Koje agregatno stanje materije odgovara izjavi. Šta je stanje agregacije? Agregatno stanje materije
U svakodnevnoj praksi ne treba se posebno baviti pojedinačnim atomima, molekulama i ionima, već stvarnim supstancama - agregatom velikog broja čestica. U zavisnosti od prirode njihove interakcije razlikuju se četiri tipa agregatnog stanja: čvrsto, tečno, gasovito i plazma. Supstanca se može transformirati iz jednog agregatnog stanja u drugo kao rezultat odgovarajuće fazne tranzicije.
Prisutnost tvari u određenom agregacijskom stanju posljedica je sila koje djeluju između čestica, udaljenosti između njih i karakteristika njihovog kretanja. Svako stanje agregacije karakterizira skup određenih svojstava.
Svojstva supstanci u zavisnosti od agregacionog stanja:
| stanje | imovine |
| gasoviti |
|
| tečnost |
|
| solidan |
|
U skladu sa stepenom uređenosti sistema, svako stanje agregacije karakteriše sopstveni odnos između kinetičke i potencijalne energije čestica. U čvrstim tijelima potencijal prevladava nad kinetičkim, budući da čestice zauzimaju određene položaje i samo osciliraju oko njih. Za plinove postoji inverzna veza između potencijalne i kinetičke energije, kao posljedica činjenice da se molekule plina uvijek kreću nasumično, a među njima gotovo da i nema kohezivnih sila, pa plin zauzima cijeli volumen. U slučaju tekućina, kinetička i potencijalna energija čestica su približno iste, između čestica djeluje nekruta veza, pa su tekućinama svojstveni fluidnost i konstantan volumen.
Kada čestice supstance formiraju pravilnu geometrijsku strukturu, a energija veza među njima je veća od energije toplotnih vibracija, što sprečava uništavanje postojeće strukture, to znači da je supstanca u čvrstom stanju. Ali počevši od određene temperature, energija toplinskih vibracija premašuje energiju veza između čestica. U ovom slučaju, čestice se, iako ostaju u kontaktu, pomiču jedna u odnosu na drugu. Kao rezultat, geometrijska struktura je prekinuta i tvar prelazi u tekuće stanje. Ako se toplinske fluktuacije toliko povećaju da se veza između čestica praktički izgubi, tvar poprima plinovito stanje. U "idealnom" gasu, čestice se kreću slobodno u svim smjerovima.
Kada temperatura poraste, supstanca prelazi iz uređenog stanja (čvrsto) u neuređeno stanje (gasovito), a tekuće stanje je srednje u smislu uređenja čestica.
Četvrto stanje agregacije naziva se plazma - plin koji se sastoji od mješavine neutralnih i joniziranih čestica i elektrona. Plazma nastaje na ultravisokim temperaturama (10 5 -10 7 0 C) zbog značajne energije sudara čestica koje imaju maksimalan poremećaj kretanja. Obavezna karakteristika plazme, kao i drugih agregatnih stanja, je njena električna neutralnost. Ali kao rezultat nesređenog kretanja čestica u plazmi mogu se pojaviti odvojene nabijene mikrozone, zbog čega ona postaje izvor elektromagnetnog zračenja. U stanju plazme postoji materija na, zvijezdama, drugim svemirskim objektima, kao iu termonuklearnim procesima.
Svako agregacijsko stanje određeno je prvenstveno rasponom temperatura i pritisaka, stoga se za vizualnu kvantitativnu karakteristiku koristi fazni dijagram tvari koji pokazuje ovisnost agregacijskog stanja o tlaku i temperaturi.
Dijagram stanja materije sa krivuljama faznog prelaza: 1 - topljenje-kristalizacija, 2 - ključanje-kondenzacija, 3 - sublimacija-desublimacija
Dijagram stanja sastoji se od tri glavna područja, koja odgovaraju kristalnom, tekućem i plinovitom stanju. Pojedinačne regije su razdvojene krivuljama koje odražavaju fazne prelaze:
- čvrsto u tečno i obrnuto, tečno u čvrsto (kriva taljenja-kristalizacije - isprekidani zeleni grafikon)
- tečnost u plin i reverzna konverzija plina u tekućinu (kriva ključanja-kondenzacije - plavi grafikon)
- čvrsto u gasovito i gasovito u čvrsto (kriva sublimacije-desublimacije - crveni grafikon).
