Kako določiti agregatno stanje. Agregatno stanje

Vprašanja o tem, kaj je agregatno stanje, katere značilnosti in lastnosti imajo trdne snovi, tekočine in plini, so obravnavana v več tečajih usposabljanja. Obstajajo tri klasična stanja snovi s svojimi značilnostmi strukture. Njihovo razumevanje je pomembna točka pri razumevanju znanosti o Zemlji, živih organizmov in proizvodnih dejavnosti. Ta vprašanja preučujejo fizika, kemija, geografija, geologija, fizikalna kemija in druge znanstvene discipline. Snovi, ki so pod določenimi pogoji v enem od treh osnovnih tipov agregatnega stanja, se lahko spreminjajo s povišanjem ali znižanjem temperature ali tlaka. Razmislimo o možnih prehodih iz enega agregatnega stanja v drugega, kot se izvajajo v naravi, tehnologiji in vsakdanjem življenju.

Kaj je agregatno stanje?

Beseda latinskega izvora "aggrego" v prevodu v ruščino pomeni "pripeti". Znanstveni izraz se nanaša na stanje istega telesa, snovi. Obstoj trdnih snovi, plinov in tekočin pri določenih temperaturnih vrednostih in različnih tlakih je značilen za vse lupine Zemlje. Poleg treh osnovnih agregatnih stanj obstaja še četrto. Pri povišani temperaturi in konstantnem tlaku se plin spremeni v plazmo. Da bi bolje razumeli, kaj je agregatno stanje, se je treba spomniti najmanjših delcev, ki sestavljajo snovi in ​​telesa.

Zgornji diagram prikazuje: a - plin; b - tekočina; c je togo telo. Na takih slikah krogi označujejo strukturne elemente snovi. To je simbol, pravzaprav atomi, molekule, ioni niso trdne kroglice. Atomi so sestavljeni iz pozitivno nabitega jedra, okoli katerega se z veliko hitrostjo gibljejo negativno nabiti elektroni. Poznavanje mikroskopske strukture snovi pomaga bolje razumeti razlike, ki obstajajo med različnimi oblikami agregatov.

Predstave o mikrosvetu: od stare Grčije do 17. stoletja

Prve informacije o delcih, ki sestavljajo fizična telesa, so se pojavile v stari Grčiji. Misleca Demokrit in Epikur sta predstavila tak koncept kot atom. Verjeli so, da imajo ti najmanjši nedeljivi delci različnih snovi obliko, določene velikosti, so sposobni gibanja in interakcije med seboj. Atomistika je za svoj čas postala najnaprednejši nauk stare Grčije. Toda njen razvoj se je v srednjem veku upočasnil. Od takrat je znanstvenike preganjala inkvizicija rimskokatoliške cerkve. Zato do sodobnega časa ni bilo jasnega pojma o tem, kaj je agregatno stanje snovi. Šele po 17. stoletju so znanstveniki R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier oblikovali določbe atomsko-molekularne teorije, ki še danes niso izgubile svojega pomena.

Atomi, molekule, ioni - mikroskopski delci strukture snovi

Pomemben preboj v razumevanju mikrokozmosa se je zgodil v 20. stoletju, ko je bil izumljen elektronski mikroskop. Ob upoštevanju prejšnjih odkritij znanstvenikov je bilo mogoče sestaviti harmonično sliko mikrosveta. Teorije, ki opisujejo stanje in obnašanje najmanjših delcev snovi, so precej zapletene, spadajo v področje.Za razumevanje značilnosti različnih agregatnih stanj snovi zadostuje poznavanje imen in značilnosti glavnih strukturnih delcev, ki tvorijo različne snovi.

1. Atomi so kemično nedeljivi delci. Ohranja se v kemičnih reakcijah, a uniči v jedrski. Kovine in mnoge druge snovi z atomsko strukturo imajo v normalnih pogojih trdno agregatno stanje.
2. Molekule so delci, ki se razgradijo in nastanejo v kemičnih reakcijah. kisik, voda, ogljikov dioksid, žveplo. Agregatno stanje kisika, dušika, žveplovega dioksida, ogljika, kisika v normalnih pogojih je plinasto.
3. Ioni so nabiti delci, v katere se spremenijo atomi in molekule, ko pridobijo ali izgubijo elektrone – mikroskopski negativno nabiti delci. Mnoge soli imajo ionsko strukturo, na primer kuhinjska sol, železov in bakrov sulfat.

Obstajajo snovi, katerih delci se v prostoru nahajajo na določen način. Urejeno medsebojno lego atomov, ionov, molekul imenujemo kristalna mreža. Običajno so ionske in atomske kristalne rešetke značilne za trdne snovi, molekularne - za tekočine in pline. Diamant ima visoko trdoto. Njegovo atomsko kristalno mrežo sestavljajo ogljikovi atomi. Toda mehki grafit je sestavljen tudi iz atomov tega kemičnega elementa. Le da se v prostoru nahajajo drugače. Običajno agregatno stanje žvepla je trdno, pri visokih temperaturah pa se snov spremeni v tekočino in amorfno maso.

