Osnovne formule, opis stanja materije. Agregatna stanja materije. Fizička svojstva tijela u različitim agregatnim stanjima. Zavisnost linearnih dimenzija tijela o temperaturi. Kako se mijenjaju agregatna stanja sumpora?

Ciljevi lekcije:

• produbljuju i uopštavaju znanja o agregatnim agregatnim stanjima materije, proučavaju u kojim stanjima supstance mogu postojati.

Ciljevi lekcije:

Edukativni – formulirajte ideju o svojstvima čvrstih tijela, plinova, tekućina.

Razvojni – razvijanje govornih sposobnosti učenika, analiza, zaključivanje o obrađenom i proučavanom gradivu.

Vaspitno – usađivanje mentalnog rada, stvaranje svih uslova za povećanje interesovanja za predmet koji se proučava.

Ključni pojmovi:

Stanje agregacije- ovo je stanje materije koje se odlikuje određenim kvalitativnim svojstvima: - sposobnošću ili nemogućnošću održavanja oblika i volumena; - prisustvo ili odsustvo naloga kratkog i dugog dometa; - od strane drugih.

Fig.6. Agregatno stanje tvari pri promjenama temperature.

Kada supstanca pređe iz čvrstog u tečno stanje, to se naziva otapanjem, obrnuti proces se naziva kristalizacija. Kada supstanca pređe iz tečnosti u gas, ovaj proces se naziva isparavanjem, a u tečnost iz gasa - kondenzacijom. A prijelaz direktno u plin iz čvrste tvari, zaobilazeći tekućinu, je sublimacija, obrnuti proces je desublimacija.

1.Kristalizacija; 2. Topljenje; 3. Kondenzacija; 4. Vaporizacija;

5. Sublimacija; 6. Desublimacija.

Ove primjere tranzicija viđamo stalno u svakodnevnom životu. Kada se led topi, pretvara se u vodu, a voda zauzvrat isparava stvarajući paru. Ako je pogledamo u suprotnom smjeru, para se, kondenzirajući, počinje ponovno pretvarati u vodu, a voda se zauzvrat smrzava i postaje led. Miris svakog čvrstog tijela je sublimacija. Neki molekuli izlaze iz tijela i stvara se plin koji odaje miris. Primjer obrnutog procesa su uzorci na staklu zimi, kada se para u zraku smrzava i taloži na staklu.

Video prikazuje promjenu agregacijskog stanja tvari.

Kontrolni blok.

1.Nakon smrzavanja voda se pretvorila u led. Jesu li se molekuli vode promijenili?

2.Medicinski etar se koristi u zatvorenom prostoru. I zbog toga tamo obično jako miriše na njega. U kakvom je stanju etar?

3.Šta se dešava sa oblikom tečnosti?

4.Ice. Kakvo je ovo stanje vode?

5.Šta se događa kada se voda smrzne?

Zadaća.

Odgovori na pitanja:

1. Da li je moguće napuniti polovinu zapremine posude gasom? Zašto?

2. Da li azot i kiseonik mogu postojati u tečnom stanju na sobnoj temperaturi?

3. Da li gvožđe i živa mogu postojati u gasovitom stanju na sobnoj temperaturi?

4. U mraznom zimskom danu, magla se stvorila iznad rijeke. Kakvo je ovo stanje materije?

Vjerujemo da materija ima tri agregatna stanja. Zapravo, ima ih najmanje petnaest, a lista ovih stanja se svakodnevno povećava. To su: amorfna čvrsta, čvrsta, neutronijumska, kvark-gluonska plazma, jako simetrična materija, slabo simetrična materija, fermionski kondenzat, Bose-Ajnštajnov kondenzat i čudna materija.

Stanje agregacije- ovo je stanje supstance u određenom rasponu temperatura i pritisaka, koje karakterišu svojstva: sposobnost (čvrsta materija) ili nesposobnost (tečnost, gas) da održi zapreminu i oblik; prisustvo ili odsustvo dugog dometa (čvrsto) ili kratkog dometa (tečno) i druga svojstva.

Supstanca može biti u tri agregatna stanja: čvrsto, tečno ili gasovito, trenutno se razlikuje dodatno plazma (jonsko) stanje.

IN gasoviti U ovom stanju, udaljenost između atoma i molekula supstance je velika, sile interakcije su male i čestice, koje se haotično kreću u prostoru, imaju veliku kinetičku energiju koja premašuje potencijalnu energiju. Materijal u gasovitom stanju nema ni svoj oblik ni zapreminu. Plin ispunjava sav raspoloživi prostor. Ovo stanje je tipično za supstance male gustine.

IN tečnost stanju, očuvan je samo poredak atoma ili molekula kratkog dometa, kada se u volumenu tvari periodično pojavljuju pojedina područja s uređenim rasporedom atoma, ali izostaje i međusobna orijentacija tih područja. Poredak kratkog dometa je nestabilan i pod uticajem toplotnih vibracija atoma može ili nestati ili se ponovo pojaviti. Molekuli tekućine nemaju određeni položaj, a istovremeno nemaju potpunu slobodu kretanja. Materijal u tečnom stanju nema svoj oblik, zadržava samo svoj volumen. Tečnost može da zauzme samo deo zapremine posude, ali slobodno teče po celoj površini posude. Tečno stanje se obično smatra srednjim između čvrste supstance i gasa.

IN teško U supstanciji, raspored atoma postaje striktno određen, prirodno uređen, sile interakcije između čestica su međusobno uravnotežene, pa tijela zadržavaju svoj oblik i volumen. Redovno uređen raspored atoma u prostoru karakteriše kristalno stanje; atomi formiraju kristalnu rešetku.

Čvrste tvari imaju amorfnu ili kristalnu strukturu. Za amorfna tijela karakterizira samo poredak kratkog dometa u rasporedu atoma ili molekula, haotični raspored atoma, molekula ili jona u prostoru. Primjeri amorfnih tijela su staklo, smola, var, koja su spolja u čvrstom stanju, iako u stvari teku sporo, poput tečnosti. Amorfna tijela, za razliku od kristalnih, nemaju određenu tačku topljenja. Amorfne čvrste materije zauzimaju srednju poziciju između kristalnih čvrstih materija i tečnosti.

Većina čvrstih materija ima kristalno struktura koju karakteriše uredan raspored atoma ili molekula u prostoru. Kristalnu strukturu karakterizira dalekosežni poredak, kada se elementi strukture periodično ponavljaju; kod kratkog dometa nema tako ispravnog ponavljanja. Karakteristična karakteristika kristalnog tijela je sposobnost održavanja svog oblika. Znak idealnog kristala, čiji je model prostorna rešetka, svojstvo je simetrije. Simetrija se odnosi na teorijsku sposobnost kristalne rešetke čvrstog tijela da se poravna sa sobom kada se njegove točke ogledaju iz određene ravni, koja se naziva ravan simetrije. Simetrija spoljašnjeg oblika odražava simetriju unutrašnje strukture kristala. Na primjer, svi metali imaju kristalnu strukturu i karakteriziraju ih dvije vrste simetrije: kubna i heksagonalna.

