Kā noteikt vielas stāvokli. Apkopošanas stāvoklis

Jautājumi par to, kas ir agregācijas stāvoklis, kādas ir cietvielu, šķidrumu un gāzu īpašības un īpašības, tiek apspriesti vairākos apmācību kursos. Ir trīs klasiski matērijas stāvokļi ar savām raksturīgām struktūras iezīmēm. Viņu izpratne ir svarīgs punkts, lai izprastu zinātnes par Zemi, dzīviem organismiem un rūpnieciskajām darbībām. Šos jautājumus pēta fizika, ķīmija, ģeogrāfija, ģeoloģija, fizikālā ķīmija un citas zinātnes disciplīnas. Vielas, kas noteiktos apstākļos atrodas vienā no trim pamatstāvokļiem, var mainīties, palielinoties vai samazinoties temperatūrai un spiedienam. Apskatīsim iespējamās pārejas no viena agregācijas stāvokļa uz citu, jo tās notiek dabā, tehnoloģijā un ikdienā.

Kas ir apkopošanas stāvoklis?

Latīņu izcelsmes vārds "aggrego" tulkojumā krievu valodā nozīmē "pievienoties". Zinātniskais termins attiecas uz tā paša ķermeņa, vielas stāvokli. Cietu vielu, gāzu un šķidrumu esamība noteiktā temperatūrā un dažādos spiedienos ir raksturīga visiem Zemes čaumalām. Papildus trim apkopošanas pamatstāvokļiem ir arī ceturtais. Paaugstinātā temperatūrā un nemainīgā spiedienā gāze pārvēršas plazmā. Lai labāk saprastu, kas ir agregācijas stāvoklis, ir jāatceras mazākās daļiņas, kas veido vielas un ķermeņus.

Iepriekš redzamā diagramma parāda: a - gāzi; b — šķidrums; c ir ciets ķermenis. Šādos attēlos apļi norāda vielu struktūras elementus. Tas ir simbols, patiesībā atomi, molekulas un joni nav cietas bumbiņas. Atomi sastāv no pozitīvi lādēta kodola, ap kuru lielā ātrumā pārvietojas negatīvi lādēti elektroni. Zināšanas par vielas mikroskopisko struktūru palīdz labāk izprast atšķirības, kas pastāv starp dažādām agregātu formām.

Idejas par mikrokosmosu: no Senās Grieķijas līdz 17. gadsimtam

Pirmā informācija par daļiņām, kas veido fiziskos ķermeņus, parādījās Senajā Grieķijā. Domātāji Demokrits un Epikūrs ieviesa tādu jēdzienu kā atoms. Viņi uzskatīja, ka šīm mazākajām nedalāmajām dažādu vielu daļiņām ir forma, noteikti izmēri un tās spēj kustēties un mijiedarboties viena ar otru. Atomisms kļuva par sava laika vismodernāko senās Grieķijas mācību. Bet tā attīstība viduslaikos palēninājās. Kopš tā laika zinātniekus vajāja Romas katoļu baznīcas inkvizīcija. Tāpēc līdz mūsdienām nebija skaidra priekšstata par vielas stāvokli. Tikai pēc 17. gadsimta zinātnieki R. Boils, M. Lomonosovs, D. Daltons, A. Lavuazjē formulēja atommolekulārās teorijas nosacījumus, kas nav zaudējuši savu nozīmi arī mūsdienās.

Atomi, molekulas, joni - vielas struktūras mikroskopiskas daļiņas

Būtisks izrāviens mikropasaules izpratnē notika 20. gadsimtā, kad tika izgudrots elektronu mikroskops. Ņemot vērā zinātnieku agrāk izdarītos atklājumus, izdevās izveidot sakarīgu mikropasaules ainu. Teorijas, kas apraksta mazāko matērijas daļiņu stāvokli un uzvedību, ir diezgan sarežģītas. dažādas vielas.

1. Atomi ir ķīmiski nedalāmas daļiņas. Tie saglabājas ķīmiskās reakcijās, bet iznīcina kodolreakcijās. Metāliem un daudzām citām atomu struktūras vielām normālos apstākļos ir ciets agregācijas stāvoklis.
2. Molekulas ir daļiņas, kas sadalās un veidojas ķīmiskās reakcijās. skābeklis, ūdens, oglekļa dioksīds, sērs. Skābekļa, slāpekļa, sēra dioksīda, oglekļa, skābekļa agregātstāvoklis normālos apstākļos ir gāzveida.
3. Joni ir lādētas daļiņas, par kurām atomi un molekulas kļūst, kad tie iegūst vai zaudē elektronus — mikroskopiskas negatīvi lādētas daļiņas. Daudziem sāļiem ir jonu struktūra, piemēram, galda sāls, dzelzs sulfāts un vara sulfāts.

Ir vielas, kuru daļiņas noteiktā veidā atrodas telpā. Atomu, jonu un molekulu sakārtoto savstarpējo stāvokli sauc par kristāla režģi. Parasti jonu un atomu kristālu režģi ir raksturīgi cietām vielām, molekulārie - šķidrumiem un gāzēm. Dimants izceļas ar augstu cietību. Tās atomu kristāla režģi veido oglekļa atomi. Bet mīkstais grafīts arī sastāv no šī ķīmiskā elementa atomiem. Tikai tie kosmosā atrodas atšķirīgi. Parastais sēra agregācijas stāvoklis ir ciets, bet augstā temperatūrā viela pārvēršas šķidrā un amorfā masā.

Vielas cietā agregācijas stāvoklī

Cietās vielas normālos apstākļos saglabā savu apjomu un formu. Piemēram, smilšu grauds, cukura grauds, sāls, akmens vai metāla gabals. Ja karsējat cukuru, viela sāk kust, pārvēršoties viskozā brūnā šķidrumā. Beidzam karsēt un atkal dabūsim ciet. Tas nozīmē, ka viens no galvenajiem nosacījumiem cietas vielas pārejai šķidrumā ir tās sildīšana vai vielas daļiņu iekšējās enerģijas palielināšanās. Var mainīt arī pārtikā izmantotā sāls agregācijas cieto stāvokli. Bet, lai izkausētu galda sāli, nepieciešama augstāka temperatūra nekā karsējot cukuru. Fakts ir tāds, ka cukurs sastāv no molekulām, un galda sāls sastāv no uzlādētiem joniem, kas ir spēcīgāk piesaistīti viens otram. Cietās vielas šķidrā veidā nesaglabā savu formu, jo kristāla režģi tiek iznīcināti.

