Ajutor la Tele2, tarife, intrebari

Starea de agregare a unei substanțe se numește de obicei capacitatea sa de a-și menține forma și volumul. O caracteristică suplimentară este metodele de tranziție a unei substanțe de la o stare de agregare la alta. Pe baza acesteia, se disting trei stări de agregare: solid, lichid și gazos. Proprietățile lor vizibile sunt:

Un corp solid își păstrează atât forma, cât și volumul. Poate trece fie într-un lichid prin topire, fie direct într-un gaz prin sublimare.
- Lichid – păstrează volumul, dar nu forma, adică are fluiditate. Lichidul vărsat tinde să se răspândească la infinit pe suprafața pe care este turnat. Un lichid poate deveni solid prin cristalizare, iar un gaz prin evaporare.
- Gaz – nu păstrează nici formă, nici volum. Gazul din afara oricărui container tinde să se extindă nelimitat în toate direcțiile. Numai gravitația îl poate împiedica să facă acest lucru, datorită căruia atmosfera pământului nu se risipește în spațiu. Gazul trece într-un lichid prin condensare și direct într-un solid prin sedimentare.

Tranziții de fază

Tranziția unei substanțe de la o stare de agregare la alta se numește tranziție de fază, deoarece starea științifică de agregare este faza unei substanțe. De exemplu, apa poate exista în fază solidă (gheață), lichidă (apă simplă) și fază gazoasă (vapori de apă).

Exemplul apei este de asemenea bine demonstrat. Atârnat în curte să se usuce într-o zi geroasă, fără vânt, îngheață imediat, dar după ceva timp se dovedește a fi uscat: gheața se sublimează, transformându-se direct în vapori de apă.

De regulă, o tranziție de fază de la un solid la un lichid și gaz necesită încălzire, dar temperatura mediului nu crește: energia termică este cheltuită pentru ruperea legăturilor interne din substanță. Aceasta este așa-numita căldură latentă. În timpul tranzițiilor de fază inversă (condensare, cristalizare), această căldură este eliberată.

Acesta este motivul pentru care arsurile cu abur sunt atât de periculoase. Când vine în contact cu pielea, se condensează. Căldura latentă de evaporare/condens a apei este foarte mare: apa în acest sens este o substanță anormală; Acesta este motivul pentru care viața pe Pământ este posibilă. Într-o arsură cu abur, căldura latentă de condens a apei „opărește” foarte profund zona arsă, iar consecințele unei arsuri cu abur sunt mult mai severe decât de la o flacără pe aceeași zonă a corpului.

Pseudofaze

Fluiditatea fazei lichide a unei substanțe este determinată de vâscozitatea acesteia, iar vâscozitatea este determinată de natura legăturilor interne, care sunt discutate în secțiunea următoare. Vâscozitatea lichidului poate fi foarte mare, iar un astfel de lichid poate curge neobservat de ochi.

Un exemplu clasic este sticla. Nu este un solid, ci un lichid foarte vâscos. Vă rugăm să rețineți că foile de sticlă din depozite nu sunt niciodată depozitate sprijinite în diagonală de perete. În câteva zile se vor îndoi sub propria greutate și vor fi improprii pentru consum.

Alte exemple de pseudosolide sunt lustruirea pantofilor și bitumul de construcție. Dacă uitați o bucată unghiulară de bitum pe acoperiș, vara se va întinde într-o prăjitură și se va lipi de bază. Corpurile pseudo-solide se pot distinge de cele reale prin natura topirii: cele reale fie își păstrează forma până când se răspândesc imediat (lipirea în timpul lipirii), fie plutesc, eliberând bălți și pâraie (gheață). Și lichidele foarte vâscoase se înmoaie treptat, cum ar fi smoala sau bitumul.

Materialele plastice sunt lichide extrem de vâscoase, a căror fluiditate nu este vizibilă de mulți ani și decenii. Capacitatea lor ridicată de a păstra forma este asigurată de greutatea moleculară uriașă a polimerilor, multe mii și milioane de atomi de hidrogen.

Structura de fază a materiei

În faza gazoasă, moleculele sau atomii unei substanțe sunt foarte îndepărtați unul de celălalt, de multe ori mai mari decât distanța dintre ele. Ele interacționează între ele ocazional și neregulat, doar în timpul coliziunilor. Interacțiunea în sine este elastică: s-au ciocnit ca niște mingi dure și s-au împrăștiat imediat.

Într-un lichid, moleculele/atomii „se simt” în mod constant unul pe altul datorită legăturilor foarte slabe de natură chimică. Aceste legături se rup tot timpul și sunt restabilite imediat, moleculele lichidului se mișcă continuu unele față de altele, motiv pentru care lichidul curge. Dar pentru a-l transforma în gaz, trebuie să rupeți toate legăturile deodată, iar acest lucru necesită multă energie, motiv pentru care lichidul își păstrează volumul.

În acest sens, apa diferă de alte substanțe prin faptul că moleculele sale din lichid sunt conectate prin așa-numitele legături de hidrogen, care sunt destul de puternice. Prin urmare, apa poate fi un lichid la o temperatură normală pentru viață. Multe substanțe cu o greutate moleculară de zeci și sute de ori mai mare decât cea a apei sunt gaze în condiții normale, precum gazul obișnuit de uz casnic.

Într-un solid, toate moleculele sale sunt ferm pe loc datorită legăturilor chimice puternice dintre ele, formând o rețea cristalină. Cristalele de formă regulată necesită condiții speciale pentru creșterea lor și, prin urmare, sunt rare în natură. Majoritatea solidelor sunt conglomerate de cristale mici și minuscule – cristalite – strâns cuplate de forțe mecanice și electrice.

Dacă cititorul a văzut vreodată, de exemplu, un ax crapat al unei mașini sau un grătar din fontă, atunci boabele de cristalite de pe resturi sunt vizibile cu ochiul liber. Și pe fragmente de porțelan spart sau de faianță pot fi observate sub lupă.

Plasma

Fizicienii identifică, de asemenea, o a patra stare a materiei - plasma. În plasmă, electronii sunt separați de nucleele atomice și este un amestec de particule încărcate electric. Plasma poate fi foarte densă. De exemplu, un centimetru cub de plasmă din interiorul stelelor - piticele albe - cântărește zeci și sute de tone.

Plasma este izolată într-o stare separată de agregare, deoarece interacționează activ cu câmpurile electromagnetice datorită faptului că particulele sale sunt încărcate. În spațiul liber, plasma tinde să se extindă, să se răcească și să se transforme în gaz. Dar sub influența câmpurilor electromagnetice, își poate păstra forma și volumul în afara vasului, ca un corp solid. Această proprietate a plasmei este utilizată în reactoarele de putere termonucleare - prototipuri ale centralelor electrice ale viitorului.

Stări agregate. Lichide. Faze în termodinamică. Tranziții de fază.

Cursul 1.16

Toate substanțele pot exista în trei stări de agregare - solid, lichidŞi gazos. Tranzițiile dintre ele sunt însoțite de modificări bruște ale unui număr de proprietăți fizice (densitate, conductivitate termică etc.).

Starea de agregare depinde de condițiile fizice în care se află substanța. Existenta mai multor stari de agregare intr-o substanta se datoreaza diferentelor in miscarea termica a moleculelor (atomilor) acesteia si in interactiunea lor in diferite conditii.

Gaz- starea de agregare a unei substanțe în care particulele nu sunt legate sau foarte slab legate prin forțe de interacțiune; energia cinetică a mișcării termice a particulelor sale (molecule, atomi) depășește semnificativ energia potențială a interacțiunilor dintre ele, prin urmare particulele se mișcă aproape liber, umplând complet vasul în care se află și luându-i forma. În stare gazoasă, o substanță nu are nici volum propriu, nici formă proprie. Orice substanță poate fi transformată în gaz prin schimbarea presiunii și a temperaturii.

