V tekutom agregovanom stave. Súhrnné stavy hmoty

Myslím, že každý pozná 3 základné súhrnné stavy hmoty: kvapalné, pevné a plynné. S týmito stavmi hmoty sa stretávame každý deň a všade. Najčastejšie sa zvažujú na príklade vody. Kvapalné skupenstvo vody je nám najznámejšie. Neustále pijeme tekutú vodu, tečie nám z kohútika a my sami tvoríme 70 % tekutej vody. Druhým súhrnným stavom vody je obyčajný ľad, ktorý v zime vidíme na ulici. V plynnej forme sa s vodou ľahko stretneme aj v bežnom živote. V plynnom skupenstve je voda, všetci vieme, para. Je to vidieť, keď napríklad varíme kotlík. Áno, práve pri 100 stupňoch prechádza voda z kvapalného do plynného skupenstva.

Toto sú tri súhrnné stavy hmoty, ktoré poznáme. Vedeli ste však, že v skutočnosti sú 4? Myslím, že každý aspoň raz počul slovo „plazma“. A dnes chcem, aby ste sa tiež dozvedeli viac o plazme - štvrtom skupenstve hmoty.

Plazma je čiastočne alebo úplne ionizovaný plyn s rovnakou hustotou kladných aj záporných nábojov. Plazmu možno získať z plynu – od 3. skupenstva hmoty silným zahriatím. Stav agregácie vo všeobecnosti v skutočnosti úplne závisí od teploty. Prvý stav agregácie je najnižšia teplota, pri ktorej teleso zostáva pevné, druhý stav agregácie je teplota, pri ktorej sa teleso začína topiť a stáva sa tekutým, tretí stav agregácie je najvyššia teplota, pri ktorej sa látka stáva plynu. Pre každé teleso, látku je teplota prechodu z jedného stavu agregácie do druhého úplne iná, u niekoho je nižšia, u niekoho vyššia, no u každého je striktne v tomto poradí. A pri akej teplote sa látka stáva plazmou? Keďže ide o štvrtý stav, znamená to, že teplota prechodu do neho je vyššia ako pri každom predchádzajúcom. A skutočne je. Na ionizáciu plynu je potrebná veľmi vysoká teplota. Najnižšia teplota a nízko ionizovaná (asi 1%) plazma sa vyznačuje teplotami do 100 tisíc stupňov. V pozemských podmienkach možno takúto plazmu pozorovať vo forme blesku. Teplota bleskového kanála môže prekročiť 30 tisíc stupňov, čo je 6-krát viac ako povrchová teplota Slnka. Mimochodom, Slnko a všetky ostatné hviezdy sú tiež plazmové, častejšie stále vysokoteplotné. Veda dokazuje, že asi 99 % všetkej hmoty vo vesmíre tvorí plazma.

Na rozdiel od nízkoteplotnej plazmy má vysokoteplotná plazma takmer 100% ionizáciu a teploty až 100 miliónov stupňov. Toto je skutočne hviezdna teplota. Na Zemi sa takáto plazma nachádza iba v jednom prípade - na experimenty s termonukleárnou fúziou. Riadená reakcia je pomerne zložitá a energeticky náročná, ale neriadená sa dostatočne osvedčila ako zbraň kolosálnej sily - termonukleárna bomba testovaná ZSSR 12. augusta 1953.

Plazma sa klasifikuje nielen podľa teploty a stupňa ionizácie, ale aj podľa hustoty a kvázi-neutrality. fráza hustota plazmy zvyčajne znamená elektrónová hustota, teda počet voľných elektrónov na jednotku objemu. No, s týmto si myslím, že je všetko jasné. Nie každý však vie, čo je kvázi-neutralita. Kvázi-neutralita plazmy je jednou z jej najdôležitejších vlastností, ktorá spočíva v takmer presnej rovnosti hustôt jej tvoriacich kladných iónov a elektrónov. Vzhľadom na dobrú elektrickú vodivosť plazmy nie je možné oddelenie kladných a záporných nábojov vo vzdialenostiach väčších ako je Debyeova dĺžka a v časoch väčších ako perióda oscilácií plazmy. Takmer všetka plazma je kvázi neutrálna. Príkladom nie kvázi-neutrálnej plazmy je elektrónový lúč. Hustota neneutrálnej plazmy však musí byť veľmi nízka, inak sa rýchlo rozpadnú v dôsledku Coulombovho odpudzovania.

Zvažovali sme veľmi málo pozemských príkladov plazmy. Ale je ich dosť. Človek sa naučil využívať plazmu pre svoje dobro. Vďaka štvrtému súhrnnému skupenstvu môžeme použiť plynové výbojky, plazmové televízory, zváranie elektrickým oblúkom a lasery. Plazmové sú aj obyčajné žiarivky s plynovou výbojkou. V našom svete existuje aj plazmová lampa. Používa sa najmä vo vede na štúdium a čo je najdôležitejšie, na pozorovanie niektorých najzložitejších javov plazmy, vrátane filamentácie. Fotografiu takejto lampy môžete vidieť na obrázku nižšie:

Okrem domácich plazmových zariadení možno na Zemi často vidieť aj prírodnú plazmu. O jednom z jeho príkladov sme už hovorili. Toto je blesk. Ale okrem bleskov možno plazmové javy nazvať polárnymi svetlami, „ohňami svätého Elma“, zemskou ionosférou a, samozrejme, ohňom.

Všimnite si, že oheň aj blesk a iné prejavy plazmy, ako ju nazývame, horia. Aký je dôvod takej jasnej emisie svetla plazmou? Plazmová žiara je spôsobená prechodom elektrónov z vysokoenergetického stavu do nízkoenergetického stavu po rekombinácii s iónmi. Tento proces vedie k žiareniu so spektrom zodpovedajúcim excitovanému plynu. To je dôvod, prečo plazma žiari.

Chcel by som tiež povedať niečo o histórii plazmy. Veď kedysi sa plazmou nazývali len také látky ako tekutá zložka mlieka a bezfarebná zložka krvi. Všetko sa zmenilo v roku 1879. V tom roku známy anglický vedec William Crookes, skúmajúci elektrickú vodivosť v plynoch, objavil fenomén plazmy. Pravda, tento stav hmoty bol nazvaný plazmou až v roku 1928. A urobil to Irving Langmuir.