Sāls šķidrais agregāta stāvoklis kušanas laikā ir izskaidrojams ar saišu pārtraukšanu starp joniem kristālos. Atbrīvojas uzlādētas daļiņas, kas var pārvadāt elektriskos lādiņus. Izkausētie sāļi vada elektrību un ir vadītāji. Ķīmijas, metalurģijas un mašīnbūves nozarēs cietās vielas pārvērš šķidrumos, lai iegūtu jaunus savienojumus vai piešķirtu tiem dažādas formas. Metālu sakausējumi ir kļuvuši plaši izplatīti. Ir vairāki veidi, kā tos iegūt, kas saistīti ar izmaiņām cieto izejvielu agregācijas stāvoklī.

Šķidrums ir viens no agregācijas pamatstāvokļiem

Ja apaļkolbā ielej 50 ml ūdens, pamanīsi, ka viela uzreiz iegūs ķīmiskā trauka formu. Bet, tiklīdz mēs izlejam ūdeni no kolbas, šķidrums nekavējoties izplatīsies pa galda virsmu. Ūdens tilpums paliks nemainīgs - 50 ml, bet tā forma mainīsies. Uzskaitītās pazīmes ir raksturīgas vielas eksistences šķidrajai formai. Daudzas organiskās vielas ir šķidrumi: spirti, augu eļļas, skābes.

Piens ir emulsija, t.i., šķidrums, kas satur tauku pilienus. Noderīgs šķidrais resurss ir nafta. To iegūst no akām, izmantojot urbšanas iekārtas uz zemes un okeānā. Jūras ūdens ir arī rūpniecības izejviela. Tā atšķirība no saldūdens upēs un ezeros slēpjas izšķīdušo vielu, galvenokārt sāļu, saturā. Iztvaikojot no rezervuāru virsmas, tikai H 2 O molekulas pāriet tvaika stāvoklī, paliek izšķīdušās vielas. Uz šo īpašību balstās metodes derīgo vielu iegūšanai no jūras ūdens un metodes tā attīrīšanai.

Kad sāļi ir pilnībā noņemti, iegūst destilētu ūdeni. Tas vārās 100°C un sasalst 0°C. Sālījumi uzvārās un pārvēršas ledū citās temperatūrās. Piemēram, ūdens Ledus okeānā sasalst pie virsmas temperatūras 2 °C.

Dzīvsudraba agregātstāvoklis normālos apstākļos ir šķidrs. Šo sudrabaini pelēko metālu parasti izmanto, lai aizpildītu medicīniskos termometrus. Sildot, dzīvsudraba kolonna paceļas uz skalas un viela izplešas. Kāpēc tiek izmantots spirts, kas tonēts ar sarkanu krāsu, nevis dzīvsudrabs? Tas izskaidrojams ar šķidrā metāla īpašībām. Pie 30 grādu salnām dzīvsudraba agregācijas stāvoklis mainās, viela kļūst cieta.

Ja plīst medicīniskais termometrs un izlīst dzīvsudrabs, tad sudraba bumbiņu savākšana ar rokām ir bīstama. Ir kaitīgi ieelpot dzīvsudraba tvaikus, šī viela ir ļoti toksiska. Šādos gadījumos bērniem jāvēršas pēc palīdzības pie vecākiem un pieaugušajiem.

Gāzveida stāvoklis

Gāzes nespēj saglabāt ne tilpumu, ne formu. Piepildīsim kolbu līdz augšai ar skābekli (tā ķīmiskā formula ir O2). Tiklīdz mēs atveram kolbu, vielas molekulas sāks sajaukties ar gaisu telpā. Tas notiek Brauna kustības dēļ. Pat sengrieķu zinātnieks Demokrits uzskatīja, ka matērijas daļiņas atrodas pastāvīgā kustībā. Cietās vielās normālos apstākļos atomiem, molekulām un joniem nav iespējas iziet no kristāliskā režģa vai atbrīvoties no saitēm ar citām daļiņām. Tas ir iespējams tikai tad, ja liels enerģijas daudzums tiek piegādāts no ārpuses.

Šķidrumos attālums starp daļiņām ir nedaudz lielāks nekā cietās vielās, lai pārrautu starpmolekulārās saites. Piemēram, skābekļa šķidrais stāvoklis tiek novērots tikai tad, kad gāzes temperatūra pazeminās līdz –183 °C. Pie –223 °C O 2 molekulas veido cietu vielu. Kad temperatūra paaugstinās virs šīm vērtībām, skābeklis pārvēršas gāzē. Tieši šajā formā tas ir atrodams normālos apstākļos. Rūpniecības uzņēmumos tiek izmantotas īpašas iekārtas atmosfēras gaisa atdalīšanai un slāpekļa un skābekļa iegūšanai no tā. Pirmkārt, gaiss tiek atdzesēts un sašķidrināts, un tad temperatūra tiek pakāpeniski paaugstināta. Slāpeklis un skābeklis dažādos apstākļos pārvēršas gāzēs.

Zemes atmosfērā pēc tilpuma ir 21% skābekļa un 78% slāpekļa. Šīs vielas nav atrodamas šķidrā veidā planētas gāzveida apvalkā. Šķidrajam skābeklim ir gaiši zila krāsa, un to izmanto, lai uzpildītu balonus ar augstu spiedienu izmantošanai medicīnas iestādēs. Rūpniecībā un būvniecībā sašķidrinātās gāzes ir nepieciešamas daudzu procesu veikšanai. Skābeklis nepieciešams gāzes metināšanai un metālu griešanai, bet ķīmijā neorganisko un organisko vielu oksidācijas reakcijām. Atverot skābekļa balona vārstu, spiediens samazinās un šķidrums pārvēršas gāzē.

Sašķidrināto propānu, metānu un butānu plaši izmanto enerģētikā, transportā, rūpniecībā un mājsaimniecībās. Šīs vielas iegūst no dabasgāzes vai naftas izejvielu krekinga (šķelšanas) laikā. Oglekļa šķidrajiem un gāzveida maisījumiem ir liela nozīme daudzu valstu ekonomikā. Taču naftas un dabasgāzes rezerves ir stipri izsmeltas. Pēc zinātnieku domām, šī izejviela kalpos 100-120 gadus. Alternatīvs enerģijas avots ir gaisa plūsma (vējš). Spēkstaciju darbībai tiek izmantotas straujas upes un plūdmaiņas jūru un okeānu krastos.