U amorfnim strukturama s neuređenom raspodjelom atoma svojstva tvari u različitim smjerovima su ista, odnosno staklaste (amorfne) tvari su izotropne.

Sve kristale karakteriše anizotropija. U kristalima su udaljenosti između atoma uređene, ali u različitim smjerovima stupanj uređenosti možda nije isti, što dovodi do razlika u svojstvima kristalne tvari u različitim smjerovima. Ovisnost svojstava kristalne tvari o smjeru u njenoj rešetki naziva se anizotropija svojstva. Anizotropija se manifestuje pri mjerenju i fizičkih i mehaničkih i drugih karakteristika. Postoje svojstva (gustina, toplinski kapacitet) koja ne zavise od smjera u kristalu. Većina karakteristika ovisi o izboru smjera.

Moguće je izmjeriti svojstva predmeta koji imaju određenu zapreminu materijala: veličine - od nekoliko milimetara do desetina centimetara. Ovi objekti sa strukturom identičnom kristalnoj ćeliji nazivaju se monokristali.

Anizotropija svojstava se manifestira u monokristalima i praktički je odsutna u polikristalnoj tvari, koja se sastoji od mnogo malih nasumično orijentiranih kristala. Stoga se polikristalne tvari nazivaju kvazi-izotropnim.

Kristalizacija polimera, čije se molekule mogu rasporediti na uredan način, formiranjem supramolekularnih struktura u obliku paketa, zavojnica (globula), fibrila itd., događa se u određenom temperaturnom rasponu. Složena struktura molekula i njihovih agregata određuje specifično ponašanje polimera pri zagrijavanju. Ne mogu preći u tečno stanje niskog viskoziteta i nemaju gasovito stanje. U čvrstom obliku, polimeri mogu biti u staklastom, visokoelastičnom i viskoznom stanju. Polimeri sa linearnim ili razgranatim molekulima mogu prelaziti iz jednog stanja u drugo kada se temperatura promeni, što se manifestuje u procesu deformacije polimera. Na sl. Na slici 9 prikazana je ovisnost deformacije o temperaturi.

Rice. 9 Termomehanička kriva amorfnog polimera: t c , t T, t p - staklena tranzicija, fluidnost i temperatura početka hemijskog raspadanja; I - III - zone staklastog, visoko elastičnog i viskoznog stanja; Δ l- deformacija.

Prostorna struktura rasporeda molekula određuje samo staklasto stanje polimera. Na niskim temperaturama svi polimeri se elastično deformiraju (slika 9, zona I). Iznad temperature prelaska stakla t c amorfni polimer sa linearnom strukturom prelazi u visoko elastično stanje ( zona II), a njegova deformacija u staklastom i visokoelastičnom stanju je reverzibilna. Grejanje iznad tačke tečenja t t prenosi polimer u stanje viskoznog tečenja ( zona III). Deformacija polimera u stanju viskoznog tečenja je nepovratna. Amorfni polimer sa prostornom (mrežnom, umreženom) strukturom nema viskozno stanje tečenja, područje temperature visoko elastičnog stanja se širi do temperature raspadanja polimera t R. Ovo ponašanje je tipično za materijale kao što je guma.

Temperatura tvari u bilo kojem stanju agregacije karakterizira prosječnu kinetičku energiju njenih čestica (atoma i molekula). Ove čestice u telima poseduju uglavnom kinetičku energiju vibracionih kretanja u odnosu na centar ravnoteže, gde je energija minimalna. Kada se postigne određena kritična temperatura, čvrsti materijal gubi svoju čvrstoću (stabilnost) i topi se, a tekućina se pretvara u paru: ključa i isparava. Ove kritične temperature su tačke topljenja i ključanja.

Kada se kristalni materijal zagrije na određenoj temperaturi, molekuli se kreću toliko energično da se krute veze u polimeru raskidaju, a kristali se uništavaju - prelaze u tekuće stanje. Temperatura na kojoj su kristali i tečnost u ravnoteži naziva se tačka topljenja kristala ili tačka očvršćavanja tečnosti. Za jod je ova temperatura 114 o C.

Svaki hemijski element ima individualnu tačku topljenja t pl, razdvajajući postojanje čvrste i tečnosti, i tačku ključanja t kip, što odgovara prelasku tečnosti u gas. Na ovim temperaturama tvari su u termodinamičkoj ravnoteži. Promjena agregatnog stanja može biti praćena naglom promjenom slobodne energije, entropije, gustine i dr. fizičke veličine.

Da opišem različite države u fizika koristi širi koncept termodinamička faza. Pojave koje opisuju prelaze iz jedne faze u drugu nazivaju se kritičnim.

Kada se zagriju, tvari prolaze kroz fazne transformacije. Kada se bakar topi (1083 o C) pretvara se u tečnost u kojoj atomi imaju samo kratkoročni poredak. Pri pritisku od 1 atm, bakar ključa na 2310 o C i pretvara se u gasoviti bakar sa nasumično raspoređenim atomima bakra. Na tački topljenja, pritisci zasićene pare kristala i tečnosti su jednaki.

Materijal kao celina je sistem.

Sistem- grupa kombinovanih supstanci fizički, hemijske ili mehaničke interakcije. Faza naziva se homogenim dijelom sistema, odvojenim od ostalih dijelova fizičke granice interfejsa (u livenom gvožđu: grafit + zrna gvožđa; u vodi sa ledom: led + voda).Komponente sistemi su različite faze koje čine dati sistem. Komponente sistema- to su supstance koje formiraju sve faze (komponente) datog sistema.

Materijali koji se sastoje od dvije ili više faza su raspršen sistemima Dispergovani sistemi se dele na solove, čije ponašanje podseća na ponašanje tečnosti, i gelove sa karakterističnim svojstvima čvrstih materija. U solovima, disperzioni medij u kojem je supstanca raspoređena je tečna, u gelovima prevladava čvrsta faza. Gelovi su polukristalni metal, beton, rastvor želatine u vodi na niskim temperaturama (na visokim temperaturama želatin se pretvara u sol). Hidrosol je disperzija u vodi, a aerosol je disperzija u vazduhu.

Dijagrami statusa.

U termodinamičkom sistemu, svaku fazu karakterišu parametri kao što je temperatura T, koncentracija With i pritisak R. Za opis faznih transformacija koristi se jedna energetska karakteristika - Gibbsova slobodna energija ΔG(termodinamički potencijal).

