Klausimai apie tai, kokia yra agregacijos būsena, kokias savybes ir savybes turi kietos medžiagos, skysčiai ir dujos, nagrinėjami keliuose mokymo kursai. Yra trys klasikinės materijos būsenos, turinčios jiems būdingų struktūrinių bruožų. Jų supratimas yra svarbus dalykas norint suprasti mokslus apie Žemę, gyvus organizmus, gamybinę veiklą. Šiuos klausimus nagrinėja fizika, chemija, geografija, geologija, fizinė chemija ir kiti mokslo disciplinas. Medžiagos, kurių būsena tam tikromis sąlygomis yra viena iš trijų pagrindinių tipų, gali keistis didėjant arba mažėjant temperatūrai ir slėgiui. Panagrinėkime galimus perėjimus iš vienos agregacijos būsenos į kitą, nes tai vyksta gamtoje, technikoje ir kasdieniame gyvenime.

Kas yra agregavimo būsena?

Lotynų kilmės žodis „aggrego“ išvertus į rusų kalbą reiškia „prisijungti“. Mokslinis terminas nurodo to paties kūno, medžiagos būseną. Kietųjų medžiagų, dujų ir skysčių buvimas tam tikroje temperatūroje ir skirtinguose slėgiuose būdingas visiems Žemės apvalkalams. Be trijų pagrindinių agregavimo būsenų, yra ir ketvirta. Esant aukštesnei temperatūrai ir pastoviam slėgiui, dujos virsta plazma. Norint geriau suprasti, kas yra agregacijos būsena, būtina atsiminti mažiausias daleles, iš kurių susidaro medžiagos ir kūneliai.

Aukščiau pateiktoje diagramoje parodyta: a - dujos; b – skystis; c yra kietas kūnas. Tokiose nuotraukose apskritimai nurodo konstrukciniai elementai medžiagų. Tai simbolis, tiesą sakant, atomai, molekulės, jonai nėra kieti rutuliukai. Atomai susideda iš teigiamai įkrauto branduolio, aplink kurį dideliu greičiu juda neigiamo krūvio elektronai. Žinios apie mikroskopinę medžiagos struktūrą padeda geriau suprasti skirtumus, egzistuojančius tarp skirtingų agregatų formų.

Idėjos apie mikrokosmosą: nuo senovės Graikijos iki XVII a

Pirmoji informacija apie daleles, sudarančias fizinius kūnus, pasirodė m Senovės Graikija. Mąstytojai Demokritas ir Epikūras pristatė tokią sąvoką kaip atomas. Jie tikėjo, kad šios mažiausios nedalomos dalelės skirtingos medžiagos turi formą, tam tikrą dydį, gali judėti ir sąveikauti vienas su kitu. Atomizmas savo laiku tapo pažangiausiu senovės Graikijos mokymu. Tačiau jo raida viduramžiais sulėtėjo. Nuo tada mokslininkus persekiojo Romos katalikų bažnyčios inkvizicija. Todėl iki šių laikų nebuvo aiškios sampratos, kokia yra materijos būsena. Tik po XVII amžiaus mokslininkai R. Boyle'as, M. Lomonosovas, D. Daltonas, A. Lavoisier suformulavo atominės-molekulinės teorijos nuostatas, kurios neprarado savo reikšmės ir šiandien.

Atomai, molekulės, jonai – mikroskopinės medžiagos sandaros dalelės

Reikšmingas lūžis mikropasaulio suvokime įvyko XX amžiuje, kai buvo išrastas elektroninis mikroskopas. Atsižvelgiant į anksčiau mokslininkų padarytus atradimus, buvo galima susidaryti nuoseklų mikropasaulio vaizdą. Teorijos, apibūdinančios mažiausių materijos dalelių būseną ir elgesį, yra gana sudėtingos. skirtingos medžiagos.

