Все вещества могут быть представлены в одном из агрегатных состояний: в виде газа, воды или твёрдого тела. При этом само вещество остаётся прежним, меняется только форма организации его молекул. Пребывание в одном из перечисленных состояний зависит от условий внешней ссреды: давления, температуры.
Содержание:
Определение 1
Переход вещества между состояниями сопровождается резким изменением целого ряда его характеристик, таких как: плотность, энтропия, энергия и других. Это связывают с таким же резким изменением расстояний между молекулами и изменением характера взаимодействий между ними.
Твердые вещества
Определение 2
Твёрдым агрегатным состоянием называют такое состояние, при котором вещество обладает постоянной формой и постоянным объёмом.
Вещество в твёрдом агрегатном состоянии отличает прочность, упругость, определённость точки плавления.
Вещества, находящиеся в твёрдом агрегатном состоянии могут быть двух типов:
-
Кристаллические;
-
Аморфные.
Кристаллические вещества отличаются упорядоченной структурой, элементы которой повторяются. Пространственная периодичность, равновесное расположение атомов сохраняется в достаточно большом объеме вещества. Такое внутреннее устройство позволяет проводить исследования их внутреннего состояния с помощью рентгеноскопических методов исследования. Кристаллические объекты отличаются свойством анизотропии — их механические свойства могут отличаться в зависимости от направления взятого внутри вещества.
Если кристаллическое вещество принято считать находящимся в термодинамическом равновесии, то другую разновидность твёрдых объектов, аморфную, выделяет как раз её отсутствие. Другое отличительное свойство аморфных объектов — отсутствие четко выделенной структуры вещества. Из-за того, что состояние является неустойчивым, вещество в аморфном виде неуклонно стремится перейти в кристаллическую форму. Также в данном состоянии свойства вещества в различных направлениях внутри него не отличаются, то есть объекты обладают свойством изотропности.
Внутреннее устройство кристаллической формы твёрдого агрегатного состояния вещества таково, что его структура представляет собой упорядоченную решётку кристаллического типа. В каждом из узлов решетки расположены атомы, либо целиком молекулы. Здесь происходят их колебательные движения. В случае увеличения температуры, амплитуда колебаний увеличивается, что приводит к эффекту, именуемому — тепловое расширение твёрдых тел. Если продолжать увеличивать температуру, то по достижении её определённого значения, молекулы станут выходить из узлов, кристаллическая решётка станет разрушаться. Такую температуру называют температурой плавления.
Жидкости
Определение 3
Отличительные особенности жидкой формы вещества – возможность сохранения объёма, при отсутствии возможности сохранять форму. Жидкость не имеет постоянного вида и с лёгкостью принимает форму любого сосуда, в который её нальют.
К неотъемлемым свойствам жидкостей относятся: несжимаемость, наличие свободной поверхности, наличие сил поверхностного натяжения, небольшая устойчивость к разрыву, текучесть, способность смачивать другие вещества, способность смешиваться с другими веществами.
Молекулы в жидком веществе не привязаны к определённому месту. Они способны свободно перемещаться. Силы действующие между молекулами недостаточны, чтобы удерживать каждую из них на одном определённом месте, но достаточны для того, чтобы сохранять между молекулами достаточно небольшие расстояния и не позволять им удаляться друг от друга. Поэтому плотности жидкостей достаточно высокие и сравнимы с плотностями твёрдых объектов. Жидкости обладают свойством изотропии. Их свойства остаются постоянными в каком направлении их не рассматривай.
Все жидкости существуют в определённом диапазоне температур: от температуры плавления, ниже которой они переходят в твёрдую фазу, до температуры кипения, выше которой они становятся уже газами. Эти границы — конкретные значения температур — могут изменяться в зависимости от давления, чем выше давление, тем ниже температура фазового перехода. У жидкостей нет каких-то отдельных модификаций и с точки зрения термодинамического равновесия у них существует только одна фаза. Жидкости способны существовать в виде смесей, также они выступают в качестве растворителей.
Одной из характерных особенностей жидких веществ является текучесть. Это свойство, которое вызывает определённое поведение у вещества, если к его участку приложить внешнее силовое воздействие. В таком случае частицы вещества начинают самопроизвольное движение в направлении действия силы. При этом движется не всё вещество целиком, а отдельные его элементы, постепенно, друг за другом. Чтобы вызвать течение жидкости достаточно приложить силу любую по величине. У жидких веществ нет параметра, под названием предел текучести.
Газообразные вещества
Определение 4
Газы отличаются от других форм агрегатных состояний тем, что в них очень слабы связи между отдельными молекулами. Поэтому в данном агрегатном состоянии вещества не обладают ни постоянством формы, ни постоянством объёма. Слабо связанные или не связанные между собой и вовсе молекулы.
Движения частиц в газах хаотическое. Они независимо друг от друга перемещаются во предоставленном им объёме. Также частицы сталкиваются, после чего характер их перемещения резко изменяется.
С точки зрения термодинамического описания газообразные вещества могут существовать в двух фазах: как насыщенные пары и как перегретые пары. Насыщенные пары — это такое состояние газообразного вещества, при котором, в заданных условиях, возможен фазовый переход в жидкое или даже в твёрдое состояние. В качестве перегретых паров вещества по своим свойствам близки к идеальным газам.
Газообразные вещества обладают такими свойствами как текучесть, подобно жидкостям их элементарные части перемещаются под действием минимальных усилий. Химические параметры газов очень разнообразны: существуют как безразличные к внешней среде, инертные, вещества, так и взрывоопасные, способные нанести огромный ущерб при возникновении в них даже маленькой искры.
Фазовые переходы веществ
Одно и то же вещество в разные моменты времени, при разных внешних условиях может существовать в разных агрегатных состояниях.