Termodinamika u opisivanju transformacija je ograničena na razmatranje stanja ravnoteže. Stanje ravnoteže termodinamički sistem karakteriše nepromjenjivost termodinamičkih parametara (temperatura i koncentracija, jer u tehnološkim tretmanima R= const) u vremenu i odsustvu tokova energije i materije u njemu – uz konstantne spoljašnje uslove. Fazna ravnoteža- stanje ravnoteže termodinamičkog sistema koji se sastoji od dvije ili više faza.

Da bi se matematički opisali uslovi ravnoteže sistema, postoji fazno pravilo, izveden od Gibbsa. On povezuje broj faza (F) i komponenti (K) u ravnotežnom sistemu sa promjenljivošću sistema, odnosno brojem termodinamičkih stupnjeva slobode (C).

Broj termodinamičkih stupnjeva slobode (varijanse) sistema je broj nezavisnih varijabli, kako unutrašnjih (hemijski sastav faza) tako i vanjskih (temperatura), kojima se mogu dati različite proizvoljne (u određenom rasponu) vrijednosti tako da se nove faze ne pojavljuju i stare faze ne nestaju .

jednadžba Gibbsovog faznog pravila:

C = K - F + 1.

U skladu sa ovim pravilom, u sistemu od dve komponente (K = 2) mogući su sledeći stepeni slobode:

Za jednofazno stanje (F = 1) C = 2, tj. možete promijeniti temperaturu i koncentraciju;

Za dvofazno stanje (F = 2) C = 1, tj. može se promijeniti samo jedan vanjski parametar (na primjer, temperatura);

Za trofazno stanje, broj stupnjeva slobode je nula, odnosno temperatura se ne može mijenjati bez narušavanja ravnoteže u sistemu (sistem je invarijantan).

Na primjer, za čisti metal (K = 1) tokom kristalizacije, kada postoje dvije faze (F = 2), broj stupnjeva slobode je nula. To znači da se temperatura kristalizacije ne može mijenjati dok se proces ne završi i ne ostane jedna faza – čvrsti kristal. Nakon završetka kristalizacije (F = 1), broj stupnjeva slobode je 1, tako da možete promijeniti temperaturu, odnosno hladiti čvrstu supstancu bez narušavanja ravnoteže.

Ponašanje sistema ovisno o temperaturi i koncentraciji opisano je faznim dijagramom. Fazni dijagram vode je sistem sa jednom komponentom H 2 O, stoga je najveći broj faza koje istovremeno mogu biti u ravnoteži tri (slika 10). Ove tri faze su tečnost, led, para. Broj stepeni slobode u ovom slučaju je nula, tj. Ni tlak ni temperatura se ne mogu mijenjati a da nijedna faza ne nestane. Običan led, tečna voda i vodena para mogu istovremeno postojati u ravnoteži samo pri pritisku od 0,61 kPa i temperaturi od 0,0075 °C. Tačka u kojoj koegzistiraju tri faze naziva se trostruka tačka ( O).

Curve OS razdvaja parni i tekući dio i predstavlja ovisnost tlaka zasićene vodene pare o temperaturi. OS kriva pokazuje one međusobno povezane vrijednosti temperature i pritiska pri kojima su tečna voda i vodena para u ravnoteži jedna s drugom, pa se naziva krivulja ravnoteže tekućina-para ili krivulja ključanja.

Slika 10 Dijagram stanja vode

Curve OB odvaja područje tečnosti od regiona leda. To je kriva ravnoteže čvrstog i tekućeg stanja i naziva se krivulja topljenja. Ova kriva pokazuje one međusobno povezane parove vrijednosti temperature i pritiska na kojima su led i tečna voda u ravnoteži.

Curve O.A. naziva se sublimacionom krivuljom i prikazuje međusobno povezane parove vrijednosti tlaka i temperature pri kojima su led i vodena para u ravnoteži.

Fazni dijagram je vizuelni način predstavljanja regiona postojanja različitih faza u zavisnosti od spoljašnjih uslova, kao što su pritisak i temperatura. Dijagrami stanja se aktivno koriste u nauci o materijalima u različitim tehnološkim fazama proizvodnje proizvoda.

Tečnost se od kristalne čvrste supstance razlikuje po niskim vrednostima viskoziteta (unutrašnje trenje molekula) i visokim vrednostima fluidnosti (recipročna vrednost viskoziteta). Tečnost se sastoji od mnogih agregata molekula, unutar kojih su čestice raspoređene u određenom redosledu, sličnom redosledu u kristalima. Priroda strukturnih jedinica i interakcija među česticama određuje svojstva tečnosti. Postoje tečnosti: jednoatomne (ukapljeni plemeniti gasovi), molekularne (voda), jonske (otopljene soli), metalne (rastopljeni metali), tečni poluprovodnici. U većini slučajeva tečnost nije samo agregatno stanje, već i termodinamička (tečna) faza.

Tečne supstance su najčešće rastvori. Rješenje homogena, ali ne i hemijski čista supstanca, sastoji se od rastvorene supstance i rastvarača (primeri rastvarača su voda ili organski rastvarači: dihloretan, alkohol, ugljen-tetrahlorid itd.), dakle mešavina supstanci. Primjer je otopina alkohola u vodi. Međutim, otopine su također mješavine plinovitih (na primjer, zrak) ili čvrstih (legura metala) tvari.

Kada se ohladi u uslovima niske brzine formiranja centara kristalizacije i snažnog povećanja viskoznosti, može doći do staklastog stanja. Stakla su izotropni čvrsti materijali koji se dobijaju superhlađenjem rastopljenih neorganskih i organskih jedinjenja.

Postoje mnoge poznate supstance čiji se prelazak iz kristalnog stanja u izotropnu tečnost odvija kroz srednje tečno kristalno stanje. Tipičan je za supstance čije molekule imaju oblik dugih štapića (šipova) asimetrične strukture. Takvi fazni prijelazi, praćeni toplinskim efektima, uzrokuju nagle promjene mehaničkih, optičkih, dielektričnih i drugih svojstava.

Tečni kristali, poput tečnosti, mogu imati oblik izdužene kapi ili oblik posude, imaju visoku fluidnost i mogu se spajati. Široko se koriste u raznim oblastima nauke i tehnologije. Njihova optička svojstva u velikoj mjeri zavise od malih promjena u vanjskim uvjetima. Ova karakteristika se koristi u elektro-optičkim uređajima. Konkretno, tekući kristali se koriste u proizvodnji elektronskih ručnih satova, vizualne opreme itd.

Glavna stanja agregacije uključuju plazma- delimično ili potpuno jonizovani gas. Na osnovu načina formiranja razlikuju se dvije vrste plazme: termička, koja nastaje kada se plin zagrije na visoke temperature, i plinovita, koja nastaje tijekom električnih pražnjenja u plinovitom okruženju.

Plazma-hemijski procesi zauzeli su snažno mesto u brojnim granama tehnologije. Koriste se za rezanje i zavarivanje vatrostalnih metala, sintezu raznih supstanci, široko se koriste plazma izvori svjetlosti, obećavajuća je upotreba plazme u termonuklearnim elektranama itd.