Lichid- starea de agregare a unei substante, intermediara intre solid si gazos. Se caracterizează printr-o mobilitate ridicată a particulelor și un spațiu liber mic între ele. Acest lucru face ca lichidele să-și mențină volumul și să ia forma recipientului. Într-un lichid, moleculele sunt situate foarte aproape una de alta. Prin urmare, densitatea lichidului este mult mai mare decât densitatea gazelor (la presiune normală). Proprietățile unui lichid sunt aceleași (izotrope) în toate direcțiile, cu excepția cristalelor lichide. Când este încălzit sau densitatea scade, proprietățile lichidului, conductivitatea termică și vâscozitatea se schimbă, de regulă, spre proprietățile gazelor.

Mișcarea termică a moleculelor lichide constă dintr-o combinație de mișcări vibraționale colective și salturi de molecule care apar din când în când dintr-o poziție de echilibru în alta.

Corpuri solide (cristaline).- starea de agregare a unei substanțe, caracterizată prin stabilitatea formei și natura mișcării termice a atomilor. Această mișcare este vibrația atomilor (sau ionilor) care alcătuiesc solidul. Amplitudinea vibrației este de obicei mică în comparație cu distanțele interatomice.

Proprietățile lichidelor.

Moleculele unei substanțe în stare lichidă sunt situate aproape una de alta. Spre deosebire de corpurile cristaline solide, în care moleculele formează structuri ordonate pe întregul volum al cristalului și pot efectua vibrații termice în jurul centrelor fixe, moleculele lichide au o mai mare libertate. Fiecare moleculă a unui lichid, la fel ca într-un solid, este „sandwich” pe toate părțile de moleculele învecinate și suferă vibrații termice în jurul unei anumite poziții de echilibru. Cu toate acestea, din când în când orice moleculă se poate muta într-un loc liber din apropiere. Astfel de sărituri în lichide apar destul de des; prin urmare, moleculele nu sunt legate de centri specifici, ca în cristale, și se pot mișca în întregul volum al lichidului. Aceasta explică fluiditatea lichidelor. Datorită interacțiunii puternice dintre moleculele apropiate, acestea pot forma grupări ordonate locale (instabile) care conțin mai multe molecule. Acest fenomen se numește ordine de închidere.

Datorită ambalării dense a moleculelor, compresibilitatea lichidelor, adică modificarea volumului cu o schimbare a presiunii, este foarte mică; este de zeci și sute de mii de ori mai puțin decât în ​​gaze. De exemplu, pentru a schimba volumul de apă cu 1%, trebuie să creșteți presiunea de aproximativ 200 de ori. Această creștere a presiunii față de presiunea atmosferică se realizează la o adâncime de aproximativ 2 km.

Lichidele, ca și solidele, își schimbă volumul odată cu schimbările de temperatură. Pentru intervale de temperatură nu foarte mari, modificarea relativă a volumului Δ V / V 0 este proporțional cu modificarea temperaturii Δ T:

Se numește coeficientul β coeficientul de temperatură al expansiunii volumetrice. Acest coeficient pentru lichide este de zeci de ori mai mare decât pentru solide. Pentru apă, de exemplu, la o temperatură de 20 °C β ≈ 2 10 –4 K –1, pentru oțel - β st ≈ 3,6 10 –5 K –1, pentru sticlă de cuarț - β kV ≈ 9 10 – 6 K – 1.

Expansiunea termică a apei are o anomalie interesantă și importantă pentru viața de pe Pământ. La temperaturi sub 4 °C, apa se extinde pe măsură ce temperatura scade (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

Când apa îngheață, se extinde, astfel încât gheața rămâne plutind pe suprafața unui corp de apă înghețat. Temperatura apei înghețate sub gheață este de 0 °C. În straturile mai dense de apă din fundul rezervorului, temperatura este de aproximativ 4 °C. Datorită acestui fapt, viața poate exista în apa rezervoarelor înghețate.

Cea mai interesantă caracteristică a lichidelor este prezența suprafata libera. Un lichid, spre deosebire de gaze, nu umple întregul volum al recipientului în care este turnat. Se formează o interfață între lichid și gaz (sau vapori), care se află în condiții speciale față de restul lichidului. Moleculele din stratul limită al unui lichid, spre deosebire de moleculele din adâncimea acestuia, nu sunt înconjurate de alte molecule ale aceluiași lichid pe toate părțile. Forțele de interacțiune intermoleculară care acționează asupra uneia dintre moleculele din interiorul unui lichid din moleculele învecinate sunt, în medie, compensate reciproc. Orice moleculă din stratul limită este atrasă de moleculele situate în interiorul lichidului (forțele care acționează asupra unei anumite molecule de lichid din moleculele de gaz (sau vapori) pot fi neglijate). Ca urmare, apare o anumită forță rezultantă, îndreptată adânc în lichid. Moleculele de suprafață sunt atrase în lichid de forțele de atracție intermoleculară. Dar toate moleculele, inclusiv moleculele stratului limită, trebuie să fie într-o stare de echilibru. Acest echilibru se realizează prin reducerea ușor a distanței dintre moleculele stratului de suprafață și vecinii lor cei mai apropiați din interiorul lichidului. Pe măsură ce distanța dintre molecule scade, apar forțe de respingere. Dacă distanța medie dintre moleculele din interiorul unui lichid este r 0, atunci moleculele stratului de suprafață sunt împachetate ceva mai dens și, prin urmare, au o rezervă suplimentară de energie potențială în comparație cu moleculele interne. Trebuie avut în vedere că, datorită compresibilității extrem de scăzute, prezența unui strat de suprafață mai dens nu duce la nicio modificare vizibilă a volumului lichidului. Dacă o moleculă se mișcă de la suprafață în lichid, forțele interacțiunii intermoleculare vor face o activitate pozitivă. Dimpotrivă, pentru a trage un anumit număr de molecule de la adâncimea lichidului la suprafață (adică, crește suprafața lichidului), forțe externe trebuie să facă o muncă pozitivă O extern, proporțional cu modificarea Δ S suprafata:

Coeficientul σ se numește coeficient de tensiune superficială (σ > 0). Astfel, coeficientul de tensiune superficială este egal cu munca necesară pentru a crește suprafața unui lichid la temperatură constantă cu o unitate.

În SI, coeficientul de tensiune superficială este măsurat în jouli per metru pătrat (J/m2) sau în newtoni pe metru (1 N/m = 1 J/m2).

În consecință, moleculele stratului superficial al unui lichid au un exces de energie potenţială. Energia potențială E p al suprafeței lichidului este proporțional cu aria sa: (1.16.1)

Din mecanică se știe că stările de echilibru ale unui sistem corespund valorii minime a energiei sale potențiale. Rezultă că suprafața liberă a lichidului tinde să-și reducă aria. Din acest motiv, o picătură liberă de lichid capătă o formă sferică. Lichidul se comportă ca și cum forțele care acționează tangențial la suprafața sa ar contracta (trag) această suprafață. Aceste forțe sunt numite forțele de tensiune superficială.

Prezența forțelor de tensiune superficială face ca suprafața unui lichid să arate ca o peliculă elastică întinsă, cu singura diferență că forțele elastice din film depind de suprafața sa (adică de modul în care filmul este deformat) și de tensiunea superficială. forțele nu depind de suprafața lichidelor.

Forțele de tensiune superficială tind să reducă suprafața filmului. Prin urmare putem scrie: (1.16.2)

Astfel, coeficientul de tensiune superficială σ poate fi definit ca modulul forței de tensiune superficială care acționează pe unitatea de lungime a liniei care delimitează suprafața ( l- lungimea acestei linii).