Определение 5
Фазовый переход в веществах — превращение одного агрегатного вещества в другое при изменении внешних условий
Определение 6
Процесс отрыва молекул от поверхности жидкости или твёрдого вещества, называется испарением. Чтобы выти за пределы основной массы вещества, кинетическая энергия молекулы должна превышать энергию связывающую молекулу с другими элементарными частицами вещества. Интенсивное испарение приводит к переходу всего количества вещества в другое агрегатное состояние.
В процессе испарения происходит образование пара. Сам процесс является фазовым переходом.
Определение 7
Насыщенным называется пар, который существует в состоянии термодинамического равновесия с жидким или твёрдым объектом того же химического состава. Выражение для внутренней энергии:
$\triangle U=\pm mr$, (1)
m – это масса тела,
r – это удельная теплота парообразования (Дж/кг).
Характерным параметром насыщенного пара является его давление, зависящее от температуры. Если внешнее давление меньше давления насыщенного пара, то начинается процесс кипения или возгонки (для твёрдых тел). Если наоборот, то идут процессы конденсации и десублимации.
Определение 8
Из состояния насыщенного и ненасыщенного пара вещество может превращаться в жидкость. Процесс превращения называется конденсацией.
Внутренняя энергия меняется в соответствии с выражением (1), приведённым в определении 6.
Определение 9
При изменении внешних условий, например при повышении температуры, в определённый момент твёрдые вещества начинают плавиться, то есть превращаться из твёрдого вещества в жидкое.
Повышение температуры приводит к росту внутренней энергии, что сказывается на повышении интенсивности движения молекул вещества. Температура плавления характеризует момент, когда кристаллическая решётка начинает рушиться. Силы, связывающие молекулы слабеют. При достижении температуры плавления, сама температура вещества остаётся постоянной, а вся передаваемая телу тепловая энергия идёт на плавление.
Самой большой температурой плавления среди металлов обладает металл вольфрам. При нормальном давлении она составляет $ 3422^\circ C$.
Приращение внутренней энергии вычисляется по формуле:
$\triangle U=\pm m\lambda$, (2)
где λ – удельная теплота плавления (Дж/кг).
Определение 10
При уменьшении температуры жидкие вещества могут переходить в твёрдое состояние. Такой процесс называется кристаллизацией.
Преобразование внутренней энергии можно рассчитать с помощью формулы (2) из девятого определения.
Для любого объекта можно вычислить изменение его внутренней энергии:
$\triangle U=mc\triangle T$ (3),
c – удельная теплоемкость, Дж/(кг К),
$\triangle T$ – разница между начальной и конечной температурами.
Определение 11
Чтобы учесть передачу тепла, которая происходит при нагреве, остывании, а также при фазовых переходах, необходимо воспользоваться уравнением теплового баланса. Оно позволяет учесть все виды тепловой энергии, которая в изучаемой системе как поглощается, так и вырабатывается.
$Q_1+Q_2+...+Q_n=Q'_1+Q'_2+...+Q'_k$
Уравнение теплового баланса является аналогом закона сохранения энергии для термодинамических процессов.
Пример 1
Рассмотри систему, в которой нет обмена теплом с окружающей внешней средой. Пусть в данной системе имеется сосуд, где находятся вода и лед. Температура внутри сосуда $t_i = 0^\circ C$. Заданы массы веществ $ m_υ$ (вода), $m_i$ (лёд). Их значения соответственно 0,5 кг и 60 г.
Добавим в систему водяной пар $ m_p = 10 г $, имеющий температуру $ t_p = 100^\circ C$. Необходимо определить температуру в системе после установления теплового равновесия.
Решение
Запишем уравнения для всех процесса конденсации пара:
$ Q_p = − r m_p $ ;
$ Q_p = 2,26 ⋅ 10^6 ⋅ 10 ^{− 2} = 2,26 ⋅ 10^4 Д ж $ ,
здесь из справочных материалов у нас есть
$ r=2,26·10_6 Дж\dot кг $ – удельная теплота парообразования, также годится для расчёта конденсации.
Тепло процесса плавления льда
$ Q_i = λ_{mi} Q _i = 6 ⋅ 10^{− 2} \dot 3,3 \dot 10^5 \approx 2 \dot 10^4 Дж $,
$ \lambda = 3,3 \ dot 10^5 Дж/кг $ – удельная теплота плавления льда.
Вычисляя получаем, что количество тепла отдаваемое паром больше, чем энергия требуемая для плавки льда:
$ rm_p + cm_p \dot (T_p − T) = \lambda \dot m_i + c(m_υ + m_i ) ( T – T_i )$
Конденсация пара $ m_p $ и остывание воды, образуемой из пара приводит к выделению теплоты. Она будет поглощаться на плавку льда $ m_i $ и нагрев всего остального вещества $ m_v + m_i $ до температуры T.
Принимаем $ T – T_i = \triangle T $ для $ T_p – T$ и видим соотношение:
$ T_p – T = T_p – T_i -\triangle T = 100 - \triangle T $/
Затем составляем уравнение теплового баланса::
$ rm_p+cm_p(100-\triangle T) = \lambda m_i + c(m_v+m_i) \triangle T; $
$ c( m_v + m_i + m_p ) \triangle T = rm_p+cm_p100 - \lambda m_i $
Подставляя в формулу табличные значения, получим:
$ \triangle T = 3 K $
Тогда окончательный ответ 276 К.
Warning: file_put_contents(./students_count.txt): failed to open stream: Permission denied in /var/www/webmath-q2ws/data/www/webmath.ru/poleznoe/guide_content_banner.php on line 20
Статьи по теме
Поможем выполнить
любую работу