U svakodnevnoj praksi moramo se baviti ne odvojeno pojedinačnim atomima, molekulama i ionima, već stvarnim supstancama – skupom velikog broja čestica. U zavisnosti od prirode njihove interakcije razlikuju se četiri tipa agregatnog stanja: čvrsto, tečno, gasovito i plazma. Supstanca se može transformirati iz jednog agregatnog stanja u drugo kao rezultat odgovarajuće fazne tranzicije.

Prisutnost tvari u jednom ili drugom stanju agregacije određena je silama koje djeluju između čestica, udaljenosti između njih i karakteristikama njihovog kretanja. Svako stanje agregacije karakterizira skup određenih svojstava.

Svojstva supstanci u zavisnosti od njihovog agregatnog stanja:

U skladu sa stepenom uređenosti u sistemu, svako agregatno stanje karakteriše sopstveni odnos između kinetičke i potencijalne energije čestica. U čvrstim tijelima potencijal prevladava nad kinetičkim, jer čestice zauzimaju određene pozicije i samo vibriraju oko njih. Za plinove postoji inverzna veza između potencijalne i kinetičke energije, kao posljedica činjenice da se molekule plina uvijek kreću haotično, a među njima gotovo da i nema kohezivnih sila, pa plin zauzima cijeli volumen. U slučaju tečnosti, kinetička i potencijalna energija čestica su približno iste, postoji nekruta veza između čestica, pa se tečnosti odlikuju fluidnošću i konstantnom zapreminom.

Kada čestice supstance formiraju pravilnu geometrijsku strukturu, a energija veza među njima je veća od energije toplotnih vibracija, što sprečava uništavanje postojeće strukture, to znači da je supstanca u čvrstom stanju. Ali počevši od određene temperature, energija toplinskih vibracija premašuje energiju veza između čestica. U ovom slučaju, čestice se, iako ostaju u kontaktu, pomiču jedna u odnosu na drugu. Kao rezultat toga, geometrijska struktura je poremećena i tvar prelazi u tekuće stanje. Ako se termičke vibracije povećaju toliko da se veza između čestica praktički izgubi, tvar poprima plinovito stanje. U “idealnom” gasu, čestice se kreću slobodno u svim smjerovima.

Kako temperatura raste, supstanca prelazi iz uređenog stanja (čvrsto) u neuređeno stanje (gasovito, tečno stanje je srednje po redu čestica).

Četvrto agregacijsko stanje naziva se plazma - plin koji se sastoji od mješavine neutralnih i joniziranih čestica i elektrona. Plazma se formira na ultravisokim temperaturama (10 5 -10 7 0 C) zbog značajne energije sudara čestica koje imaju maksimalan poremećaj kretanja. Obavezna karakteristika plazme, kao i drugih agregatnih stanja, je njena električna neutralnost. Ali kao rezultat poremećenog kretanja čestica u plazmi mogu se pojaviti pojedinačne nabijene mikrozone, zbog čega ona postaje izvor elektromagnetnog zračenja. U stanju plazme materija postoji na zvezdama i drugim svemirskim objektima, kao i tokom termonuklearnih procesa.

Svako stanje agregacije određeno je, prije svega, rasponom temperatura i pritisaka, stoga se za vizualnu kvantitativnu karakteristiku koristi fazni dijagram tvari koji pokazuje ovisnost agregacijskog stanja o tlaku i temperaturi.

Dijagram stanja tvari sa krivuljama faznog prijelaza: 1 - topljenje-kristalizacija, 2 - ključanje-kondenzacija, 3 - sublimacija-desublimacija

Fazni dijagram se sastoji od tri glavna regiona, koji odgovaraju kristalnom, tečnom i gasovitom stanju. Pojedinačne oblasti su odvojene krivuljama koje odražavaju fazne prelaze:

1. čvrsto stanje u tekućinu i obrnuto, tekućina u čvrsto (kriva topljenja-kristalizacije - isprekidani zeleni grafikon)
2. tečnost u plin i reverzna konverzija plina u tekućinu (kriva ključanja-kondenzacije - plavi grafikon)
3. čvrsto u gasovito i gasovito u čvrsto (kriva sublimacije-desublimacije - crveni grafikon).

Koordinate preseka ovih krivulja nazivaju se trostrukom tačkom, u kojoj, u uslovima određenog pritiska P = P in i određene temperature T = T in, supstanca može koegzistirati u tri agregatna stanja odjednom, sa tečnošću i čvrsta stanja koja imaju isti pritisak pare. Koordinate P in i T in jedine su vrijednosti tlaka i temperature na kojima sve tri faze mogu istovremeno koegzistirati.

Tačka K na faznom dijagramu stanja odgovara temperaturi Tk - takozvanoj kritičnoj temperaturi na kojoj kinetička energija čestica premašuje energiju njihove interakcije i stoga se linija razdvajanja tekuće i plinovite faze briše, a supstanca postoji u gasovitom stanju pri bilo kom pritisku.

Iz analize faznog dijagrama proizilazi da se pri visokom pritisku većem nego u trostrukoj tački (P in), zagrijavanje čvrste tvari završava njenim topljenjem, na primjer, kod P 1 do topljenja dolazi u tački d. Daljnji porast temperature od Td do Te dovodi do ključanja supstance pri datom pritisku P1. Pri pritisku P 2 manjem od pritiska u trostrukoj tački P in, zagrevanje supstance dovodi do njenog prelaska direktno iz kristalnog u gasovito stanje (tačka q), odnosno sublimaciji. Za većinu supstanci, pritisak na trostrukoj tački je niži od pritiska zasićene pare (P in

P je zasićena para, dakle, kada se kristali takvih supstanci zagriju, oni se ne tope, već isparavaju, odnosno prolaze kroz sublimaciju. Na primjer, kristali joda ili “suhi led” (čvrsti CO 2) se ponašaju na ovaj način.

Gasovito stanje

U normalnim uslovima (273 K, 101325 Pa), u gasovitom stanju mogu biti i jednostavne supstance, čije se molekule sastoje od jednog (He, Ne, Ar) ili više prostih atoma (H 2, N 2, O 2). stanja tvari male molarne mase (CH 4, HCl, C 2 H 6).

Pošto kinetička energija čestica gasa premašuje njihovu potencijalnu energiju, molekuli u gasovitom stanju neprekidno se kreću nasumično. Zbog velikih udaljenosti između čestica, sile međumolekularne interakcije u plinovima su toliko neznatne da nisu dovoljne da privlače čestice jedna drugoj i drže ih zajedno. Upravo iz tog razloga plinovi nemaju svoj oblik i karakteriziraju ih niska gustoća i visoka sposobnost kompresije i širenja. Zbog toga plin neprestano pritišće zidove posude u kojoj se nalazi, podjednako u svim smjerovima.