Datorită acțiunii forțelor de tensiune superficială în picături de lichid și în interiorul bulelor de săpun, apare o presiune în exces Δ p. Dacă tăiați mental o picătură sferică de rază Rîn două jumătăți, atunci fiecare dintre ele trebuie să fie în echilibru sub acțiunea forțelor de tensiune superficială aplicate limitei tăiate cu lungimea 2π Rși forțele de presiune în exces care acționează asupra zonei π R 2 secțiuni (Fig. 1.16.1). Condiția de echilibru se scrie ca

Aproape de limita dintre un lichid, un solid și un gaz, forma suprafeței libere a lichidului depinde de forțele de interacțiune dintre moleculele lichide și moleculele solide (interacțiunea cu moleculele de gaz (sau vapori) poate fi neglijată). Dacă aceste forțe sunt mai mari decât forțele de interacțiune dintre moleculele lichidului însuși, atunci lichidul udă suprafata unui solid. În acest caz, lichidul se apropie de suprafața solidului la un anumit unghi ascuțit θ, caracteristic unei perechi lichid-solid dată. Unghiul θ se numește unghi de contact. Dacă forțele de interacțiune dintre moleculele lichide depășesc forțele de interacțiune a acestora cu moleculele solide, atunci unghiul de contact θ se dovedește a fi obtuz (Fig. 1.16.2(2)). În acest caz se spune că lichidul nu uda suprafata unui solid. În caz contrar (unghi - acut) lichid udă suprafață (Fig. 1.16.2(1)). La umezire completăθ = 0, at neumedare completăθ = 180°.

Fenomene capilare numită creșterea sau căderea lichidului în tuburi cu diametru mic - capilarele. Lichidele umede se ridică prin capilare, lichidele care nu se umezesc coboară.

Figura 1.16.3 prezintă un tub capilar cu o anumită rază r, coborât la capătul inferior într-un lichid de umectare de densitate ρ. Capătul superior al capilarului este deschis. Creșterea lichidului în capilar continuă până când forța gravitațională care acționează asupra coloanei de lichid din capilar devine egală ca mărime cu rezultanta F n forțe de tensiune superficială care acționează de-a lungul limitei de contact a lichidului cu suprafața capilarului: F t = F n, unde F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.

Din aceasta rezultă:

Cu umezire completă θ = 0, cos θ = 1. În acest caz

Cu neumezire completă θ = 180°, cos θ = –1 și, prin urmare, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Apa udă aproape complet suprafața curată de sticlă. Dimpotrivă, mercurul nu umezește complet suprafața sticlei. Prin urmare, nivelul de mercur din capilarul de sticlă scade sub nivelul din vas.

Cunoașterea cea mai comună este despre trei stări de agregare: lichid, solid, gazos uneori își amintesc de plasmă, mai rar lichid cristalin; Recent, pe internet s-a răspândit o listă cu 17 faze ale materiei, preluată de la celebrul () Stephen Fry. Prin urmare, vă vom povesti mai detaliat despre ele, deoarece... Ar trebui să știți puțin mai multe despre materie, fie și numai pentru a înțelege mai bine procesele care au loc în Univers.

Lista stărilor agregate ale materiei prezentată mai jos crește de la cele mai reci la cele mai fierbinți etc. poate fi continuat. În același timp, trebuie înțeles că de la starea gazoasă (nr. 11), cea mai „necomprimată”, pe ambele părți ale listei, gradul de compresie a substanței și presiunea acesteia (cu unele rezerve pentru astfel de nestudiate). stări ipotetice ca cuantică, fascicul sau slab simetric) cresc După text se arată un grafic vizual al tranzițiilor de fază ale materiei.

1. Cuantică- o stare de agregare a materiei, realizată atunci când temperatura scade la zero absolut, în urma căreia legăturile interne dispar și materia se prăbușește în quarci liberi.

2. Condens Bose-Einstein- o stare de agregare a materiei, a cărei bază este bosonii, răcite la temperaturi apropiate de zero absolut (mai puțin de o milioneme de grad peste zero absolut). Într-o stare atât de puternic răcită, un număr suficient de mare de atomi se găsesc în stările lor cuantice minime posibile, iar efectele cuantice încep să se manifeste la nivel macroscopic. Un condensat Bose-Einstein (numit adesea condensat Bose, sau pur și simplu „beck”) apare atunci când răciți un element chimic la temperaturi extrem de scăzute (de obicei, chiar peste zero absolut, minus 273 de grade Celsius, este temperatura teoretică la care totul). se oprește din mișcare).
Aici încep să se întâmple substanței lucruri complet ciudate. Procesele observate de obicei doar la nivel atomic apar acum la scari suficient de mari pentru a fi observate cu ochiul liber. De exemplu, dacă puneți „înapoi” într-un pahar de laborator și furnizați temperatura dorită, substanța va începe să se strecoare pe perete și în cele din urmă va ieși de la sine.
Aparent, aici avem de-a face cu o încercare zadarnică a unei substanțe de a-și reduce propria energie (care este deja la cel mai de jos nivel posibil).
Încetinirea atomilor folosind echipamente de răcire produce o stare cuantică singulară cunoscută sub numele de condensat Bose sau Bose-Einstein. Acest fenomen a fost prezis în 1925 de A. Einstein, ca urmare a unei generalizări a lucrării lui S. Bose, unde mecanica statistică a fost construită pentru particule de la fotoni fără masă până la atomi purtători de masă (manuscrisul lui Einstein, considerat pierdut, a fost descoperit). în biblioteca Universității din Leiden în 2005). Rezultatul eforturilor lui Bose și Einstein a fost conceptul Bose al unui gaz supus statisticilor Bose-Einstein, care descrie distribuția statistică a particulelor identice cu spin întreg numite bosoni. Bosonii, care sunt, de exemplu, particule elementare individuale - fotoni și atomi întregi, pot fi în aceleași stări cuantice unul cu celălalt. Einstein a propus că răcirea atomilor bosonilor la temperaturi foarte scăzute i-ar determina să se transforme (sau, cu alte cuvinte, să se condenseze) în cea mai scăzută stare cuantică posibilă. Rezultatul unei astfel de condens va fi apariția unei noi forme de materie.
Această tranziție are loc sub temperatura critică, care este pentru un gaz tridimensional omogen format din particule care nu interacționează fără grade interne de libertate.

3. Condens de fermion- o stare de agregare a unei substanțe, asemănătoare suportului, dar diferită ca structură. Pe măsură ce se apropie de zero absolut, atomii se comportă diferit, în funcție de mărimea propriului moment unghiular (spin). Bosonii au spini întregi, în timp ce fermionii au spini care sunt multipli de 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Fermionii se supun principiului de excludere Pauli, care afirmă că doi fermioni nu pot avea aceeași stare cuantică. Nu există o astfel de interdicție pentru bosoni și, prin urmare, ei au posibilitatea de a exista într-o stare cuantică și, prin urmare, să formeze așa-numitul condensat Bose-Einstein. Procesul de formare a acestui condensat este responsabil pentru trecerea la starea supraconductoare.
Electronii au spin 1/2 și, prin urmare, sunt clasificați ca fermioni. Se combină în perechi (numite perechi Cooper), care formează apoi un condensat Bose.
Oamenii de știință americani au încercat să obțină un fel de molecule din atomii de fermion prin răcire profundă. Diferența față de moleculele reale a fost că nu a existat nicio legătură chimică între atomi - pur și simplu s-au mișcat împreună într-un mod corelat. Legătura dintre atomi s-a dovedit a fi chiar mai puternică decât între electroni din perechile Cooper. Perechile de fermioni rezultate au un spin total care nu mai este multiplu de 1/2, prin urmare, se comportă deja ca bosonii și pot forma un condensat Bose cu o singură stare cuantică. În timpul experimentului, un gaz de 40 de atomi de potasiu a fost răcit la 300 de nanokelvin, în timp ce gazul a fost închis într-o așa-numită capcană optică. Apoi a fost aplicat un câmp magnetic extern, cu ajutorul căruia a fost posibilă modificarea naturii interacțiunilor dintre atomi - în loc de repulsie puternică, a început să se observe o atracție puternică. La analizarea influenței câmpului magnetic, a fost posibil să se găsească o valoare la care atomii au început să se comporte ca perechile de electroni Cooper. La următoarea etapă a experimentului, oamenii de știință se așteaptă să obțină efecte de supraconductivitate pentru condensatul de fermion.