Koordinate presjeka ovih krivulja nazivaju se trostruka tačka, u kojoj, pod uvjetima određenog tlaka P = P in i određene temperature T = T in, tvar može koegzistirati u tri agregirana stanja odjednom, a tečno i čvrsto stanje imaju isti pritisak pare. Koordinate Pv i Tv jedine su vrijednosti tlaka i temperature na kojima sve tri faze mogu koegzistirati istovremeno.
Tačka K na faznom dijagramu stanja odgovara temperaturi T k - takozvanoj kritičnoj temperaturi, pri kojoj kinetička energija čestica premašuje energiju njihove interakcije i samim tim linija razdvajanja tekuće i plinovite faze se briše, a supstanca postoji u gasovitom stanju pod bilo kojim pritiskom.
Iz analize faznog dijagrama proizilazi da se pri visokom pritisku većem nego u trostrukoj tački (P c), zagrijavanje čvrstog tijela završava njegovim topljenjem, na primjer na P 1, do topljenja dolazi u tački d. Dalje povećanje temperature od T d do T e dovodi do ključanja supstance pri datom pritisku P 1 . Pri pritisku R 2 manjem od pritiska u trostrukoj tački R v, zagrevanje supstance dovodi do njenog prelaska direktno iz kristalnog u gasovito stanje (tačka q), odnosno sublimaciji. Za većinu supstanci, pritisak na trostrukoj tački je niži od pritiska pare zasićenja (P in
P zasićena para, dakle, kada se kristali takvih supstanci zagriju, oni se ne tope, već isparavaju, odnosno prolaze kroz sublimaciju. Na primjer, kristali joda ili "suhi led" (čvrsti CO 2) se ponašaju na ovaj način.
Analiza dijagrama stanja gasovitom stanju
U normalnim uslovima (273 K, 101325 Pa), kako jednostavne supstance, čije se molekule sastoje od jednog (He, Ne, Ar) ili više prostih atoma (H 2, N 2, O 2), tako i složene supstance sa niskim molarna masa (CH 4, HCl, C 2 H 6).
Budući da kinetička energija čestica plina premašuje njihovu potencijalnu energiju, molekuli u plinovitom stanju se neprestano nasumično kreću. Zbog velikih udaljenosti između čestica, sile međumolekularne interakcije u plinovima su toliko male da nisu dovoljne da privlače čestice jedna drugoj i drže ih zajedno. Upravo iz tog razloga plinovi nemaju svoj oblik i karakteriziraju ih niska gustoća i visoka sposobnost kompresije i širenja. Zbog toga plin neprestano pritišće zidove posude u kojoj se nalazi, podjednako u svim smjerovima.
Za proučavanje odnosa između najvažnijih parametara gasa (pritisak P, temperatura T, količina supstance n, molarna masa M, masa m) koristi se najjednostavniji model gasovitog stanja materije - idealan gas, koji se zasniva na sljedećim pretpostavkama:
- interakcija između čestica gasa može se zanemariti;
- same čestice su materijalne tačke koje nemaju svoju veličinu.
Najopštijom jednačinom koja opisuje model idealnog gasa smatraju se jednačine Mendeljejev-Klapejron za jedan mol supstance:
Međutim, ponašanje stvarnog gasa se po pravilu razlikuje od idealnog. To se objašnjava, prije svega, činjenicom da između molekula stvarnog plina još uvijek postoje neznatne sile međusobnog privlačenja koje do određene mjere komprimiraju plin. Imajući ovo na umu, ukupni pritisak gasa raste za vrednost a/v2, koji uzima u obzir dodatni unutrašnji pritisak zbog međusobnog privlačenja molekula. Kao rezultat, ukupni pritisak gasa je izražen sumom P+ a/v2. Drugo, molekuli pravog plina imaju, iako malu, ali sasvim određenu zapreminu b , pa je stvarna zapremina svih gasova u svemiru V- b . Prilikom zamjene razmatranih vrijednosti u Mendelejev-Clapeyronovu jednačinu, dobijamo jednačinu stanja realnog plina, koja se naziva van der Waalsova jednadžba:
gdje a i b su empirijski koeficijenti koji se u praksi određuju za svaki realni gas. Utvrđeno je da koeficijent a ima veliku vrijednost za gasove koji se lako ukapljuju (npr. CO 2, NH 3), a koeficijent b - naprotiv, što su veće veličine, to su veće molekule gasa (na primer, gasoviti ugljovodonici).