Za proučavanje odnosa između najvažnijih parametara gasa (pritisak P, temperatura T, količina supstance n, molarna masa M, masa m) koristi se najjednostavniji model gasovitog stanja supstance - idealan gas, koji se zasniva na sljedećim pretpostavkama:

• interakcija između čestica gasa može se zanemariti;
• same čestice su materijalne tačke koje nemaju svoju veličinu.

Najopštijom jednačinom koja opisuje model idealnog gasa smatra se jednačina Mendeljejev-Klapejron za jedan mol supstance:

Međutim, ponašanje stvarnog gasa se po pravilu razlikuje od idealnog. To se objašnjava, prije svega, činjenicom da još uvijek postoje neznatne sile međusobnog privlačenja između molekula pravog plina, koje do određene mjere komprimiraju plin. Uzimajući to u obzir, ukupni pritisak plina se povećava za iznos a/V 2, koji uzima u obzir dodatni unutrašnji pritisak uzrokovan međusobnim privlačenjem molekula. Kao rezultat, ukupni pritisak gasa je izražen sumom P+ A/V 2. Drugo, molekuli pravog gasa imaju, iako mali, dobro definisanu zapreminu b , dakle stvarna zapremina svih gasova u svemiru je V— b . Prilikom zamjene razmatranih vrijednosti u Mendelejev-Clapeyronovu jednačinu, dobijamo jednačinu stanja realnog plina, koja se naziva van der Waalsova jednačina:

Gdje A I b — empirijski koeficijenti koji se određuju u praksi za svaki stvarni gas. Utvrđeno je da koeficijent a ima veću vrijednost za gasove koji se lako ukapljuju (npr. CO 2, NH 3), a koeficijent b - naprotiv, što je veća veličina, to su veći molekuli gasa (na primer, gasoviti ugljovodonici).

Van der Waalsova jednačina mnogo preciznije opisuje ponašanje stvarnog plina od Mendelejev-Clapeyronove jednačine, koja se, ipak, zbog svog jasnog fizičkog značenja, široko koristi u praktičnim proračunima. Iako je idealno stanje gasa granični, imaginarni slučaj, jednostavnost zakona koji mu odgovaraju, mogućnost njihove primene za opisivanje svojstava mnogih gasova u uslovima niskog pritiska i visokih temperatura čini model idealnog gasa veoma zgodno.

Tečno stanje materije

Tečno stanje bilo koje određene tvari je termodinamički stabilno u određenom rasponu temperatura i pritisaka karakterističnih za prirodu (sastav) ove tvari. Gornja temperaturna granica tečnog stanja je tačka ključanja, iznad koje je supstanca u gasovitom stanju pod uslovima stabilnog pritiska. Donja granica stabilnog stanja postojanja tečnosti je temperatura kristalizacije (očvršćavanja). Temperature ključanja i kristalizacije mjerene pri pritisku od 101,3 kPa nazivaju se normalnim.

Obične tekućine karakterizira izotropija – ujednačenost fizičkih svojstava u svim smjerovima unutar tvari. Ponekad se za izotropiju koriste drugi pojmovi: invarijantnost, simetrija u odnosu na izbor pravca.

U oblikovanju pogleda na prirodu tekućeg stanja važna je ideja kritičnog stanja, koju je otkrio Mendeljejev (1860):

Kritično stanje je stanje ravnoteže u kojem granica razdvajanja između tečnosti i njene pare nestaje jer tečnost i njena zasićena para dobijaju ista fizička svojstva.

U kritičnom stanju, vrijednosti gustoće i specifičnih volumena tekućine i njene zasićene pare postaju iste.

Tečno stanje tvari je srednje između plinovitog i čvrstog. Neka svojstva približavaju tečno stanje čvrstom stanju. Ako čvrste tvari karakterizira kruti poredak čestica, koji se proteže na udaljenosti do stotina tisuća interatomskih ili intermolekularnih radijusa, tada se u tekućem stanju, u pravilu, ne opaža više od nekoliko desetina uređenih čestica. To se objašnjava činjenicom da red između čestica na različitim mjestima tečne tvari brzo nastaje, a isto tako brzo se ponovo „erodira“ toplinskim vibracijama čestica. Istovremeno, ukupna gustina "pakovanja" čestica malo se razlikuje od čvrste materije, tako da se gustina tečnosti ne razlikuje mnogo od gustine većine čvrstih materija. Osim toga, sposobnost tečnosti da se kompresuju je skoro jednako niska kao i čvrstih materija (oko 20.000 puta manja od sposobnosti gasova).

Strukturna analiza je potvrdila da tečnosti ispoljavaju tzv zatvori red, što znači da su broj najbližih “susjeda” svakog molekula i njihov relativni položaj približno isti u cijelom volumenu.

Relativno mali broj čestica različitog sastava povezanih silama međumolekulske interakcije naziva se klaster . Ako su sve čestice u tečnosti identične, onda se takav klaster naziva saradnik . U klasterima i saradnicima se opaža poredak kratkog dometa.

Stepen uređenosti različitih tečnosti zavisi od temperature. Na niskim temperaturama, nešto iznad tačke topljenja, stepen urednosti u rasporedu čestica je veoma visok. Kako temperatura raste, ona opada i kako se zagrijava, svojstva tekućine postaju sve sličnija svojstvima plinova, a kada se dostigne kritična temperatura, razlika između tekućeg i plinovitog stanja nestaje.

Bliskost tekućeg stanja čvrstom stanju potvrđuje se vrijednostima standardnih entalpija isparavanja DN 0 isparavanja i topljenja DN 0 topljenja. Podsjetimo da vrijednost isparavanja DH 0 pokazuje količinu topline koja je potrebna da se 1 mol tekućine pretvori u paru pri 101,3 kPa; ista količina toplote se troši na kondenzaciju 1 mola pare u tečnost pod istim uslovima (tj. DH 0 isparavanje = DH 0 kondenzacija). Količina toplote koja se troši da se 1 mol čvrste supstance pretvori u tečnost pri 101,3 kPa naziva se standardna entalpija fuzije; ista količina toplote se oslobađa tokom kristalizacije 1 mola tečnosti u uslovima normalnog pritiska (DH 0 topljenje = DH 0 kristalizacija). Poznato je da DH 0 isparavanje<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.

Međutim, druga važna svojstva tečnosti više liče na svojstva gasova. Dakle, kao i plinovi, tečnosti mogu teći - ovo svojstvo se zove fluidnost . Mogu se oduprijeti toku, odnosno imaju svojstvo viskozitet . Na ova svojstva utiču sile privlačenja između molekula, molekulska težina tečne supstance i drugi faktori. Viskoznost tečnosti je približno 100 puta veća od viskoznosti gasova. Baš kao i gasovi, tečnosti mogu da difunduju, ali mnogo sporije jer su čestice tečnosti međusobno čvršće zbijene nego čestice gasa.

