависит от рода кристаллического тела.
При плавлении изменяется плотность и объем вещества. У большинства веществ объем при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается. При этом изменяется и плотность: при плавлении плотность уменьшается, а при отвердевании увеличивается. Например, кристаллики твердого нафталина или парафина тонут в расплавленном нафталине (парафине).
Но лед плавает в воде. Также ведут себя висмут, галлий, германий, кремний, чугун, т.е. при плавлении их плотность увеличивается, а при отвердевании уменьшается. При плавлении они сжимаются (объем уменьшается), а при отвердевании расширяются (объем увеличивается).
Температура плавления зависит от атмосферного давления.
В тех случаях, когда объем вещества при плавлении возрастает, увеличение внешнего давления приводит к увеличению температуры плавления (т.к. увеличение давления затрудняет процесс плавления). Если же объем вещества при плавлении уменьшается, то увеличение внешнего давления ведет к понижению температуры плавления этого вещества (т.к. повышенное давление помогает процессу плавления в данном случае).
Чтобы перевести в жидкость твердое тело массой m при температуре плавления, ему надо сообщить количество теплоты
Q = λ m
где λ – удельная теплота плавления – количество теплоты, необходимое, чтобы перевести в жидкость твердое тело массой 1 кг при температуре плавления.
λ = Q / m [ Дж/кг ]
При плавлении увеличивается внутренняя энергия тела.
Если получившуюся при плавлении жидкость охладить до температуры плавления, то начнется обратный процесс.
Кристаллизация (отвердевание) – процесс перехода жидкости в твердое состояние.
Происходит сближение частиц жидкости и упорядочение их движения, в результате которого они начинают колебаться около узлов кристаллической решетки. Потенциальная энергия молекул при этом уменьшается, а т.к. температура кристаллизации постоянна (равна температуре плавления для данного вещества), процесс кристаллизации должен сопровождаться выделением тепла.
Процесс кристаллизации сопровождается выделением теплоты кристаллизации, которая равна теплоте плавления Q = λ m
Процесс кристаллизации происходит в двухфазной системе вблизи центров кристаллизации. такими центрами могут быть пылинки, мельчайшие примеси.
Процессы плавления и кристаллизации можно представить на графике:
По графику можно определить:
- участок АВ – нагревание льда от -40 0 С до температуры плавления 0 0 С
- участок ВС – плавление льда при температуре плавления
- участок СD – нагревание воды от 0 0 С до температуры 50 0 С
- участок DE – охлаждение воды от 50 0 С до температуры кристаллизации (отвердевания) 0 0 С
- участок EF – кристаллизация (отвердевание) воды при температуре плавления (кристаллизации)
- участок FK – охлаждение льда от 0 0 С до температуры -40 0 С
Многие твердые вещества обладают запахом – камфара, нафталин. Значит пары этих веществ есть в воздухе. Это доказывает, что при определенных условиях твердые вещества могут переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое.
Переход твердого состояния вещества в газообразное называется сублимацией или возгонкой («сублимаре» - возносить)
Легко обнаружить возгонку (сублимацию) льда и снега: уменьшение инея на деревьях со временем, высыхание оледеневшего белья зимой.
Часто можно наблюдать и обратный переход из газообразного состояния непосредственно в твердое, минуя жидкое состояние – десублимация. На окнах зимой иногда можно видеть быстрый рост кристалликов льда в виде узоров на стеклах, которые образуются непосредственно из водяных паров, находящихся в воздухе.
Испарение твердых тел аналогично испарению жидкостей. Все твердые тела испаряются, но их паров обычно так мало, что их невозможно обнаружить. Процесс сублимации происходит как при нагревании твердого тела, так и без подвода теплоты извне. При сублимации происходит охлаждение тела, т.к. его покидают наиболее быстрые молекулы (обладающие кинетической энергией, достаточной для преодоления молекулярного притяжения и отрыва молекул от поверхности тела).
Процесс сублимации или возгонки наблюдается во Вселенной. При сближении с солнцем происходит возгонка поверхностного слоя ядер комет. Практически вся масса кометы сосредоточена в ядре, которое является единственной твердой частью кометы. Ядро кометы состоит из смеси пылинок, твердых кусочков вещества и замерзших газов (углекислый газ, аммиак, метан). В далеких от Солнца областях кометы не имеют хвостов. При приближении кометы к Солнцу ядро прогревается и из него выделяются газы и пыль. Они образуют вокруг ядра газовую оболочку, которая вместе с ядром составляет голову кометы. Газы и пыль, выбрасываемые в голову кометы, отталкиваются под действия давления солнечного света и создают хвост кометы, всегда направленный в сторону, противоположную Солнцу. Чем ближе к Солнцу подходит комета, тем она ярче и тем длиннее её хвост вследствие большего её облучения и интенсивного выделения газов.
Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой. В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное.В зависимости от температуры и давления (условий) большинство веществ может находиться в газообразном, жидком или твердом состояниях, называемых агрегатными состояниями вещества. Различие между тремя агрегатными состояниями определяется расстоянием между молекулами и степенью их взаимодействия.
| Агрегатное состояние вещества | Свойства вещества | Расстояние между частицами | Взаимодействие частиц | Характер движения | Порядок расположения |
| Газ | Не сохраняет форму и объем | Гораздо больше размеров самих частиц | Слабое | Хаотическое (беспорядочное) непрерывное. Свободно летают, иногда сталкиваясь. | Беспорядочное |
| Жидкость | Не сохраняет форму, сохраняет объем | Сравнимо с размерами самих частиц | Сильное | Колеблются около положения равновесия, постоянно перескакивая с одного места на другое. | Беспорядочное |
| Твердое тело | Сохраняет форму и объем | Мало по сравнению с размерами самих частиц | Очень сильное | Непрерывно колеблются около положения равновесия | В определенном порядке |
Процессов, в которых происходит изменение агрегатных состояний веществ, всего шесть. Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением , обратный процесс – кристаллизацией . Когда вещество переходит из жидкости в газ, это называется парообразованием , из газа в жидкость – конденсацией . Переход из твердого состояния сразу в газ, минуя жидкое, называют сублимацией , обратный процесс – десублимацией .
· 1. Плавление
· 2. Кристаллизация
· 3. Парообразование
· 4. Конденсация
· 5. Сублимация
· 6. Десублимация
Примеры всех этих переходов мы с вами не раз наблюдали в жизни. Лед плавится, образуя воду, вода испаряется, образуя пар. В обратную сторону пар, конденсируясь, переходит снова в воду, а вода, замерзая, становится льдом. А если вы думаете, что вы не знаете процессов сублимации и десублимации, то не спешите с выводами. Запах любого твердого тела – это и есть не что иное, как сублимация. Часть молекул вырывается из тела, образуя газ, который мы и можем унюхать. А пример обратного процесса – это узоры на стеклах зимой, когда пар в воздухе, замерзая, оседает на стекле и образует причудливые узоры.
Водородная связь
Что такое водородная связь? Известный всем пример этой связи представляет обычная вода (H2O). Из-за того, что атом кислорода (О) более электроотрицателен, чем два атома водорода (Н), он как бы оттягивает от атомов водорода связывающие электроны. В результате создания такой ковалентной полярной связиобразуется диполь. Кислородный атом приобретает не очень большой заряд отрицательный, а водородные атомы – небольшой положительный заряд, который притягивается к электронам (их неподеленной паре) на кислородном атоме соседней молекулы Н2О (то есть воды). Таким образом, можно сказать, что водородная связь – это образующаяся сила притяжения между водородным атомом и электроотрицательным атомом. Важной особенностью водородного атома является то, что при притяжении его связующих электронов оголяется его ядро (то есть протон, другими электронами не экранированный). И хотя водородная связь более слабее, чем ковалентная, именно она обуславливает целых ряд аномальный свойств Н2О (воды).
Чаще всего эта связь образуется с участием атомов следующих элементов: кислород (О), азот (N) и фтор (F). Это происходит по той причине, что атомы данных элементов имеют малые размеры и характеризуются высокой электроотрицательностью. С атомами размера большего (сера S или хлор Cl) образующаяся водородная связь слабее, несмотря на то, что по своей электроотрицательности эти элементы сравнимы с N (то есть с азотом).
Существует два типа водородной связи:
1.Водородная межмолекулярная связь – появляется между двумя молекулами, например: метанол, аммиак, фтороводород
2. Водородная связь внутримолекулярная – появляется внутри одной молекулы, например: 2-нитрофенол.
Также в настоящее время есть мнение, что водородная химическая связь бывает слабой и сильной. Они отличаются друг от друга по энергии и длине связи (расстояние между атомами):
1. Водородные связи слабые. Энергия – 10-30 кДж/моль, длина связи – 30. Все вещества, перечисленные выше, являются примерами нормальной или слабой водородной связи.
2. Водородные связи сильные. Энергия – 400 кДж/моль, длина – 23-24. Данные, полученные экспериментальным путем, свидетельствуют о том, что сильные связи образуются в следующих ионах: ион-водороддифторид -, ион-гидратированный гидроксид -, ион оксония гидратированный +, а также в различных других органических и неорганических соединениях.