4. Substanta superfluida- o stare în care o substanță nu are practic vâscozitate, iar în timpul curgerii nu experimentează frecare cu o suprafață solidă. Consecința acestui lucru este, de exemplu, un efect atât de interesant, cum ar fi „ieșirea” completă spontană a heliului superfluid din vas de-a lungul pereților săi împotriva forței gravitației. Desigur, aici nu există nicio încălcare a legii conservării energiei. În absența forțelor de frecare, heliul este acționat numai de forțele gravitaționale, forțele de interacțiune interatomică dintre heliu și pereții vasului și dintre atomii de heliu. Deci, forțele interacțiunii interatomice depășesc toate celelalte forțe combinate. Ca urmare, heliul tinde să se răspândească cât mai mult posibil pe toate suprafețele posibile și, prin urmare, „călătorește” de-a lungul pereților vasului. În 1938, omul de știință sovietic Pyotr Kapitsa a demonstrat că heliul poate exista în stare superfluid.
Este de remarcat faptul că multe dintre proprietățile neobișnuite ale heliului sunt cunoscute de ceva timp. Cu toate acestea, în ultimii ani, acest element chimic ne răsfăța cu efecte interesante și neașteptate. Așadar, în 2004, Moses Chan și Eun-Syong Kim de la Universitatea din Pennsylvania au intrigat lumea științifică cu anunțul că au reușit să obțină o stare complet nouă de heliu - un solid superfluid. În această stare, unii atomi de heliu din rețeaua cristalină pot curge în jurul altora, iar heliul poate curge astfel prin el însuși. Efectul de „superduritate” a fost prezis teoretic încă din 1969. Și apoi în 2004 părea să existe o confirmare experimentală. Cu toate acestea, experimentele ulterioare și foarte interesante au arătat că nu totul este atât de simplu și poate că această interpretare a fenomenului, care a fost acceptată anterior ca superfluiditatea heliului solid, este incorectă.
Experimentul oamenilor de știință condus de Humphrey Maris de la Universitatea Brown din SUA a fost simplu și elegant. Oamenii de știință au plasat o eprubetă cu susul în jos într-un rezervor închis care conține heliu lichid. Au înghețat o parte din heliu în eprubetă și în rezervor, astfel încât limita dintre lichid și solid din interiorul eprubei să fie mai mare decât în ​​rezervor. Cu alte cuvinte, în partea superioară a eprubetei era heliu lichid, în partea inferioară era heliu solid, acesta a trecut fără probleme în faza solidă a rezervorului, deasupra căreia s-a turnat puțin heliu lichid - mai jos decât lichidul. nivel în eprubetă. Dacă heliul lichid ar începe să se scurgă prin heliul solid, atunci diferența de niveluri ar scădea și atunci putem vorbi despre heliu superfluid solid. Și, în principiu, în trei din cele 13 experimente, diferența de niveluri a scăzut efectiv.

5. Substanță superdură- o stare de agregare în care materia este transparentă și poate „curge” ca un lichid, dar de fapt este lipsită de vâscozitate. Astfel de lichide sunt cunoscute de mulți ani, se numesc superfluide. Faptul este că, dacă un superfluid este amestecat, acesta va circula aproape pentru totdeauna, în timp ce un fluid normal se va calma în cele din urmă. Primele două superfluide au fost create de cercetători folosind heliu-4 și heliu-3. Au fost răcite la aproape zero absolut - minus 273 de grade Celsius. Și din heliu-4, oamenii de știință americani au reușit să obțină un corp supersolid. Au comprimat heliul înghețat cu o presiune de peste 60 de ori mai mare, apoi au plasat paharul plin cu substanța pe un disc rotativ. La o temperatură de 0,175 grade Celsius, discul a început brusc să se rotească mai liber, ceea ce oamenii de știință spun că indică faptul că heliul a devenit un supercorp.

6. Solid- o stare de agregare a unei substante, caracterizata prin stabilitatea formei si natura miscarii termice a atomilor, care efectueaza mici vibratii in jurul pozitiilor de echilibru. Starea stabilă a solidelor este cristalină. Există solide cu legături ionice, covalente, metalice și alte tipuri de legături între atomi, ceea ce determină diversitatea proprietăților lor fizice. Proprietățile electrice și alte proprietăți ale solidelor sunt determinate în principal de natura mișcării electronilor exteriori ai atomilor săi. Pe baza proprietăților lor electrice, solidele sunt împărțite în dielectrici, semiconductori și metale, pe baza proprietăților lor magnetice, solidele sunt împărțite în corpuri diamagnetice, paramagnetice și cu o structură magnetică ordonată. Studiile proprietăților solidelor s-au unit într-un domeniu larg - fizica stării solide, a cărei dezvoltare este stimulată de nevoile tehnologiei.

7. Solid amorf- o stare condensata de agregare a unei substante, caracterizata prin izotropia proprietatilor fizice datorita dispozitiei dezordonate a atomilor si moleculelor. În solidele amorfe, atomii vibrează în jurul unor puncte situate aleatoriu. Spre deosebire de starea cristalină, trecerea de la solid amorf la lichid are loc treptat. Diverse substanțe sunt în stare amorfă: sticlă, rășini, materiale plastice etc.

8. Cristal lichid este o stare specifică de agregare a unei substanțe în care prezintă simultan proprietățile unui cristal și ale unui lichid. Trebuie remarcat imediat că nu toate substanțele pot fi în stare lichid cristalină. Cu toate acestea, unele substanțe organice cu molecule complexe pot forma o stare specifică de agregare - lichid cristalin. Această stare apare atunci când cristalele anumitor substanțe se topesc. Când se topesc, se formează o fază lichidă cristalină, care diferă de lichidele obișnuite. Această fază există în intervalul de la temperatura de topire a cristalului până la o temperatură mai mare, când este încălzită, la care cristalul lichid se transformă într-un lichid obișnuit.
Cum diferă un cristal lichid de un lichid și un cristal obișnuit și cum este similar cu ele? Ca un lichid obișnuit, un cristal lichid are fluiditate și ia forma recipientului în care este plasat. Așa diferă de cristalele cunoscute de toată lumea. Cu toate acestea, în ciuda acestei proprietăți, care îl unește cu un lichid, are o proprietate caracteristică cristalelor. Aceasta este ordonarea în spațiu a moleculelor care formează cristalul. Adevărat, această ordonare nu este la fel de completă ca în cristalele obișnuite, dar, cu toate acestea, afectează în mod semnificativ proprietățile cristalelor lichide, ceea ce le diferențiază de lichidele obișnuite. Ordonarea spațială incompletă a moleculelor care formează un cristal lichid se manifestă prin faptul că în cristalele lichide nu există o ordine completă în aranjarea spațială a centrelor de greutate ale moleculelor, deși poate exista o ordine parțială. Aceasta înseamnă că nu au o rețea cristalină rigidă. Prin urmare, cristalele lichide, ca și lichidele obișnuite, au proprietatea fluidității.
O proprietate obligatorie a cristalelor lichide, care le apropie de cristalele obișnuite, este prezența unui ordin de orientare spațială a moleculelor. Această ordine de orientare se poate manifesta, de exemplu, prin faptul că toate axele lungi ale moleculelor dintr-o probă de cristal lichid sunt orientate în același mod. Aceste molecule trebuie să aibă o formă alungită. Pe lângă cea mai simplă ordonare numită a axelor moleculare, într-un cristal lichid poate apărea o ordine de orientare mai complexă a moleculelor.
În funcție de tipul de ordonare a axelor moleculare, cristalele lichide se împart în trei tipuri: nematice, smectice și colesterice.
Cercetările privind fizica cristalelor lichide și aplicațiile acestora se desfășoară în prezent pe un front larg în toate cele mai dezvoltate țări ale lumii. Cercetarea autohtonă este concentrată atât în ​​instituții de cercetare academică, cât și industrială și are o tradiție îndelungată. Lucrările lui V.K., finalizate în anii treizeci la Leningrad, au devenit cunoscute și recunoscute pe scară largă. Fredericks către V.N. Tsvetkova. În ultimii ani, studiul rapid al cristalelor lichide a văzut că cercetătorii autohtoni au contribuit în mod semnificativ la dezvoltarea studiului cristalelor lichide în general și, în special, a opticii cristalelor lichide. Astfel, lucrările lui I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Blinov și mulți alți cercetători sovietici sunt cunoscuți pe scară largă comunității științifice și servesc drept fundație pentru o serie de aplicații tehnice eficiente ale cristalelor lichide.
Existența cristalelor lichide a fost stabilită cu mult timp în urmă, și anume în 1888, adică în urmă cu aproape un secol. Deși oamenii de știință au întâlnit această stare a materiei înainte de 1888, ea a fost descoperită oficial mai târziu.
Primul care a descoperit cristale lichide a fost botanistul austriac Reinitzer. În timp ce studia noua substanță benzoat de colesteril pe care a sintetizat-o, el a descoperit că la o temperatură de 145°C cristalele acestei substanțe se topesc, formând un lichid tulbure care împrăștie puternic lumina. Pe măsură ce încălzirea continuă, la atingerea unei temperaturi de 179°C, lichidul devine limpede, adică începe să se comporte optic ca un lichid obișnuit, de exemplu apa. Benzoatul de colesteril a prezentat proprietăți neașteptate în faza tulbure. Examinând această fază la microscop polarizant, Reinitzer a descoperit că prezintă birefringență. Aceasta înseamnă că indicele de refracție al luminii, adică viteza luminii în această fază, depinde de polarizare.