Van der Waalsova jednačina mnogo preciznije opisuje ponašanje stvarnog plina od Mendeleev-Clapeyronove jednačine, koja se, ipak, zbog svog jasnog fizičkog značenja široko koristi u praktičnim proračunima. Iako je idealno stanje gasa granični, imaginarni slučaj, jednostavnost zakona koji mu odgovaraju, mogućnost njihove primene za opisivanje svojstava mnogih gasova pri niskim pritiscima i visokim temperaturama, čini model idealnog gasa veoma pogodnim. .
Tečno stanje materije
Tečno stanje bilo koje određene tvari je termodinamički stabilno u određenom rasponu temperatura i pritisaka karakterističnih za prirodu (sastav) tvari. Gornja temperaturna granica tečnog stanja je tačka ključanja iznad koje je supstanca u uslovima stabilnog pritiska u gasovitom stanju. Donja granica stabilnog stanja postojanja tečnosti je temperatura kristalizacije (stvrdnjavanja). Temperature ključanja i kristalizacije mjerene pri pritisku od 101,3 kPa nazivaju se normalnim.
Za obične tekućine inherentna je izotropija - ujednačenost fizičkih svojstava u svim smjerovima unutar tvari. Ponekad se za izotropiju koriste i drugi termini: invarijantnost, simetrija u odnosu na izbor pravca.
U formiranju pogleda na prirodu tekućeg stanja, koncept kritičnog stanja, koji je otkrio Mendeljejev (1860), je od velike važnosti:
Kritično stanje je stanje ravnoteže u kojem granica razdvajanja između tečnosti i njene pare nestaje, budući da tečnost i njena zasićena para dobijaju ista fizička svojstva.
U kritičnom stanju, vrijednosti gustoće i specifičnih volumena tekućine i njene zasićene pare postaju iste.
Tečno stanje materije je srednje između gasovitog i čvrstog. Neka svojstva približavaju tečno stanje čvrstom. Ako čvrste tvari karakterizira kruti poredak čestica, koji se proteže na udaljenosti od stotina tisuća interatomskih ili intermolekularnih radijusa, tada se u tekućem stanju, u pravilu, ne opaža više od nekoliko desetina uređenih čestica. To se objašnjava činjenicom da brzo nastaje sređenost između čestica na različitim mjestima tečne tvari, koja se jednako brzo ponovo „zamagljuje“ toplinskim vibracijama čestica. Istovremeno, ukupna gustina "pakovanja" čestica malo se razlikuje od one čvrste materije, tako da se gustina tečnosti ne razlikuje mnogo od gustine većine čvrstih materija. Osim toga, sposobnost tečnosti da se kompresuju je skoro isto tako mala kao i čvrstih materija (oko 20.000 puta manja od gasova).
Konstruktivna analiza potvrdila je da je tzv nalog kratkog dometa, što znači da su broj najbližih "susjeda" svakog molekula i njihov međusobni raspored približno isti u cijelom volumenu.
Relativno mali broj čestica različitog sastava, povezanih silama međumolekularne interakcije, naziva se klaster . Ako su sve čestice u tečnosti iste, onda se takav klaster naziva saradnik . U klasterima i saradnicima se opaža poredak kratkog dometa.
Stepen uređenosti različitih tečnosti zavisi od temperature. Na niskim temperaturama nešto iznad tačke topljenja, stepen uređenosti u postavljanju čestica je veoma visok. Kako temperatura raste, ona se smanjuje i kako temperatura raste, svojstva tečnosti se sve više približavaju svojstvima gasova, a kada se dostigne kritična temperatura, razlika između tečnog i gasovitog stanja nestaje.
Blizina tekućeg stanja čvrstom stanju potvrđuje se vrijednostima standardnih entalpija isparavanja DH 0 isparavanja i topljenja DH 0 topljenja. Podsjetimo da vrijednost DH 0 isparavanja pokazuje količinu topline koja je potrebna da se 1 mol tekućine pretvori u paru pri 101,3 kPa; ista količina toplote se troši na kondenzaciju 1 mola pare u tečnost pod istim uslovima (tj. DH 0 isparavanje = DH 0 kondenzacija). Količina toplote potrebna da se 1 mol čvrste supstance pretvori u tečnost pri 101,3 kPa naziva se standardna entalpija fuzije; ista količina toplote se oslobađa tokom kristalizacije 1 mola tečnosti u uslovima normalnog pritiska (DH 0 topljenje = DH 0 kristalizacija). Poznato je da DH 0 isparavanje<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.