Skābeklis, tāpat kā citas gāzes, var būt ceturtajā agregācijas stāvoklī, kas pārstāv plazmu. Neparastā pāreja no cietā stāvokļa uz gāzveida stāvokli ir raksturīga kristāliskā joda iezīme. Tumši purpursarkanā viela tiek sublimēta - tā pārvēršas gāzē, apejot šķidro stāvokli.

Kā notiek pārejas no vienas vielas agregāta formas uz citu?

Vielu agregātstāvokļa izmaiņas nav saistītas ar ķīmiskām pārvērtībām, tās ir fizikālas parādības. Paaugstinoties temperatūrai, daudzas cietās vielas kūst un pārvēršas šķidrumos. Turpmāka temperatūras paaugstināšanās var izraisīt iztvaikošanu, tas ir, vielas gāzveida stāvokli. Dabā un ekonomikā šādas pārejas ir raksturīgas vienai no galvenajām vielām uz Zemes. Ledus, šķidrums, tvaiks ir ūdens stāvokļi dažādos ārējos apstākļos. Savienojums ir vienāds, tā formula ir H 2 O. Temperatūrā 0 ° C un zem šīs vērtības ūdens kristalizējas, tas ir, pārvēršas ledū. Temperatūrai paaugstinoties, iegūtie kristāli tiek iznīcināti - ledus kūst, un atkal tiek iegūts šķidrs ūdens. Sildot, veidojas iztvaikošana – ūdens pārvēršanās gāzē – pat zemā temperatūrā. Piemēram, sasalušas peļķes pamazām izzūd, jo ūdens iztvaiko. Pat salnā laikā mitrā veļa izžūst, taču šis process aizņem ilgāku laiku nekā karstā dienā.

Visām uzskaitītajām ūdens pārejām no viena stāvokļa uz otru ir liela nozīme Zemes dabai. Atmosfēras parādības, klimats un laikapstākļi ir saistīti ar ūdens iztvaikošanu no Pasaules okeāna virsmas, mitruma pārnešanu mākoņu un miglas veidā uz zemi un nokrišņiem (lietus, sniegs, krusa). Šīs parādības veido Pasaules ūdens cikla pamatu dabā.

Kā mainās sēra agregātie stāvokļi?

Normālos apstākļos sērs ir spilgti spīdīgi kristāli vai gaiši dzeltens pulveris, t.i., tā ir cieta viela. Sēra fiziskais stāvoklis karsējot mainās. Pirmkārt, temperatūrai paaugstinoties līdz 190 °C, dzeltenā viela kūst, pārvēršoties kustīgā šķidrumā.

Ja šķidru sēru ātri ielej aukstā ūdenī, iegūst brūnu amorfu masu. Turpinot karsēt sēra kausējumu, tas kļūst arvien viskozāks un kļūst tumšāks. Temperatūrā virs 300 °C sēra agregācijas stāvoklis atkal mainās, viela iegūst šķidruma īpašības un kļūst kustīga. Šīs pārejas rodas, pateicoties elementa atomu spējai veidot dažāda garuma ķēdes.

Kāpēc vielas var būt dažādos agregātstāvokļos?

Sēra, vienkāršas vielas, agregācijas stāvoklis parastos apstākļos ir ciets. Sēra dioksīds ir gāze, sērskābe ir eļļains šķidrums, kas ir smagāks par ūdeni. Atšķirībā no sālsskābes un slāpekļskābes, tā nav gaistoša, molekulas no tās virsmas neiztvaiko. Kādā agregācijas stāvoklī ir plastmasas sērs, ko iegūst, karsējot kristālus?

Amorfā formā vielai ir šķidruma struktūra ar nenozīmīgu plūstamību. Bet plastmasas sērs vienlaikus saglabā savu formu (kā cieta viela). Ir šķidrie kristāli, kuriem ir vairākas cietām vielām raksturīgas īpašības. Tādējādi vielas stāvoklis dažādos apstākļos ir atkarīgs no tās rakstura, temperatūras, spiediena un citiem ārējiem apstākļiem.

Kādas iezīmes pastāv cietvielu struktūrā?

Esošās atšķirības starp vielas pamata agregētajiem stāvokļiem ir izskaidrojamas ar atomu, jonu un molekulu mijiedarbību. Piemēram, kāpēc vielas cietais stāvoklis izraisa ķermeņu spēju saglabāt apjomu un formu? Metāla vai sāls kristālrežģī strukturālās daļiņas tiek piesaistītas viena otrai. Metālos pozitīvi lādēti joni mijiedarbojas ar tā saukto "elektronu gāzi", brīvo elektronu kopumu metāla gabalā. Sāls kristāli rodas, piesaistot pretēji lādētas daļiņas - jonus. Attālums starp iepriekš minētajām cietvielu strukturālajām vienībām ir daudz mazāks nekā pašu daļiņu izmēri. Šajā gadījumā darbojas elektrostatiskā pievilcība, tā piešķir spēku, bet atgrūšanās nav pietiekami spēcīga.

Lai iznīcinātu vielas agregācijas cieto stāvokli, ir jāpieliek pūles. Metāli, sāļi un atomu kristāli kūst ļoti augstā temperatūrā. Piemēram, dzelzs kļūst šķidrs temperatūrā virs 1538 °C. Volframs ir ugunsizturīgs, un to izmanto kvēldiegu izgatavošanai spuldzēm. Ir sakausējumi, kas kļūst šķidri temperatūrā virs 3000 °C. Daudzi uz Zemes atrodas cietā stāvoklī. Šīs izejvielas tiek iegūtas, izmantojot tehnoloģiju raktuvēs un karjeros.

Lai no kristāla atdalītu kaut vienu jonu, ir jāiztērē liels enerģijas daudzums. Bet pietiek izšķīdināt sāli ūdenī, lai kristāla režģis izjuktu! Šī parādība ir izskaidrojama ar ūdens kā polāra šķīdinātāja pārsteidzošajām īpašībām. H 2 O molekulas mijiedarbojas ar sāls joniem, iznīcinot ķīmisko saiti starp tām. Tādējādi šķīdināšana nav vienkārša dažādu vielu sajaukšana, bet gan fizikāli ķīmiska mijiedarbība starp tām.