9. Lichid- starea de agregare a unei substanțe, combinând caracteristicile unei stări solide (conservarea volumului, o anumită rezistență la rupere) și a unei stări gazoase (variabilitatea formei). Lichidele se caracterizează printr-o ordine scurtă în aranjarea particulelor (molecule, atomi) și o mică diferență în energia cinetică a mișcării termice a moleculelor și energia potențială de interacțiune a acestora. Mișcarea termică a moleculelor lichide constă în oscilații în jurul pozițiilor de echilibru și salturi relativ rare de la o poziție de echilibru la alta, care este asociată cu fluiditatea lichidului.

10. Fluid supracritic(SCF) este o stare de agregare a unei substanțe în care diferența dintre faza lichidă și cea gazoasă dispare. Orice substanță la o temperatură și presiune peste punctul său critic este un fluid supercritic. Proprietățile unei substanțe în stare supercritică sunt intermediare între proprietățile sale în faza gazoasă și lichidă. Astfel, SCF are o densitate mare, apropiată de lichid și o vâscozitate scăzută, precum gazele. Coeficientul de difuzie în acest caz are o valoare intermediară între lichid și gaz. Substanțele în stare supercritică pot fi folosite ca înlocuitori pentru solvenții organici în procesele de laborator și industriale. Apa supercritică și dioxidul de carbon supercritic au primit cel mai mare interes și distribuție datorită anumitor proprietăți.
Una dintre cele mai importante proprietăți ale stării supercritice este capacitatea de a dizolva substanțele. Schimbând temperatura sau presiunea fluidului, îi puteți modifica proprietățile într-o gamă largă. Astfel, este posibil să se obțină un fluid ale cărui proprietăți sunt apropiate fie de un lichid, fie de un gaz. Astfel, capacitatea de dizolvare a unui fluid crește odată cu creșterea densității (la o temperatură constantă). Deoarece densitatea crește odată cu creșterea presiunii, schimbarea presiunii poate influența capacitatea de dizolvare a fluidului (la o temperatură constantă). În cazul temperaturii, dependența proprietăților fluidului este oarecum mai complexă - la o densitate constantă, crește și capacitatea de dizolvare a fluidului, dar în apropierea punctului critic, o ușoară creștere a temperaturii poate duce la o scădere bruscă. în densitate și, în consecință, capacitatea de dizolvare. Fluidele supercritice se amestecă între ele fără limită, astfel încât atunci când se atinge punctul critic al amestecului, sistemul va fi întotdeauna monofazat. Temperatura critică aproximativă a unui amestec binar poate fi calculată ca medie aritmetică a parametrilor critici ai substanțelor Tc(mix) = (fracția molară A) x TcA + (fracția molară B) x TcB.

11. Gazos- (franceză gaz, din greacă haos - haos), o stare de agregare a unei substanțe în care energia cinetică a mișcării termice a particulelor sale (molecule, atomi, ioni) depășește semnificativ energia potențială a interacțiunilor dintre ele și, prin urmare, particulele se mișcă liber, umplând uniform în absența câmpurilor externe întregul volum furnizat acestuia.

12. Plasma- (din greaca plasma - sculptata, modelata), o stare a materiei care este un gaz ionizat in care concentratiile sarcinilor pozitive si negative sunt egale (cvasi-neutralitate). Marea majoritate a materiei din Univers se află în stare de plasmă: stele, nebuloase galactice și mediul interstelar. Lângă Pământ, plasma există sub formă de vânt solar, magnetosferă și ionosferă. Plasma la temperatură înaltă (T ~ 106 - 108K) dintr-un amestec de deuteriu și tritiu este studiată în scopul implementării fuziunii termonucleare controlate. Plasma la temperatură joasă (T Ј 105K) este utilizată în diferite dispozitive de descărcare în gaz (lasere cu gaz, dispozitive cu ioni, generatoare MHD, plasmatron, motoare cu plasmă etc.), precum și în tehnologie (vezi Metalurgia cu plasmă, Foraj cu plasmă, Plasmă tehnologie).

13. Materie degenerată— este o etapă intermediară între plasmă și neutroniu. Se observă la piticele albe și joacă un rol important în evoluția stelelor. Când atomii sunt supuși la temperaturi și presiuni extrem de ridicate, își pierd electronii (devin gaz de electroni). Cu alte cuvinte, ele sunt complet ionizate (plasmă). Presiunea unui astfel de gaz (plasma) este determinată de presiunea electronilor. Dacă densitatea este foarte mare, toate particulele sunt forțate mai aproape unele de altele. Electronii pot exista în stări cu energii specifice și nici doi electroni nu pot avea aceeași energie (cu excepția cazului în care spinurile lor sunt opuse). Astfel, într-un gaz dens, toate nivelurile inferioare de energie sunt umplute cu electroni. Un astfel de gaz se numește degenerat. În această stare, electronii prezintă o presiune degenerată a electronilor, care contracarează forțele gravitației.

14. Neutroniu- o stare de agregare în care materia trece la presiune ultra-înaltă, care este încă de neatins în laborator, dar există în interiorul stelelor neutronice. În timpul tranziției la starea neutronică, electronii substanței interacționează cu protonii și se transformă în neutroni. Drept urmare, materia în stare de neutroni este formată în întregime din neutroni și are o densitate de ordinul nuclearului. Temperatura substanței nu trebuie să fie prea mare (în echivalent de energie, nu mai mult de o sută de MeV).
Odată cu o creștere puternică a temperaturii (de sute de MeV și peste), diverși mezoni încep să se nască și să se anihileze în starea de neutroni. Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii, are loc deconfinerea, iar substanța trece în starea de plasmă cuarc-gluon. Nu mai constă din hadroni, ci din quarci și gluoni care se nasc și dispar în mod constant.