Međutim, druga važna svojstva tečnosti su sličnija gasovima. Dakle, kao i gasovi, tečnosti mogu teći - ovo svojstvo se zove fluidnost . Mogu se oduprijeti toku, odnosno inherentni su viskozitet . Na ova svojstva utiču sile privlačenja između molekula, molekulska težina tečne supstance i drugi faktori. Viskoznost tečnosti je oko 100 puta veća od viskoznosti gasova. Baš kao i plinovi, tečnosti se mogu difundirati, ali mnogo sporijom brzinom jer su čestice tekućine zbijene gušće od čestica plina.
Jedno od najzanimljivijih svojstava tečnog stanja, koje nije karakteristično ni za gasove ni za čvrste materije, je površinski napon .
Dijagram površinskog napona tečnosti Na molekul koji se nalazi u tečnom volumenu jednoliko djeluju intermolekularne sile sa svih strana. Međutim, na površini tekućine dolazi do poremećaja ravnoteže ovih sila, uslijed čega su površinski molekuli pod djelovanjem neke rezultantne sile, koja je usmjerena unutar tekućine. Iz tog razloga, površina tečnosti je u stanju napetosti. Površinska napetost je minimalna sila koja drži čestice tečnosti unutra i na taj način sprečava da se površina tečnosti skuplja.
Struktura i svojstva čvrstih materija
Većina poznatih supstanci, kako prirodnih tako i umjetnih, u normalnim je uvjetima u čvrstom stanju. Od svih danas poznatih jedinjenja, oko 95% su čvrste materije, koje su postale važne, budući da su osnova ne samo strukturnih, već i funkcionalnih materijala.
- Konstrukcijski materijali su čvrste materije ili njihovi sastavi koji se koriste za izradu alata, predmeta za domaćinstvo i raznih drugih struktura.
- Funkcionalni materijali su čvrste tvari, čija je upotreba posljedica prisutnosti određenih korisnih svojstava u njima.
Na primjer, čelik, aluminij, beton, keramika spadaju u konstrukcijske materijale, a poluvodiči, fosfor u funkcionalne.
U čvrstom stanju, udaljenosti između čestica materije su male i imaju isti red veličine kao i same čestice. Energije interakcije između njih su dovoljno velike, što onemogućava slobodno kretanje čestica - one mogu oscilirati samo oko određenih ravnotežnih položaja, na primjer, oko čvorova kristalne rešetke. Nemogućnost čestica da se slobodno kreću dovodi do jedne od najkarakterističnijih osobina čvrstih tijela - prisutnosti vlastitog oblika i volumena. Sposobnost kompresije čvrstih tvari je vrlo mala, a gustina je visoka i malo ovisi o promjenama temperature. Svi procesi koji se odvijaju u čvrstoj materiji odvijaju se sporo. Zakoni stehiometrije za čvrste materije imaju drugačije i, po pravilu, šire značenje nego za gasovite i tečne supstance.
Detaljan opis čvrstih materija je previše obiman za ovaj materijal i stoga je pokriven u posebnim člancima:, i.
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 obavljanje rada za promjenu volumena tijela kada se 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, koja 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 predstavljen jednom tačkom koja određuje vrijednosti p i T, u kojoj se vrši prijelaz iz jednog agregatnog stanja u drugo odvija.
Stanje agregacije supstance se obično naziva njenom sposobnošću da održi svoj oblik i zapreminu. Dodatna karakteristika su načini na koje supstanca prelazi iz jednog agregatnog stanja u drugo. Na osnovu toga razlikuju se tri agregatna stanja: čvrsto, tečno i gasovito. Njihova vidljiva svojstva su sljedeća:
Čvrsto tijelo zadržava i oblik i volumen. Može preći i u tečnost topljenjem, i direktno u gas sublimacijom.
- Tečnost - zadržava volumen, ali ne i oblik, odnosno ima tečnost. Prolivena tečnost ima tendenciju da se neograničeno širi po površini na koju se izliva. Tečnost može preći u čvrstu materiju kristalizacijom, a u gas isparavanjem.