Na záver chcem povedať, že taký zaujímavý a záhadný jav ako guľový blesk, o ktorom som na tejto stránke už viackrát písal, je samozrejme tiež plazmoid, ako obyčajný blesk. Toto je možno najneobvyklejší plazmoid zo všetkých javov pozemskej plazmy. Koniec koncov, existuje asi 400 veľmi odlišných teórií o guľových bleskoch, ale ani jedna z nich nebola uznaná ako skutočne správna. V laboratórnych podmienkach boli podobné, no krátkodobé javy získané niekoľkými rôznymi spôsobmi, takže otázka povahy guľového blesku zostáva otvorená.

Obyčajná plazma, samozrejme, vznikala aj v laboratóriách. Kedysi to bolo ťažké, ale teraz takýto experiment nie je ťažký. Keďže plazma pevne vstúpila do nášho domáceho arzenálu, v laboratóriách sa s ňou veľa experimentuje.

Najzaujímavejším objavom v oblasti plazmy boli experimenty s plazmou v beztiažovom stave. Ukazuje sa, že plazma kryštalizuje vo vákuu. Stáva sa to takto: nabité častice plazmy sa začnú navzájom odpudzovať, a keď majú obmedzený objem, zaberajú priestor, ktorý im je pridelený, a rozptyľujú sa rôznymi smermi. Toto je veľmi podobné kryštálovej mriežke. Neznamená to, že plazma je uzatváracím článkom medzi prvým agregovaným stavom hmoty a tretím? Koniec koncov, ionizáciou plynu sa stáva plazmou a vo vákuu sa plazma opäť stáva akoby tuhou. Ale to je len moja domnienka.

Plazmové kryštály vo vesmíre majú tiež dosť zvláštnu štruktúru. Túto štruktúru možno pozorovať a študovať iba vo vesmíre, v skutočnom vesmírnom vákuu. Aj keď na Zemi vytvoríte vákuum a umiestnite tam plazmu, potom gravitácia jednoducho stlačí celý „obraz“, ktorý sa vo vnútri vytvorí. Vo vesmíre však kryštály plazmy jednoducho vzlietnu a vytvoria objemovú trojrozmernú štruktúru zvláštneho tvaru. Po odoslaní výsledkov pozorovaní plazmy na obežnej dráhe pozemským vedcom sa ukázalo, že víry v plazme zvláštnym spôsobom napodobňujú štruktúru našej galaxie. A to znamená, že v budúcnosti bude možné pochopiť, ako sa naša galaxia zrodila štúdiom plazmy. Nižšie uvedené fotografie ukazujú rovnakú kryštalickú plazmu.

Definícia

Súhrnné stavy hmoty (z lat. aggrego - pripevniť, spojiť) - sú to stavy tej istej látky - tuhá, kvapalná, plynná.

Pri prechode z jedného stavu do druhého dochádza k prudkej zmene energie, entropie, hustoty a iných charakteristík hmoty.

Pevné a tekuté telesá

Definícia

Pevné telesá sú telesá, ktoré sa vyznačujú stálosťou tvaru a objemu.

V nich sú medzimolekulové vzdialenosti malé a potenciálna energia molekúl je porovnateľná s kinetickou. Pevné látky sa delia na dva typy: kryštalické a amorfné. Len kryštalické telesá sú v stave termodynamickej rovnováhy. Amorfné telesá v skutočnosti predstavujú metastabilné stavy, ktoré sa svojou štruktúrou približujú k nerovnovážnym, pomaly kryštalizujúcim kvapalinám. V amorfnom telese prebieha veľmi pomalý proces kryštalizácie, proces postupného prechodu látky do kryštalickej fázy. Rozdiel medzi kryštálom a amorfnou pevnou látkou spočíva predovšetkým v anizotropii jej vlastností. Vlastnosti kryštalického telesa závisia od smeru v priestore. Rôzne druhy procesov, ako je tepelná vodivosť, elektrická vodivosť, svetlo, zvuk, sa šíria v rôznych smeroch pevného telesa rôznymi spôsobmi. Amorfné telieska (sklo, živice, plasty) sú izotopické, podobne ako kvapaliny. Jediný rozdiel medzi amorfnými telesami a kvapalinami je v tom, že tieto sú tekuté, statické šmykové deformácie v nich nie sú možné.

Kryštalické telieska majú správnu molekulárnu štruktúru. Anizotropia jeho vlastností je spôsobená správnou štruktúrou kryštálu. Správne usporiadanie atómov kryštálu tvorí takzvanú kryštálovú mriežku. V rôznych smeroch je usporiadanie atómov v mriežke odlišné, čo vedie k anizotropii. Atómy (alebo ióny alebo celé molekuly) v kryštálovej mriežke vykonávajú náhodný oscilačný pohyb okolo stredných polôh, ktoré sa považujú za uzly kryštálovej mriežky. Čím vyššia je teplota, tým väčšia je energia oscilácií, a teda aj priemerná amplitúda oscilácií. Veľkosť kryštálu závisí od amplitúdy kmitov. Zvýšenie amplitúdy kmitov vedie k zvýšeniu veľkosti tela. To vysvetľuje tepelnú rozťažnosť pevných látok.

Definícia

Kvapalné telesá sú telesá, ktoré majú určitý objem, ale nemajú elasticitu tvaru.

Kvapaliny sa vyznačujú silnou medzimolekulovou interakciou a nízkou stlačiteľnosťou. Kvapalina zaberá medzipolohu medzi pevnou látkou a plynom. Kvapaliny, podobne ako plyny, sú izotopy. Okrem toho má kvapalina tekutosť. V ňom, rovnako ako v plynoch, neexistujú žiadne tangenciálne napätia (šmykové napätia) telies. Kvapaliny sú ťažké, t.j. ich špecifická hmotnosť je porovnateľná so špecifickou hmotnosťou pevných látok. V blízkosti teplôt kryštalizácie sú ich tepelné kapacity a iné tepelné charakteristiky blízke teplotám tuhých látok. V kvapalinách sa do určitej miery pozoruje správne usporiadanie atómov, ale len na malých plochách. Tu atómy tiež oscilujú v blízkosti uzlov kvázikryštalickej bunky, ale na rozdiel od atómov pevného telesa z času na čas preskakujú z jedného uzla do druhého. V dôsledku toho bude pohyb atómov veľmi zložitý: je oscilačný, no zároveň sa centrum vibrácií pohybuje v priestore.