15. Plasmă cuarc-gluon(cromoplasmă) - o stare de agregare a materiei în fizica energiilor înalte și în fizica particulelor elementare, în care materia hadronică trece într-o stare similară cu starea în care se găsesc electronii și ionii în plasma obișnuită.
De obicei, materia din hadroni este în așa-numita stare incoloră („albă”). Adică, quarcii de culori diferite se anulează reciproc. O stare similară există în materia obișnuită - când toți atomii sunt neutri din punct de vedere electric, adică
sarcinile pozitive din ele sunt compensate de cele negative. La temperaturi ridicate, poate avea loc ionizarea atomilor, timp în care sarcinile sunt separate, iar substanța devine, după cum se spune, „cvasi-neutră”. Adică, întregul nor de materie rămâne neutru, dar particulele sale individuale încetează să fie neutre. Același lucru, aparent, se poate întâmpla cu materia hadronică - la energii foarte mari, culoarea este eliberată și face ca substanța să fie „cvasi-incoloră”.
Probabil că materia Universului a fost într-o stare de plasmă de quarc-gluoni în primele momente după Big Bang. Acum, plasma quarc-gluon poate fi formată pentru o perioadă scurtă de timp în timpul ciocnirilor de particule de energii foarte mari.
Plasma de Quark-gluon a fost produsă experimental la acceleratorul RHIC de la Brookhaven National Laboratory în 2005. Temperatura maximă a plasmei de 4 trilioane de grade Celsius a fost obținută acolo în februarie 2010.

16. Substanță ciudată- o stare de agregare în care materia este comprimată la valori de densitate maximă poate exista sub formă de „ciorbă de cuarci”. Un centimetru cub de materie în această stare va cântări miliarde de tone; în plus, va transforma orice substanță normală cu care intră în contact în aceeași formă „ciudată” cu eliberarea unei cantități semnificative de energie.
Energia care poate fi eliberată atunci când nucleul stelei se transformă în „materie ciudată” va duce la o explozie super-puternică a unei „nove de cuarc” – și, conform lui Leahy și Uyed, aceasta este exact ceea ce au observat astronomii în septembrie 2006.
Procesul de formare a acestei substanțe a început cu o supernovă obișnuită, în care s-a transformat o stea masivă. În urma primei explozii, s-a format o stea neutronică. Dar, potrivit lui Leahy și Uyed, nu a durat foarte mult - deoarece rotația sa părea să fie încetinită de propriul câmp magnetic, a început să se micșoreze și mai mult, formând un pâlc de „materie ciudată”, ceea ce a dus la o uniformitate. mai puternic în timpul unei explozii obișnuite de supernovă, eliberarea de energie - și straturile exterioare de materie ale fostei stele neutronice, zburând în spațiul înconjurător cu o viteză apropiată de viteza luminii.

17. Substanță puternic simetrică- aceasta este o substanță comprimată în așa măsură încât microparticulele din interiorul ei sunt stratificate una peste alta, iar corpul însuși se prăbușește într-o gaură neagră. Termenul „simetrie” este explicat după cum urmează: Să luăm stările agregative ale materiei cunoscute de toată lumea de la școală - solid, lichid, gazos. Pentru certitudine, să considerăm un cristal infinit ideal ca un solid. Există o anumită, așa-numita simetrie discretă în ceea ce privește transferul. Aceasta înseamnă că dacă mutați rețeaua cristalină cu o distanță egală cu intervalul dintre doi atomi, nimic nu se va schimba în ea - cristalul va coincide cu el însuși. Dacă cristalul este topit, atunci simetria lichidului rezultat va fi diferită: va crește. Într-un cristal, doar punctele îndepărtate unele de altele la anumite distanțe, așa-numitele noduri ale rețelei cristaline, în care se aflau atomi identici, erau echivalente.
Lichidul este omogen pe întregul său volum, toate punctele sale nu se pot distinge unele de altele. Aceasta înseamnă că lichidele pot fi deplasate de orice distanțe arbitrare (și nu doar unele discrete, ca într-un cristal) sau rotite de orice unghiuri arbitrare (ceea ce nu se poate face deloc în cristale) și va coincide cu el însuși. Gradul său de simetrie este mai mare. Gazul este și mai simetric: lichidul ocupă un anumit volum în vas și există o asimetrie în interiorul vasului unde există lichid și puncte unde nu este. Gazul ocupă întregul volum care îi este furnizat și, în acest sens, toate punctele sale nu se pot distinge unele de altele. Totuși, aici ar fi mai corect să vorbim nu despre puncte, ci despre elemente mici, dar macroscopice, pentru că la nivel microscopic există încă diferențe. În unele momente la un moment dat există atomi sau molecule, în timp ce în altele nu există. Simetria se observă doar în medie, fie asupra unor parametri macroscopici de volum, fie în timp.
Dar încă nu există o simetrie instantanee la nivel microscopic. Dacă substanța este comprimată foarte puternic, la presiuni inacceptabile în viața de zi cu zi, comprimată astfel încât atomii să fie zdrobiți, învelișurile lor se pătrund unul în celălalt, iar nucleele încep să se atingă, apare simetria la nivel microscopic. Toate nucleele sunt identice și presate unul împotriva celuilalt, nu există doar distanțe interatomice, ci și internucleare, iar substanța devine omogenă (substanță ciudată).
Dar există și un nivel submicroscopic. Nucleii sunt formați din protoni și neutroni care se mișcă în interiorul nucleului. Există, de asemenea, ceva spațiu între ei. Dacă continuați să comprimați astfel încât nucleii să fie zdrobiți, nucleonii se vor apăsa strâns unul împotriva celuilalt. Apoi, la nivel submicroscopic, va apărea simetria, care nu există nici măcar în interiorul nucleelor ​​obișnuite.
Din cele spuse, se poate desluși o tendință foarte clară: cu cât temperatura este mai mare și presiunea este mai mare, cu atât substanța devine mai simetrică. Pe baza acestor considerații, o substanță comprimată la maximum se numește extrem de simetrică.

18. Materie slab simetrică- o stare opusă materiei puternic simetrice în proprietățile sale, prezentă în Universul foarte timpuriu la o temperatură apropiată de cea a lui Planck, poate la 10-12 secunde după Big Bang, când forțele puternice, slabe și electromagnetice reprezentau o singură superforță. În această stare, substanța este comprimată în așa măsură încât masa sa se transformă în energie, care începe să se umfle, adică să se extindă la infinit. Nu este încă posibil să se obțină energiile pentru obținerea experimentală a superputerii și transferul materiei în această fază în condiții terestre, deși astfel de încercări au fost făcute la Large Hadron Collider pentru a studia universul timpuriu. Din cauza absenței interacțiunii gravitaționale în superforța care formează această substanță, superforța nu este suficient de simetrică în comparație cu forța supersimetrică care conține toate cele 4 tipuri de interacțiuni. Prin urmare, această stare de agregare a primit un astfel de nume.

19. Substanța razelor- aceasta, de fapt, nu mai este deloc materie, ci energie în forma ei pură. Cu toate acestea, tocmai această stare ipotetică de agregare o va lua un corp care a atins viteza luminii. Se poate obține și prin încălzirea corpului la temperatura Planck (1032K), adică accelerând moleculele substanței la viteza luminii. După cum rezultă din teoria relativității, atunci când o viteză atinge mai mult de 0,99 s, masa corpului începe să crească mult mai repede decât cu accelerația „normală”, în plus, corpul se alungește, se încălzește, adică începe să crească radiază în spectrul infraroșu. La trecerea pragului de 0,999 s, corpul se schimbă radical și începe o tranziție rapidă de fază până la starea de rază. După cum rezultă din formula lui Einstein, luată în întregime, masa în creștere a substanței finale constă din mase separate de corp sub formă de radiații termice, de raze X, optice și de altă natură, energia fiecăruia fiind descrisă de termenul următor în formulă. Astfel, un corp care se apropie de viteza luminii va începe să emită în toate spectrele, să crească în lungime și să încetinească în timp, subțiendu-se până la lungimea Planck, adică la atingerea vitezei c, corpul se va transforma într-un corp infinit de lung și fascicul subțire, care se mișcă cu viteza luminii și format din fotoni care nu au lungime, iar masa sa infinită va fi complet transformată în energie. Prin urmare, o astfel de substanță se numește rază.

În funcție de temperatură și presiune, orice substanță este capabilă să ia diferite stări de agregare. Fiecare astfel de stare este caracterizată de anumite proprietăți calitative care rămân neschimbate în limitele temperaturilor și presiunilor necesare pentru o anumită stare de agregare.