- Gas - ne zadržava ni oblik ni zapreminu. Plin izvan bilo kojeg spremnika ima tendenciju da se neograničeno širi u svim smjerovima. U tome ga može spriječiti samo gravitacija, zahvaljujući kojoj se Zemljina atmosfera ne raspršuje u svemir. Gas prelazi u tečnost kondenzacijom, a direktno u čvrstu materiju može proći kroz taloženje.
Fazni prijelazi
Prijelaz tvari iz jednog agregatnog stanja u drugo naziva se fazni prijelaz, budući da je naučno stanje agregacije faza materije. Na primjer, voda može postojati u čvrstoj fazi (led), tekućini (obična voda) i plinovitoj (para).
Primjer vode je također dobro prikazan. Ono što je okačeno u dvorištu da se suši u mraznom danu bez vjetra, odmah se smrzne, ali se nakon nekog vremena ispostavi da je suho: led sublimira, direktno se pretvarajući u vodenu paru.
U pravilu, fazni prijelaz iz čvrstog u tekućinu i plin zahtijeva zagrijavanje, ali temperatura medija se ne povećava: toplinska energija se troši na razbijanje unutrašnjih veza u tvari. Ovo je takozvana latentna toplota. Prilikom obrnutih faznih prijelaza (kondenzacija, kristalizacija), ova toplina se oslobađa.
Zato su opekotine od pare tako opasne. Kada dođe u kontakt sa kožom, kondenzuje se. Latentna toplota isparavanja/kondenzacije vode je veoma visoka: u tom pogledu, voda je anomalna supstanca; Zato je život na Zemlji moguć. Prilikom parne opekotine, latentna toplota kondenzacije vode „opeći“ veoma duboko opečeno mesto, a posledice opekotina parom su mnogo teže nego od plamena na istom delu tela.
Pseudofaze
Fluidnost tečne faze supstance određena je njenim viskozitetom, a viskoznost je određena prirodom unutrašnjih veza, čemu je posvećen sledeći odeljak. Viskoznost tečnosti može biti veoma visoka, a takva tečnost može neprimetno da teče za oko.
Klasičan primjer je staklo. Nije čvrsta, već veoma viskozna tečnost. Imajte na umu da se staklo u skladištima nikada ne skladišti koso naslonjeno na zid. U roku od nekoliko dana pokleknut će pod vlastitom težinom i postati neupotrebljivi.
Ostala pseudo-čvrsta tijela su visina cipela i konstrukcija. Ako zaboravite ugaoni komad na krovu, preko ljeta će se raširiti u kolač i zalijepiti za podlogu. Pseudočvrsta tijela mogu se razlikovati od stvarnih po prirodi topljenja: prava s njim ili zadržavaju svoj oblik dok se ne rašire odjednom (lemljenje), ili plutaju, puštajući lokve i potoke (led). I vrlo viskozne tekućine postepeno omekšaju, poput iste smole ili bitumena.
Izuzetno viskozne tekućine, čija se tečnost ne primjećuje dugi niz godina i decenija, su plastika. Njihova visoka sposobnost da zadrže svoj oblik osigurava ogromna molekularna težina polimera, mnogo hiljada i miliona atoma vodika.
Struktura faza materije
U gasnoj fazi, molekuli ili atomi neke supstance su veoma udaljeni, mnogo puta veći od udaljenosti između njih. Međusobno komuniciraju povremeno i neredovno, samo tokom sudara. Sama interakcija je elastična: sudarile su se poput tvrdih loptica i odmah se raspršile.
U tečnosti se molekuli/atomi stalno "osećaju" jedni druge zbog vrlo slabih veza hemijske prirode. Ove veze se stalno raskidaju i odmah se ponovo obnavljaju, molekuli tečnosti se stalno kreću jedan u odnosu na drugi, te stoga tečnost teče. Ali da biste ga pretvorili u gas, morate prekinuti sve veze odjednom, a za to je potrebno mnogo energije, zbog čega tečnost zadržava svoj volumen.
U tom pogledu, voda se razlikuje od ostalih supstanci po tome što su njeni molekuli u tekućini povezani takozvanim vodikovim vezama, koje su prilično jake. Dakle, voda može biti tečnost na normalnoj temperaturi za život. Mnoge supstance sa molekulskom težinom desetine i stotine puta većom od vode, u normalnim uslovima, su gasovi, kao barem obični gasovi za domaćinstvo.