Snovi v trdnem agregatnem stanju

Trdne snovi v normalnih pogojih ohranijo svoj volumen in obliko. Na primer zrno peska, zrno sladkorja, soli, kos kamna ali kovine. Če se sladkor segreje, se snov začne topiti in se spremeni v viskozno rjavo tekočino. Ustavite ogrevanje - spet dobimo trdno snov. To pomeni, da je eden glavnih pogojev za prehod trdne snovi v tekočino njeno segrevanje ali povečanje notranje energije delcev snovi. Trdno agregatno stanje soli, ki se uporablja v prehrani, je mogoče tudi spremeniti. Toda za taljenje kuhinjske soli potrebujete višjo temperaturo kot pri segrevanju sladkorja. Dejstvo je, da je sladkor sestavljen iz molekul, kuhinjska sol pa iz nabitih ionov, ki se med seboj močneje privlačijo. Trdne snovi v tekoči obliki ne obdržijo svoje oblike, ker kristalne mreže razpadejo.

Tekoče agregatno stanje soli med taljenjem razložimo s pretrganjem vezi med ioni v kristalih. Sproščajo se nabiti delci, ki lahko prenašajo električne naboje. Staljene soli prevajajo elektriko in so prevodniki. V kemični, metalurški in inženirski industriji se trdne snovi pretvarjajo v tekočine, da iz njih pridobijo nove spojine ali jim dajo različne oblike. Kovinske zlitine se pogosto uporabljajo. Obstaja več načinov za njihovo pridobitev, povezanih s spremembami agregatnega stanja trdnih surovin.

Tekočina je eno od osnovnih agregatnih stanj

Če v bučko z okroglim dnom nalijete 50 ml vode, opazite, da snov takoj prevzame obliko kemične posode. Toda takoj, ko odlijemo vodo iz bučke, se bo tekočina takoj razlila po površini mize. Količina vode bo ostala enaka - 50 ml, njena oblika pa se bo spremenila. Te značilnosti so značilne za tekočo obliko obstoja materije. Tekočine so številne organske snovi: alkoholi, rastlinska olja, kisline.

Mleko je emulzija, to je tekočina, v kateri so kapljice maščobe. Koristen tekoči mineral je olje. Pridobivajo ga iz vrtin z vrtalnimi napravami na kopnem in v oceanu. Morska voda je tudi surovina za industrijo. Njena razlika od sladke vode rek in jezer je v vsebnosti raztopljenih snovi, predvsem soli. Med izhlapevanjem s površine vodnih teles le molekule H 2 O preidejo v stanje pare, ostanejo topljenci. Na tej lastnosti temeljijo metode za pridobivanje koristnih snovi iz morske vode in metode za njeno čiščenje.

S popolno odstranitvijo soli dobimo destilirano vodo. Zavre pri 100°C in zmrzne pri 0°C. Slanice zavrejo in se pri različnih temperaturah spremenijo v led. Na primer, voda v Arktičnem oceanu zmrzne pri površinski temperaturi 2 °C.

Agregatno stanje živega srebra je v normalnih pogojih tekočina. Ta srebrno siva kovina je običajno napolnjena z medicinskimi termometri. Pri segrevanju se stolpec živega srebra dvigne na lestvici, snov se razširi. Zakaj se uporablja alkohol, obarvan z rdečo barvo, in ne živo srebro? To je razloženo z lastnostmi tekoče kovine. Pri zmrzali 30 stopinj se stanje agregacije živega srebra spremeni, snov postane trdna.

Če je medicinski termometer pokvarjen in se je živo srebro razlilo, je zbiranje srebrnih kroglic z rokami nevarno. Vdihavanje hlapov živega srebra je škodljivo, ta snov je zelo strupena. Otroci v takih primerih potrebujejo pomoč staršev, odraslih.

plinasto stanje

Plini ne morejo ohraniti svoje prostornine ali oblike. Bučko do vrha napolnimo s kisikom (njegova kemijska formula je O 2). Takoj ko bučko odpremo, se bodo molekule snovi začele mešati z zrakom v prostoru. To je posledica Brownovega gibanja. Že starogrški znanstvenik Demokrit je verjel, da so delci snovi v stalnem gibanju. V trdnih snoveh v normalnih pogojih atomi, molekule, ioni nimajo možnosti, da bi zapustili kristalno mrežo, da bi se osvobodili vezi z drugimi delci. To je mogoče le, če je velika količina energije dovedena od zunaj.

V tekočinah je razdalja med delci nekoliko večja kot v trdnih snoveh, za pretrganje medmolekularnih vezi potrebujejo manj energije. Na primer, tekoče agregatno stanje kisika opazimo šele, ko temperatura plina pade na –183 °C. Pri -223 ° C molekule O 2 tvorijo trdno snov. Ko se temperatura dvigne nad dane vrednosti, se kisik spremeni v plin. V tej obliki je v normalnih pogojih. V industrijskih podjetjih obstajajo posebne naprave za ločevanje atmosferskega zraka in pridobivanje dušika in kisika iz njega. Najprej se zrak ohladi in utekočini, nato pa se temperatura postopoma zvišuje. Dušik in kisik se pod različnimi pogoji spremenita v plina.

Zemljina atmosfera vsebuje 21 % kisika in 78 % dušika po prostornini. V tekoči obliki teh snovi ni v plinastem ovoju planeta. Tekoči kisik je svetlo modre barve in se pod visokim pritiskom polni v jeklenke za uporabo v zdravstvenih ustanovah. V industriji in gradbeništvu so utekočinjeni plini potrebni za številne procese. Kisik je potreben za plinsko varjenje in rezanje kovin, v kemiji - za oksidacijske reakcije anorganskih in organskih snovi. Če odprete ventil jeklenke s kisikom, se tlak zmanjša, tekočina se spremeni v plin.