Plyn, vyparovanie, kondenzácia a topenie

Definícia

Plyn je stav hmoty, v ktorom sú vzdialenosti medzi molekulami veľké.

Sily interakcie medzi molekulami pri nízkych tlakoch možno zanedbať. Častice plynu vypĺňajú celý objem, ktorý sa dodáva plynu. Plyny možno považovať za vysoko prehriate alebo nenasýtené pary. Plazma je špeciálny druh plynu - je to čiastočne alebo úplne ionizovaný plyn, v ktorom je hustota kladných a záporných nábojov takmer rovnaká. Plazma je plyn nabitých častíc, ktoré navzájom interagujú pomocou elektrických síl na veľkú vzdialenosť, ale nemajú blízke a vzdialené častice.

Látky sa môžu meniť z jedného stavu agregácie do druhého.

Definícia

Vyparovanie je proces zmeny stavu agregácie látky, pri ktorom z povrchu kvapaliny alebo pevnej látky vyletujú molekuly, ktorých kinetická energia prevyšuje potenciálnu energiu interakcie molekúl.

Odparovanie je fázový prechod. Počas odparovania časť kvapaliny alebo pevnej látky prechádza do pary. Látka v plynnom stave, ktorá je v dynamickej rovnováhe s kvapalinou, sa nazýva nasýtená para. V tomto prípade zmena vnútornej energie tela:

\[\trojuholník \ U=\pm pán\ \ľavý(1\vpravo),\]

kde m je telesná hmotnosť, r je špecifické teplo vyparovania (J / kg).

Definícia

Kondenzácia je opačný proces odparovania.

Výpočet zmeny vnútornej energie sa vykonáva podľa vzorca (1).

Definícia

Topenie je proces prechodu látky z pevného do kvapalného stavu, proces zmeny stavu agregácie látky.

Keď sa látka zahrieva, jej vnútorná energia sa zvyšuje, a preto sa zvyšuje rýchlosť tepelného pohybu molekúl. V prípade, že sa dosiahne bod topenia látky, kryštalická mriežka tuhej látky sa začne rozpadať. Väzby medzi časticami sú zničené, energia interakcie medzi časticami sa zvyšuje. Teplo prenesené do tela zvyšuje vnútornú energiu tohto tela a časť energie ide na vykonanie práce na zmene objemu tela, keď sa roztopí. Pri väčšine kryštalických telies sa objem pri roztavení zväčšuje, existujú však výnimky, napríklad ľad, liatina. Amorfné telesá nemajú špecifickú teplotu topenia. Topenie je fázový prechod, ktorý je sprevádzaný náhlou zmenou tepelnej kapacity pri teplote topenia. Teplota topenia závisí od látky a počas procesu sa nemení. V tomto prípade zmena vnútornej energie tela:

\[\trojuholník U=\pm m\lambda \left(2\right),\]

kde $\lambda $ je špecifické teplo topenia (J/kg).

Opačným procesom topenia je kryštalizácia. Výpočet zmeny vnútornej energie sa vykonáva podľa vzorca (2).

Zmenu vnútornej energie každého telesa systému v prípade vykurovania alebo chladenia možno vypočítať podľa vzorca:

\[\trojuholník U=mc\trojuholník T\vľavo(3\vpravo),\]

kde c je špecifické teplo látky, J/(kgK), $\trojuholník T$ je zmena telesnej teploty.

Pri štúdiu prechodov látok z jedného stavu agregácie do druhého sa nezaobídeme bez takzvanej rovnice tepelnej bilancie, ktorá hovorí: celkové množstvo tepla, ktoré sa uvoľní v tepelne izolovanom systéme, sa rovná množstvu teplo (celkové), ktoré sa absorbuje v tomto systéme.

Rovnica tepelnej bilancie je vo svojom význame zákonom zachovania energie pre procesy prenosu tepla v tepelne izolovaných systémoch.

Príklad 1

Zadanie: V tepelne izolovanej nádobe je voda a ľad s teplotou $t_i= 0^oС$. Hmotnosť vody ($m_(v\ ))$ a ľadu ($m_(i\ ))$ je 0,5 kg a 60 g. Do vody sa vpustí vodná para s hmotnosťou $m_(p\ )=$10 g. pri teplote $t_p= 100^oС$. Aká bude teplota vody v nádobe po dosiahnutí tepelnej rovnováhy? Tepelná kapacita nádoby sa ignoruje.

Riešenie: Určme, aké procesy v systéme prebiehajú, aké súhrnné stavy hmoty sme mali a čo sme získali.

Vodná para kondenzuje a uvoľňuje teplo.

Toto teplo sa využíva na roztopenie ľadu a prípadne na ohrev dostupnej vody získanej z ľadu.

Najprv skontrolujte, koľko tepla sa uvoľní počas kondenzácie dostupnej masy pary:

tu z referenčných materiálov máme $r=2,26 10^6\frac(J)(kg)$ - špecifické teplo vyparovania (použiteľné aj pre kondenzáciu).

Teplo potrebné na roztopenie ľadu:

tu z referenčných materiálov máme $\lambda =3,3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - špecifické teplo topenia ľadu.

Dostaneme, že para vydáva viac tepla, ako je potrebné, len aby roztopila existujúci ľad, preto rovnicu tepelnej bilancie napíšeme v tvare:

Teplo sa uvoľňuje pri kondenzácii pary s hmotnosťou $m_(p\ )$ a ochladzovaní vody, ktorá vzniká z pary z teploty $T_p$ na požadovanú T. Teplo sa absorbuje pri topení ľadu s hmotnosťou $m_(i\ )$ a ohrev vody s hmotnosťou $m_v+ m_i$ z teploty $T_i$ na $T.\ $ Označme $T-T_i=\trojuholník T$, pre rozdiel $T_p-T$ dostaneme:

Rovnica tepelnej bilancie bude mať tvar:

\ \ \[\trojuholník T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\left(m_v+m_i+m_(p\ )\right))\left (1,6\vpravo)\]

Urobíme výpočty, berúc do úvahy, že tepelná kapacita vody je tabuľková $c=4,2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273 000 $:

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

Odpoveď: Teplota vody v nádobe po vytvorení tepelnej rovnováhy sa bude rovnať 276 K.

