Агрегатные состояния вещества

Агрегатные состояния вещества

    Определение 1

    Агрегатные состояния вещества (от лат. “aggrego” означает “присоединяю”, “связываю”) – это состояния одного и того же вещества в твердом, жидком и газообразном виде.

    При переходе из одного состояния в другое наблюдается скачкообразное изменение энергии, энтропии, плотности и прочих свойств вещества.

    Твердые и жидкие тела

    Определение 2

    Твердые тела – это тела, которые отличаются постоянством своей формы и объема.

    В твердых телах межмолекулярные расстояния маленькие, а потенциальную энергию молекул можно сравнить с кинетической.

    Твёрдые тела подразделяются на 2 вида:

    1. Кристаллические;
    2. Аморфные.

    В состоянии термодинамического равновесия находятся только лишь кристаллические тела. Аморфные же тела по факту представляют собой метастабильные состояния, которые по строению схожи с неравновесными, медленно кристаллизующимися жидкостями. В аморфном теле происходит чересчур медленный процесс кристаллизации, процесс постепенного преобразования вещества в кристаллическую фазу. Разница кристалла от аморфного твердого тела состоит, в первую очередь, в анизотропии его свойств. Свойства кристаллического тела определяются в зависимости от направления в пространстве. Разнообразные процессы (например, теплопроводность, электропроводность, свет, звук) распространяются в разных направлениях твердого тела по-разному. А вот аморфные тела (например, стекло, смолы, пластмассы) изотропные, как и жидкости. Разница аморфных тел от жидкостей заключается лишь только в том, что последние текучие, в них не происходят статические деформации сдвига.

    У кристаллических тел правильное молекулярное строение. Именно за счет правильного строения кристалл имеет анизотропные свойства. Правильное расположение атомов кристалла создает так называемую кристаллическую решетку. В разных направлениях месторасположение атомов в решетке различное, что и приводит к анизотропии. Атомы (ионы либо целые молекулы) в кристаллической решетке совершают беспорядочное колебательное движение возле средних положений, которые и рассматриваются в качестве узлов кристаллической решетки. Чем выше температура, тем выше энергия колебаний, а значит, и средняя амплитуда колебаний. В зависимости от амплитуды колебаний определяется размер кристалла. Увеличение амплитуды колебаний приводит к увеличению размеров тела. Таким образом, объясняется тепловое расширение твердых тел.

    Определение 3

    Жидкие тела – это тела, имеющие определенный объем, но не имеющие упругой формы.

    Для вещества в жидком состоянии характерно сильное межмолекулярное взаимодействие и малая сжимаемость. Жидкость занимает промежуточное положение между твердым телом и газом. Жидкости, также как и газы, обладают изотpопными свойствами. Помимо этого, жидкость обладает свойством текучести. В ней, как и в газах, нет касательного напряжения (напряжения на сдвиг) тел. Жидкости тяжелые, то есть их удельные веса можно сравнить с удельными весами твердых тел. Вблизи температур кристаллизации их теплоемкости и прочие тепловые свойства близки к соответствующим свойствам твердых тел. В жидкостях наблюдается до заданной степени правильное расположение атомов, но только лишь в маленьких областях. Здесь атомы также проделывают колебательное движение около узлов квазикристаллической ячейки, однако в отличие от атомов твердого тела они периодически перескакивают от одного узла к другому. В итоге движение атомов будет весьма сложное: колебательное, но вместе с тем центр колебаний перемещается в пространстве.

    Газ, испарение, конденсация и плавление

    Определение 4

    Газ – это такое состояние вещества, при котором расстояния между молекулами огромны.

    Силами взаимодействия между молекулами при небольших давлениях можно пренебречь. Частицы газа заполоняют весь объем, который предоставлен для газа. Газы рассматривают как сильно перегретые либо ненасыщенные пары. Особый вид газа – плазма (частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов почти одинаковые). То есть плазма – это газ из заряженных частиц, взаимодействующих между собой при помощи электрических сил на большом расстоянии, но не имеющих ближнего и дальнего расположения частиц.

    Как известно, вещества способны переходить из одного агрегатного состояния в другое.

    Определение 5

    Испарение – это процесс изменения агрегатного состояния вещества, при котором с поверхности жидкости либо твердого тела вылетают молекулы, кинетическая энергия которых преобразовывает потенциальную энергию взаимодействия молекул.

    Испарение является фазовым переходом. При испарении часть жидкости или твердого тела преобразуется в пар.

    Определение 6

    Вещество в газообразном состоянии, которое находится в динамическом равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром. При этом изменение внутренней энергии тела равняется:

    U=±mr (1),

    где m – это масса тела, r – это удельная теплота парообразования (Дж/кг).

    Определение 7

    Конденсация представляет собой процесс, обратный парообразованию.

    Изменение внутренней энергии рассчитывается по формуле (1).