Kā mijiedarbojas šķidruma molekulas?

Ūdens var būt šķidrums, cieta viela un gāze (tvaiks). Šie ir tā pamata agregācijas stāvokļi normālos apstākļos. Ūdens molekulas sastāv no viena skābekļa atoma, ar kuru ir saistīti divi ūdeņraža atomi. Molekulā notiek ķīmiskās saites polarizācija, un skābekļa atomos parādās daļējs negatīvs lādiņš. Ūdeņradis kļūst par pozitīvo polu molekulā, ko piesaista citas molekulas skābekļa atoms. To sauc par "ūdeņraža saiti".

Agregācijas šķidro stāvokli raksturo attālumi starp strukturālajām daļiņām, kas ir salīdzināmi ar to izmēriem. Pievilcība pastāv, bet tā ir vāja, tāpēc ūdens nesaglabā formu. Iztvaikošana notiek saišu iznīcināšanas dēļ, kas notiek uz šķidruma virsmas pat istabas temperatūrā.

Vai gāzēs pastāv starpmolekulārā mijiedarbība?

Vielas gāzveida agregātstāvoklis atšķiras no šķidras un cietas ar vairākiem parametriem. Starp gāzu strukturālajām daļiņām ir lielas spraugas, kas ir daudz lielākas par molekulu izmēriem. Šajā gadījumā pievilkšanās spēki nedarbojas vispār. Gāzveida agregācijas stāvoklis ir raksturīgs vielām, kas atrodas gaisā: slāpeklis, skābeklis, oglekļa dioksīds. Zemāk redzamajā attēlā pirmais kubs ir piepildīts ar gāzi, otrais ar šķidrumu un trešais ar cietu vielu.

Daudzi šķidrumi ir gaistoši, un vielas molekulas atdalās no to virsmas un nonāk gaisā. Piemēram, ja pie atvērtas sālsskābes pudeles atveres atnesat amonjakā iemērcētu vates tamponu, parādās balti dūmi. Ķīmiskā reakcija starp sālsskābi un amonjaku notiek tieši gaisā, radot amonija hlorīdu. Kādā agregācijas stāvoklī ir šī viela? Tās daļiņas, kas veido baltus dūmus, ir sīki cieti sāls kristāli. Šis eksperiments jāveic zem pārsega, vielas ir toksiskas.

Secinājums

Gāzes agregācijas stāvokli pētīja daudzi izcili fiziķi un ķīmiķi: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Clayperon, Mendeļejevs, Le Chatelier. Zinātnieki ir formulējuši likumus, kas izskaidro gāzveida vielu uzvedību ķīmiskajās reakcijās, mainoties ārējiem apstākļiem. Atvērtie modeļi tika iekļauti ne tikai skolu un universitāšu fizikas un ķīmijas mācību grāmatās. Daudzas ķīmiskās rūpniecības nozares balstās uz zināšanām par vielu uzvedību un īpašībām dažādos agregācijas stāvokļos.

Vielas agregātie stāvokļi (no latīņu aggrego - es pievienoju, savienoju) - tie ir vienas un tās pašas vielas stāvokļi, kuru pārejas atbilst pēkšņām vielas brīvās enerģijas, entropijas, blīvuma un citu fizikālo parametru izmaiņām.

Gāze (franču gaz, cēlies no grieķu haoss - haoss) ir vielas agregācijas stāvoklis, kurā tās daļiņu mijiedarbības spēki, aizpildot visu tām paredzēto tilpumu, ir niecīgi. Gāzēs starpmolekulārie attālumi ir lieli, un molekulas pārvietojas gandrīz brīvi.

• Gāzes var uzskatīt par ievērojami pārkarsētiem vai nepietiekami piesātinātiem tvaikiem.
• Virs katra šķidruma virsmas ir tvaiki iztvaikošanas dēļ. Kad tvaika spiediens palielinās līdz noteiktai robežai, ko sauc par piesātināta tvaika spiedienu, šķidruma iztvaikošana apstājas, jo tvaika un šķidruma spiediens kļūst vienāds.
• Piesātinātā tvaika tilpuma samazināšanās izraisa tvaika daļas kondensāciju, nevis spiediena palielināšanos. Tāpēc tvaika spiediens nevar būt augstāks par piesātināta tvaika spiedienu. Piesātinājuma stāvokli raksturo piesātinājuma masa, kas atrodas 1 m masā piesātinātu tvaiku, kas ir atkarīga no temperatūras. Piesātināts tvaiks var kļūt nepiesātināts, ja tiek palielināts tā tilpums vai paaugstināta temperatūra. Ja tvaika temperatūra ir daudz augstāka par viršanas temperatūru, kas atbilst noteiktajam spiedienam, tvaiku sauc par pārkarsētu.

Plazma ir daļēji vai pilnībā jonizēta gāze, kurā pozitīvo un negatīvo lādiņu blīvums ir gandrīz vienāds. Saule, zvaigznes, starpzvaigžņu matērijas mākoņi sastāv no gāzēm – neitrālām vai jonizētām (plazmas). Atšķirībā no citiem agregācijas stāvokļiem, plazma ir lādētu daļiņu (jonu, elektronu) gāze, kas elektriski mijiedarbojas viena ar otru lielos attālumos, bet daļiņu izvietojumā tām nav ne īsa, ne liela attāluma secības.

Šķidrums - tas ir vielas agregācijas stāvoklis, kas ir starpprodukts starp cietu un gāzveida.

1. Šķidrumiem ir dažas cietas vielas pazīmes (saglabā savu tilpumu, veido virsmu, ir noteikta stiepes izturība) un gāzei (pieņem trauka formu, kurā tā atrodas).
2. Šķidruma molekulu (atomu) termiskā kustība ir mazu vibrāciju kombinācija ap līdzsvara pozīcijām un biežu lēcienu no viena līdzsvara stāvokļa uz otru.
3. Tajā pašā laikā nelielos tilpumos notiek lēnas molekulu kustības un to vibrācijas, bieži molekulu lēcieni izjauc daļiņu izvietojuma tālās darbības kārtību un nosaka šķidrumu plūstamību, bet nelielas vibrācijas ap līdzsvara pozīcijām nosaka īsu. - diapazona secība šķidrumos.