Príklad 2

Úloha: Na obrázku je znázornený úsek izotermy zodpovedajúci prechodu látky z kryštalického do kvapalného skupenstva. Čo zodpovedá tejto časti na diagrame p,T?

Celá množina stavov znázornených na diagrame p, V horizontálnym priamym segmentom na diagrame p, T je znázornená jedným bodom, ktorý určuje hodnoty p a T, pri ktorých dochádza k prechodu z jedného stavu agregácie do sa koná ďalší.

Všetka hmota môže existovať v jednej zo štyroch foriem. Každý z nich je určitým súhrnným stavom hmoty. V prírode Zeme je v troch z nich naraz zastúpený iba jeden. Toto je voda. Je ľahké vidieť, že sa odparuje, roztápa a vytvrdzuje. Teda para, voda a ľad. Vedci sa naučili, ako zmeniť súhrnné stavy hmoty. Najväčšie ťažkosti im robí len plazma. Tento stav si vyžaduje špeciálne podmienky.

Čo to je, od čoho závisí a ako sa vyznačuje?

Ak telo prešlo do iného súhrnného stavu hmoty, neznamená to, že sa objavilo niečo iné. Podstata zostáva rovnaká. Ak by kvapalina mala molekuly vody, potom tie isté budú v pare s ľadom. Zmení sa len ich umiestnenie, rýchlosť pohybu a sily vzájomného pôsobenia.

Pri štúdiu témy „Súhrnné stavy (8. ročník) sa berú do úvahy iba tri z nich. Sú to kvapalné, plynné a pevné látky. Ich prejavy závisia od fyzikálnych podmienok prostredia. Charakteristiky týchto stavov sú uvedené v tabuľke.

Prvý stav: pevný

Jeho zásadný rozdiel od ostatných je v tom, že molekuly majú presne určené miesto. Keď hovoríme o pevnom stave agregácie, najčastejšie sa tým myslí kryštály. V nich je mriežková štruktúra symetrická a prísne periodická. Preto je vždy zachovaná, bez ohľadu na to, ako ďaleko by sa telo šírilo. Oscilačný pohyb molekúl látky nestačí na zničenie tejto mriežky.

Existujú však aj amorfné telesá. Chýba im prísna štruktúra v usporiadaní atómov. Môžu byť kdekoľvek. Ale toto miesto je stabilné ako v kryštalickom tele. Rozdiel medzi amorfnými a kryštalickými látkami je v tom, že nemajú špecifickú teplotu topenia (tuhnutia) a vyznačujú sa tekutosťou. Živými príkladmi takýchto látok sú sklo a plast.

Druhý stav: kvapalina

Tento agregovaný stav hmoty je krížom medzi pevnou látkou a plynom. Preto kombinuje niektoré vlastnosti z prvého a druhého. Takže vzdialenosť medzi časticami a ich interakciou je podobná ako v prípade kryštálov. Ale tu je umiestnenie a pohyb bližšie k plynu. Kvapalina si preto nezachová svoj tvar, ale rozleje sa po nádobe, do ktorej sa naleje.

Tretí stav: plyn

Pre vedu zvanú „fyzika“ nie je stav agregácie vo forme plynu na poslednom mieste. Koniec koncov, študuje svet okolo seba a vzduch v ňom je veľmi bežný.

Charakteristickým znakom tohto stavu je, že sily interakcie medzi molekulami prakticky chýbajú. To vysvetľuje ich voľný pohyb. Vďaka tomu plynná látka vypĺňa celý objem, ktorý je jej poskytnutý. Do tohto stavu sa dá navyše preniesť všetko, stačí len zvýšiť teplotu o požadovanú hodnotu.

Štvrtý stav: plazma

Tento agregovaný stav hmoty je plyn, ktorý je úplne alebo čiastočne ionizovaný. To znamená, že počet záporne a kladne nabitých častíc v ňom je takmer rovnaký. Táto situácia nastáva pri zahrievaní plynu. Potom dochádza k prudkému zrýchleniu procesu tepelnej ionizácie. Spočíva v tom, že molekuly sú rozdelené na atómy. Tie sa potom premenia na ióny.

V rámci vesmíru je takýto stav veľmi bežný. Pretože obsahuje všetky hviezdy a médium medzi nimi. V rámci hraníc zemského povrchu sa vyskytuje mimoriadne zriedkavo. Okrem ionosféry a slnečného vetra je plazma možná len počas búrok. Pri bleskoch sa vytvárajú podmienky, pri ktorých plyny atmosféry prechádzajú do štvrtého skupenstva hmoty.

To však neznamená, že plazma nebola vytvorená v laboratóriu. Prvá vec, ktorá sa dala reprodukovať, bol výboj plynu. Plazma teraz vypĺňa žiarivky a neónové nápisy.

Ako prebieha prechod medzi štátmi?

Aby ste to dosiahli, musíte vytvoriť určité podmienky: konštantný tlak a špecifickú teplotu. V tomto prípade je zmena agregovaných stavov látky sprevádzaná uvoľňovaním alebo absorpciou energie. Navyše tento prechod neprebieha rýchlosťou blesku, ale vyžaduje si určitý čas. Počas tejto doby musia zostať podmienky nezmenené. K prechodu dochádza pri súčasnej existencii hmoty v dvoch formách, ktoré udržujú tepelnú rovnováhu.

Prvé tri stavy hmoty môžu vzájomne prechádzať do druhého. Existujú priame a reverzné procesy. Majú nasledujúce mená:

• topenie(z pevnej látky na kvapalinu) a kryštalizácia napríklad topenie ľadu a tuhnutie vody;
• odparovanie(z kvapalného na plynné) a kondenzácii, príkladom je odparovanie vody a jej výroba z pary;
• sublimácia(od pevnej látky po plynnú) a desublimácia, napríklad odparovanie suchej vône pri prvom z nich a mrazivé vzory na pohári pri druhom.