U čvrstom stanju, svi njegovi molekuli su čvrsto na svom mjestu zbog jakih kemijskih veza između njih, formirajući kristalnu rešetku. Kristali pravilnog oblika zahtijevaju posebne uslove za svoj rast i stoga se rijetko nalaze u prirodi. Većina čvrstih materija su konglomerati malih i sićušnih kristala - kristalita, čvrsto povezanih silama mehaničke i električne prirode.
Ako je čitatelj vidio, na primjer, napuklu poluosovinu automobila ili rešetku od livenog gvožđa, onda su zrna kristalita na otpadu vidljiva jednostavnim okom. A na fragmentima razbijenog porculanskog ili fajansnog posuđa mogu se promatrati pod lupom.
Plazma
Fizičari razlikuju i četvrto agregatno stanje materije - plazmu. U plazmi se elektroni otkidaju od atomskih jezgara, a to je mješavina električno nabijenih čestica. Plazma može biti veoma gusta. Na primjer, jedan kubni centimetar plazme iz unutrašnjosti zvijezda bijelih patuljaka težak je desetine i stotine tona.
Plazma je izolirana u zasebno agregacijsko stanje jer aktivno stupa u interakciju s elektromagnetnim poljima zbog činjenice da su njene čestice nabijene. U slobodnom prostoru, plazma teži da se širi, hladi se i pretvara u gas. Ali pod utjecajem, može zadržati svoj oblik i volumen izvan posude, poput čvrstog tijela. Ovo svojstvo plazme koristi se u termonuklearnim energetskim reaktorima - prototipovima elektrana budućnosti.
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 oblika agregata.
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.
- 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.
- 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.
- 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 gasovitom omotaču 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 zraku: 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.
agregatna stanja. Tečnosti. Faze u termodinamici. Fazni prijelazi.
Predavanje 1.16
Sve supstance mogu postojati u tri agregatna stanja - čvrsta, tečna i gasoviti. Prijelazi između njih su praćeni naglom promjenom brojnih fizičkih svojstava (gustina, toplinska provodljivost, itd.).
Stanje agregacije zavisi od fizičkih uslova u kojima se supstanca nalazi. Postojanje nekoliko agregacionih stanja u supstanci je posledica razlika u toplotnom kretanju njenih molekula (atoma) i njihovoj interakciji u različitim uslovima.
Gas- stanje agregacije materije, u kojem čestice nisu vezane ili vrlo slabo vezane silama interakcije; kinetička energija toplinskog kretanja njegovih čestica (molekula, atoma) znatno premašuje potencijalnu energiju interakcija među njima, pa se čestice kreću gotovo slobodno, potpuno ispunjavajući posudu u kojoj se nalaze i poprimaju svoj oblik. U gasovitom stanju materija nema ni svoju zapreminu ni svoj oblik. Bilo koja supstanca se može prevesti u gasovito stanje promenom pritiska i temperature.
Tečnost- stanje agregacije supstance, između čvrstog i gasovitog. Odlikuje se velikom pokretljivošću čestica i malim slobodnim prostorom između njih. To uzrokuje da tekućine zadrže svoj volumen i poprime oblik posude. U tečnosti, molekuli su veoma blizu jedan drugom. Zbog toga je gustina tečnosti mnogo veća od gustine gasova (pri normalnom pritisku). Svojstva tečnosti su ista (izotropna) u svim pravcima, sa izuzetkom tečnih kristala. Prilikom zagrijavanja ili smanjenja gustoće, svojstva tekućine, toplinska provodljivost, viskoznost se u pravilu mijenjaju u smjeru konvergencije sa svojstvima plinova.
Toplotno kretanje molekula tekućine sastoji se od kombinacije kolektivnih oscilatornih kretanja i povremenih skokova molekula iz jednog ravnotežnog položaja u drugi.
Čvrsta (kristalna) tijela- agregatno stanje materije, koje karakteriše stabilnost oblika i priroda toplotnog kretanja atoma. Ovo kretanje je vibracija atoma (ili jona) koji čine čvrsto tijelo. Amplituda vibracija je obično mala u odnosu na međuatomske udaljenosti.
Svojstva tečnosti.
