U tečnom agregatnom stanju. Agregatna stanja materije

Mislim da svi znaju 3 osnovna agregatna stanja materije: tečno, čvrsto i gasovito. Sa ovakvim agregatnim stanjima susrećemo se svaki dan i svuda. Najčešće se razmatraju na primjeru vode. Tečno stanje vode nam je najpoznatije. Stalno pijemo tečnu vodu, ona teče iz naše slavine, a mi sami smo 70% tečne vode. Drugo agregatno stanje vode je običan led, koji zimi vidimo na ulici. U gasovitom obliku, vodu je lako upoznati i u svakodnevnom životu. U gasovitom stanju, voda je, svi znamo, para. To se vidi kada, na primjer, prokuhamo kotlić. Da, na 100 stepeni voda prelazi iz tečnog u gasovito stanje.

Ovo su tri nama poznata agregatna stanja materije. Ali jeste li znali da ih zapravo ima 4? Mislim da su svi barem jednom čuli riječ "plazma". I danas želim da naučite više o plazmi – četvrtom stanju materije.

Plazma je djelomično ili potpuno jonizirani plin sa istom gustinom pozitivnih i negativnih naboja. Plazma se može dobiti iz gasa - iz 3. stanja materije jakim zagrevanjem. Agregatno stanje općenito, zapravo, u potpunosti ovisi o temperaturi. Prvo agregacijsko stanje je najniža temperatura na kojoj tijelo ostaje čvrsto, drugo agregacijsko stanje je temperatura na kojoj tijelo počinje da se topi i postaje tečno, treće agregacijsko stanje je najviša temperatura na kojoj tvar postaje gas. Za svako tijelo, tvar, temperatura prijelaza iz jednog agregatnog stanja u drugo je potpuno drugačija, za neke je niža, za neke viša, ali za svakoga je striktno u ovom nizu. A na kojoj temperaturi supstanca postaje plazma? Budući da je ovo četvrto stanje, to znači da je temperatura prijelaza u njega viša od one u svakom prethodnom. I zaista jeste. Da bi se gas ionizirao, potrebna je vrlo visoka temperatura. Najnižu temperaturu i nisku jonizovanu (oko 1%) plazmu karakterišu temperature do 100 hiljada stepeni. U zemaljskim uslovima, takva plazma se može posmatrati u obliku munje. Temperatura kanala munje može premašiti 30 hiljada stepeni, što je 6 puta više od površinske temperature Sunca. Inače, Sunce i sve druge zvijezde su također plazma, češće još uvijek visoke temperature. Nauka dokazuje da je oko 99% cjelokupne materije Univerzuma plazma.

Za razliku od niskotemperaturne plazme, visokotemperaturna plazma ima skoro 100% jonizaciju i temperature do 100 miliona stepeni. Ovo je zaista zvezdana temperatura. Na Zemlji se takva plazma nalazi samo u jednom slučaju - za eksperimente termonuklearne fuzije. Kontrolirana reakcija je prilično složena i energetski intenzivna, ali se nekontrolirana dovoljno dokazala kao oružje kolosalne snage - termonuklearna bomba koju je SSSR testirao 12. avgusta 1953. godine.

Plazma se ne klasifikuje samo po temperaturi i stepenu jonizacije, već i po gustini i kvazineutralnosti. fraza gustina plazme obično znači elektronska gustina, odnosno broj slobodnih elektrona po jedinici zapremine. Pa, sa ovim mislim da je sve jasno. Ali ne znaju svi šta je kvazineutralnost. Kvazineutralnost plazme jedno je od njenih najvažnijih svojstava, koje se sastoji u gotovo tačnoj jednakosti gustoća pozitivnih jona i elektrona uključenih u njen sastav. Zbog dobre električne provodljivosti plazme, razdvajanje pozitivnih i negativnih naboja je nemoguće na udaljenostima većim od Debajeve dužine i na vremenima većim od perioda oscilacija plazme. Skoro sva plazma je kvazi neutralna. Primjer nekvazineutralne plazme je snop elektrona. Međutim, gustina ne-neutralne plazme mora biti vrlo mala, inače će se brzo raspasti zbog Kulonove odbijanja.

Razmotrili smo vrlo malo zemaljskih primjera plazme. Ali ima ih dovoljno. Čovjek je naučio da koristi plazmu za svoje dobro. Zahvaljujući četvrtom agregatnom stanju materije, možemo koristiti lampe na gasno pražnjenje, plazma televizore, elektrolučno zavarivanje i lasere. Obične fluorescentne sijalice sa pražnjenjem u gasu su takođe plazma. U našem svijetu postoji i plazma lampa. Uglavnom se koristi u nauci za proučavanje i, što je najvažnije, za uočavanje nekih od najsloženijih fenomena plazme, uključujući filamentaciju. Fotografija takve lampe može se vidjeti na slici ispod:

Osim plazma uređaja u domaćinstvu, na Zemlji se često može vidjeti i prirodna plazma. Već smo govorili o jednom od njegovih primjera. Ovo je munja. Ali, pored munja, plazma fenomeni se mogu nazvati severnim svetlom, "vatrama svetog Elma", jonosferom Zemlje i, naravno, vatrom.

Primijetite da i vatra i munja i druge manifestacije plazme, kako je mi zovemo, gore. Koji je razlog za tako sjajnu emisiju svjetlosti plazme? Sjaj plazme je posljedica prijelaza elektrona iz stanja visoke energije u stanje niske energije nakon rekombinacije s ionima. Ovaj proces dovodi do zračenja sa spektrom koji odgovara pobuđenom gasu. Zbog toga plazma sija.

Takođe bih želeo da ispričam nešto o istoriji plazme. Na kraju krajeva, nekada su se samo takve supstance kao što su tečna komponenta mleka i bezbojna komponenta krvi zvale plazma. Sve se promijenilo 1879. Te godine je poznati engleski naučnik William Crookes, istražujući električnu provodljivost u plinovima, otkrio fenomen plazme. Istina, ovo stanje materije nazvano je plazma tek 1928. I to je učinio Irving Langmuir.