Fyzika topenia a kryštalizácie

Ak sa ohrieva pevné teleso, tak pri určitej teplote, tzv bod topenia konkrétna látka, začne sa zmena stavu agregácie, ktorá sa nazýva topenie. Tento proces prebieha s absorpciou energie, ktorá je tzv množstvo tepla a je označený písmenom Q. Aby ste to vypočítali, musíte to vedieť špecifické teplo topenia, ktorý je označený λ . A vzorec vyzerá takto:

Q = λ*m, kde m je hmotnosť látky podieľajúcej sa na tavení.

Ak dôjde k opačnému procesu, teda ku kryštalizácii kvapaliny, potom sa podmienky zopakujú. Jediný rozdiel je v tom, že sa uvoľňuje energia a vo vzorci sa objaví znamienko mínus.

Fyzika vyparovania a kondenzácie

Pokračujúcim zahrievaním látky sa postupne priblíži k teplote, pri ktorej začne jej intenzívne odparovanie. Tento proces sa nazýva vaporizácia. Vyznačuje sa opäť pohlcovaním energie. Len aby ste to vypočítali, musíte vedieť špecifické teplo vyparovania r. A vzorec bude:

Q=r*m.

K opačnému procesu alebo kondenzácii dochádza pri uvoľnení rovnakého množstva tepla. Preto sa vo vzorci opäť objaví mínus.

Otázky o tom, čo je to stav agregácie, aké vlastnosti a vlastnosti majú pevné látky, kvapaliny a plyny, sú predmetom niekoľkých školení. Existujú tri klasické stavy hmoty s vlastnými charakteristickými znakmi štruktúry. Ich pochopenie je dôležitým bodom pri porozumení vied o Zemi, živých organizmoch a výrobných činnostiach. Týmito otázkami sa zaoberá fyzika, chémia, geografia, geológia, fyzikálna chémia a ďalšie vedné disciplíny. Látky, ktoré sú za určitých podmienok v jednom z troch základných typov skupenstva, sa môžu meniť so zvýšením alebo znížením teploty alebo tlaku. Uvažujme o možných prechodoch z jedného stavu agregácie do druhého, ako sa uskutočňujú v prírode, technike a každodennom živote.

Čo je to stav agregácie?

Slovo latinského pôvodu „aggrego“ v preklade do ruštiny znamená „pripevniť“. Vedecký výraz označuje stav toho istého tela, látky. Existencia pevných látok, plynov a kvapalín pri určitých teplotných hodnotách a rôznych tlakoch je charakteristická pre všetky škrupiny Zeme. Okrem troch základných súhrnných stavov existuje aj štvrtý. Pri zvýšenej teplote a konštantnom tlaku sa plyn mení na plazmu. Aby sme lepšie pochopili, čo je stav agregácie, je potrebné zapamätať si najmenšie častice, ktoré tvoria látky a telá.

Vyššie uvedený diagram ukazuje: a - plyn; b - kvapalina; c je tuhé teleso. Na takýchto obrázkoch kruhy označujú štrukturálne prvky látok. Toto je symbol, v skutočnosti atómy, molekuly, ióny nie sú pevné gule. Atómy pozostávajú z kladne nabitého jadra, okolo ktorého sa záporne nabité elektróny pohybujú vysokou rýchlosťou. Znalosť mikroskopickej štruktúry hmoty pomáha lepšie pochopiť rozdiely, ktoré existujú medzi rôznymi agregátnymi formami.

Predstavy o mikrosvete: od starovekého Grécka po 17. storočie

Prvé informácie o časticiach, ktoré tvoria fyzické telá, sa objavili v starovekom Grécku. Myslitelia Democritus a Epicurus predstavili taký koncept ako atóm. Verili, že tieto najmenšie nedeliteľné častice rôznych látok majú tvar, určité veľkosti, sú schopné vzájomného pohybu a interakcie. Atomistika sa na svoju dobu stala najpokročilejším učením starovekého Grécka. Ale v stredoveku sa jeho vývoj spomalil. Odvtedy boli vedci prenasledovaní inkvizíciou rímskokatolíckej cirkvi. Preto až do modernej doby neexistovala jasná predstava o tom, aký je stav agregácie hmoty. Až po 17. storočí vedci R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier sformulovali ustanovenia atómovo-molekulárnej teórie, ktoré ani dnes nestratili svoj význam.

Atómy, molekuly, ióny - mikroskopické častice štruktúry hmoty

Významný prelom v chápaní mikrokozmu nastal v 20. storočí, keď bol vynájdený elektrónový mikroskop. Ak vezmeme do úvahy objavy, ktoré vedci urobili skôr, bolo možné zostaviť harmonický obraz mikrosveta. Teórie popisujúce stav a správanie najmenších častíc hmoty sú pomerne zložité, patria do odboru Na pochopenie znakov rôznych agregovaných stavov hmoty stačí poznať názvy a znaky hlavných štruktúrnych častíc, ktoré tvoria rôzne látok.

1. Atómy sú chemicky nedeliteľné častice. Zachovaný v chemických reakciách, ale zničený v jadre. Kovy a mnohé ďalšie látky atómovej štruktúry majú za normálnych podmienok pevný stav agregácie.
2. Molekuly sú častice, ktoré sa rozkladajú a tvoria pri chemických reakciách. kyslík, voda, oxid uhličitý, síra. Stav agregácie kyslíka, dusíka, oxidu siričitého, uhlíka, kyslíka za normálnych podmienok je plynný.
3. Ióny sú nabité častice, na ktoré sa atómy a molekuly menia, keď získavajú alebo strácajú elektróny – mikroskopické negatívne nabité častice. Mnohé soli majú iónovú štruktúru, napríklad kuchynská soľ, síran železa a medi.

Existujú látky, ktorých častice sa určitým spôsobom nachádzajú v priestore. Usporiadaná vzájomná poloha atómov, iónov, molekúl sa nazýva kryštálová mriežka. Zvyčajne sú iónové a atómové kryštálové mriežky typické pre pevné látky, molekulárne - pre kvapaliny a plyny. Diamant má vysokú tvrdosť. Jeho atómovú kryštálovú mriežku tvoria atómy uhlíka. Mäkký grafit však pozostáva aj z atómov tohto chemického prvku. Len sa v priestore nachádzajú inak. Zvyčajný stav agregácie síry je tuhá látka, ale pri vysokých teplotách sa látka mení na kvapalinu a amorfnú hmotu.