Jedno od najzanimljivijih svojstava tečnog stanja, koje nije karakteristično ni za gasove ni za čvrste materije, je površinski napon .

Na molekul koji se nalazi u tečnom volumenu jednoliko djeluju intermolekularne sile sa svih strana. Međutim, na površini tečnosti ravnoteža ovih sila je poremećena, usled čega su površinski molekuli pod uticajem neke rezultantne sile, koja je usmerena unutar tečnosti. Iz tog razloga, površina tečnosti je u stanju napetosti. Površinska napetost je minimalna sila koja drži čestice tekućine unutra i na taj način sprječava da se površina tečnosti skuplja.

Struktura i svojstva čvrstih materija

Većina poznatih supstanci, kako prirodnih tako i umjetnih, u normalnim je uvjetima u čvrstom stanju. Od svih danas poznatih spojeva, oko 95% su čvrste tvari, koje su postale važne jer su osnova ne samo strukturnih već i funkcionalnih materijala.

• Građevinski materijali su čvrste tvari ili njihovi sastavi koji se koriste za izradu alata, predmeta za kućanstvo i raznih drugih konstrukcija.
• Funkcionalni materijali su čvrste tvari, čija je upotreba određena prisustvom određenih korisnih svojstava u njima.

Na primjer, čelik, aluminij, beton i keramika pripadaju strukturnim materijalima, dok poluvodiči i fosfori pripadaju funkcionalnim materijalima.

U čvrstom stanju, udaljenosti između čestica supstance su male i imaju isti red veličine kao i same čestice. Energije interakcije između njih su prilično visoke, što onemogućava slobodno kretanje čestica - one mogu oscilirati samo oko određenih ravnotežnih položaja, na primjer, oko čvorova kristalne rešetke. Nemogućnost čestica da se slobodno kreću dovodi do jedne od najkarakterističnijih osobina čvrstih tijela - prisutnosti vlastitog oblika i volumena. Kompresibilnost čvrstih materija je veoma niska, a gustina velika i malo zavisi od promena temperature. Svi procesi koji se odvijaju u čvrstoj materiji odvijaju se sporo. Zakoni stehiometrije za čvrsta tijela imaju drugačije i po pravilu šire značenje nego za plinovite i tekuće tvari.

Detaljan opis čvrstih materija je previše obiman za ovaj materijal i stoga se o njemu raspravlja u posebnim člancima:, i.

Agregatna stanja. Tečnosti. Faze u termodinamici. Fazni prijelazi.

Predavanje 1.16

Sve supstance mogu postojati u tri agregatna stanja - čvrsta, tečna I gasoviti. Prijelazi između njih su praćeni naglim promjenama brojnih fizičkih svojstava (gustina, toplinska provodljivost, itd.).

Stanje agregacije zavisi od fizičkih uslova u kojima se supstanca nalazi. Postojanje nekoliko agregacionih stanja u supstanci je posledica razlika u toplotnom kretanju njenih molekula (atoma) i njihovoj interakciji u različitim uslovima.

Gas- stanje agregacije tvari u kojem čestice nisu povezane ili su vrlo slabo povezane interakcijskim silama; kinetička energija toplinskog kretanja njegovih čestica (molekula, atoma) znatno premašuje potencijalnu energiju interakcija među njima, pa se čestice kreću gotovo slobodno, potpuno ispunjavajući posudu u kojoj se nalaze i poprimajući svoj oblik. U gasovitom stanju, supstanca nema ni svoju zapreminu ni svoj oblik. Bilo koja tvar se može pretvoriti u plin promjenom tlaka i temperature.

Tečnost- stanje agregacije supstance, između čvrstog i gasovitog. Odlikuje se velikom pokretljivošću čestica i malim slobodnim prostorom između njih. To uzrokuje da tekućine zadrže svoj volumen i poprime oblik posude. U tečnosti, molekuli se nalaze veoma blizu jedan drugom. Zbog toga je gustina tečnosti mnogo veća od gustine gasova (pri normalnom pritisku). Svojstva tečnosti su ista (izotropna) u svim pravcima, sa izuzetkom tečnih kristala. Zagrijavanjem ili smanjenjem gustine, svojstva tečnosti, toplotna provodljivost i viskoznost se po pravilu menjaju ka svojstvima gasova.

Toplotno kretanje molekula tekućine sastoji se od kombinacije kolektivnih vibracijskih kretanja i skokova molekula koji se s vremena na vrijeme javljaju iz jednog ravnotežnog položaja u drugi.

Čvrsta (kristalna) tijela- stanje agregacije tvari, koje karakterizira stabilnost oblika i priroda toplinskog kretanja atoma. Ovo kretanje je vibracija atoma (ili jona) koji čine čvrstu materiju. Amplituda vibracija je obično mala u odnosu na međuatomske udaljenosti.

Svojstva tečnosti.

Molekuli tvari u tekućem stanju nalaze se gotovo blizu jedan drugom. Za razliku od čvrstih kristalnih tijela, u kojima molekuli formiraju uređene strukture po cijelom volumenu kristala i mogu vršiti termičke vibracije oko fiksnih centara, tekući molekuli imaju veću slobodu. Svaki molekul tečnosti, baš kao i u čvrstom stanju, sa svih strana je „u sendviču“ od strane susednih molekula i podleže termičkim vibracijama oko određenog ravnotežnog položaja. Međutim, s vremena na vrijeme se bilo koji molekul može preseliti na obližnje slobodno mjesto. Takvi skokovi u tečnostima se dešavaju prilično često; stoga molekuli nisu vezani za specifične centre, kao u kristalima, i mogu se kretati po cijeloj zapremini tečnosti. Ovo objašnjava fluidnost tečnosti. Zbog jake interakcije između blisko lociranih molekula, oni mogu formirati lokalne (nestabilne) uređene grupe koje sadrže nekoliko molekula. Ovaj fenomen se zove zatvori red.

Zbog gustog pakiranja molekula, kompresibilnost tekućina, tj. promjena volumena s promjenom tlaka, vrlo je mala; desetine i stotine hiljada puta je manji nego u gasovima. Na primjer, da biste promijenili volumen vode za 1%, potrebno je povećati pritisak otprilike 200 puta. Ovo povećanje pritiska u odnosu na atmosferski pritisak postiže se na dubini od oko 2 km.

Tečnosti, poput čvrstih materija, menjaju zapreminu sa promenama temperature. Za ne baš velike temperaturne opsege, relativna promjena volumena Δ V / V 0 je proporcionalno promjeni temperature Δ T:

Koeficijent β se naziva temperaturni koeficijent volumetrijskog širenja. Ovaj koeficijent za tečnosti je desetine puta veći nego za čvrste materije. Za vodu, na primjer, na temperaturi od 20 °C β ≈ 2 10 –4 K –1, za čelik – β st ≈ 3,6 10 –5 K –1, za kvarcno staklo – β kV ≈ 9 10 – 6 K – 1.