U zaključku, želim reći da je tako zanimljiv i misteriozan fenomen kao što je loptasta munja, o kojoj sam više puta pisao na ovoj stranici, naravno i plazmoid, poput obične munje. Ovo je možda najneobičniji plazmoid od svih fenomena zemaljske plazme. Na kraju krajeva, postoji oko 400 vrlo različitih teorija o loptastim munjama, ali nijedna od njih nije prepoznata kao istinski tačna. U laboratorijskim uslovima slični, ali kratkotrajni fenomeni su dobijeni na više različitih načina, tako da pitanje prirode loptaste munje ostaje otvoreno.

Naravno, i obična plazma je stvorena u laboratorijama. Nekada je bilo teško, ali sada takav eksperiment nije težak. Budući da je plazma čvrsto ušla u naš kućni arsenal, postoji mnogo eksperimenata na njoj u laboratorijama.

Najzanimljivije otkriće u oblasti plazme bili su eksperimenti sa plazmom u bestežinskom stanju. Ispostavilo se da plazma kristalizira u vakuumu. To se događa ovako: nabijene čestice plazme počinju se međusobno odbijati, a kada imaju ograničen volumen, zauzimaju prostor koji im je dodijeljen, raspršujući se u različitim smjerovima. Ovo je vrlo slično kristalnoj rešetki. Ne znači li to da je plazma zatvarajuća karika između prvog agregatnog stanja materije i trećeg? Na kraju krajeva, zbog ionizacije plina postaje plazma, a u vakuumu plazma opet postaje, takoreći, čvrsta. Ali to je samo moja pretpostavka.

Kristali plazme u svemiru također imaju prilično čudnu strukturu. Ova struktura se može posmatrati i proučavati samo u svemiru, u stvarnom svemirskom vakuumu. Čak i ako stvorite vakuum na Zemlji i tamo postavite plazmu, onda će gravitacija jednostavno stisnuti cijelu "sliku" koja se formira unutra. U svemiru, međutim, kristali plazme jednostavno polete, formirajući volumetrijsku trodimenzionalnu strukturu čudnog oblika. Nakon što su zemaljskim naučnicima poslali rezultate posmatranja plazme u orbiti, ispostavilo se da vrtlozi u plazmi na čudan način oponašaju strukturu naše galaksije. A to znači da će u budućnosti biti moguće razumjeti kako je nastala naša galaksija proučavanjem plazme. Fotografije ispod pokazuju istu kristaliziranu plazmu.

Definicija

Agregatna stanja materije (od latinskog aggrego - vezati, povezati) - to su stanja iste supstance - čvrsto, tečno, gasovito.

Prilikom prelaska iz jednog stanja u drugo dolazi do nagle promjene energije, entropije, gustine i drugih karakteristika materije.

Čvrsta i tečna tijela

Definicija

Čvrsta tijela su tijela koja se razlikuju po postojanosti oblika i volumena.

Kod njih su međumolekularne udaljenosti male, a potencijalna energija molekula je uporediva s kinetičkom. Čvrste tvari se dijele na dvije vrste: kristalne i amorfne. Samo kristalna tijela su u stanju termodinamičke ravnoteže. Amorfna tijela, zapravo, predstavljaju metastabilna stanja, koja se po svojoj strukturi približavaju neravnotežnim, sporo kristalizirajućim tekućinama. U amorfnom tijelu odvija se vrlo spor proces kristalizacije, proces postepenog prijelaza tvari u kristalnu fazu. Razlika između kristala i amorfne čvrste supstance leži prvenstveno u anizotropiji njegovih svojstava. Svojstva kristalnog tijela zavise od smjera u prostoru. Različite vrste procesa, kao što su toplinska provodljivost, električna provodljivost, svjetlost, zvuk, šire se u različitim smjerovima čvrstog tijela na različite načine. Amorfna tijela (staklo, smole, plastika) su izotopna, kao i tekućine. Jedina razlika između amorfnih tijela i tekućina je u tome što su ova druga fluidna, u njima su statičke posmične deformacije nemoguće.

Kristalna tijela imaju ispravnu molekularnu strukturu. Anizotropija njegovih svojstava je zbog pravilne strukture kristala. Ispravan raspored atoma kristala formira takozvanu kristalnu rešetku. U različitim smjerovima, raspored atoma u rešetki je različit, što dovodi do anizotropije. Atomi (ili joni, ili cijeli molekuli) u kristalnoj rešetki vrše nasumično oscilatorno kretanje oko srednjih pozicija, koje se smatraju čvorovima kristalne rešetke. Što je temperatura viša, to je veća energija oscilacija, a time i prosječna amplituda oscilacija. Veličina kristala zavisi od amplitude oscilacija. Povećanje amplitude oscilacija dovodi do povećanja veličine tijela. Ovo objašnjava toplinsko širenje čvrstih tijela.

Definicija

Tečna tijela su tijela koja imaju određeni volumen, ali nemaju elastičnost oblika.

Tečnosti karakteriše jaka međumolekularna interakcija i niska kompresibilnost. Tečnost zauzima srednji položaj između čvrstog i gasa. Tečnosti, kao i gasovi, su izotopi. Osim toga, tečnost ima tečnost. U njemu, kao i u gasovima, nema tangencijalnih napona (posmičnih napona) tela. Tečnosti su teške, tj. njihova specifična težina je uporediva sa specifičnom težinom čvrstih tela. U blizini temperatura kristalizacije, njihovi toplotni kapaciteti i druge termičke karakteristike su bliske onima čvrstih materija. U tekućinama se u određenoj mjeri uočava pravilan raspored atoma, ali samo u malim područjima. Ovdje atomi također osciliraju u blizini čvorova kvazikristalne ćelije, ali za razliku od atoma čvrstog tijela, s vremena na vrijeme skaču s jednog čvora na drugi. Kao rezultat toga, kretanje atoma će biti vrlo složeno: ono je oscilatorno, ali u isto vrijeme se centar vibracija kreće u prostoru.