Utekočinjeni propan, metan in butan se pogosto uporabljajo v energetiki, prometu, industriji in gospodinjstvu. Te snovi se pridobivajo iz zemeljskega plina ali med krekiranjem (cepitvijo) naftne surovine. Tekoče in plinaste mešanice ogljika igrajo pomembno vlogo v gospodarstvu mnogih držav. Toda zaloge nafte in zemeljskega plina so močno izčrpane. Po mnenju znanstvenikov bo ta surovina trajala 100-120 let. Alternativni vir energije je zračni tok (veter). Hitro tekoče reke, plimovanje na obalah morij in oceanov se uporabljajo za delovanje elektrarn.

Kisik je tako kot drugi plini lahko v četrtem agregatnem stanju, ki predstavlja plazmo. Za kristalni jod je značilen nenavaden prehod iz trdnega v plinasto stanje. Temno vijolična snov je sublimirana - se spremeni v plin, mimo tekočega stanja.

Kako potekajo prehodi iz ene agregatne oblike snovi v drugo?

Spremembe agregatnega stanja snovi niso povezane s kemičnimi transformacijami, to so fizikalni pojavi. Ko temperatura naraste, se mnoge trdne snovi stopijo in spremenijo v tekočine. Nadaljnje zvišanje temperature lahko vodi do izhlapevanja, to je do plinastega stanja snovi. V naravi in ​​gospodarstvu so takšni prehodi značilni za eno glavnih snovi na Zemlji. Led, tekočina, para so stanja vode v različnih zunanjih pogojih. Spojina je enaka, njena formula je H 2 O. Pri temperaturi 0 ° C in pod to vrednostjo voda kristalizira, to je, da se spremeni v led. Ko se temperatura dvigne, se nastali kristali uničijo - led se stopi, ponovno dobimo tekočo vodo. Pri segrevanju nastane izhlapevanje - pretvorba vode v plin - poteka tudi pri nizkih temperaturah. Na primer, zamrznjene luže postopoma izginjajo, ker voda izhlapeva. Tudi v mrzlem vremenu se mokra oblačila posušijo, vendar je ta proces daljši kot na vroč dan.

Vsi našteti prehodi vode iz enega agregatnega stanja v drugo so velikega pomena za naravo Zemlje. Atmosferski pojavi, podnebje in vreme so povezani z izhlapevanjem vode s površine oceanov, prenosom vlage v obliki oblakov in megle na kopno, padavinami (dež, sneg, toča). Ti pojavi tvorijo osnovo svetovnega vodnega kroga v naravi.

Kako se spreminjajo agregatna stanja žvepla?

V normalnih pogojih je žveplo svetli sijoči kristali ali svetlo rumen prah, to je trdna snov. Pri segrevanju se spremeni agregatno stanje žvepla. Prvič, ko se temperatura dvigne na 190 ° C, se rumena snov topi in spremeni v mobilno tekočino.

Če tekoče žveplo na hitro vlijemo v hladno vodo, dobimo rjavo amorfno maso. Z nadaljnjim segrevanjem žveplove taline postaja vse bolj viskozna in potemni. Pri temperaturah nad 300 ° C se stanje agregacije žvepla znova spremeni, snov pridobi lastnosti tekočine, postane mobilna. Ti prehodi nastanejo zaradi sposobnosti atomov elementa, da tvorijo verige različnih dolžin.

Zakaj so lahko snovi v različnih agregatnih stanjih?

Agregatno stanje žvepla - enostavne snovi - je v normalnih pogojih trdno. Žveplov dioksid je plin, žveplova kislina je oljnata tekočina, težja od vode. Za razliko od klorovodikove in dušikove kisline ni hlapna, molekule ne izhlapevajo z njene površine. Kakšno agregatno stanje ima plastično žveplo, ki ga dobimo s segrevanjem kristalov?

V amorfni obliki ima snov strukturo tekočine, ki ima rahlo fluidnost. Toda plastično žveplo hkrati ohrani svojo obliko (kot trdna snov). Obstajajo tekoči kristali, ki imajo številne značilne lastnosti trdnih snovi. Tako je stanje snovi v različnih pogojih odvisno od njene narave, temperature, tlaka in drugih zunanjih pogojev.

Kakšne so značilnosti strukture trdnih snovi?

Obstoječe razlike med glavnimi agregatnimi stanji snovi pojasnjujejo interakcije med atomi, ioni in molekulami. Na primer, zakaj trdno agregatno stanje snovi vodi do sposobnosti teles, da ohranijo prostornino in obliko? V kristalni mreži kovine ali soli se strukturni delci med seboj privlačijo. V kovinah pozitivno nabiti ioni interagirajo s tako imenovanim "elektronskim plinom" - kopičenjem prostih elektronov v kosu kovine. Kristali soli nastanejo zaradi privlačnosti nasprotno nabitih delcev - ionov. Razdalja med zgornjimi strukturnimi enotami trdnih snovi je veliko manjša od velikosti samih delcev. V tem primeru deluje elektrostatična privlačnost, ki daje moč, odboj pa ni dovolj močan.

Da bi uničili trdno agregatno stanje snovi, se je treba potruditi. Kovine, soli, atomski kristali se topijo pri zelo visokih temperaturah. Na primer, železo postane tekoče pri temperaturah nad 1538 °C. Volfram je ognjevzdržen in se uporablja za izdelavo žarilnih nitk za žarnice. Obstajajo zlitine, ki postanejo tekoče pri temperaturah nad 3000 °C. Mnogi na Zemlji so v trdnem stanju. To surovino pridobivajo s pomočjo opreme v rudnikih in kamnolomih.