Látky v pevnom stave agregácie

Pevné látky si za normálnych podmienok zachovávajú svoj objem a tvar. Napríklad zrnko piesku, zrnko cukru, soľ, kúsok kameňa alebo kovu. Ak sa cukor zahreje, látka sa začne topiť a zmení sa na viskóznu hnedú kvapalinu. Zastavte zahrievanie - opäť dostaneme tuhú látku. To znamená, že jednou z hlavných podmienok prechodu tuhej látky na kvapalinu je jej zahrievanie alebo zvýšenie vnútornej energie častíc látky. Zmeniť sa dá aj pevný stav agregácie soli, ktorá sa používa v potravinách. Na roztopenie kuchynskej soli ale potrebujete vyššiu teplotu ako pri zohrievaní cukru. Faktom je, že cukor pozostáva z molekúl a stolová soľ z nabitých iónov, ktoré sa navzájom silnejšie priťahujú. Pevné látky v kvapalnej forme si nezachovajú svoj tvar, pretože kryštálové mriežky sa rozpadajú.

Kvapalný stav agregácie soli počas topenia sa vysvetľuje porušením väzby medzi iónmi v kryštáloch. Uvoľňujú sa nabité častice, ktoré môžu niesť elektrický náboj. Roztavené soli vedú elektrický prúd a sú vodičmi. V chemickom, hutníckom a strojárskom priemysle sa pevné látky premieňajú na kvapaliny, aby sa z nich získali nové zlúčeniny alebo im dali rôzne tvary. Kovové zliatiny sú široko používané. Spôsobov ich získania je viacero spojených so zmenami stavu agregácie pevných surovín.

Kvapalina je jedným zo základných stavov agregácie

Ak do banky s guľatým dnom nalejete 50 ml vody, všimnete si, že látka okamžite získa formu chemickej nádoby. Ale akonáhle vylejeme vodu z banky, tekutina sa okamžite rozleje po povrchu stola. Objem vody zostane rovnaký - 50 ml a zmení sa jej tvar. Tieto znaky sú charakteristické pre tekutú formu existencie hmoty. Kvapaliny sú mnohé organické látky: alkoholy, rastlinné oleje, kyseliny.

Mlieko je emulzia, teda tekutina, v ktorej sú kvapôčky tuku. Užitočným tekutým minerálom je olej. Získava sa z vrtov pomocou vrtných súprav na súši a v oceáne. Morská voda je tiež surovinou pre priemysel. Jeho odlišnosť od sladkej vody riek a jazier spočíva v obsahu rozpustených látok, najmä solí. Pri vyparovaní z povrchu vodných útvarov prechádzajú do parného stavu iba molekuly H 2 O, zostávajú rozpustené látky. Na tejto vlastnosti sú založené spôsoby získavania užitočných látok z morskej vody a spôsoby jej čistenia.

Po úplnom odstránení solí sa získa destilovaná voda. Vrie pri 100°C a mrzne pri 0°C. Soľanky sa varia a menia sa na ľad pri rôznych teplotách. Napríklad voda v Severnom ľadovom oceáne zamŕza pri povrchovej teplote 2°C.

Celkový stav ortuti za normálnych podmienok je kvapalina. Tento strieborno-šedý kov je zvyčajne naplnený lekárskymi teplomermi. Pri zahrievaní stĺpec ortuti stúpa na stupnici, látka sa rozširuje. Prečo sa používa alkohol tónovaný červenou farbou a nie ortuť? Vysvetľujú to vlastnosti tekutého kovu. Pri 30-stupňových mrazoch sa mení stav agregácie ortuti, látka tuhne.

Ak je lekársky teplomer rozbitý a ortuť sa vyliala, potom je nebezpečné zbierať strieborné guľôčky rukami. Je škodlivé vdychovať výpary ortuti, táto látka je veľmi toxická. Deti v takýchto prípadoch potrebujú vyhľadať pomoc od rodičov, dospelých.

plynné skupenstvo

Plyny si nedokážu udržať svoj objem ani tvar. Naplňte banku až po vrch kyslíkom (jeho chemický vzorec je O 2). Hneď ako otvoríme banku, molekuly látky sa začnú miešať so vzduchom v miestnosti. Je to spôsobené Brownovým pohybom. Dokonca aj staroveký grécky vedec Democritus veril, že častice hmoty sú v neustálom pohybe. V pevných látkach za normálnych podmienok atómy, molekuly, ióny nemajú možnosť opustiť kryštálovú mriežku, oslobodiť sa od väzieb s inými časticami. To je možné len vtedy, keď je zvonku dodávané veľké množstvo energie.

V kvapalinách je vzdialenosť medzi časticami o niečo väčšia ako v pevných látkach, vyžadujú menej energie na prerušenie medzimolekulových väzieb. Napríklad kvapalný agregovaný stav kyslíka sa pozoruje iba vtedy, keď teplota plynu klesne na -183 °C. Pri -223 ° C tvoria molekuly O2 pevnú látku. Keď teplota stúpne nad dané hodnoty, kyslík sa mení na plyn. Práve v tejto forme je za normálnych podmienok. V priemyselných podnikoch existujú špeciálne zariadenia na oddeľovanie atmosférického vzduchu a získavanie dusíka a kyslíka z neho. Najprv sa vzduch ochladí a skvapalní a potom sa teplota postupne zvyšuje. Dusík a kyslík sa za rôznych podmienok menia na plyny.

Atmosféra Zeme obsahuje 21 % objemu kyslíka a 78 % dusíka. V kvapalnej forme sa tieto látky nenachádzajú v plynnom obale planéty. Kvapalný kyslík má svetlomodrú farbu a plní sa pod vysokým tlakom do tlakových fliaš pre použitie v zdravotníckych zariadeniach. V priemysle a stavebníctve sú skvapalnené plyny nevyhnutné pre mnohé procesy. Kyslík je potrebný na zváranie a rezanie kovov plynom, v chémii - na oxidačné reakcie anorganických a organických látok. Ak otvoríte ventil kyslíkovej fľaše, tlak sa zníži, kvapalina sa zmení na plyn.