Gas, isparavanje, kondenzacija i topljenje

Definicija

Gas je stanje materije u kojem su udaljenosti između molekula velike.

Sile interakcije između molekula pri niskim pritiscima mogu se zanemariti. Čestice gasa ispunjavaju čitavu zapreminu koja se daje gasu. Plinovi se mogu smatrati jako pregrijanim ili nezasićenim parama. Plazma je posebna vrsta plina - to je djelomično ili potpuno ionizirani plin, u kojem je gustoća pozitivnih i negativnih naboja gotovo ista. Plazma je plin nabijenih čestica koje međusobno djeluju pomoću električnih sila na velikoj udaljenosti, ali nemaju bliske i daleke čestice.

Tvari se mogu mijenjati iz jednog agregatnog stanja u drugo.

Definicija

Isparavanje je proces promjene stanja agregacije tvari, u kojem molekuli izlete s površine tekućine ili čvrste tvari, čija kinetička energija premašuje potencijalnu energiju interakcije molekula.

Isparavanje je fazni prijelaz. Tokom isparavanja, dio tekućine ili čvrste tvari prelazi u paru. Tvar u plinovitom stanju koja je u dinamičkoj ravnoteži s tekućinom naziva se zasićena para. U ovom slučaju, promjena unutrašnje energije tijela:

\[\trokut \ U=\pm mr\ \lijevo(1\desno),\]

gdje je m tjelesna težina, r je specifična toplina isparavanja (J/kg).

Definicija

Kondenzacija je proces obrnut od isparavanja.

Proračun promjene unutrašnje energije vrši se prema formuli (1).

Definicija

Topljenje je proces prijelaza tvari iz čvrstog u tekuće stanje, proces promjene agregacijskog stanja tvari.

Kada se tvar zagrije, njena unutrašnja energija se povećava, pa se povećava brzina toplinskog kretanja molekula. U slučaju da se postigne tačka topljenja supstance, kristalna rešetka čvrste supstance počinje da se raspada. Veze između čestica su uništene, energija interakcije između čestica se povećava. Toplota koja se prenosi na tijelo ide na povećanje unutrašnje energije ovog tijela, a dio energije odlazi na rad na promjeni volumena tijela kada se ono topi. Za većinu kristalnih tijela, volumen se povećava kada se otapa, ali postoje izuzeci, na primjer, led, lijevano željezo. Amorfna tijela nemaju određenu tačku topljenja. Topljenje je fazni prijelaz, koji je praćen naglom promjenom toplotnog kapaciteta na temperaturi topljenja. Tačka topljenja zavisi od supstance i ne menja se tokom procesa. U ovom slučaju, promjena unutrašnje energije tijela:

\[\trokut U=\pm m\lambda \lijevo(2\desno),\]

gdje je $\lambda $ specifična toplina fuzije (J/kg).

Obrnuti proces topljenja je kristalizacija. Proračun promjene unutrašnje energije vrši se prema formuli (2).

Promjena unutrašnje energije svakog tijela sistema u slučaju grijanja ili hlađenja može se izračunati po formuli:

\[\trokut U=mc\trokut T\lijevo(3\desno),\]

gdje je c specifična toplota supstance, J/(kgK), $\trokut T$ je promjena tjelesne temperature.

Prilikom proučavanja prelaza supstanci iz jednog agregatnog stanja u drugo nemoguće je bez takozvane jednačine toplotnog bilansa, koja kaže: ukupna količina toplote koja se oslobađa u toplotno izolovanom sistemu jednaka je količini toplota (ukupna) koja se apsorbuje u ovom sistemu.

U svom značenju, jednačina toplotnog bilansa je zakon održanja energije za procese prenosa toplote u toplotno izolovanim sistemima.

Primjer 1

Zadatak: U termoizolovanoj posudi ima vode i leda na temperaturi $t_i= 0^oS$. Mase vode ($m_(v\ ))$ i leda ($m_(i\ ))$ su 0,5 kg, odnosno 60 g. Vodena para mase $m_(p\ )=$10 g pušta se u vodu. na temperaturi $t_p= 100^oS$. Kolika će biti temperatura vode u posudi nakon uspostavljanja termičke ravnoteže? Toplotni kapacitet posude se zanemaruje.

Rješenje: Hajde da odredimo koji se procesi odvijaju u sistemu, kakva agregatna stanja materije smo imali i šta smo dobili.

Vodena para se kondenzuje, dajući toplotu.

Ova toplota se koristi za otapanje leda i, eventualno, za zagrevanje vode koja je dostupna i dobijena iz leda.

Prvo provjerimo koliko se topline oslobađa pri kondenzaciji raspoložive mase pare:

ovdje, iz referentnih materijala, imamo $r=2.26 10^6\frac(J)(kg)$ - specifična toplina isparavanja (primjenjivo i za kondenzaciju).

Toplina potrebna za otapanje leda:

ovdje iz referentnih materijala imamo $\lambda =3.3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - specifična toplina topljenja leda.

Dobijamo da para daje više toplote nego što je potrebno, samo da bi se otopio postojeći led, stoga zapisujemo jednadžbu toplotnog bilansa u obliku:

Toplota se oslobađa prilikom kondenzacije pare mase $m_(p\ )$ i hlađenja vode, koja se formira od pare sa temperature $T_p$ do željene T. Toplota se apsorbuje tokom topljenja leda mase $m_(i\). )$ i zagrijavanje vode mase $m_v+ m_i$ od temperature $T_i$ do $T.\ $ Označimo $T-T_i=\trokut T$, za razliku $T_p-T$ dobijamo:

Jednačina toplotnog bilansa će imati oblik:

\ \ \[\ trokut T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\levo(m_v+m_i+m_(p\ )\desno))\lijevo (1.6\desno)\]

Izvršićemo proračune, uzimajući u obzir da je toplotni kapacitet vode tabelarni $c=4.2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273K$:

$\trokut T=\frac(2,26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4,2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2)\cdot 3,3\cdot 10^5)(4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^(-1))\približno 3\left(K\right)$onda T=273+3=276 (K)

Odgovor: Temperatura vode u posudi nakon uspostavljanja termičke ravnoteže biće jednaka 276 K.