Za ločitev vsaj enega iona od kristala je potrebna velika količina energije. Toda navsezadnje je dovolj, da sol raztopite v vodi, da kristalna mreža razpade! Ta pojav pojasnjujejo neverjetne lastnosti vode kot polarnega topila. Molekule H 2 O medsebojno delujejo z ioni soli in uničijo kemično vez med njimi. Pri raztapljanju torej ne gre za preprosto mešanje različnih snovi, temveč za fizikalno in kemično interakcijo med njimi.

Kako medsebojno delujejo molekule tekočin?

Voda je lahko tekoča, trdna in plinasta (para). To so njegova glavna agregatna stanja v normalnih pogojih. Molekule vode so sestavljene iz enega atoma kisika, na katerega sta vezana dva atoma vodika. V molekuli pride do polarizacije kemijske vezi, na atomih kisika se pojavi delni negativni naboj. Vodik postane pozitivni pol v molekuli in ga privlači kisikov atom druge molekule. To se imenuje "vodikova vez".

Za tekoče agregatno stanje so značilne razdalje med strukturnimi delci, primerljive z njihovo velikostjo. Privlačnost obstaja, a je šibka, zato voda ne obdrži svoje oblike. Do uparjanja pride zaradi razpada vezi, ki se pojavi na površini tekočine tudi pri sobni temperaturi.

Ali v plinih obstajajo medmolekularne interakcije?

Plinasto stanje snovi se razlikuje od tekočega in trdnega po številnih parametrih. Med strukturnimi delci plinov so velike vrzeli, veliko večje od velikosti molekul. V tem primeru sile privlačnosti sploh ne delujejo. Plinasto agregatno stanje je značilno za snovi, ki so prisotne v sestavi zraka: dušik, kisik, ogljikov dioksid. Na spodnji sliki je prva kocka napolnjena s plinom, druga s tekočino in tretja s trdno snovjo.

Mnoge tekočine so hlapne, molekule snovi se odcepijo od njihove površine in preidejo v zrak. Na primer, če k odprtini odprte steklenice s klorovodikovo kislino prinesete vatirano palčko, namočeno v amoniak, se pojavi bel dim. Prav v zraku pride do kemične reakcije med klorovodikovo kislino in amoniakom, dobimo amonijev klorid. V kakšnem agregatnem stanju je ta snov? Njeni delci, ki tvorijo bel dim, so najmanjši trdni kristali soli. Ta poskus je treba izvesti pod napo, snovi so strupene.

Zaključek

Agregatno stanje plina so preučevali številni izjemni fiziki in kemiki: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Claiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Znanstveniki so oblikovali zakone, ki pojasnjujejo obnašanje plinastih snovi v kemičnih reakcijah, ko se spremenijo zunanji pogoji. Odprte zakonitosti niso le vstopile v šolske in univerzitetne učbenike fizike in kemije. Številne kemične industrije temeljijo na znanju o obnašanju in lastnostih snovi v različnih agregatnih stanjih.

Agregatna stanja snovi (iz latinskega aggrego - pritrjujem, povezujem) - to so stanja iste snovi, prehodi med katerimi ustrezajo nenadnim spremembam proste energije, entropije, gostote in drugih fizikalnih parametrov snovi.

Plin (francosko gaz, izpeljanka iz grškega chaos - kaos) je agregatno stanje snovi, v katerem so interakcijske sile njenih delcev, ki zapolnjujejo celotno prostornino, ki jim je namenjena, zanemarljive. V plinih so medmolekulske razdalje velike in molekule se gibljejo skoraj prosto.

• Pline lahko obravnavamo kot močno pregrete ali nizko nasičene hlape.
• Nad površino vsake tekočine je zaradi izhlapevanja para. Ko se parni tlak dvigne do določene meje, imenovane nasičeni parni tlak, se izhlapevanje tekočine ustavi, saj se tlak pare in tekočine izenačita.
• Zmanjšanje prostornine nasičene pare povzroči, da nekaj pare kondenzira, namesto da bi se povečal tlak. Zato parni tlak ne more biti višji od nasičenega parnega tlaka. Za stanje nasičenosti je značilna masa nasičenosti v 1 m3 mase nasičene pare, ki je odvisna od temperature. Nasičena para lahko postane nenasičena, če se poveča prostornina ali temperatura. Če je temperatura pare veliko višja od vrelišča, ki ustreza danemu tlaku, se para imenuje pregreta.

Plazma Imenuje se delno ali popolnoma ioniziran plin, v katerem sta gostoti pozitivnih in negativnih nabojev skoraj enaki. Sonce, zvezde, oblaki medzvezdne snovi so sestavljeni iz plinov - nevtralnih ali ioniziranih (plazma). Za razliko od drugih agregatnih stanj je plazma plin nabitih delcev (ionov, elektronov), ki med seboj električno interagirajo na velikih razdaljah, vendar nimajo ne kratkoročnega ne dolgo dosegnega reda v razporeditvi delcev.

Tekočina - To je agregatno stanje snovi, vmesno med trdnim in plinastim.

1. Tekočine imajo nekatere značilnosti trdne snovi (ohranja prostornino, tvori površino, ima določeno natezno trdnost) in plina (prevzame obliko posode, v kateri se nahaja).
2. Toplotno gibanje molekul (atomov) tekočine je kombinacija majhnih nihanj okoli ravnotežnih položajev in pogostih skokov iz enega ravnotežnega položaja v drugega.
3. Hkrati se pojavljajo počasna gibanja molekul in njihova nihanja znotraj majhnih volumnov, pogosti preskoki molekul kršijo daljnosežni red v razporeditvi delcev in povzročajo fluidnost tekočin, majhna nihanja okoli ravnotežnih položajev povzročajo obstoj kratkih -vrstni red v tekočinah.