Toplotno širenje vode ima zanimljivu i važnu anomaliju za život na Zemlji. Na temperaturama ispod 4 °C, voda se širi kako se temperatura smanjuje (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

Kada se voda zamrzne, ona se širi, tako da led ostaje da pluta na površini vode koja se smrzava. Temperatura vode koja se smrzava ispod leda je 0 °C. U gušćim slojevima vode na dnu rezervoara temperatura je oko 4 °C. Zahvaljujući tome, život može postojati u vodi ledenih rezervoara.

Najzanimljivija karakteristika tečnosti je prisustvo slobodna površina. Tečnost, za razliku od plinova, ne ispunjava cijeli volumen posude u koju se sipa. Između tečnosti i gasa (ili pare) formira se međuprostor, koji je u posebnim uslovima u odnosu na ostatak tečnosti. Molekuli u graničnom sloju tečnosti, za razliku od molekula u njenoj dubini, nisu sa svih strana okruženi drugim molekulima iste tečnosti. Sile međumolekulske interakcije koje djeluju na jedan od molekula unutar tekućine iz susjednih molekula su u prosjeku međusobno kompenzirane. Bilo koji molekul u graničnom sloju privučen je molekulima koji se nalaze unutar tekućine (mogu se zanemariti sile koje djeluju na dati molekul tekućine iz molekula plina (ili pare). Kao rezultat, pojavljuje se određena rezultantna sila, usmjerena duboko u tekućinu. Površinski molekuli se uvlače u tečnost silama međumolekularne privlačnosti. Ali svi molekuli, uključujući i molekule graničnog sloja, moraju biti u stanju ravnoteže. Ova ravnoteža se postiže blagim smanjenjem udaljenosti između molekula površinskog sloja i njihovih najbližih susjeda unutar tekućine. Kako se udaljenost između molekula smanjuje, javljaju se sile odbijanja. Ako je prosječna udaljenost između molekula unutar tekućine r 0, tada su molekuli površinskog sloja pakirani nešto gušće, pa stoga imaju dodatnu rezervu potencijalne energije u odnosu na unutrašnje molekule. Treba imati na umu da zbog izuzetno niske kompresibilnosti, prisustvo gušće zbijenog površinskog sloja ne dovodi do bilo kakve primjetne promjene u zapremini tečnosti. Ako se molekula kreće s površine u tekućinu, sile međumolekulske interakcije će obaviti pozitivan rad. Naprotiv, da bi se izvukao određeni broj molekula iz dubine tečnosti na površinu (tj. povećao površinu tečnosti), spoljne sile mora raditi pozitivno A eksterno, proporcionalno promjeni Δ S površina:

Koeficijent σ naziva se koeficijent površinskog napona (σ > 0). Dakle, koeficijent površinske napetosti jednak je radu potrebnom za povećanje površine tekućine pri konstantnoj temperaturi za jednu jedinicu.

U SI, koeficijent površinske napetosti se mjeri u džulima po metar kvadratnom (J/m2) ili u njutnima po metru (1 N/m = 1 J/m2).

Posljedično, molekuli površinskog sloja tekućine imaju višak od potencijalna energija. Potencijalna energija E p površine tečnosti proporcionalno je njenoj površini: (1.16.1)

Iz mehanike je poznato da ravnotežna stanja sistema odgovaraju minimalnoj vrijednosti njegove potencijalne energije. Iz toga slijedi da slobodna površina tekućine teži smanjenju svoje površine. Iz tog razloga slobodna kap tečnosti poprima sferni oblik. Tečnost se ponaša kao da sile koje djeluju tangencijalno na njenu površinu skupljaju (vuku) ovu površinu. Ove sile se nazivaju sile površinskog napona.

Prisutnost sila površinskog napona čini da površina tekućine izgleda kao elastični rastegnuti film, s jedinom razlikom što elastične sile u filmu zavise od njegove površine (tj. od toga kako je film deformiran) i površinske napetosti sile ne zavise od površine tečnosti.

Sile površinskog napona teže smanjenju površine filma. Stoga možemo napisati: (1.16.2)

Dakle, koeficijent površinske napetosti σ može se definirati kao modul sile površinske napetosti koja djeluje po jedinici dužine linije koja graniči površinu ( l- dužina ove linije).

Usljed djelovanja sila površinskog napona u kapima tekućine i unutar mjehurića sapuna nastaje višak tlaka Δ str. Ako mentalno isečete sferni pad radijusa R na dvije polovine, tada svaka od njih mora biti u ravnoteži pod djelovanjem sila površinskog napona primijenjenih na granicu reza dužine 2π R i sile viška pritiska koje djeluju na površinu π R 2 sekcije (slika 1.16.1). Uslov ravnoteže se zapisuje kao

U blizini granice između tečnosti, čvrste supstance i gasa, oblik slobodne površine tečnosti zavisi od sila interakcije između molekula tečnosti i čvrstih molekula (interakcija sa molekulima gasa (ili pare) može se zanemariti). Ako su ove sile veće od sila interakcije između molekula same tečnosti, onda je tečnost wets površine čvrste materije. U ovom slučaju, tečnost se približava površini čvrste materije pod određenim oštrim uglom θ, karakterističnim za dati par tečnost-čvrsto telo. Ugao θ se naziva kontaktni ugao. Ako sile interakcije između tekućih molekula premašuju sile njihove interakcije sa čvrstim molekulima, tada se kontaktni ugao θ ispostavlja tupim (slika 1.16.2(2)). U ovom slučaju kažu da je tečnost ne mokri površine čvrste materije. Inače (ugao - akutni) tečnost wets površine (slika 1.16.2(1)). At potpuno vlaženjeθ = 0, at potpuno nekvašenjeθ = 180°.

Kapilarni fenomeni zove se porast ili pad tečnosti u cevima malog prečnika - kapilare. Vlažeće tečnosti se dižu kroz kapilare, a nemokriće se spuštaju.

Slika 1.16.3 prikazuje kapilarnu cijev određenog radijusa r, spušten na donjem kraju u tekućinu za vlaženje gustine ρ. Gornji kraj kapilare je otvoren. Porast tečnosti u kapilari se nastavlja sve dok sila gravitacije koja deluje na stub tečnosti u kapilari ne postane jednaka po veličini rezultanti F n sile površinske napetosti koje djeluju duž granice kontakta tekućine s površinom kapilare: F t = F n, gdje F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.

Ovo podrazumijeva:

Sa potpunim vlaženjem θ = 0, cos θ = 1. U ovom slučaju

Sa potpunim nekvašenjem θ = 180°, cos θ = –1 i, prema tome, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Čistu staklenu površinu voda gotovo u potpunosti navlaži. Naprotiv, živa ne vlaži u potpunosti staklenu površinu. Zbog toga nivo žive u staklenoj kapilari pada ispod nivoa u posudi.