Primjer 2

Zadatak: Na slici je prikazan presjek izoterme koji odgovara prijelazu tvari iz kristalnog u tekuće stanje. Šta odgovara ovom odeljku na p,T dijagramu?

Čitav skup stanja prikazan na p, V dijagramu horizontalnim pravolinijskim segmentom na p, T dijagramu je prikazan jednom tačkom koja određuje vrijednosti p i T, pri čemu se prelazi iz jednog agregacijskog stanja u druga se dešava.

Sva materija može postojati u jednom od četiri oblika. Svaki od njih je određeno agregatno stanje materije. U prirodi Zemlje samo jedan je predstavljen u tri od njih odjednom. Ovo je voda. Lako je vidjeti da je ispario, rastopljen i stvrdnuo. To su para, voda i led. Naučnici su naučili kako promijeniti agregatna stanja materije. Najveća poteškoća za njih je samo plazma. Ovo stanje zahteva posebne uslove.

Šta je to, od čega zavisi i kako se karakteriše?

Ako je tijelo prešlo u drugo agregatno stanje materije, to ne znači da se pojavilo nešto drugo. Supstanca ostaje ista. Ako tečnost ima molekule vode, onda će iste biti u pari sa ledom. Promijenit će se samo njihova lokacija, brzina kretanja i sile međusobne interakcije.

Prilikom proučavanja teme „Agregatna stanja (ocena 8)“ razmatraju se samo tri od njih. To su tečni, gasoviti i čvrsti. Njihove manifestacije zavise od fizičkih uslova okoline. Karakteristike ovih stanja prikazane su u tabeli.

Prvo stanje: čvrsto

Njegova fundamentalna razlika od ostalih je u tome što molekuli imaju strogo određeno mjesto. Kada se govori o čvrstom agregatnom stanju, najčešće se misli na kristale. Kod njih je struktura rešetke simetrična i striktno periodična. Stoga je uvijek sačuvan, ma koliko se tijelo širilo. Vibraciono kretanje molekula supstance nije dovoljno da uništi ovu rešetku.

Ali postoje i amorfna tijela. Nedostaje im stroga struktura u rasporedu atoma. Mogu biti bilo gdje. Ali ovo mjesto je stabilno kao u kristalnom tijelu. Razlika između amorfnih i kristalnih supstanci je u tome što nemaju određenu temperaturu topljenja (stvrdnjavanja) i karakteriše ih fluidnost. Živopisni primjeri takvih supstanci su staklo i plastika.

Drugo stanje: tečnost

Ovo agregatno stanje materije je ukrštanje između čvrste supstance i gasa. Stoga kombinuje neka svojstva iz prve i druge. Dakle, udaljenost između čestica i njihova interakcija je slična onome što je bio slučaj s kristalima. Ali evo lokacije i kretanja bliže gasu. Stoga tečnost ne zadržava svoj oblik, već se širi po posudi u koju se sipa.

Treće stanje: gas

Za nauku koja se zove "fizika", stanje agregacije u obliku gasa nije na poslednjem mestu. Uostalom, ona proučava svijet oko sebe, a zrak u njemu je vrlo čest.

Karakteristike ovog stanja su da su sile interakcije između molekula praktički odsutne. To objašnjava njihovo slobodno kretanje. Zbog čega plinovita tvar ispunjava cjelokupni volumen koji joj se daje. Štaviše, sve se može prebaciti u ovo stanje, samo trebate povećati temperaturu za željenu količinu.

Četvrto stanje: plazma

Ovo agregatno stanje materije je gas koji je potpuno ili delimično jonizovan. To znači da je broj negativno i pozitivno nabijenih čestica u njemu gotovo isti. Ova situacija se dešava kada se gas zagreva. Zatim dolazi do naglog ubrzanja procesa termičke ionizacije. Ona leži u činjenici da su molekuli podijeljeni na atome. Potonji se zatim pretvaraju u jone.

Unutar svemira, takvo stanje je vrlo uobičajeno. Zato što sadrži sve zvijezde i medij između njih. Unutar granica Zemljine površine javlja se izuzetno rijetko. Osim jonosfere i solarnog vjetra, plazma je moguća samo za vrijeme grmljavine. U bljeskovima munje stvaraju se uslovi u kojima gasovi atmosfere prelaze u četvrto stanje materije.

Ali to ne znači da plazma nije stvorena u laboratoriji. Prva stvar koja se mogla reproducirati bilo je plinsko pražnjenje. Plazma sada ispunjava fluorescentna svjetla i neonske reklame.

Kako se vrši tranzicija između država?

Da biste to učinili, morate stvoriti određene uvjete: konstantan pritisak i određenu temperaturu. U ovom slučaju, promjena agregatnih stanja tvari je praćena oslobađanjem ili apsorpcijom energije. Štaviše, ova tranzicija se ne događa brzinom munje, već zahtijeva određeno vrijeme. Za to vrijeme uslovi moraju ostati nepromijenjeni. Tranzicija se dešava uz istovremeno postojanje materije u dva oblika, koji održavaju toplotnu ravnotežu.

Prva tri stanja materije mogu međusobno prelaziti jedno u drugo. Postoje direktni i obrnuti procesi. Imaju sljedeća imena:

• topljenje(iz čvrstog u tečno) i kristalizacija, na primjer, otapanje leda i stvrdnjavanje vode;
• isparavanje(iz tečnog u gasovito) i kondenzacije, primjer je isparavanje vode i njena proizvodnja iz pare;
• sublimacija(od čvrstog do gasovitog) i desublimacija, na primjer, isparavanje suhog mirisa za prvi od njih i smrznuti uzorci na staklu za drugi.