    Определение 8

    Плавление – это процесс преобразования вещества из твердого состояния в жидкое, процесс изменения агрегатного состояния вещества.

    При нагревании вещества растет его внутренняя энергия, поэтому увеличивается скорость теплового движения молекул. При достижении веществом своей температуры плавления кристаллическая решетка твердого тела разрушается. Связи между частицами также разрушаются, растет энергия взаимодействия между частицами. Теплота, которая передается телу, идет на увеличение внутренней энергии данного тела, и часть энергии расходуется на совершение работы по изменению объема тела при его плавлении. У многих кристаллических тел объем увеличивается при плавлении, однако есть исключения (к примеру, лед, чугун). Аморфные тела не обладают определенной температурой плавления. Плавление представляет собой фазовый переход, который характеризуется скачкообразным изменением теплоемкости при температуре плавления. Температура плавления зависит от вещества и она остается неизменной в ходе процесса. Тогда изменение внутренней энергии тела равняется:

    U=±mλ (2),

    где λ – это удельная теплота плавления (Дж/кг).

    Определение 9

    Кристаллизация представляет собой процесс, обратный плавлению.

    Изменение внутренней энергии рассчитывается по формуле (2).

    Изменение внутренней энергии каждого тела системы при нагревании или охлаждении вычисляется по формуле:

    U=mcT (3),

    где c – это удельная теплоемкость вещества, ДжкгК, T – это изменение температуры тела.

    Определение 10

    При рассматривании преобразований веществ из одних агрегатных состояний в другие нельзя обойтись без так называемого уравнения теплового баланса: суммарное количество теплоты, выделяемое в теплоизолированной системе, равняется количеству теплоты (суммарному), которое в данной системе поглощается.

    Q1+Q2+Q3+...+Qn=Q'1+Q'2+Q'3+...+Q'k.

    По сути, уравнение теплового баланса – это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в термоизолированных системах.

    Пример 1

    В теплоизолированном сосуде находятся вода и лед с температурой ti=0°C. Масса воды mυ и льда mi соответственно равняется 0,5 кг и 60 г. В воду впускают водяной пар массой mp=10 г при температуре tp=100°C. Какой будет температура воды в сосуде после того, как установится тепловое равновесие? При этом теплоемкость сосуда учитывать не нужно.

    Рисунок 1

    Решение

    Определим, какие процессы осуществляются в системе, какие агрегатные состояния вещества мы наблюдали и какие получили.

    Водяной пар конденсируется, отдавая при этом тепло.

    Тепловая энергия идет на плавление льда и, может быть, нагревание имеющейся и полученной изо льда воды.

    Прежде всего, проверим, сколько теплоты выделяется при конденсации имеющейся массы пара:

    Qp=-rmp;Qp=2,26·106·10-2=2,26·104 (Дж),

    здесь из справочных материалов у нас есть r=2,26·106 Джкг – удельная теплота парообразования (применяется и для конденсации).

    Для плавления льда понадобится следующее количество тепла:

    Qi=λmiQi=6·10-2·3,3·1052·104 (Дж),

    здесь из справочных материалов у нас есть λ=3,3·105 Джкг – удельная теплота плавления льда.

    Выходит, что пар отдает тепла больше, чем необходимо, только для расплавления имеющегося льда, значит, уравнение теплового баланса запишем следующим образом:

    rmp+cmp(Tp-T)=λmi+c(mυ+mi)(T-Ti).

    Теплота выделяется при конденсации пара массой mp и остывании воды, образуемой из пара от температуры Tp до искомой T. Теплота поглощается при плавлении льда массой mi и нагревании воды массой mυ+mi от температуры Ti до T. Обозначим T-Ti=T для разности Tp-T получаем:

    Tp-T=Tp-Ti-T=100-T.

    Уравнение теплового баланса будет иметь вид:

    rmp+cmp(100-T)=λmi+c(mυ+mi)T;c(mυ+mi+mp)T=rmp+cmp100-λmi;T=rmp+cmp100-λmicmυ+mi+mp.

    Сделаем вычисления с учетом того, что теплоемкость воды табличная

    c=4,2·103 ДжкгК, Tp=tp+273=373 К, Ti=ti+273=273 К:T=2,26·106·10-2+4,2·103·10-2·102-6·10-2·3,3·1054,2·103·5,7·10-13 (К),

    тогда T=273+3=276 К

    Ответ: Температура воды в сосуде после установления теплового равновесия будет равняться 276 К.

    Пример 2

    На рисунке 2 изображен участок изотермы, который отвечает переходу вещества из кристаллического в жидкое состояние. Что соответствует данному участку на диаграмме p,T?

    Рисунок 2

    Ответ: Вся совокупность состояний, которые изображены на диаграмме p,V горизонтальным отрезком прямой на диаграмме p,T показано одной точкой, которая определяет значения p и T, при которых происходит преобразование из одного агрегатного состояния в другое.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    4,2 из 5 (13 голосов)