Tekočine in trdne snovi, za razliko od plinov, lahko obravnavamo kot visoko kondenzirane medije. V njih so molekule (atomi) nameščene veliko bližje drug drugemu in interakcijske sile so za nekaj velikostnih redov večje kot v plinih. Zato imajo tekočine in trdne snovi bistveno omejene možnosti raztezanja, očitno ne morejo zasesti poljubne prostornine, pri konstantnem tlaku in temperaturi pa ohranijo svojo prostornino, ne glede na to, v kateri prostornini so. Prehodi iz bolj urejenega agregatnega stanja v manj urejeno lahko potekajo tudi neprekinjeno. V zvezi s tem je namesto koncepta agregatnega stanja priporočljivo uporabiti širši koncept - koncept faze.

faza je celota vseh delov sistema, ki imajo enako kemično sestavo in so v enakem stanju. To je utemeljeno s hkratnim obstojem termodinamično ravnotežnih faz v večfaznem sistemu: tekočina z lastno nasičeno paro; voda in led na tališču; dve nemešljivi tekočini (mešanica vode s trietilaminom), ki se razlikujeta po koncentraciji; obstoj amorfnih trdnih snovi, ki ohranijo strukturo tekočine (amorfno stanje).

Amorfno trdno stanje snovi je nekakšno preohlajeno stanje tekočine in se od običajnih tekočin razlikuje po bistveno višji viskoznosti in numeričnih vrednostih kinetičnih značilnosti.

Kristalno trdno stanje snovi - to je agregatno stanje, za katerega so značilne velike sile interakcije med delci snovi (atomi, molekule, ioni). Delci trdnih snovi nihajo okoli povprečnih ravnotežnih položajev, imenovanih vozlišča kristalne mreže; za strukturo teh snovi je značilna visoka stopnja urejenosti (red na dolgi in kratki doseg) - red v razporeditvi (koordinacijski red), v orientaciji (orientacijski red) strukturnih delcev ali red v fizikalnih lastnostih ( na primer pri orientaciji magnetnih momentov ali električnih dipolnih momentov). Območje obstoja normalne tekoče faze za čiste tekočine, tekoče in tekoče kristale je omejeno s strani nizkih temperatur s faznimi prehodi v trdno (kristalizacijsko), superfluidno in tekoče-anizotropno stanje.

Mislim, da vsi poznajo 3 osnovna agregatna stanja snovi: tekoče, trdno in plinasto. S temi agregatnimi stanji se srečujemo vsak dan in povsod. Najpogosteje se obravnavajo na primeru vode. Tekoče stanje vode nam je najbolj znano. Nenehno pijemo tekočo vodo, teče nam iz pipe, sami pa smo 70% tekoča voda. Drugo agregatno stanje vode je navaden led, ki ga pozimi vidimo na ulici. Vodo v plinasti obliki zlahka srečamo tudi v vsakdanjem življenju. V plinastem stanju je voda, vsi vemo, para. To se vidi, ko na primer kuhamo kotliček. Da, pri 100 stopinjah voda preide iz tekočega stanja v plinasto.

To so nam poznana tri agregatna stanja snovi. Toda ali ste vedeli, da jih je pravzaprav 4? Mislim, da so vsaj enkrat vsi slišali besedo "plazma". In danes želim, da izveste več tudi o plazmi - četrtem agregatnem stanju.

Plazma je delno ali popolnoma ioniziran plin z enako gostoto pozitivnih in negativnih nabojev. Plazmo lahko dobimo iz plina – iz 3. agregatnega stanja z močnim segrevanjem. Agregatno stanje je na splošno popolnoma odvisno od temperature. Prvo agregatno stanje je najnižja temperatura, pri kateri telo ostane trdno, drugo agregatno stanje je temperatura, pri kateri se telo začne topiti in postajati tekoče, tretje agregatno stanje je najvišja temperatura, pri kateri snov postane plin. Za vsako telo, snov je temperatura prehoda iz enega agregatnega stanja v drugo popolnoma drugačna, pri nekaterih je nižja, pri nekaterih višja, a pri vseh je strogo v tem zaporedju. In pri kateri temperaturi snov postane plazma? Ker je to četrto stanje, pomeni, da je temperatura prehoda v to stanje višja od temperature vsakega prejšnjega. In res je. Za ionizacijo plina je potrebna zelo visoka temperatura. Za najnižjo temperaturo in nizko ionizirano (približno 1%) plazmo so značilne temperature do 100 tisoč stopinj. V zemeljskih razmerah je takšno plazmo mogoče opazovati v obliki strele. Temperatura kanala strele lahko preseže 30 tisoč stopinj, kar je 6-krat več od površinske temperature Sonca. Mimogrede, Sonce in vse druge zvezde so tudi plazma, pogosteje še vedno visoka temperatura. Znanost dokazuje, da je približno 99 % celotne snovi vesolja plazma.

Za razliko od nizkotemperaturne plazme ima visokotemperaturna plazma skoraj 100-odstotno ionizacijo in temperature do 100 milijonov stopinj. To je resnično zvezdna temperatura. Na Zemlji je taka plazma le v enem primeru - za poskuse termonuklearne fuzije. Nadzorovana reakcija je precej zapletena in energetsko intenzivna, nenadzorovana pa se je dovolj izkazala kot orožje ogromne moči - termonuklearna bomba, ki jo je ZSSR preizkusila 12. avgusta 1953.