Fizika topljenja i kristalizacije

Ako se čvrsto tijelo zagrije, tada na određenoj temperaturi, tzv tačka topljenja započet će određena tvar, promjena agregacijskog stanja, koja se naziva taljenje. Ovaj proces ide uz apsorpciju energije, što se tzv količinu toplote i označena je slovom Q. Da biste to izračunali, morate znati specifična toplota fuzije, što je označeno λ . A formula izgleda ovako:

Q=λ*m, gdje je m masa tvari uključene u topljenje.

Ako dođe do obrnutog procesa, odnosno kristalizacije tečnosti, tada se uslovi ponavljaju. Jedina razlika je u tome što se energija oslobađa, a u formuli se pojavljuje znak minus.

Fizika isparavanja i kondenzacije

Uz kontinuirano zagrijavanje tvari, ona će se postepeno približavati temperaturi na kojoj će početi njeno intenzivno isparavanje. Ovaj proces se naziva vaporizacija. Ponovo ga karakterizira apsorpcija energije. Samo da biste to izračunali, morate znati specifična toplota isparavanja r. A formula će biti:

Q=r*m.

Obrnuti proces ili kondenzacija se događa s oslobađanjem iste količine topline. Stoga se u formuli ponovo pojavljuje minus.

Pitanja o tome šta je agregacijsko stanje, koja svojstva i svojstva posjeduju čvrste, tečne i plinovite tvari razmatraju se u nekoliko kurseva obuke. Postoje tri klasična stanja materije, sa svojim karakterističnim karakteristikama strukture. Njihovo razumijevanje je važna tačka u razumijevanju nauka o Zemlji, živim organizmima i proizvodnim aktivnostima. Ova pitanja proučavaju fizika, hemija, geografija, geologija, fizička hemija i druge naučne discipline. Supstance koje se nalaze pod određenim uslovima u jednom od tri osnovna tipa stanja mogu se menjati sa povećanjem ili smanjenjem temperature ili pritiska. Razmotrimo moguće prijelaze iz jednog agregatnog stanja u drugo, kako se odvijaju u prirodi, tehnologiji i svakodnevnom životu.

Šta je stanje agregacije?

Riječ latinskog porijekla "aggrego" u prijevodu na ruski znači "priložiti". Naučni termin se odnosi na stanje istog tijela, supstance. Postojanje čvrstih tijela, plinova i tekućina pri određenim temperaturnim vrijednostima i različitim pritiscima karakteristično je za sve ljuske Zemlje. Pored tri osnovna agregatna stanja, postoji i četvrto. Pri povišenoj temperaturi i konstantnom pritisku, plin se pretvara u plazmu. Da bismo bolje razumjeli šta je agregatno stanje, potrebno je zapamtiti najsitnije čestice koje čine tvari i tijela.

Gornji dijagram prikazuje: a - gas; b - tečnost; c je kruto tijelo. Na takvim slikama krugovi označavaju strukturne elemente tvari. Ovo je simbol, u stvari, atomi, molekuli, ioni nisu čvrste lopte. Atomi se sastoje od pozitivno nabijenog jezgra oko kojeg se negativno nabijeni elektroni kreću velikom brzinom. Poznavanje mikroskopske strukture materije pomaže da se bolje razumiju razlike koje postoje između različitih agregatnih oblika.

Ideje o mikrosvijetu: od antičke Grčke do 17. stoljeća

Prve informacije o česticama koje čine fizička tijela pojavile su se u staroj Grčkoj. Mislioci Demokrit i Epikur uveli su takav koncept kao atom. Vjerovali su da ove najmanje nedjeljive čestice različitih supstanci imaju oblik, određene veličine, sposobne su za kretanje i interakciju jedna s drugom. Atomistika je postala najnaprednije učenje antičke Grčke za svoje vrijeme. Ali njegov razvoj je usporen u srednjem vijeku. Od tada su naučnici bili proganjani od strane inkvizicije Rimokatoličke crkve. Stoga, sve do modernog doba, nije postojao jasan koncept o tome šta je agregatno stanje materije. Tek nakon 17. vijeka naučnici R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier formulišu odredbe atomsko-molekularne teorije, koje ni danas nisu izgubile na značaju.

Atomi, molekuli, ioni - mikroskopske čestice strukture materije

Značajan napredak u razumijevanju mikrokosmosa dogodio se u 20. vijeku, kada je izumljen elektronski mikroskop. Uzimajući u obzir ranija otkrića naučnika, bilo je moguće sastaviti skladnu sliku mikrosvijeta. Teorije koje opisuju stanje i ponašanje najsitnijih čestica materije su prilično složene, pripadaju tom polju.Da bismo razumeli karakteristike različitih agregatnih stanja materije, dovoljno je znati imena i karakteristike glavnih strukturnih čestica koje formiraju različite supstance.

1. Atomi su hemijski nedjeljive čestice. Sačuvan u hemijskim reakcijama, ali uništen u nuklearnom. Metali i mnoge druge tvari atomske strukture imaju čvrsto agregacijsko stanje u normalnim uvjetima.
2. Molekule su čestice koje se razgrađuju i formiraju u hemijskim reakcijama. kiseonik, voda, ugljen dioksid, sumpor. Stanje agregacije kiseonika, azota, sumpor-dioksida, ugljenika, kiseonika u normalnim uslovima je gasovito.
3. Ioni su nabijene čestice u koje se atomi i molekule pretvaraju kada dobiju ili izgube elektrone - mikroskopske negativno nabijene čestice. Mnoge soli imaju jonsku strukturu, na primjer kuhinjska sol, željezo i bakar sulfat.

Postoje supstance čije se čestice na određeni način nalaze u prostoru. Uređeni međusobni položaj atoma, jona, molekula naziva se kristalna rešetka. Obično su ionske i atomske kristalne rešetke tipične za čvrste tvari, molekularne - za tekućine i plinove. Dijamant ima visoku tvrdoću. Njegovu atomsku kristalnu rešetku formiraju atomi ugljika. Ali meki grafit se također sastoji od atoma ovog hemijskog elementa. Samo što su različito smješteni u prostoru. Uobičajeno stanje agregacije sumpora je čvrsta supstanca, ali na visokim temperaturama tvar se pretvara u tekućinu i amorfnu masu.