Šķidrumus un cietās vielas, atšķirībā no gāzēm, var uzskatīt par ļoti kondensētu vidi. Tajās molekulas (atomi) atrodas daudz tuvāk viena otrai un mijiedarbības spēki ir par vairākām kārtām lielāki nekā gāzēs. Tāpēc šķidrumiem un cietām vielām ir ievērojami ierobežotas izplešanās iespējas, tās acīmredzami nevar aizņemt patvaļīgu tilpumu, un nemainīgā spiedienā un temperatūrā tie saglabā savu tilpumu neatkarīgi no tā, kādā tilpumā tie tiek ievietoti. Pārejas no strukturāli sakārtotāka agregācijas stāvokļa uz mazāk sakārtotu stāvokli var notikt arī nepārtraukti. Šajā sakarā agregācijas stāvokļa jēdziena vietā ir ieteicams izmantot plašāku jēdzienu - fāzes jēdzienu.

Fāze ir visu sistēmas daļu kopums, kurām ir vienāds ķīmiskais sastāvs un kas atrodas vienā stāvoklī. To pamato vienlaicīga termodinamiski līdzsvara fāžu esamība daudzfāzu sistēmā: šķidrums ar tā piesātinātajiem tvaikiem; ūdens un ledus kušanas temperatūrā; divi nesajaucami šķidrumi (ūdens maisījums ar trietilamīnu), kas atšķiras pēc koncentrācijas; amorfu cietvielu esamība, kas saglabā šķidruma struktūru (amorfs stāvoklis).

Amorfs ciets vielas stāvoklis ir pārdzesēta šķidruma veids un atšķiras no parastajiem šķidrumiem ar ievērojami augstāku viskozitāti un kinētisko īpašību skaitliskām vērtībām.

Vielas kristālisks cietais stāvoklis ir agregācijas stāvoklis, kam raksturīgi lieli mijiedarbības spēki starp vielas daļiņām (atomiem, molekulām, joniem). Cieto vielu daļiņas svārstās ap vidējām līdzsvara pozīcijām, ko sauc par režģa mezgliem; šo vielu struktūru raksturo augsta sakārtotības pakāpe (tālā un mazā diapazona secība) - sakārtotība (koordinācijas secība), strukturālo daļiņu orientācija (orientācijas secība) vai kārtība fizikālajās īpašībās (par piemēram, magnētisko momentu vai elektrisko dipola momentu orientācijā). Tīriem šķidrumiem, šķidrajiem un šķidrajiem kristāliem normālās šķidrās fāzes eksistences apgabals ir ierobežots no zemām temperatūrām ar fāzu pāreju attiecīgi cietā (kristalizācijas), superšķidruma un šķidrā-anizotropā stāvoklī.

Es domāju, ka visi zina 3 galvenos matērijas stāvokļus: šķidru, cietu un gāzveida. Ar šiem matērijas stāvokļiem mēs sastopamies katru dienu un visur. Visbiežāk tie tiek apsvērti, izmantojot ūdens piemēru. Šķidrais ūdens stāvoklis mums ir vispazīstamākais. Mēs pastāvīgi dzeram šķidru ūdeni, tas tek no mūsu krāna, un mēs paši par 70% esam šķidrs ūdens. Otrs ūdens fiziskais stāvoklis ir parasts ledus, ko mēs redzam uz ielas ziemā. Ikdienā ūdeni ir viegli atrast arī gāzveida veidā. Gāzveida stāvoklī ūdens, kā mēs visi zinām, ir tvaiks. To var redzēt, kad, piemēram, uzvārām tējkannu. Jā, tieši pie 100 grādiem ūdens no šķidra kļūst gāzveida.

Šie ir trīs mums zināmie matērijas stāvokļi. Bet vai jūs zinājāt, ka patiesībā ir 4 no tiem? Es domāju, ka visi vismaz vienu reizi ir dzirdējuši vārdu "plazma". Un šodien es vēlos, lai jūs arī uzzinātu vairāk par plazmu — vielas ceturto stāvokli.

Plazma ir daļēji vai pilnībā jonizēta gāze ar vienādu pozitīvo un negatīvo lādiņu blīvumu. Plazmu var iegūt no gāzes – no 3. vielas agregācijas stāvokļa ar spēcīgu karsēšanu. Kopumā agregācijas stāvoklis faktiski ir pilnībā atkarīgs no temperatūras. Pirmais agregācijas stāvoklis ir zemākā temperatūra, kurā ķermenis paliek ciets, otrais agregācijas stāvoklis ir temperatūra, kurā ķermenis sāk kust un kļūt šķidrs, trešais agregācijas stāvoklis ir augstākā temperatūra, kurā viela kļūst gāze. Katram ķermenim, vielai pārejas temperatūra no viena agregācijas stāvokļa uz otru ir pilnīgi atšķirīga, kādam tā ir zemāka, citam augstāka, bet katram tā ir stingri šajā secībā. Kādā temperatūrā viela kļūst par plazmu? Tā kā šis ir ceturtais stāvoklis, tas nozīmē, ka pārejas temperatūra uz to ir augstāka nekā katrā iepriekšējā. Un tā tiešām ir. Lai jonizētu gāzi, ir nepieciešama ļoti augsta temperatūra. Zemāko temperatūru un zemu jonizētu (apmēram 1%) plazmu raksturo temperatūra līdz 100 tūkstošiem grādu. Sauszemes apstākļos šādu plazmu var novērot zibens formā. Zibens kanāla temperatūra var pārsniegt 30 tūkstošus grādu, kas ir 6 reizes augstāka par Saules virsmas temperatūru. Starp citu, arī Saule un visas pārējās zvaigznes ir plazmas, visbiežāk augstas temperatūras. Zinātne pierāda, ka aptuveni 99% no visas matērijas Visumā ir plazma.

Atšķirībā no zemas temperatūras plazmas, augstas temperatūras plazmai ir gandrīz 100% jonizācija un temperatūra līdz 100 miljoniem grādu. Šī patiešām ir zvaigžņu temperatūra. Uz Zemes šāda plazma ir sastopama tikai vienā gadījumā - kodolsintēzes eksperimentiem. Kontrolēta reakcija ir diezgan sarežģīta un enerģiju patērējoša, taču nekontrolēta reakcija ir sevi pierādījusi kā kolosāla spēka ieroci - 1953. gada 12. augustā PSRS pārbaudītā kodolbumba.