1. Atomai yra chemiškai nedalomos dalelės. Išsaugota cheminės reakcijos, bet sunaikinami branduoliniuose. Metalai ir daugelis kitų atominės struktūros medžiagų normaliomis sąlygomis yra kietos agregacijos būsenos.
2. Molekulės yra dalelės, kurios suskaidomos ir susidaro cheminių reakcijų metu. deguonis, vanduo, anglies dvideginio, siera. Fizinė būsena deguonis, azotas, sieros dioksidas, anglis, deguonis normaliomis sąlygomis – dujinis.
3. Jonai yra įkrautos dalelės, kuriomis tampa atomai ir molekulės, kai įgyja arba praranda elektronus – mikroskopines neigiamai įkrautas daleles. Joninė struktūra turi daug druskų, tokių kaip valgomoji druska, geležies sulfatas ir vario sulfatas.

Yra medžiagų, kurių dalelės tam tikru būdu išsidėsčiusios erdvėje. Sutvarkyta tarpusavio atomų, jonų ir molekulių padėtis vadinama kristaline gardele. Paprastai joninės ir atominės kristalinės gardelės būdingos kietoms medžiagoms, o molekulinės – skysčiams ir dujoms. Deimantas išsiskiria dideliu kietumu. Jo atominę kristalinę gardelę sudaro anglies atomai. Tačiau minkštasis grafitas taip pat susideda iš šio atomų cheminis elementas. Tik jie skirtingai išsidėstę erdvėje. Įprasta sieros agregacijos būsena yra kieta, tačiau esant aukštai temperatūrai medžiaga virsta skysta ir amorfine mase.

Kietos agregacijos būsenos medžiagos

Kietosios medžiagos normaliomis sąlygomis išlaiko savo tūrį ir formą. Pavyzdžiui, smėlio grūdelis, cukraus grūdelis, druska, gabalėlis roko arba metalo. Jei kaitinate cukrų, medžiaga pradeda tirpti ir virsta klampiu rudu skysčiu. Nustokime šildyti ir vėl gausime kietą. Tai reiškia, kad viena iš pagrindinių kietosios medžiagos perėjimo į skystį sąlygų yra jos kaitinimas arba medžiagos dalelių vidinės energijos padidėjimas. Taip pat galima keisti kietą druskos, kuri naudojama maistui, kaupimosi būseną. Tačiau norint ištirpinti valgomąją druską, reikia aukštesnės temperatūros nei kaitinant cukrų. Faktas yra tas, kad cukrus susideda iš molekulių, o valgomoji druska – iš įkrautų jonų, kurie yra stipriau traukiami vienas prie kito. Skystos kietosios medžiagos neišlaiko savo formos, nes sunaikinamos kristalinės gardelės.

Druskos skysta agregatinė būsena lydant paaiškinama tuo, kad kristaluose nutrūksta ryšiai tarp jonų. Išsiskiria įkrautos dalelės, kurios gali neštis elektros krūviai. Išlydytos druskos praleidžia elektrą ir yra laidininkai. Chemijos, metalurgijos ir inžinerijos pramonėje kietosios medžiagos paverčiamos skysčiais, kad susidarytų nauji junginiai arba jiems būtų suteikiamos skirtingos formos. Metalų lydiniai tapo plačiai paplitę. Yra keli jų gavimo būdai, susiję su kietų žaliavų agregacijos būklės pokyčiais.

Skystis yra viena iš pagrindinių agregacijos būsenų

Jei į apvaliadugnę kolbą supilsite 50 ml vandens, pastebėsite, kad medžiaga iš karto įgaus cheminio indo formą. Bet kai tik išpilsime vandenį iš kolbos, skystis iškart pasklis ant stalo paviršiaus. Vandens tūris išliks toks pat – 50 ml, tačiau keisis jo forma. Išvardyti požymiai būdingi skystai materijos egzistavimo formai. Daugelis organinių medžiagų yra skysčiai: alkoholiai, augaliniai aliejai, rūgštys.

Pienas yra emulsija, t. y. skystis, kuriame yra riebalų lašelių. Naudingas skystas išteklius yra nafta. Jis išgaunamas iš šulinių, naudojant gręžimo įrenginius sausumoje ir vandenyne. Jūros vanduo taip pat yra žaliava pramonei. Jo skirtumas nuo gėlo vandens upėse ir ežeruose yra ištirpusių medžiagų, daugiausia druskų, kiekis. Garuojant nuo rezervuarų paviršiaus į garų būseną pereina tik H 2 O molekulės, lieka ištirpusios medžiagos. Šia savybe pagrįsti naudingų medžiagų gavimo iš jūros vandens ir jo valymo būdai.