Supstance u čvrstom agregatnom stanju

Čvrste tvari u normalnim uvjetima zadržavaju svoj volumen i oblik. Na primjer, zrno pijeska, zrno šećera, soli, komad kamena ili metala. Ako se šećer zagrije, tvar se počinje topiti, pretvarajući se u viskoznu smeđu tekućinu. Prestanite sa grijanjem - opet dobijamo čvrstu supstancu. To znači da je jedan od glavnih uslova za prelazak čvrste materije u tečnost njeno zagrijavanje ili povećanje unutrašnje energije čestica supstance. Čvrsto agregacijsko stanje soli, koja se koristi u hrani, također se može promijeniti. Ali da biste otopili kuhinjsku sol, potrebna vam je viša temperatura nego pri zagrijavanju šećera. Činjenica je da se šećer sastoji od molekula, a kuhinjska so od nabijenih jona, koji se međusobno jače privlače. Čvrste tvari u tekućem obliku ne zadržavaju svoj oblik jer se kristalne rešetke raspadaju.

Tečno agregacijsko stanje soli tokom topljenja objašnjava se prekidom veze između jona u kristalima. Oslobađaju se nabijene čestice koje mogu nositi električne naboje. Otopljene soli provode elektricitet i provodnici su. U hemijskoj, metalurškoj i inženjerskoj industriji, čvrste materije se pretvaraju u tečnosti kako bi se od njih dobila nova jedinjenja ili im dali drugačiji oblici. Metalne legure se široko koriste. Postoji nekoliko načina za njihovo dobivanje, povezanih s promjenama u agregacijskom stanju čvrstih sirovina.

Tečnost je jedno od osnovnih agregatnih stanja

Ako sipate 50 ml vode u tikvicu okruglog dna, primijetit ćete da supstanca odmah poprima oblik hemijske posude. Ali čim izlijemo vodu iz tikvice, tečnost će se odmah raširiti po površini stola. Količina vode će ostati ista - 50 ml, a njen oblik će se promijeniti. Ove karakteristike su karakteristične za tečni oblik postojanja materije. Tečnosti su mnoge organske supstance: alkoholi, biljna ulja, kiseline.

Mlijeko je emulzija, odnosno tekućina u kojoj se nalaze kapljice masti. Koristan tečni mineral je ulje. Vadi se iz bušotina pomoću opreme za bušenje na kopnu iu okeanu. Morska voda je takođe sirovina za industriju. Njegova razlika od slatke vode rijeka i jezera leži u sadržaju otopljenih tvari, uglavnom soli. Tokom isparavanja sa površine vodenih tijela, samo molekuli H 2 O prelaze u stanje pare, a otopljene tvari ostaju. Metode za dobivanje korisnih tvari iz morske vode i metode za njeno pročišćavanje temelje se na ovom svojstvu.

Uz potpuno uklanjanje soli, dobiva se destilovana voda. Kipi na 100°C i smrzava se na 0°C. Slanice ključaju i pretvaraju se u led na različitim temperaturama. Na primjer, voda u Arktičkom oceanu se smrzava na površinskoj temperaturi od 2°C.

Agregatno stanje žive u normalnim uslovima je tečnost. Ovaj srebrno-sivi metal se obično puni medicinskim termometrima. Kada se zagrije, stup žive se diže na ljestvici, tvar se širi. Zašto se koristi alkohol obojen crvenom bojom, a ne živa? To se objašnjava svojstvima tečnog metala. Kod mrazeva od 30 stepeni, stanje agregacije žive se mijenja, tvar postaje čvrsta.

Ako je medicinski termometar pokvaren i živa se prolila, onda je opasno skupljati srebrne kuglice rukama. Štetno je udisati pare žive, ova supstanca je vrlo toksična. Djeca u takvim slučajevima moraju tražiti pomoć roditelja, odraslih.

gasovitom stanju

Gasovi ne mogu zadržati svoju zapreminu ili oblik. Napunite tikvicu do vrha kiseonikom (njegova hemijska formula je O 2). Čim otvorimo bocu, molekuli supstance će se početi mešati sa vazduhom u prostoriji. To je zbog Brownovog kretanja. Čak je i starogrčki naučnik Demokrit vjerovao da su čestice materije u stalnom kretanju. U čvrstim tijelima, u normalnim uvjetima, atomi, molekuli, ioni nemaju mogućnost da napuste kristalnu rešetku, da se oslobode veza s drugim česticama. To je moguće samo kada se velika količina energije dovodi izvana.

U tečnostima je razmak između čestica nešto veći nego u čvrstim materijama; potrebno im je manje energije da razbiju međumolekularne veze. Na primjer, tečno agregatno stanje kisika se opaža samo kada temperatura plina padne na -183 °C. Na -223 °C, molekuli O 2 formiraju čvrstu supstancu. Kada temperatura poraste iznad datih vrednosti, kiseonik se pretvara u gas. U ovom obliku je u normalnim uslovima. U industrijskim preduzećima postoje posebne instalacije za odvajanje atmosferskog vazduha i dobijanje azota i kiseonika iz njega. Prvo se zrak hladi i ukapljuje, a zatim se temperatura postepeno povećava. Dušik i kiseonik se pretvaraju u gasove pod različitim uslovima.

Zemljina atmosfera sadrži 21% kiseonika i 78% azota po zapremini. U tečnom obliku, ove supstance se ne nalaze u gasovitoj ljusci planete. Tečni kiseonik ima svetloplavu boju i puni se pod visokim pritiskom u boce za upotrebu u medicinskim ustanovama. U industriji i građevinarstvu, tečni plinovi su neophodni za mnoge procese. Kiseonik je potreban za gasno zavarivanje i rezanje metala, u hemiji - za reakcije oksidacije neorganskih i organskih materija. Ako otvorite ventil boce s kisikom, tlak se smanjuje, tekućina se pretvara u plin.