Plazmu klasificē ne tikai pēc temperatūras un jonizācijas pakāpes, bet arī pēc blīvuma un kvazineitritātes. Kolokācija plazmas blīvums parasti nozīmē elektronu blīvums, tas ir, brīvo elektronu skaits tilpuma vienībā. Nu ar šo, manuprāt, viss ir skaidrs. Bet ne visi zina, kas ir gandrīz neitralitāte. Plazmas kvazineitralitāte ir viena no tās svarīgākajām īpašībām, kas sastāv no tā sastāvā iekļauto pozitīvo jonu un elektronu blīvuma gandrīz precīzas vienādas. Pateicoties plazmas labajai elektrovadītspējai, pozitīvo un negatīvo lādiņu atdalīšana nav iespējama attālumos, kas ir lielāki par Debija garumu un brīžiem, kas lielāki par plazmas svārstību periodu. Gandrīz visa plazma ir gandrīz neitrāla. Nekvazineitrālas plazmas piemērs ir elektronu stars. Tomēr neitrālu plazmu blīvumam jābūt ļoti mazam, pretējā gadījumā Kulona atgrūšanās dēļ tās ātri sabruks.

Mēs esam apskatījuši ļoti dažus plazmas zemes piemērus. Bet tādu ir diezgan daudz. Cilvēks ir iemācījies izmantot plazmu savā labā. Pateicoties ceturtajam vielas stāvoklim, mēs varam izmantot gāzizlādes lampas, plazmas televizorus, elektrisko loka metināšanu un lāzerus. Parastās dienasgaismas gāzizlādes spuldzes ir arī plazmas. Mūsu pasaulē ir arī plazmas lampa. To galvenokārt izmanto zinātnē, lai pētītu un, pats galvenais, redzētu dažas no vissarežģītākajām plazmas parādībām, tostarp filamentāciju. Šādas lampas fotogrāfiju var redzēt zemāk esošajā attēlā:

Papildus sadzīves plazmas ierīcēm uz Zemes bieži var redzēt arī dabisko plazmu. Mēs jau esam runājuši par vienu no viņas piemēriem. Tas ir zibens. Bet papildus zibenim plazmas parādības var saukt par ziemeļblāzmu, "Sv. Elmo uguni", Zemes jonosfēru un, protams, uguni.

Ievērojiet, ka uguns, zibens un citas plazmas izpausmes, kā mēs to saucam, deg. Kas izraisa tik spilgtas gaismas emisiju no plazmas? Plazmas mirdzumu izraisa elektronu pāreja no augstas enerģijas stāvokļa uz zemas enerģijas stāvokli pēc rekombinācijas ar joniem. Šī procesa rezultātā rodas starojums ar spektru, kas atbilst ierosinātajai gāzei. Tāpēc plazma spīd.

Es arī gribētu nedaudz parunāt par plazmas vēsturi. Galu galā plazmu kādreiz sauca tikai tādas vielas kā piena šķidrā sastāvdaļa un bezkrāsainā asins sastāvdaļa. Viss mainījās 1879. gadā. Tieši tajā gadā slavenais angļu zinātnieks Viljams Krūkss, pētot elektrisko vadītspēju gāzēs, atklāja plazmas fenomenu. Tiesa, šo vielas stāvokli par plazmu sauca tikai 1928. gadā. Un to izdarīja Ērvings Lengmuirs.

Nobeigumā es gribu teikt, ka tik interesanta un noslēpumaina parādība kā lodveida zibens, par kuru esmu rakstījis vairāk nekā vienu reizi šajā vietnē, protams, ir arī plazmoīds, tāpat kā parasts zibens. Tas, iespējams, ir visneparastākais plazmoīds no visām sauszemes plazmas parādībām. Galu galā ir aptuveni 400 dažādu teoriju par lodveida zibeni, taču neviena no tām nav atzīta par patiesi pareizu. Laboratorijas apstākļos līdzīgas, bet īslaicīgas parādības tika iegūtas vairākos dažādos veidos, tāpēc jautājums par lodveida zibens būtību paliek atklāts.

Parasta plazma, protams, arī tika radīta laboratorijās. Kādreiz tas bija grūti, bet tagad šāds eksperiments nav īpaši grūts. Tā kā plazma ir stingri ienākusi mūsu ikdienas arsenālā, viņi ar to daudz eksperimentē laboratorijās.

Interesantākais atklājums plazmas jomā bija eksperimenti ar plazmu nulles gravitācijas apstākļos. Izrādās, ka plazma kristalizējas vakuumā. Tas notiek šādi: uzlādētas plazmas daļiņas sāk atgrūst viena otru, un, kad tām ir ierobežots tilpums, tās aizņem tām atvēlēto vietu, izkliedējot dažādos virzienos. Tas ir diezgan līdzīgs kristāla režģim. Vai tas nenozīmē, ka plazma ir noslēdzošā saikne starp pirmo vielas stāvokli un trešo? Galu galā tā kļūst par plazmu gāzes jonizācijas dēļ, un vakuumā plazma atkal kļūst cieta. Bet tas ir tikai mans minējums.

Plazmas kristāliem kosmosā ir arī diezgan dīvaina struktūra. Šo struktūru var novērot un pētīt tikai telpā, reālā telpas vakuumā. Pat ja jūs izveidojat vakuumu uz Zemes un ievietojat tur plazmu, gravitācija vienkārši saspiedīs visu iekšpusē izveidoto "attēlu". Kosmosā plazmas kristāli vienkārši paceļas gaisā, veidojot dīvainas formas trīsdimensiju trīsdimensiju struktūru. Pēc plazmas novērošanas orbītā rezultātu nosūtīšanas zinātniekiem uz Zemes, izrādījās, ka plazmas virpuļi dīvainā kārtā atkārto mūsu galaktikas struktūru. Tas nozīmē, ka nākotnē, pētot plazmu, būs iespējams saprast, kā dzima mūsu galaktika. Tālāk redzamajās fotogrāfijās redzama tā pati kristalizētā plazma.