Stanje agregacije supstance se obično naziva njenom sposobnošću da održi svoj oblik i zapreminu. Dodatna karakteristika su metode prijelaza tvari iz jednog agregatnog stanja u drugo. Na osnovu toga razlikuju se tri agregatna stanja: čvrsto, tečno i gasovito. Njihova vidljiva svojstva su:

Čvrsto tijelo zadržava i oblik i volumen. Može se transformirati ili u tekućinu topljenjem ili direktno u plin sublimacijom.
- Tečnost – zadržava volumen, ali ne i oblik, odnosno ima tečnost. Prolivena tečnost ima tendenciju da se neograničeno širi po površini na koju se izliva. Tečnost kristalizacijom može postati čvrsta materija, a isparavanjem gas.
- Gas – ne zadržava ni oblik ni zapreminu. Plin izvan bilo kojeg spremnika ima tendenciju da se neograničeno širi u svim smjerovima. U tome ga može spriječiti samo gravitacija, zbog čega se Zemljina atmosfera ne raspršuje u svemir. Gas kondenzacijom prelazi u tečnost, a sedimentacijom direktno u čvrstu materiju.

Fazni prelazi

Prijelaz tvari iz jednog agregatnog stanja u drugo naziva se fazni prijelaz, budući da je naučno stanje agregacije faza materije. Na primjer, voda može postojati u čvrstoj fazi (led), tečnoj (obična voda) i plinovitoj fazi (vodena para).

Primjer vode je također dobro prikazan. Okačen u dvorištu da se osuši po mraznom danu bez vjetra, odmah se smrzne, ali se nakon nekog vremena ispostavi da je suh: led se sublimira, direktno se pretvarajući u vodenu paru.

U pravilu, fazni prijelaz iz čvrstog u tekućinu i plin zahtijeva zagrijavanje, ali temperatura medija se ne povećava: toplinska energija se troši na razbijanje unutrašnjih veza u tvari. Ovo je takozvana latentna toplota. Prilikom obrnutih faznih prijelaza (kondenzacija, kristalizacija), ova toplina se oslobađa.

Zbog toga su opekotine od pare tako opasne. Kada dospije na kožu, kondenzira se. Latentna toplota isparavanja/kondenzacije vode je veoma visoka: voda je u tom pogledu anomalna supstanca; Zbog toga je život na Zemlji moguć. Kod opekotina parom, latentna toplota kondenzacije vode „opeći“ opečeno područje veoma duboko, a posledice opekotina parom su mnogo teže nego od plamena na istom delu tela.

Pseudofaze

Fluidnost tečne faze supstance određena je njenim viskozitetom, a viskoznost je određena prirodom unutrašnjih veza, o kojima se govori u sledećem odeljku. Viskoznost tečnosti može biti veoma visoka, a takva tečnost može da teče neprimjetno za oko.

Klasičan primjer je staklo. Nije čvrsta, već veoma viskozna tečnost. Imajte na umu da se stakleni listovi u skladištima nikada ne skladište dijagonalno naslonjeni na zid. U roku od nekoliko dana će se saviti pod vlastitom težinom i bit će neprikladni za konzumaciju.

Drugi primjeri pseudočvrstih tvari su krema za cipele i građevinski bitumen. Ako zaboravite uglasti komad bitumena na krovu, on će se preko ljeta raširiti u kolač i zalijepiti za podlogu. Pseudočvrsta tijela mogu se razlikovati od pravih po prirodi topljenja: prava ili zadržavaju svoj oblik dok se odmah ne rašire (lemi se tokom lemljenja), ili plutaju, oslobađajući lokve i potočiće (led). I vrlo viskozne tekućine postepeno omekšaju, poput smole ili bitumena.

Plastika je izuzetno viskozna tekućina, čija se tečnost ne primjećuje dugi niz godina i decenija. Njihova visoka sposobnost zadržavanja oblika je osigurana ogromnom molekularnom težinom polimera, hiljadama i milionima atoma vodika.

Fazna struktura materije

U gasnoj fazi, molekuli ili atomi neke supstance su veoma udaljeni jedan od drugog, mnogo puta veći od udaljenosti između njih. Međusobno komuniciraju povremeno i neredovno, samo tokom sudara. Sama interakcija je elastična: sudarile su se poput tvrdih loptica i odmah se raspršile.

U tečnosti, molekuli/atomi stalno „osećaju“ jedni druge zbog veoma slabih veza hemijske prirode. Ove veze se stalno raskidaju i odmah se ponovo obnavljaju, a molekuli tečnosti se neprekidno kreću u odnosu na druge, zbog čega tečnost teče. Ali da biste ga pretvorili u plin, morate prekinuti sve veze odjednom, a za to je potrebno mnogo energije, zbog čega tečnost zadržava svoj volumen.

U tom pogledu, voda se razlikuje od drugih supstanci po tome što su njeni molekuli u tečnosti povezani takozvanim vodikovim vezama, koje su prilično jake. Stoga voda može biti tečnost na temperaturi normalnoj za život. Mnoge supstance sa molekulskom težinom desetine i stotine puta većom od vode su, u normalnim uslovima, gasovi, poput običnog gasa za domaćinstvo.

U čvrstom stanju, svi njegovi molekuli su čvrsto na svom mjestu zbog jakih kemijskih veza između njih, formirajući kristalnu rešetku. Kristali pravilnog oblika zahtijevaju posebne uslove za svoj rast i stoga su rijetki u prirodi. Većina čvrstih materija su konglomerati malih i sićušnih kristala – kristalita – čvrsto povezanih mehaničkim i električnim silama.

Ako je čitatelj ikada vidio, na primjer, napuknutu osovinu automobila ili rešetku od livenog gvožđa, onda su zrna kristalita na otpadu vidljiva golim okom. A na fragmentima razbijenog porculana ili zemljanog posuđa mogu se promatrati pod lupom.

Plazma

Fizičari identifikuju i četvrto stanje materije – plazmu. U plazmi su elektroni odvojeni od atomskih jezgara i to je mješavina električno nabijenih čestica. Plazma može biti veoma gusta. Na primjer, jedan kubni centimetar plazme iz unutrašnjosti zvijezda - bijelih patuljaka - težak je desetine i stotine tona.

Plazma je izolirana u zasebno agregacijsko stanje jer aktivno stupa u interakciju s elektromagnetnim poljima zbog činjenice da su njene čestice nabijene. U slobodnom prostoru, plazma teži širenju, hlađenju i pretvaranju u plin. Ali pod utjecajem elektromagnetnih polja, može zadržati svoj oblik i volumen izvan posude, poput čvrstog tijela. Ovo svojstvo plazme koristi se u termonuklearnim energetskim reaktorima - prototipovima elektrana budućnosti.