Tečni propan, metan i butan se široko koriste u energetici, transportu, industriji i kućanstvima. Ove supstance se dobijaju iz prirodnog gasa ili prilikom krekinga (cepanja) naftne sirovine. Tečne i gasovite mešavine ugljenika igraju važnu ulogu u ekonomiji mnogih zemalja. Ali rezerve nafte i prirodnog gasa su ozbiljno iscrpljene. Prema naučnicima, ova sirovina će trajati 100-120 godina. Alternativni izvor energije je strujanje zraka (vjetar). Brze rijeke, plime i oseke na obalama mora i okeana koriste se za rad elektrana.

Kiseonik, kao i drugi gasovi, može biti u četvrtom agregatnom stanju, predstavljajući plazmu. Neobičan prijelaz iz čvrstog u plinovito stanje je karakteristična karakteristika kristalnog joda. Tamnoljubičasta tvar se podvrgava sublimaciji - pretvara se u plin, zaobilazeći tekuće stanje.

Kako se provode prijelazi iz jednog agregatnog oblika materije u drugi?

Promjene u agregatnom stanju tvari nisu povezane s kemijskim transformacijama, to su fizičke pojave. Kada temperatura poraste, mnoge čvrste tvari se tope i pretvaraju u tekućine. Daljnji porast temperature može dovesti do isparavanja, odnosno do plinovitog stanja tvari. U prirodi i ekonomiji, takvi prijelazi su karakteristični za jednu od glavnih supstanci na Zemlji. Led, tečnost, para su stanja vode pod različitim spoljnim uslovima. Jedinjenje je isto, njegova formula je H 2 O. Na temperaturi od 0°C i ispod ove vrijednosti voda kristalizira, odnosno pretvara se u led. Kada temperatura poraste, nastali kristali se uništavaju - led se topi, ponovo se dobiva tečna voda. Kada se zagrije, nastaje isparavanje - transformacija vode u plin - odvija se čak i pri niskim temperaturama. Na primjer, smrznute lokve postepeno nestaju jer voda isparava. Čak i po hladnom vremenu, mokra odjeća se suši, ali ovaj proces je duži nego na vrućem danu.

Svi navedeni prelazi vode iz jednog stanja u drugo od velikog su značaja za prirodu Zemlje. Atmosferske pojave, klima i vrijeme povezani su sa isparavanjem vode sa površine okeana, prijenosom vlage u obliku oblaka i magle na kopno, padavinama (kiša, snijeg, grad). Ove pojave čine osnovu svjetskog ciklusa vode u prirodi.

Kako se mijenjaju agregatna stanja sumpora?

U normalnim uvjetima, sumpor je svijetli sjajni kristali ili svijetložuti prah, odnosno čvrsta je tvar. Agregatno stanje sumpora se mijenja kada se zagrije. Prvo, kada temperatura poraste na 190 ° C, žuta tvar se topi, pretvarajući se u pokretnu tekućinu.

Ako brzo sipate tečni sumpor u hladnu vodu, dobijate smeđu amorfnu masu. Daljnjim zagrijavanjem taline sumpora ona postaje sve viskoznija i tamni. Na temperaturama iznad 300 ° C, stanje agregacije sumpora se ponovo mijenja, tvar poprima svojstva tekućine, postaje pokretna. Ovi prijelazi nastaju zbog sposobnosti atoma elementa da formiraju lance različitih dužina.

Zašto supstance mogu biti u različitim fizičkim stanjima?

Stanje agregacije sumpora - jednostavne supstance - je čvrsto u normalnim uslovima. Sumpor dioksid je plin, sumporna kiselina je uljasta tečnost teža od vode. Za razliku od hlorovodonične i dušične kiseline, nije hlapljiv; molekuli ne isparavaju s njegove površine. Koje agregatno stanje ima plastični sumpor koji se dobija zagrevanjem kristala?

U amorfnom obliku, tvar ima strukturu tekućine, koja ima blagu fluidnost. Ali plastični sumpor istovremeno zadržava svoj oblik (kao čvrsta supstanca). Postoje tečni kristali koji imaju niz karakterističnih osobina čvrstih materija. Dakle, stanje materije u različitim uslovima zavisi od njene prirode, temperature, pritiska i drugih spoljašnjih uslova.

Koje su karakteristike u strukturi čvrstih tijela?

Postojeće razlike između glavnih agregatnih stanja materije objašnjavaju se interakcijom između atoma, jona i molekula. Na primjer, zašto čvrsto agregatno stanje materije dovodi do sposobnosti tijela da održe volumen i oblik? U kristalnoj rešetki metala ili soli, strukturne čestice se privlače jedna drugoj. U metalima, pozitivno nabijeni joni stupaju u interakciju s takozvanim "elektronskim plinom" - akumulacijom slobodnih elektrona u komadu metala. Kristali soli nastaju zbog privlačenja suprotno nabijenih čestica - jona. Udaljenost između gore navedenih strukturnih jedinica čvrstih tijela je mnogo manja od veličine samih čestica. U ovom slučaju djeluje elektrostatičko privlačenje, daje snagu, a odbijanje nije dovoljno snažno.

Da bi se uništilo čvrsto stanje agregacije supstance, moraju se uložiti napori. Metali, soli, atomski kristali tope se na vrlo visokim temperaturama. Na primjer, željezo postaje tečno na temperaturama iznad 1538 °C. Volfram je vatrostalan i koristi se za izradu žarulja sa žarnom niti za sijalice. Postoje legure koje postaju tečne na temperaturama iznad 3000 °C. Mnogi na Zemlji su u solidnom stanju. Ova sirovina se vadi uz pomoć opreme u rudnicima i kamenolomima.

Da bi se od kristala odvojio čak i jedan ion, potrebno je potrošiti veliku količinu energije. Ali na kraju krajeva, dovoljno je otopiti sol u vodi da se kristalna rešetka raspadne! Ovaj fenomen se objašnjava nevjerovatnim svojstvima vode kao polarnog rastvarača. Molekuli H 2 O stupaju u interakciju sa ionima soli, uništavajući hemijsku vezu između njih. Dakle, otapanje nije jednostavno miješanje različitih supstanci, već fizička i kemijska interakcija između njih.