Apkopošanas stāvoklis- vielas stāvoklis, ko raksturo noteiktas kvalitatīvas īpašības: spēja vai nespēja saglabāt apjomu un formu, liela un maza attāluma kārtības esamība vai neesamība un citi. Agregācijas stāvokļa izmaiņas var būt saistītas ar pēkšņām brīvās enerģijas, entropijas, blīvuma un citu pamata fizikālo īpašību izmaiņām.
Ir trīs galvenie agregācijas stāvokļi: ciets, šķidrs un gāzveida. Dažreiz nav pilnīgi pareizi klasificēt plazmu kā agregācijas stāvokli. Ir arī citi agregācijas stāvokļi, piemēram, šķidrie kristāli vai Bozes-Einšteina kondensāts. Agregācijas stāvokļa izmaiņas ir termodinamiskie procesi, ko sauc par fāzu pārejām. Izšķir šādas šķirnes: no cietas līdz šķidrai - kušanas; no šķidruma uz gāzveida - iztvaikošana un vārīšanās; no cietas līdz gāzveida - sublimācija; no gāzveida uz šķidru vai cietu - kondensācija; no šķidruma uz cietu - kristalizācija. Atšķirīga iezīme ir asas robežas trūkums pārejai uz plazmas stāvokli.
Agregācijas stāvokļu definīcijas ne vienmēr ir stingras. Tādējādi ir amorfi ķermeņi, kas saglabā šķidruma struktūru un kuriem ir zema plūstamība un spēja saglabāt formu; šķidrie kristāli ir šķidri, taču tajā pašā laikā tiem piemīt dažas cietvielu īpašības, jo īpaši tie var polarizēt caur tiem ejošo elektromagnētisko starojumu. Lai aprakstītu dažādus stāvokļus fizikā, tiek izmantots plašāks termodinamiskās fāzes jēdziens. Parādības, kas raksturo pāreju no vienas fāzes uz otru, sauc par kritiskām parādībām.
Vielas agregācijas stāvoklis ir atkarīgs no fiziskajiem apstākļiem, kādos tā atrodas, galvenokārt no temperatūras un spiediena. Noteicošais lielums ir molekulu mijiedarbības vidējās potenciālās enerģijas attiecība pret to vidējo kinētisko enerģiju. Tādējādi cietai vielai šī attiecība ir lielāka par 1, gāzēm tā ir mazāka par 1, bet šķidrumiem tā ir aptuveni vienāda ar 1. Vielas pāreju no viena agregācijas stāvokļa uz citu pavada pēkšņas izmaiņas šīs attiecības vērtība, kas saistīta ar pēkšņām izmaiņām starpmolekulāros attālumos un starpmolekulāro mijiedarbību. Gāzēs starpmolekulārie attālumi ir lieli, molekulas gandrīz nesaskaras viena ar otru un gandrīz brīvi pārvietojas, aizpildot visu tilpumu. Šķidrumos un cietās vielās - kondensētā vielā - molekulas (atomi) atrodas daudz tuvāk viena otrai un mijiedarbojas spēcīgāk.
Tas noved pie tā, ka šķidrumi un cietās vielas saglabā savu tilpumu. Tomēr molekulu kustības raksturs cietās vielās un šķidrumos ir atšķirīgs, kas izskaidro to struktūras un īpašību atšķirību.
Cietās vielās kristāliskā stāvoklī atomi vibrē tikai kristāla režģa mezglu tuvumā; šo ķermeņu uzbūvei raksturīga augsta sakārtotības pakāpe - tālsatiksmes un maza attāluma kārtība. Šķidruma molekulu (atomu) termiskā kustība ir mazu vibrāciju kombinācija ap līdzsvara pozīcijām un biežu lēcienu no viena līdzsvara stāvokļa uz otru. Pēdējie nosaka daļiņu izkārtojuma esamību šķidrumos tikai neliela diapazona kārtībā, kā arī tiem raksturīgo mobilitāti un plūstamību.
A. Ciets- stāvoklis, ko raksturo spēja saglabāt apjomu un formu. Cietas vielas atomi iziet tikai nelielas vibrācijas ap līdzsvara stāvokli. Ir gan tālsatiksmes, gan īstermiņa pasūtījumi.
b. Šķidrums- vielas stāvoklis, kurā tai ir zema saspiežamība, tas ir, tas labi saglabā tilpumu, bet nespēj saglabāt formu. Šķidrums viegli iegūst trauka formu, kurā tas ir ievietots. Šķidruma atomi vai molekulas vibrē tuvu līdzsvara stāvoklim, ko bloķē citi atomi, un bieži vien pārlec uz citām brīvām vietām. Ir tikai īstermiņa pasūtījums.
Kušana- tā ir vielas pāreja no cieta agregācijas stāvokļa (skat. Vielas agregātie stāvokļi) uz šķidrumu. Šis process notiek karsējot, kad ķermenim tiek nodots noteikts siltuma daudzums +Q. Piemēram, zemu kūstošais metāla svins pāriet no cieta stāvokļa uz šķidru, ja to sakarsē līdz 327 C temperatūrai. Svins viegli kūst uz gāzes plīts, piemēram, nerūsējošā tērauda karotē (zināms, ka liesma Gāzes degļa temperatūra ir 600-850 ° C, bet tērauda kušanas temperatūra - 1300-1500 ° C).
Ja svina kausēšanas laikā mērīsit tā temperatūru, jūs redzēsiet, ka sākumā tā vienmērīgi palielinās, bet pēc noteikta punkta paliek nemainīga, neskatoties uz turpmāku karsēšanu. Šis brīdis atbilst kušanai. Temperatūra paliek nemainīga, līdz viss svins ir izkusis, un tikai tad sāk atkal celties. Kad šķidrais svins tiek atdzesēts, tiek novērots pretējs attēls: temperatūra pazeminās, līdz sākas sacietēšana, un paliek nemainīga visu laiku, līdz svins pāriet cietā fāzē, un pēc tam atkal pazeminās.
Visas tīrās vielas uzvedas līdzīgi. Temperatūras noturībai kušanas laikā ir liela praktiska nozīme, jo tā ļauj kalibrēt termometrus un izgatavot drošinātājus un indikatorus, kas kūst stingri noteiktā temperatūrā.