Skvapalnený propán, metán a bután majú široké využitie v energetike, doprave, priemysle a domácnostiach. Tieto látky sa získavajú zo zemného plynu alebo pri krakovaní (štiepení) ropných surovín. Zmesi uhlíka, kvapaliny a plynu zohrávajú dôležitú úlohu v ekonomike mnohých krajín. Zásoby ropy a zemného plynu sú však značne vyčerpané. Podľa vedcov táto surovina vydrží 100-120 rokov. Alternatívnym zdrojom energie je prúdenie vzduchu (vietor). Na prevádzku elektrární sa využívajú rýchlo tečúce rieky, príliv a odliv na brehoch morí a oceánov.

Kyslík, podobne ako iné plyny, môže byť v štvrtom stave agregácie, čo predstavuje plazmu. Charakteristickým znakom kryštalického jódu je nezvyčajný prechod z pevného do plynného skupenstva. Tmavo fialová látka podlieha sublimácii - mení sa na plyn a obchádza kvapalné skupenstvo.

Ako sa uskutočňujú prechody z jednej agregovanej formy hmoty do inej?

Zmeny v agregovanom stave látok nie sú spojené s chemickými premenami, ide o fyzikálne javy. Keď teplota stúpa, veľa pevných látok sa topí a mení sa na kvapaliny. Ďalšie zvýšenie teploty môže viesť k vyparovaniu, teda k plynnému stavu látky. V prírode a hospodárstve sú takéto prechody charakteristické pre jednu z hlavných látok na Zemi. Ľad, kvapalina, para sú stavy vody za rôznych vonkajších podmienok. Zlúčenina je rovnaká, jej vzorec je H 2 O. Pri teplote 0 ° C a pod touto hodnotou voda kryštalizuje, to znamená, že sa mení na ľad. Keď teplota stúpne, výsledné kryštály sa zničia - ľad sa topí, opäť sa získa tekutá voda. Pri zahrievaní dochádza k vyparovaniu - premene vody na plyn - prebieha aj pri nízkych teplotách. Napríklad zamrznuté mláky postupne miznú, pretože sa voda vyparuje. Aj v mrazivom počasí sa mokré oblečenie vysuší, no tento proces je dlhší ako v horúcom dni.

Všetky uvedené prechody vody z jedného skupenstva do druhého majú veľký význam pre povahu Zeme. Atmosférické javy, klíma a počasie sú spojené s vyparovaním vody z povrchu oceánov, prenosom vlhkosti v podobe mrakov a hmly na pevninu, zrážkami (dážď, sneh, krúpy). Tieto javy tvoria základ svetového kolobehu vody v prírode.

Ako sa menia agregované stavy síry?

Za normálnych podmienok sú síra jasné lesklé kryštály alebo svetložltý prášok, to znamená, že je to pevná látka. Súhrnný stav síry sa pri zahrievaní mení. Po prvé, keď teplota stúpne na 190 ° C, žltá látka sa roztopí a zmení sa na pohyblivú kvapalinu.

Ak rýchlo nalejete tekutú síru do studenej vody, získate hnedú amorfnú hmotu. Pri ďalšom zahrievaní sírovej taveniny sa stáva čoraz viskóznejšou a tmavne. Pri teplotách nad 300 ° C sa stav agregácie síry opäť mení, látka nadobúda vlastnosti kvapaliny, stáva sa mobilnou. Tieto prechody vznikajú v dôsledku schopnosti atómov prvku vytvárať reťazce rôznych dĺžok.

Prečo môžu byť látky v rôznych fyzikálnych stavoch?

Stav agregácie síry - jednoduchej látky - je za normálnych podmienok pevný. Oxid siričitý je plyn, kyselina sírová je olejovitá kvapalina ťažšia ako voda. Na rozdiel od kyseliny chlorovodíkovej a dusičnej nie je prchavý, molekuly sa z jeho povrchu neodparujú. Aký stav agregácie má plastická síra, ktorá sa získava zahrievaním kryštálov?

V amorfnej forme má látka štruktúru kvapaliny s miernou tekutosťou. Plastová síra si však súčasne zachováva svoj tvar (ako pevná látka). Existujú tekuté kryštály, ktoré majú množstvo charakteristických vlastností pevných látok. Stav hmoty za rôznych podmienok teda závisí od jej povahy, teploty, tlaku a iných vonkajších podmienok.

Aké sú vlastnosti v štruktúre pevných látok?

Existujúce rozdiely medzi hlavnými agregovanými stavmi hmoty sa vysvetľujú interakciou medzi atómami, iónmi a molekulami. Napríklad, prečo pevný agregovaný stav hmoty vedie k schopnosti telies udržať si objem a tvar? V kryštálovej mriežke kovu alebo soli sa štruktúrne častice navzájom priťahujú. V kovoch kladne nabité ióny interagujú s takzvaným "elektrónovým plynom" - akumuláciou voľných elektrónov v kuse kovu. Kryštály soli vznikajú v dôsledku priťahovania opačne nabitých častíc - iónov. Vzdialenosť medzi vyššie uvedenými štruktúrnymi jednotkami pevných látok je oveľa menšia ako veľkosť samotných častíc. V tomto prípade pôsobí elektrostatická príťažlivosť, dáva silu a odpudzovanie nie je dostatočne silné.

Na zničenie pevného stavu agregácie látky je potrebné vyvinúť úsilie. Kovy, soli, atómové kryštály sa topia pri veľmi vysokých teplotách. Napríklad železo sa stáva tekutým pri teplotách nad 1538 °C. Volfrám je žiaruvzdorný a používa sa na výrobu žiaroviek pre žiarovky. Existujú zliatiny, ktoré sa stávajú tekutými pri teplotách nad 3000 °C. Mnohé na Zemi sú v pevnom stave. Táto surovina sa ťaží pomocou zariadení v baniach a lomoch.

Na oddelenie čo i len jedného iónu z kryštálu je potrebné vynaložiť veľké množstvo energie. Ale veď na rozpad kryštálovej mriežky stačí rozpustiť soľ vo vode! Tento jav sa vysvetľuje úžasnými vlastnosťami vody ako polárneho rozpúšťadla. Molekuly H 2 O interagujú s iónmi solí, čím sa ničí chemická väzba medzi nimi. Rozpúšťanie teda nie je jednoduché zmiešanie rôznych látok, ale fyzikálna a chemická interakcia medzi nimi.