Kako molekuli tečnosti međusobno djeluju?

Voda može biti tečna, čvrsta i gasovita (para). Ovo su njegova glavna stanja agregacije u normalnim uslovima. Molekule vode se sastoje od jednog atoma kiseonika sa dva atoma vodonika vezana za njega. Dolazi do polarizacije kemijske veze u molekuli, na atomima kisika pojavljuje se djelomični negativni naboj. Vodik postaje pozitivni pol u molekuli i privlači ga atom kisika druge molekule. To se zove "vodikova veza".

Tečno agregacijsko stanje karakteriziraju udaljenosti između strukturnih čestica uporedive s njihovim veličinama. Privlačnost postoji, ali je slaba, pa voda ne zadržava svoj oblik. Do isparavanja dolazi zbog razaranja veza, koje se javlja na površini tekućine čak i na sobnoj temperaturi.

Postoje li međumolekularne interakcije u plinovima?

Gasovito stanje tvari razlikuje se od tečnog i čvrstog po nizu parametara. Između strukturnih čestica gasova postoje velike praznine, mnogo veće od veličine molekula. U ovom slučaju sile privlačenja uopće ne djeluju. Gasovito agregacijsko stanje je karakteristično za tvari prisutne u sastavu zraka: dušik, kisik, ugljični dioksid. Na slici ispod, prva kocka je ispunjena gasom, druga tečnošću, a treća čvrstim materijalom.

Mnoge tekućine su hlapljive; molekuli tvari se odvajaju od njihove površine i prelaze u zrak. Na primjer, ako prinesete pamučni štapić umočen u amonijak na otvor otvorene boce klorovodične kiseline, pojavljuje se bijeli dim. Pravo u zraku dolazi do kemijske reakcije između hlorovodonične kiseline i amonijaka, dobija se amonijum hlorid. U kakvom se stanju materije nalazi ova supstanca? Njegove čestice, koje formiraju bijeli dim, su najmanji čvrsti kristali soli. Ovaj eksperiment se mora provesti ispod haube, tvari su otrovne.

Zaključak

Agregatno stanje gasa proučavali su mnogi istaknuti fizičari i hemičari: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Claiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Naučnici su formulisali zakone koji objašnjavaju ponašanje gasovitih supstanci u hemijskim reakcijama kada se spoljni uslovi promene. Otvorene zakonitosti nisu ušle samo u školske i univerzitetske udžbenike fizike i hemije. Mnoge hemijske industrije zasnivaju se na znanju o ponašanju i svojstvima supstanci u različitim agregatnim stanjima.

Ciljevi lekcije:

• produbljivati ​​i generalizirati znanje o agregatnim agregatnim stanjima materije, proučavati u kakvim stanjima tvari mogu biti.

Ciljevi lekcije:

Nastava - formulisati ideju o svojstvima čvrstih tela, gasova, tečnosti.

Razvijanje - razvijanje govornih sposobnosti učenika, analiza, zaključivanje o obrađenom i proučavanom gradivu.

Vaspitno – usađivanje mentalnog rada, stvaranje svih uslova za povećanje interesovanja za predmet koji se proučava.

Osnovni pojmovi:

Stanje agregacije- ovo je stanje materije, koje karakterišu određena kvalitativne osobine: - sposobnost ili nemogućnost održavanja oblika i zapremine; - prisustvo ili odsustvo poretka kratkog i dugog dometa; - drugi.

Fig.6. Agregatno stanje tvari s promjenom temperature.

Kada supstanca pređe iz čvrstog u tekuće stanje, to se naziva taljenje, a obrnuti proces je kristalizacija. Kada supstanca pređe iz tečnosti u gas, ovaj proces se naziva vaporizacija, a iz gasa u tečnost - kondenzacija. I prijelaz odmah u plin iz čvrstog, zaobilazeći tekućinu - sublimacija, obrnuti proces - desublimacija.

1. Kristalizacija; 2. Topljenje; 3. Kondenzacija; 4. Vaporizacija;

5. Sublimacija; 6. Desublimacija.

Stalno posmatramo ove primjere tranzicija u svakodnevnom životu. Kada se led topi, pretvara se u vodu, a voda zauzvrat isparava i formira paru. Ako to posmatramo u suprotnom smjeru, para se, kondenzirajući, počinje pretvarati natrag u vodu, a voda, zauzvrat, smrzavajući, postaje led. Miris svakog čvrstog tijela je sublimacija. Neki od molekula izlaze iz tijela i stvara se plin koji daje miris. Primjer obrnutog procesa su uzorci na staklu zimi, kada se para u zraku, kada se smrzne, taloži na staklu.

Video prikazuje promjenu agregatnog stanja materije.

kontrolni blok.

1. Nakon smrzavanja, voda se pretvorila u led. Jesu li se molekuli vode promijenili?

2. Koristite medicinski eter u zatvorenom prostoru. I zbog toga tamo obično jako mirišu. Kakvo je stanje etra?

3. Šta se dešava sa oblikom tečnosti?

4. Led. Kakvo je stanje vode?

5. Šta se dešava kada se voda smrzne?

Zadaća.

Odgovori na pitanja:

1. Da li je moguće polovinu zapremine posude napuniti gasom? Zašto?

2. Mogu li azot i kiseonik biti u tečnom stanju na sobnoj temperaturi?

3. Može li na sobnoj temperaturi biti u gasovitom stanju: gvožđe i živa?

4. U mraznom zimskom danu, magla se stvorila iznad rijeke. Kakvo je stanje materije?

Vjerujemo da materija ima tri agregatna stanja. Zapravo, ima ih najmanje petnaest, a lista ovih država svakim danom raste. To su: amorfna čvrsta, čvrsta, neutronijumska, kvark-gluonska plazma, jako simetrična materija, slabo simetrična materija, fermion kondenzat, Bose-Einstein kondenzat i čudna materija.