Atomi kristālā svārstās ap to līdzsvara pozīcijām. Paaugstinoties temperatūrai, vibrāciju amplitūda palielinās un sasniedz noteiktu kritisko vērtību, pēc kuras kristāliskais režģis tiek iznīcināts. Tam nepieciešama papildu siltumenerģija, tāpēc kausēšanas procesā temperatūra nepaaugstinās, lai gan siltums turpina plūst.
Vielas kušanas temperatūra ir atkarīga no spiediena. Vielām, kuru tilpums kušanas laikā palielinās (un tās ir lielākā daļa), spiediena palielināšanās palielina kušanas temperatūru un otrādi. Ūdenim kūstot, tā tilpums samazinās (tādēļ, ūdenim sasalstot, tas pārrauj caurules), un, palielinoties spiedienam, ledus kūst zemākā temperatūrā. Bismuts, gallijs un daži čuguna zīmoli darbojas līdzīgi.
V. Gāze- stāvoklis, ko raksturo laba saspiežamība, nespēja saglabāt gan apjomu, gan formu. Gāzei ir tendence aizņemt visu tai paredzēto tilpumu. Gāzes atomi vai molekulas uzvedas salīdzinoši brīvi, attālumi starp tiem ir daudz lielāki par to izmēriem.
Plazma, ko bieži klasificē kā vielas agregātu, atšķiras no gāzes ar augstu atomu jonizācijas pakāpi. Lielākā daļa barionu vielas (apmēram 99,9% no masas) Visumā atrodas plazmas stāvoklī.
pilsēta C superkritiskais šķidrums- Rodas ar vienlaicīgu temperatūras un spiediena paaugstināšanos līdz kritiskajam punktam, kurā gāzes blīvumu salīdzina ar šķidruma blīvumu; šajā gadījumā pazūd robeža starp šķidro un gāzveida fāzi. Superkritiskajam šķidrumam ir ārkārtīgi augsta šķīdināšanas spēja.
d. Bozes-Einšteina kondensāts- tiek iegūts, atdzesējot Bose gāzi līdz temperatūrai, kas ir tuvu absolūtai nullei. Rezultātā daži atomi nonāk stāvoklī ar strikti nulles enerģiju (tas ir, pēc iespējas zemākā kvantu stāvoklī). Bozes-Einšteina kondensātam piemīt vairākas kvantu īpašības, piemēram, superfluiditāte un Fišbaha rezonanse.
e. Fermiona kondensāts- attēlo Bose kondensāciju “atomu Kūpera pāru” BCS režīmā gāzēs, kas sastāv no fermiona atomiem. (Atšķirībā no Bozes-Einšteina savienojuma bozonu kondensācijas tradicionālā režīma).
Šādi fermionu atomu kondensāti ir supravadītāju “radinieki”, bet ar kritisko temperatūru istabas temperatūrā un augstāk.
Deģenerēta viela — Fermi gāze 1. stadija Elektronu deģenerēta gāze, kas novērota baltajos punduros, spēlē nozīmīgu lomu zvaigžņu evolūcijā. 2.posms, neitronu stāvoklis, viela pāriet tajā pie īpaši augsta spiediena, kas laboratorijā vēl nav sasniedzams, bet eksistē neitronu zvaigznēs. Pārejot uz neitronu stāvokli, vielas elektroni mijiedarbojas ar protoniem un pārvēršas neitronos. Rezultātā viela neitronu stāvoklī sastāv tikai no neitroniem, un tās blīvums ir aptuveni kodols. Vielas temperatūra nedrīkst būt pārāk augsta (enerģijas ekvivalentā ne vairāk kā simts MeV).
Spēcīgi paaugstinoties temperatūrai (simtiem MeV un vairāk), neitronu stāvoklī sāk piedzimt un iznīcināties dažādi mezoni. Ar turpmāku temperatūras paaugstināšanos notiek dekonfirmācija, un viela nonāk kvarka-gluona plazmas stāvoklī. Tas vairs nesastāv no hadroniem, bet gan no pastāvīgi dzimušiem un izzūdošiem kvarkiem un gluoniem. Iespējams, dekonfirmācija notiek divos posmos.
Ar turpmāku neierobežotu spiediena palielināšanos, nepaaugstinot temperatūru, viela sabrūk melnajā caurumā.
Vienlaicīgi palielinoties gan spiedienam, gan temperatūrai, kvarkiem un gluoniem tiek pievienotas citas daļiņas. Joprojām nav zināms, kas notiek ar matēriju, telpu un laiku temperatūrā, kas ir tuvu Planka temperatūrai.
Citi štati
Dziļās dzesēšanas laikā dažas (ne visas) vielas pārvēršas supravadītājā vai superšķidrumā. Šie stāvokļi, protams, ir atsevišķas termodinamiskās fāzes, taču diez vai tos var saukt par jauniem matērijas agregētajiem stāvokļiem to neuniversalitātes dēļ.
Neviendabīgas vielas, piemēram, pastas, želejas, suspensijas, aerosoli utt., kas noteiktos apstākļos uzrāda gan cietu vielu, gan šķidrumu un pat gāzu īpašības, parasti tiek klasificētas kā izkliedēti materiāli, nevis uz kādiem konkrētiem vielas agregātu stāvokļiem.

Atkarībā no temperatūras un spiediena jebkura viela spēj iegūt dažādus agregācijas stāvokļus. Katram šādam stāvoklim ir raksturīgas noteiktas kvalitatīvas īpašības, kas nemainās temperatūras un spiediena robežās, kas nepieciešamas noteiktam agregācijas stāvoklim.

Agregācijas stāvokļu raksturīgās īpašības ietver, piemēram, ķermeņa spēju cietā stāvoklī saglabāt formu vai otrādi, šķidra ķermeņa spēju mainīt formu. Tomēr dažreiz robežas starp dažādiem vielas stāvokļiem ir diezgan neskaidras, piemēram, šķidro kristālu vai tā saukto “amorfo cieto vielu” gadījumā, kas var būt elastīgas kā cietas vielas un šķidras kā šķidrumi.

Pāreja starp agregācijas stāvokļiem var notikt, atbrīvojoties brīvai enerģijai, mainoties blīvumam, entropijai vai citiem fiziskiem daudzumiem. Pāreju no viena agregācijas stāvokļa uz otru sauc par fāzes pāreju, un parādības, kas pavada šādas pārejas, sauc par kritiskām parādībām.

Zināmo agregācijas stāvokļu saraksts