Ako interagujú molekuly kvapalín?

Voda môže byť kvapalná, pevná a plynná (para). Toto sú jeho hlavné stavy agregácie za normálnych podmienok. Molekuly vody sú tvorené jedným atómom kyslíka, na ktorý sú naviazané dva atómy vodíka. V molekule dochádza k polarizácii chemickej väzby, na atómoch kyslíka sa objavuje čiastočný záporný náboj. Vodík sa stáva kladným pólom v molekule a je priťahovaný k atómu kyslíka inej molekuly. Toto sa nazýva „vodíková väzba“.

Kvapalný stav agregácie je charakterizovaný vzdialenosťami medzi štruktúrnymi časticami porovnateľnými s ich veľkosťou. Atrakcia existuje, ale je slabá, takže voda si neudrží svoj tvar. K odparovaniu dochádza v dôsledku deštrukcie väzieb, ku ktorej dochádza na povrchu kvapaliny aj pri izbovej teplote.

Existujú medzimolekulové interakcie v plynoch?

Plynné skupenstvo látky sa líši od kvapalného a tuhého v mnohých parametroch. Medzi štruktúrnymi časticami plynov sú veľké medzery, oveľa väčšie ako veľkosť molekúl. V tomto prípade príťažlivé sily vôbec nefungujú. Plynný stav agregácie je charakteristický pre látky prítomné v zložení vzduchu: dusík, kyslík, oxid uhličitý. Na obrázku nižšie je prvá kocka naplnená plynom, druhá kvapalinou a tretia pevnou látkou.

Mnohé kvapaliny sú prchavé, molekuly látky sa odlamujú od ich povrchu a prechádzajú do vzduchu. Napríklad, ak prinesiete vatový tampón namočený v čpavku k otvoru otvorenej fľaše s kyselinou chlorovodíkovou, objaví sa biely dym. Priamo vo vzduchu dochádza k chemickej reakcii medzi kyselinou chlorovodíkovou a amoniakom, vzniká chlorid amónny. V akom skupenstve sa táto látka nachádza? Jeho častice, ktoré tvoria biely dym, sú najmenšie pevné kryštály soli. Tento experiment sa musí vykonať pod odsávačom, látky sú toxické.

Záver

Súhrnný stav plynu študovali mnohí vynikajúci fyzici a chemici: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Claiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Vedci sformulovali zákony, ktoré vysvetľujú správanie sa plynných látok pri chemických reakciách pri zmene vonkajších podmienok. Otvorené zákonitosti sa dostali nielen do školských a vysokoškolských učebníc fyziky a chémie. Mnohé chemické odvetvia sú založené na poznatkoch o správaní a vlastnostiach látok v rôznych stavoch agregácie.

Ciele lekcie:

• prehĺbiť a zovšeobecniť poznatky o súhrnných stavoch hmoty, študovať v akých stavoch môžu byť látky.

Ciele lekcie:

Vyučovanie - formulovať predstavu o vlastnostiach pevných látok, plynov, kvapalín.

Rozvíjanie - rozvíjanie rečových schopností žiakov, analýza, závery o preberanom a preštudovanom materiáli.

Vzdelávacie - vštepovanie duševnej práce, vytváranie všetkých podmienok na zvýšenie záujmu o študovaný predmet.

Základné pojmy:

Stav agregácie- ide o stav hmoty, ktorý sa vyznačuje určitými kvalitatívnymi vlastnosťami: - schopnosť alebo neschopnosť udržať tvar a objem; - prítomnosť alebo neprítomnosť rádu s krátkym a dlhým dosahom; - iní.

Obr.6. Súhrnný stav látky so zmenou teploty.

Keď látka prechádza z pevného do kvapalného stavu, nazýva sa to topenie, opačným procesom je kryštalizácia. Keď látka prechádza z kvapaliny do plynu, tento proces sa nazýva odparovanie, na kvapalinu z plynu - kondenzácia. A prechod z tuhej látky okamžite na plyn, obchádzajúc kvapalinu - sublimáciou, opačným procesom - desublimáciou.

1. Kryštalizácia; 2. topenie; 3. Kondenzácia; 4. odparovanie;

5. Sublimácia; 6. Desublimácia.

Tieto príklady prechodov neustále pozorujeme v každodennom živote. Keď sa ľad roztopí, zmení sa na vodu a voda sa zase vyparí a vytvorí paru. Ak sa pozrieme opačným smerom, para, ktorá kondenzuje, sa začne meniť späť na vodu a voda, ktorá zase mrzne, sa stáva ľadom. Vôňa akéhokoľvek pevného tela je sublimačná. Časť molekúl uniká z tela a vytvára sa plyn, ktorý dáva vôňu. Príkladom opačného procesu sú vzory na skle v zime, keď sa para vo vzduchu po zamrznutí usadzuje na skle.

Video ukazuje zmenu súhrnných stavov hmoty.

riadiaci blok.

1. Po zmrazení sa voda zmenila na ľad. Zmenili sa molekuly vody?

2. V interiéri používajte lekársky éter. A kvôli tomu tam väčšinou výrazne zapáchajú. Aký je stav éteru?

3. Čo sa stane s tvarom kvapaliny?

4. Ľad. Aký je stav vody?

5. Čo sa stane, keď voda zamrzne?

Domáca úloha.

Odpovedz na otázku:

1. Je možné naplniť polovicu objemu nádoby plynom? prečo?

2. Môžu byť dusík a kyslík pri izbovej teplote v kvapalnom stave?

3. Môže byť pri izbovej teplote v plynnom stave: železo a ortuť?

4. V mrazivý zimný deň sa nad riekou vytvorila hmla. Aký je stav hmoty?

Veríme, že hmota má tri stavy agregácie. V skutočnosti ich je najmenej pätnásť, pričom zoznam týchto štátov každým dňom rastie. Sú to: amorfná pevná látka, pevná látka, neutrónium, kvark-gluónová plazma, silne symetrická hmota, slabo symetrická hmota, fermiónový kondenzát, Bose-Einsteinov kondenzát a podivná hmota.