Plazme ne razvrščamo le po temperaturi in stopnji ionizacije, temveč tudi po gostoti in kvazinevtralnosti. stavek gostota plazme običajno pomeni elektronska gostota, to je število prostih elektronov na enoto volumna. No, s tem mislim, da je vse jasno. Toda vsi ne vedo, kaj je kvazinevtralnost. Kvazinevtralnost plazme je ena njenih najpomembnejših lastnosti, ki je skoraj natančna enakost gostot njenih sestavnih pozitivnih ionov in elektronov. Zaradi dobre električne prevodnosti plazme je ločitev pozitivnih in negativnih nabojev nemogoča na razdaljah, večjih od Debyejeve dolžine, in na časih, večjih od periode plazemskega nihanja. Skoraj vsa plazma je kvazinevtralna. Primer nekvazinevtralne plazme je elektronski žarek. Vendar pa mora biti gostota nenevtralne plazme zelo nizka, sicer hitro razpade zaradi Coulombovega odbijanja.

Upoštevali smo zelo malo zemeljskih primerov plazme. Teh pa je dovolj. Človek se je naučil uporabljati plazmo za svoje dobro. Zahvaljujoč četrtemu agregatnemu stanju snovi lahko uporabljamo plinske sijalke, plazma televizorje, elektroobločno varjenje in laserje. Plazma so tudi navadne fluorescenčne sijalke na električni princip na električni princip. V našem svetu obstaja tudi plazemska svetilka. Uporablja se predvsem v znanosti za preučevanje in, kar je najpomembneje, za opazovanje nekaterih najkompleksnejših pojavov v plazmi, vključno s filamentacijo. Fotografija takšne svetilke je prikazana na spodnji sliki:

Poleg gospodinjskih plazemskih naprav je na Zemlji pogosto mogoče videti tudi naravno plazmo. O enem od njegovih primerov smo že govorili. To je strela. A plazemskim pojavom lahko poleg strele rečemo še severni sij, "ognji svetega Elma", zemeljska ionosfera in seveda ogenj.

Upoštevajte, da gorijo tako ogenj kot strela in druge manifestacije plazme, kot jo imenujemo. Kaj je razlog za tako svetlo emisijo svetlobe plazme? Plazemski sijaj je posledica prehoda elektronov iz visokoenergetskega stanja v nizkoenergijsko stanje po rekombinaciji z ioni. Ta proces vodi do sevanja s spektrom, ki ustreza vzbujenemu plinu. Zato plazma sveti.

Rad bi povedal tudi nekaj o zgodovini plazme. Konec koncev so nekoč samo take snovi, kot sta tekoča sestavina mleka in brezbarvna sestavina krvi, imenovali plazma. Vse se je spremenilo leta 1879. Tega leta je slavni angleški znanstvenik William Crookes, ki je raziskoval električno prevodnost plinov, odkril pojav plazme. Res je, da so to stanje snovi poimenovali plazma šele leta 1928. In to je naredil Irving Langmuir.

Na koncu želim povedati, da je tako zanimiv in skrivnosten pojav, kot je kroglična strela, o kateri sem večkrat pisal na tem mestu, seveda tudi plazmoid, kot navadna strela. To je morda najbolj nenavaden plazmoid od vseh zemeljskih plazemskih pojavov. Konec koncev obstaja približno 400 zelo različnih teorij o kroglični streli, vendar nobena od njih ni priznana kot resnično pravilna. V laboratorijskih pogojih so bili podobni, a kratkotrajni pojavi pridobljeni na več različnih načinov, zato vprašanje narave kroglične strele ostaja odprto.

Tudi navadna plazma je seveda nastala v laboratorijih. Nekoč je bilo težko, zdaj pa tak eksperiment ni težak. Ker je plazma trdno vstopila v naš gospodinjski arzenal, je v laboratorijih na njej veliko poskusov.

Najbolj zanimivo odkritje na področju plazme so bili poskusi s plazmo v breztežnostnem stanju. Izkazalo se je, da plazma kristalizira v vakuumu. Zgodi se takole: nabiti delci plazme se začnejo odbijati in ko imajo omejeno prostornino, zasedejo prostor, ki jim je dodeljen, in se razpršijo v različnih smereh. To je zelo podobno kristalni mreži. Ali to ne pomeni, da je plazma sklepni člen med prvim agregatnim stanjem snovi in ​​tretjim? Navsezadnje postane plazma zaradi ionizacije plina, v vakuumu pa plazma spet postane tako rekoč trdna. Ampak to je samo moje ugibanje.

Plazemski kristali v vesolju imajo tudi precej čudno zgradbo. To strukturo je mogoče opazovati in preučevati samo v vesolju, v pravem vesoljskem vakuumu. Tudi če na Zemlji ustvarite vakuum in tja postavite plazmo, bo gravitacija preprosto stisnila celotno "sliko", ki se oblikuje znotraj. V vesolju pa plazemski kristali preprosto vzletijo in tvorijo volumetrično tridimenzionalno strukturo čudne oblike. Po pošiljanju rezultatov opazovanj plazme v orbiti zemeljskim znanstvenikom se je izkazalo, da vrtinci v plazmi na nenavaden način posnemajo strukturo naše galaksije. In to pomeni, da bo v prihodnosti s preučevanjem plazme mogoče razumeti, kako se je rodila naša galaksija. Spodnje fotografije prikazujejo isto kristalizirano plazmo.