Proprietățile caracteristice ale stărilor de agregare includ, de exemplu, capacitatea unui corp în stare solidă de a-și păstra forma sau invers, capacitatea unui corp lichid de a-și schimba forma. Cu toate acestea, uneori, granițele dintre diferitele stări ale materiei sunt destul de neclare, ca în cazul cristalelor lichide, sau așa-numitele „solide amorfe”, care pot fi elastice ca solidele și fluide ca lichidele.

Tranziția între stările de agregare poate avea loc cu eliberarea de energie liberă, o schimbare a densității, entropiei sau a altor cantități fizice. Trecerea de la o stare de agregare la alta se numește tranziție de fază, iar fenomenele care însoțesc astfel de tranziții sunt numite fenomene critice.

Lista stărilor de agregare cunoscute

În practica de zi cu zi, trebuie să ne ocupăm nu separat de atomi, molecule și ioni individuali, ci de substanțe reale - o colecție de un număr mare de particule. În funcție de natura interacțiunii lor, se disting patru tipuri de stare de agregare: solidă, lichidă, gazoasă și plasmă. O substanță se poate transforma de la o stare de agregare la alta ca urmare a unei tranziții de fază adecvate.

Prezența unei substanțe într-una sau alta stare de agregare este determinată de forțele care acționează între particule, distanța dintre acestea și caracteristicile mișcării lor. Fiecare stare de agregare este caracterizată de un set de anumite proprietăți.

Proprietățile substanțelor în funcție de starea lor de agregare:

Un exces semnificativ al energiei potențiale a particulelor față de energia cinetică, E cinetică.

Atunci când particulele unei substanțe formează o structură geometrică regulată, iar energia legăturilor dintre ele este mai mare decât energia vibrațiilor termice, ceea ce împiedică distrugerea structurii existente, înseamnă că substanța este în stare solidă. Dar pornind de la o anumită temperatură, energia vibrațiilor termice depășește energia legăturilor dintre particule. În acest caz, particulele, deși rămân în contact, se mișcă unele față de altele. Ca urmare, structura geometrică este perturbată și substanța trece în stare lichidă. Dacă vibrațiile termice cresc atât de mult încât legătura dintre particule se pierde practic, substanța capătă o stare gazoasă. Într-un gaz „ideal”, particulele se mișcă liber în toate direcțiile.

Pe măsură ce temperatura crește, o substanță trece de la o stare ordonată (solidă) la o stare dezordonată (gazoasă), starea lichidă este intermediară în ordinea particulelor.

A patra stare de agregare se numește plasmă - un gaz format dintr-un amestec de particule neutre și ionizate și electroni. Plasma se formează la temperaturi ultra-înalte (10 5 -10 7 0 C) datorită energiei semnificative de coliziune a particulelor care au tulburări maxime de mișcare. O caracteristică obligatorie a plasmei, ca și alte stări ale materiei, este neutralitatea sa electrică. Dar, ca urmare a mișcării dezordonate a particulelor din plasmă, pot apărea microzone încărcate separate, datorită cărora devine o sursă de radiație electromagnetică. În starea de plasmă, materia există pe stele și alte obiecte spațiale, precum și în timpul proceselor termonucleare.

Fiecare stare de agregare este determinată, în primul rând, de intervalul de temperaturi și presiuni, prin urmare, pentru o caracteristică cantitativă vizuală, se folosește o diagramă de fază a unei substanțe, care arată dependența stării de agregare de presiune și temperatură.

Diagrama de stare a unei substanțe cu curbe de tranziție de fază: 1 - topire-cristalizare, 2 - fierbere-condensare, 3 - sublimare-desublimare

Diagrama de fază constă din trei regiuni principale, care corespund stărilor cristalină, lichidă și gazoasă. Zonele individuale sunt separate prin curbe care reflectă tranzițiile de fază:

1. stare solidă în lichid și, invers, lichid în solid (curba de topire-cristalizare - grafic punctat verde)
2. lichid în gaz și conversie inversă a gazului în lichid (curba de fierbere-condensare - grafic albastru)
3. solid la gazos și gazos la solid (curba sublimare-desublimare - grafic roșu).

Coordonatele de intersecție ale acestor curbe se numesc punct triplu, în care, în condițiile unei anumite presiuni P = P in și unei anumite temperaturi T = T in, o substanță poate coexista în trei stări de agregare deodată, cu lichidul și stări solide având aceeași presiune de vapori. Coordonatele P in și T in sunt singurele valori ale presiunii și temperaturii la care toate cele trei faze pot coexista simultan.

Punctul K din diagrama de fază a stării corespunde temperaturii Tk - așa-numita temperatură critică la care energia cinetică a particulelor depășește energia interacțiunii lor și, prin urmare, linia de separare dintre fazele lichide și gazoase este ștearsă, iar substanța există în stare gazoasă la orice presiune.

Din analiza diagramei de fază rezultă că la o presiune mare mai mare decât în ​​punctul triplu (P in), încălzirea unei substanțe solide se termină cu topirea acesteia, de exemplu, la P 1 topirea are loc în punctul d. O creștere suplimentară a temperaturii de la Td la Te duce la fierberea substanței la o presiune dată P1. La o presiune P2 mai mică decât presiunea în punctul triplu P in, încălzirea substanței duce la trecerea acesteia direct de la starea cristalină la cea gazoasă (punctul q), adică la sublimare. Pentru majoritatea substanțelor, presiunea în punctul triplu este mai mică decât presiunea vaporilor saturați (P in

P este abur saturat, prin urmare, când cristalele unor astfel de substanțe sunt încălzite, ele nu se topesc, ci se evaporă, adică sunt supuse sublimării. De exemplu, cristalele de iod sau „gheața uscată” (CO 2 solid) se comportă astfel.

Stare gazoasă

În condiții normale (273 K, 101325 Pa), atât substanțele simple, ale căror molecule sunt formate dintr-unul (He, Ne, Ar) sau mai mulți atomi simpli (H 2, N 2, O 2), cât și cele complexe pot fi în gaze. substanțe de stare cu masă molară mică (CH 4, HCl, C 2 H 6).

Deoarece energia cinetică a particulelor de gaz depășește energia lor potențială, moleculele în stare gazoasă se mișcă continuu haotic. Datorită distanțelor mari dintre particule, forțele interacțiunii intermoleculare în gaze sunt atât de nesemnificative încât nu sunt suficiente pentru a atrage particulele unele la altele și a le menține împreună. Din acest motiv, gazele nu au formă proprie și se caracterizează prin densitate scăzută și capacitate mare de comprimare și dilatare. Prin urmare, gazul apasă constant pe pereții vasului în care se află, în mod egal în toate direcțiile.

Pentru a studia relația dintre cei mai importanți parametri ai unui gaz (presiunea P, temperatura T, cantitatea de substanță n, masa molară M, masa m), se utilizează cel mai simplu model al stării gazoase a unei substanțe - gaz ideal, care se bazează pe următoarele ipoteze:

• interacțiunea dintre particulele de gaz poate fi neglijată;
• particulele în sine sunt puncte materiale care nu au propria lor dimensiune.

Cea mai generală ecuație care descrie modelul de gaz ideal este considerată a fi ecuația Mendeleev-Clapeyron pentru un mol de substanță:

Cu toate acestea, comportamentul unui gaz real diferă, de regulă, de unul ideal. Acest lucru se explică, în primul rând, prin faptul că există încă forțe nesemnificative de atracție reciprocă între moleculele unui gaz real, care comprimă gazul într-o anumită măsură. Ținând cont de acest lucru, presiunea totală a gazului crește cu cantitate o/V 2, care ține cont de presiunea internă suplimentară cauzată de atracția reciprocă a moleculelor. Ca rezultat, presiunea totală a gazului este exprimată prin sumă P+ O/V 2. În al doilea rând, moleculele unui gaz real au, deși mici, un volum bine definit b , prin urmare volumul real al tuturor gazelor din spațiu este V— b . Când înlocuim valorile considerate în ecuația Mendeleev-Clapeyron, obținem ecuația de stare a unui gaz real, care se numește ecuația van der Waals:

Unde O Şi b — coeficienți empirici care se determină în practică pentru fiecare gaz real. S-a stabilit că coeficientul o are o valoare mai mare pentru gazele care sunt ușor lichefiate (de exemplu, CO2, NH3), iar coeficientul b - dimpotrivă, cu cât amplitudinea este mai mare, cu atât sunt mai mari moleculele de gaz (de exemplu, hidrocarburile gazoase).