Molekuli tvari u tekućem stanju nalaze se gotovo blizu jedan drugom. Za razliku od čvrstih kristalnih tijela, u kojima molekuli formiraju uređene strukture po cijelom volumenu kristala i mogu vršiti termičke vibracije oko fiksnih centara, tekući molekuli imaju veću slobodu. Svaki molekul tečnosti, kao i u čvrstom telu, sa svih strana je „stegnut“ susednim molekulima i vrši termičke vibracije oko određenog ravnotežnog položaja. Međutim, s vremena na vrijeme bilo koji molekul može se preseliti na obližnje slobodno mjesto. Takvi skokovi u tečnostima se dešavaju prilično često; stoga molekuli nisu vezani za određene centre, kao u kristalima, i mogu se kretati po cijeloj zapremini tečnosti. Ovo objašnjava fluidnost tečnosti. Zbog jake interakcije između blisko raspoređenih molekula, oni mogu formirati lokalne (nestabilne) uređene grupe koje sadrže nekoliko molekula. Ovaj fenomen se zove poredak kratkog dometa.
Zbog gustog pakiranja molekula, kompresibilnost tekućina, odnosno promjena volumena s promjenom tlaka, vrlo je mala; desetine i stotine hiljada puta je manji nego u gasovima. Na primjer, da biste promijenili volumen vode za 1%, potrebno je povećati pritisak za oko 200 puta. Takav porast pritiska u odnosu na atmosferski postiže se na dubini od oko 2 km.
Tečnosti, poput čvrstih materija, menjaju zapreminu sa promenom temperature. Za ne baš velike temperaturne opsege, relativna promjena volumena Δ V / V 0 je proporcionalno promjeni temperature Δ T:
| |
Koeficijent β se naziva koeficijent temperaturne ekspanzije. Ovaj koeficijent za tečnosti je deset puta veći nego za čvrste materije. Za vodu, na primjer, na temperaturi od 20 ° C β u ≈ 2 10 -4 K -1, za čelik - β st ≈ 3,6 10 -5 K -1, za kvarcno staklo - β kv ≈ 9 10 - 6 K –1.
Toplotno širenje vode ima zanimljivu i važnu anomaliju za život na Zemlji. Na temperaturama ispod 4 °C, voda se širi sa padom temperature (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Kada se voda zamrzne, ona se širi, tako da led ostaje da pluta na površini zaleđenog vodenog tijela. Temperatura vode koja se smrzava ispod leda je 0°C. U gušćim slojevima vode blizu dna rezervoara temperatura je oko 4 °C. Zahvaljujući tome, život može postojati u vodi ledenih rezervoara.
Najzanimljivija karakteristika tečnosti je prisustvo slobodna površina. Tečnost, za razliku od gasova, ne ispunjava ceo volumen posude u koju se sipa. Između tečnosti i gasa (ili pare) se formira međuprostor, koji je u posebnim uslovima u poređenju sa ostatkom mase tečnosti. Molekuli u graničnom sloju tečnosti, za razliku od molekula u njenoj dubini, nisu sa svih strana okruženi drugim molekulima iste tečnosti. Sile međumolekulske interakcije koje djeluju na jedan od molekula unutar tekućine iz susjednih molekula su u prosjeku međusobno kompenzirane. Bilo koji molekul u graničnom sloju privučen je molekulima unutar tekućine (mogu se zanemariti sile koje djeluju na dati molekul tekućine iz molekula plina (ili pare). Kao rezultat, pojavljuje se neka rezultantna sila, usmjerena duboko u tekućinu. Površinske molekule uvlače se u tečnost silama međumolekularne privlačnosti. Ali svi molekuli, uključujući i one u graničnom sloju, moraju biti u stanju ravnoteže. Ova ravnoteža se postiže zbog nekog smanjenja udaljenosti između molekula površinskog sloja i njihovih najbližih susjeda unutar tekućine. Kada se razmak između molekula smanji, nastaju odbojne sile. Ako je prosječna udaljenost između molekula unutar tekućine r 0 , tada su molekuli površinskog sloja nešto gušće zbijeni, te stoga imaju dodatnu rezervu potencijalne energije u odnosu na unutrašnje molekule. Treba imati na umu da, zbog izuzetno niske kompresibilnosti, prisustvo gušće zbijenog površinskog sloja ne dovodi do primjetne promjene zapremine tečnosti. Ako se molekula kreće s površine u tekućinu, sile međumolekulske interakcije će obaviti pozitivan rad. Suprotno tome, povući neke molekule iz dubine tečnosti na površinu (tj. povećati površinu tečnosti), spoljne sile mora da uradi dobar posao A eksterno, proporcionalno promjeni Δ S površina:
| A ext = σΔ S. |
Koeficijent σ naziva se koeficijent površinskog napona (σ > 0). Dakle, koeficijent površinske napetosti jednak je radu potrebnom za povećanje površine tekućine pri konstantnoj temperaturi za jednu jedinicu.