Agregatno stanje- stanje snovi, za katero so značilne določene kvalitativne lastnosti: sposobnost ali nezmožnost ohranjanja prostornine in oblike, prisotnost ali odsotnost reda dolgega in kratkega dosega in druge. Spremembo agregatnega stanja lahko spremlja skokovita sprememba proste energije, entropije, gostote in drugih osnovnih fizikalnih lastnosti.
Obstajajo tri glavna agregatna stanja: trdno, tekoče in plinasto. Včasih ni povsem pravilno razvrstiti plazmo v agregatno stanje. Obstajajo tudi druga agregatna stanja, na primer tekoči kristali ali Bose-Einsteinov kondenzat. Spremembe agregatnega stanja so termodinamični procesi, imenovani fazni prehodi. Razlikujemo naslednje sorte: od trdne do tekoče - taljenje; iz tekočega v plinasto - izhlapevanje in vrenje; iz trdnega v plinasto - sublimacija; iz plinastega v tekoče ali trdno - kondenzacija; iz tekočega v trdno - kristalizacija. Posebna značilnost je odsotnost ostre meje prehoda v stanje plazme.
Definicije agregatnega stanja niso vedno stroge. Torej, obstajajo amorfna telesa, ki ohranjajo strukturo tekočine in imajo malo fluidnosti in sposobnosti ohranjanja oblike; tekoči kristali so tekoči, vendar imajo hkrati nekatere lastnosti trdnih snovi, zlasti lahko polarizirajo elektromagnetno sevanje, ki prehaja skozi njih. Za opis različnih stanj v fiziki se uporablja širši koncept termodinamične faze. Pojave, ki opisujejo prehode iz ene faze v drugo, imenujemo kritični pojavi.
Agregatno stanje snovi je odvisno od fizikalnih pogojev, v katerih se nahaja, predvsem od temperature in tlaka. Odločilna količina je razmerje med povprečno potencialno energijo interakcije molekul in njihovo povprečno kinetično energijo. Torej je za trdno telo to razmerje večje od 1, za pline je manjše od 1, za tekočine pa je približno enako 1. Prehod iz enega agregatnega stanja snovi v drugega spremlja nenadna sprememba vrednost tega razmerja, povezana z nenadno spremembo medmolekulskih razdalj in medmolekulskih interakcij. V plinih so medmolekularne razdalje velike, molekule skoraj ne delujejo med seboj in se skoraj prosto gibljejo, zapolnjujejo celotno prostornino. V tekočinah in trdnih snoveh - kondenziranih medijih - se molekule (atomi) nahajajo veliko bližje druga drugi in močneje medsebojno delujejo.
To vodi do ohranjanja prostornine tekočin in trdnih snovi. Vendar je narava gibanja molekul v trdnih snoveh in tekočinah drugačna, kar pojasnjuje razliko v njihovi zgradbi in lastnostih.
V trdnih snoveh v kristalnem stanju atomi vibrirajo le v bližini vozlišč kristalne mreže; za strukturo teh teles je značilna visoka stopnja urejenosti - red na dolgi in kratki doseg. Toplotno gibanje molekul (atomov) tekočine je kombinacija majhnih nihanj okoli ravnotežnih položajev in pogostih skokov iz enega ravnotežnega položaja v drugega. Slednje določajo obstoj v tekočinah samo kratkoročnega reda v razporeditvi delcev, pa tudi njihovo inherentno mobilnost in fluidnost.
a. Trdna- stanje, za katerega je značilna sposobnost ohranjanja volumna in oblike. Atomi trdnega telesa povzročajo le majhne nihaje okoli stanja ravnovesja. Obstaja vrstni red dolgega in kratkega dosega.
b. Tekočina- agregatno stanje, v katerem ima nizko stisljivost, to pomeni, da dobro ohranja prostornino, vendar ne more ohraniti oblike. Tekočina zlahka prevzame obliko posode, v katero jo damo. Atomi ali molekule tekočine vibrirajo blizu ravnotežnega stanja, zaklenjeni z drugimi atomi, in pogosto skočijo na druga prosta mesta. Obstaja le red kratkega dosega.
Taljenje- to je prehod snovi iz trdnega agregatnega stanja (glej Agregatna stanja snovi) v tekočino. Ta proces poteka med segrevanjem, ko se telesu preda določena količina toplote +Q. Na primer, kovinski svinec z nizkim tališčem preide iz trdnega v tekoče stanje, če se segreje na temperaturo 327 ° C. Svinec se zlahka topi na plinskem štedilniku, na primer v žlici iz nerjavečega jekla (znano je da je temperatura plamena plinskega gorilnika 600-850 ° C, temperatura taljenja jekla pa 1300-1500 ° C).
Če med taljenjem svinca izmerimo njegovo temperaturo, lahko ugotovimo, da sprva postopoma narašča, po določenem trenutku pa kljub nadaljnjemu segrevanju ostane konstantna. Ta trenutek ustreza taljenju. Temperaturo vzdržujemo konstantno, dokler se ves svinec ne stopi, šele nato začne ponovno naraščati. Pri ohlajanju tekočega svinca opazimo ravno nasprotno: temperatura pada do začetka strjevanja in ostane konstantna ves čas, dokler svinec ne preide v trdno fazo, nato pa spet pada.
Vse čiste snovi se obnašajo na enak način. Konstantnost temperature med taljenjem je velikega praktičnega pomena, saj omogoča kalibracijo termometrov, izdelavo varovalk in indikatorjev, ki se talijo pri strogo določeni temperaturi.