Ecuația van der Waals descrie comportamentul unui gaz real mult mai precis decât ecuația Mendeleev-Clapeyron, care, totuși, datorită semnificației sale fizice clare, este utilizată pe scară largă în calculele practice. Deși starea ideală a unui gaz este un caz limitativ, imaginar, simplitatea legilor care îi corespund, posibilitatea aplicării lor pentru a descrie proprietățile multor gaze în condiții de presiuni scăzute și temperaturi ridicate face ca modelul de gaz ideal să fie foarte convenabil.

Starea lichidă a materiei

Starea lichidă a oricărei substanțe particulare este stabilă termodinamic într-un anumit interval de temperaturi și presiuni caracteristice naturii (compoziției) acestei substanțe. Limita superioară de temperatură a stării lichide este punctul de fierbere, peste care o substanță se află în stare gazoasă în condiții de presiune stabilă. Limita inferioară a stării stabile de existență a unui lichid este temperatura de cristalizare (solidificare). Temperaturile de fierbere și de cristalizare măsurate la o presiune de 101,3 kPa se numesc normale.

Lichidele obișnuite sunt caracterizate de izotropie - uniformitatea proprietăților fizice în toate direcțiile în interiorul unei substanțe. Uneori se folosesc alți termeni pentru izotropie: invarianță, simetrie față de alegerea direcției.

În formarea vederilor asupra naturii stării lichide, ideea unei stări critice, care a fost descoperită de Mendeleev (1860), este importantă:

O stare critică este o stare de echilibru în care limita de separare dintre un lichid și vaporii acestuia dispare deoarece lichidul și vaporii săi saturati dobândesc aceleași proprietăți fizice.

Într-o stare critică, valorile atât ale densităților, cât și ale volumelor specifice ale lichidului și ale vaporilor saturați devin aceleași.

Starea lichidă a unei substanțe este intermediară între gazos și solid. Unele proprietăți aduc starea lichidă mai aproape de starea solidă. Dacă solidele sunt caracterizate printr-o ordonare rigidă a particulelor, care se extinde pe distanțe de până la sute de mii de raze interatomice sau intermoleculare, atunci în stare lichidă, de regulă, nu se observă mai mult de câteva zeci de particule ordonate. Acest lucru se explică prin faptul că ordinea între particule în diferite locuri ale unei substanțe lichide apare rapid și la fel de repede este „erodata” din nou de vibrațiile termice ale particulelor. În același timp, densitatea globală a „ambalajului” particulelor diferă puțin de cea a unui solid, astfel încât densitatea lichidelor nu este foarte diferită de densitatea majorității solidelor. În plus, capacitatea lichidelor de a se comprima este aproape la fel de scăzută ca cea a solidelor (de aproximativ 20.000 de ori mai mică decât cea a gazelor).

Analiza structurală a confirmat că lichidele prezintă așa-numitele ordine de închidere, ceea ce înseamnă că numărul de „vecini” cei mai apropiați ai fiecărei molecule și pozițiile lor relative sunt aproximativ aceleași pe întregul volum.

Se numește un număr relativ mic de particule de compoziții diferite conectate prin forțe de interacțiune intermoleculară cluster . Dacă toate particulele dintr-un lichid sunt identice, atunci se numește un astfel de grup asociat . În grupuri și asociați se observă ordinea pe distanță scurtă.

Gradul de ordine în diferite lichide depinde de temperatură. La temperaturi scăzute, puțin peste punctul de topire, gradul de ordine în aranjarea particulelor este foarte ridicat. Pe măsură ce temperatura crește, scade și pe măsură ce se încălzește, proprietățile lichidului devin din ce în ce mai asemănătoare cu proprietățile gazelor, iar când se atinge temperatura critică, diferența dintre starea lichidă și cea gazoasă dispare.

Apropierea stării lichide de starea solidă este confirmată de valorile entalpiilor standard de evaporare DН 0 evaporare și topire DН 0 topire. Să ne amintim că valoarea evaporării DH 0 arată cantitatea de căldură necesară pentru a transforma 1 mol de lichid în vapori la 101,3 kPa; aceeași cantitate de căldură este cheltuită pentru condensarea a 1 mol de abur în lichid în aceleași condiții (adică evaporare DH 0 = condensare DH 0). Cantitatea de căldură consumată pentru a transforma 1 mol dintr-un solid într-un lichid la 101,3 kPa se numește entalpia standard de fuziune; aceeași cantitate de căldură este eliberată în timpul cristalizării a 1 mol de lichid în condiții normale de presiune (topire DH 0 = cristalizare DH 0). Se știe că evaporarea DH 0<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.

Cu toate acestea, alte proprietăți importante ale lichidelor seamănă mai mult cu cele ale gazelor. Deci, ca și gazele, lichidele pot curge - această proprietate se numește fluiditate . Ei pot rezista curgerii, adică au un inerent viscozitate . Aceste proprietăți sunt influențate de forțele de atracție dintre molecule, greutatea moleculară a substanței lichide și alți factori. Vâscozitatea lichidelor este de aproximativ 100 de ori mai mare decât cea a gazelor. La fel ca gazele, lichidele pot difuza, dar mult mai lent, deoarece particulele lichide sunt strânse mai strâns între ele decât particulele de gaz.

Una dintre cele mai interesante proprietăți ale stării lichide, care nu este caracteristică nici gazelor, nici solidelor, este tensiune superficială .

O moleculă situată într-un volum lichid este acționată uniform asupra forțelor intermoleculare din toate părțile. Cu toate acestea, la suprafața lichidului echilibrul acestor forțe este perturbat, drept urmare moleculele de suprafață sunt sub influența unei forțe rezultante, care este direcționată în interiorul lichidului. Din acest motiv, suprafața lichidului este în stare de tensiune. Tensiunea superficială este forța minimă care ține particulele lichide în interior și, prin urmare, împiedică contractarea suprafeței lichidului.

Structura și proprietățile solidelor

Cele mai multe substanțe cunoscute, atât naturale, cât și artificiale, sunt în stare solidă în condiții normale. Dintre toți compușii cunoscuți astăzi, aproximativ 95% sunt solide, care au devenit importanți deoarece stau la baza nu numai materialelor structurale, ci și funcționale.

• Materialele de construcție sunt substanțe solide sau compozițiile lor care sunt utilizate pentru fabricarea de unelte, articole de uz casnic și diverse alte structuri.
• Materialele funcționale sunt substanțe solide, a căror utilizare este determinată de prezența anumitor proprietăți benefice în ele.

De exemplu, oțelul, aluminiul, betonul și ceramica aparțin materialelor structurale, în timp ce semiconductorii și fosforii aparțin materialelor funcționale.

În stare solidă, distanțele dintre particulele substanței sunt mici și au același ordin de mărime ca și particulele în sine. Energiile de interacțiune dintre ele sunt destul de mari, ceea ce împiedică mișcarea liberă a particulelor - ele pot oscila doar în jurul anumitor poziții de echilibru, de exemplu, în jurul nodurilor unei rețele cristaline. Incapacitatea particulelor de a se mișca liber duce la una dintre cele mai caracteristice trăsături ale solidelor - prezența propriei forme și volum. Compresibilitatea solidelor este foarte scăzută, iar densitatea este mare și depinde puțin de schimbările de temperatură. Toate procesele care au loc în materia solidă au loc lent. Legile stoichiometriei pentru solide au un sens diferit și, de regulă, mai larg decât pentru substanțele gazoase și lichide.

O descriere detaliată a solidelor este prea voluminoasă pentru acest material și, prin urmare, este discutată în articole separate: și.