U SI, koeficijent površinske napetosti se mjeri u džulima po metar kvadratni (J / m 2) ili u njutnima po metru (1 N / m = 1 J / m 2).
Posljedično, molekuli površinskog sloja tekućine imaju višak u odnosu na molekule unutar tekućine potencijalna energija. Potencijalna energija E p površine tečnosti proporcionalno je njenoj površini: 
(1.16.1)
Iz mehanike je poznato da ravnotežna stanja sistema odgovaraju minimalnoj vrijednosti njegove potencijalne energije. Iz toga slijedi da slobodna površina tekućine teži smanjenju svoje površine. Iz tog razloga slobodna kap tečnosti poprima sferni oblik. Fluid se ponaša kao da sile djeluju tangencijalno na njegovu površinu, smanjujući (kontrakciju) ovu površinu. Ove sile se zovu sile površinskog napona.
Prisutnost sila površinskog napona čini da površina tekućine izgleda kao elastični rastegnuti film, s jedinom razlikom što elastične sile u filmu zavise od njegove površine (tj. od toga kako je film deformiran), a sile površinskog napona zavise od njegove površine. ne zavisi od površine tečnosti.
Sile površinskog napona imaju tendenciju skraćivanja površine filma. Stoga možemo napisati: (1.16.2)
Dakle, koeficijent površinske napetosti σ može se definirati kao modul sile površinske napetosti koja djeluje po jedinici dužine linije koja omeđuje površinu ( l je dužina ove linije).
Usljed djelovanja sila površinske napetosti u kapljicama tekućine i unutar mjehurića sapuna, dolazi do viška tlaka Δ str. Ako mentalno isečemo sferni pad poluprečnika R na dvije polovine, tada svaka od njih mora biti u ravnoteži pod djelovanjem sila površinskog napona primijenjenih na granicu reza dužine 2π R i sile nadpritiska koje djeluju na površinu π R 2 sekcije (Sl.1.16.1). Uslov ravnoteže se zapisuje kao
U blizini granice između tečnosti, čvrste supstance i gasa, oblik slobodne površine tečnosti zavisi od sila interakcije između molekula tečnosti i čvrstih molekula (interakcija sa molekulima gasa (ili pare) može se zanemariti). Ako su ove sile veće od sila interakcije između molekula same tečnosti, onda je tečnost wets površine čvrstog tela. U ovom slučaju, tečnost se približava površini čvrstog tela pod nekim oštrim uglom θ, koji je karakterističan za dati par tečnost-čvrsto telo. Ugao θ se naziva kontaktni ugao. Ako sile interakcije između tečnih molekula premašuju sile njihove interakcije sa čvrstim molekulima, tada se kontaktni ugao θ ispostavlja tup (slika 1.16.2(2)). U ovom slučaju se kaže da tečnost ne mokri površine čvrstog tela. Inače (ugao - akutni) tečnost wets površine (sl.1.16.2(1)). At potpuno vlaženjeθ = 0, at potpuno nekvašenjeθ = 180°.
kapilarni fenomeni zove se porast ili pad tečnosti u cevima malog prečnika - kapilare. Vlažeće tečnosti se dižu kroz kapilare, a nemokriće se spuštaju.
Slika 1.16.3 prikazuje kapilarnu cijev određenog radijusa r spušten donjim krajem u tekućinu za vlaženje gustine ρ. Gornji kraj kapilare je otvoren. Podizanje tečnosti u kapilari se nastavlja sve dok sila gravitacije koja deluje na stub tečnosti u kapilari ne postane po apsolutnoj vrednosti jednaka rezultujućoj F n sile površinske napetosti koje djeluju duž granice kontakta tekućine s površinom kapilare: F t = F n, gdje F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.
Ovo implicira: 
Sa potpunim vlaženjem θ = 0, cos θ = 1. U ovom slučaju
Sa potpunim nekvašenjem, θ = 180°, cos θ = –1 i, prema tome, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Voda gotovo u potpunosti navlaži čistu staklenu površinu. Nasuprot tome, živa ne vlaži u potpunosti staklenu površinu. Zbog toga nivo žive u staklenoj kapilari pada ispod nivoa u posudi.