Atomi v kristalu vibrirajo okoli svojih ravnotežnih položajev. Z naraščanjem temperature se amplituda nihanja povečuje in doseže določeno kritično vrednost, po kateri se kristalna mreža uniči. To zahteva dodatno toplotno energijo, zato med procesom taljenja temperatura ne naraste, čeprav toplota še naprej teče.
Tališče snovi je odvisno od tlaka. Pri snoveh, katerih prostornina se med taljenjem poveča (teh je velika večina), se s povišanjem tlaka zviša tališče in obratno. Pri vodi se med taljenjem prostornina zmanjša (zato voda ob zmrzovanju pretrga cevi), pri povečanju tlaka pa se led tali pri nižji temperaturi. Bizmut, galij in nekatere vrste litega železa se obnašajo podobno.
v. Plin- stanje, za katerega je značilna dobra stisljivost, pomanjkanje sposobnosti ohranjanja volumna in oblike. Plin ponavadi zasede celotno prostornino, ki mu je na voljo. Atomi ali molekule plina se obnašajo relativno prosto, razdalje med njimi so veliko večje od njihove velikosti.
Plazma, ki jo pogosto imenujemo stanje agregacije snovi, se od plina razlikuje po visoki stopnji ionizacije atomov. Večina barionske snovi (po masi pribl. 99,9 %) v vesolju je v stanju plazme.
g. C superkritična tekočina- Pojavi se ob hkratnem povečanju temperature in tlaka do kritične točke, pri kateri se gostota plina primerja z gostoto tekočine; v tem primeru izgine meja med tekočo in plinasto fazo. Superkritična tekočina ima izjemno visoko moč raztapljanja.
d. Bose-Einsteinov kondenzat- se pridobi z ohlajanjem Bosejevega plina na temperature blizu absolutne ničle. Posledično so nekateri atomi v stanju s strogo ničelno energijo (to je v najnižjem možnem kvantnem stanju). Bose-Einsteinov kondenzat ima številne kvantne lastnosti, kot sta superfluidnost in Fischbachova resonanca.
e. Fermionski kondenzat- je Bose-kondenzacija v načinu BCS "atomskih Cooperjevih parov" v plinih, sestavljenih iz fermionskih atomov. (V nasprotju s tradicionalnim načinom Bose-Einsteinove kondenzacije sestavljenih bozonov).
Takšni fermionski atomski kondenzati so "sorodniki" superprevodnikov, vendar s kritično temperaturo reda sobne temperature in več.
Degenerirana snov – Fermijev plin 1. stopnje Elektronski degenerirani plin, opažen pri belih pritlikavkah, igra pomembno vlogo pri razvoju zvezd. 2. stopnja je nevtronsko stanje, kjer snov prehaja pod ultra visokim tlakom, kar je v laboratoriju še nedosegljivo, vendar obstaja znotraj nevtronskih zvezd. Pri prehodu v nevtronsko stanje elektroni snovi medsebojno delujejo s protoni in se spremenijo v nevtrone. Zaradi tega je snov v nevtronskem stanju v celoti sestavljena iz nevtronov in ima gostoto jedrskega reda. Temperatura snovi v tem primeru ne sme biti previsoka (v energijskem ekvivalentu ne več kot sto MeV).
Z močnim povišanjem temperature (na stotine MeV in več) se v nevtronskem stanju začnejo rojevati in anihilirati različni mezoni. Z nadaljnjim naraščanjem temperature pride do dekonfinacije in snov preide v stanje kvark-gluonske plazme. Ne sestoji več iz hadronov, ampak iz stalno rojenih in izginjajočih kvarkov in gluonov. Morda dekonfinacija poteka v dveh fazah.
Z nadaljnjim neomejenim naraščanjem tlaka brez dviga temperature se snov sesede v črno luknjo.
Ob hkratnem povečanju tlaka in temperature se kvarkom in gluonom dodajo še drugi delci. Kaj se dogaja s snovjo, prostorom in časom pri temperaturah blizu Planckove temperature, še vedno ni znano.
Druge države
Pri globokem ohlajanju preidejo nekatere (še zdaleč ne vse) snovi v superprevodno ali superfluidno stanje. Ta stanja so seveda ločene termodinamične faze, vendar si zaradi svoje neuniverzalnosti komaj zaslužijo, da jih imenujemo nova agregatna stanja snovi.
Nehomogene snovi, kot so paste, geli, suspenzije, aerosoli ipd., ki pod določenimi pogoji izkazujejo lastnosti tako trdnih snovi kot tekočin in celo plinov, običajno uvrščamo med razpršene materiale in ne v katera koli posebna agregatna stanja snovi.

Odvisno od temperature in tlaka lahko vsaka snov prevzame različna agregatna stanja. Za vsako takšno stanje so značilne določene kvalitativne lastnosti, ki ostanejo nespremenjene v okviru temperatur in tlakov, potrebnih za dano agregatno stanje.

Med značilne lastnosti agregatnih stanj spada na primer sposobnost telesa v trdnem stanju, da ohranja svojo obliko, ali obratno, sposobnost tekočega telesa, da spreminja obliko. Včasih pa so meje med različnimi agregatnimi stanji precej zabrisane, kot pri tekočih kristalih oziroma tako imenovanih »amorfnih telesih«, ki so lahko elastična kot trdne snovi in ​​tekoča kot tekočine.

Prehod med agregatnimi stanji se lahko zgodi s sproščanjem proste energije, spremembami gostote, entropije ali drugih fizikalnih količin. Prehod iz enega agregatnega stanja v drugo imenujemo fazni prehod, pojave, ki spremljajo takšne prehode, pa imenujemo kritični pojavi.

Seznam znanih agregatnih stanj