Kai druskos visiškai pašalinamos, gaunamas distiliuotas vanduo. Užverda 100°C temperatūroje, o užšąla 0°C temperatūroje. Sūrymai užverda ir kitoje temperatūroje virsta ledu. Pavyzdžiui, vanduo Arkties vandenyne užšąla esant 2 °C paviršiaus temperatūrai.

Fizinė gyvsidabrio būsena normaliomis sąlygomis yra skysta. Šis sidabriškai pilkas metalas dažniausiai naudojamas medicininiams termometrams užpildyti. Kaitinant, gyvsidabrio stulpelis pakyla ant skalės, o medžiaga plečiasi. Kodėl naudojamas raudonais dažais nuspalvintas alkoholis, o ne gyvsidabris? Tai paaiškinama skysto metalo savybėmis. Esant 30 laipsnių šalčiui, pasikeičia gyvsidabrio agregacijos būsena, medžiaga tampa kieta.

Jei medicininis termometras sugenda ir gyvsidabris išsiliejo, tuomet rankomis rinkti sidabrinius rutuliukus yra pavojinga. Kenksminga įkvėpti gyvsidabrio garų, ši medžiaga yra labai toksiška. Tokiais atvejais vaikai turi kreiptis pagalbos į tėvus ir suaugusiuosius.

Dujinė būsena

Dujos negali išlaikyti nei savo tūrio, nei formos. Pripildykime kolbą deguonimi iki viršaus (jo cheminė formulė O 2). Kai tik atidarysime kolbą, medžiagos molekulės pradės maišytis su kambario oru. Tai atsiranda dėl Browno judėjimo. Net senovės graikų mokslininkas Demokritas tikėjo, kad medžiagos dalelės nuolat juda. Kietose medžiagose normaliomis sąlygomis atomai, molekulės ir jonai neturi galimybės išeiti kristalinė gardelė, išsivaduokite iš ryšių su kitomis dalelėmis. Tai įmanoma tik tada, kai iš išorės tiekiamas didelis energijos kiekis.

Skysčiuose atstumas tarp dalelių yra šiek tiek didesnis nei kietose medžiagose, joms reikia mažiau energijos, kad nutrauktų tarpmolekulinius ryšius. Pavyzdžiui, skysta deguonies būsena stebima tik tada, kai dujų temperatūra nukrenta iki –183 °C. –223 °C temperatūroje O 2 molekulės sudaro kietą medžiagą. Kai temperatūra pakyla virš šių verčių, deguonis virsta dujomis. Būtent tokia forma jis randamas įprastomis sąlygomis. Pramonės įmonės eksploatuoja specialius įrenginius atmosferos orui atskirti ir iš jo gauti azotą bei deguonį. Pirmiausia oras atšaldomas ir suskystinamas, o po to palaipsniui didinama temperatūra. Azotas ir deguonis skirtingomis sąlygomis virsta dujomis.

Žemės atmosferoje yra 21 % tūrio deguonies ir 78 % azoto. Šios medžiagos skystu pavidalu nerandamos dujiniame planetos apvalkale. Skystas deguonis yra šviesiai mėlynos spalvos ir naudojamas užpildyti balionus esant aukštam slėgiui, kad būtų galima naudoti medicinos įstaigose. Pramonėje ir statyboje suskystintos dujos reikalingos daugeliui procesų atlikti. Deguonis reikalingas dujiniam suvirinimui ir metalų pjovimui, chemijoje - neorganinių ir oksidacijos reakcijoms. organinės medžiagos. Jei atidarote deguonies baliono vožtuvą, slėgis sumažėja ir skystis virsta dujomis.

Suskystintas propanas, metanas ir butanas plačiai naudojami energetikoje, transporte, pramonėje ir buityje. Šios medžiagos gaunamos iš gamtinių dujų arba krekingo (skaldymo) metu naftos žaliavos. Skystieji ir dujiniai anglies mišiniai vaidina svarbų vaidmenį daugelio šalių ekonomikoje. Tačiau naftos ir gamtinių dujų atsargos labai išeikvotos. Mokslininkų teigimu, šios žaliavos užteks 100-120 metų. Alternatyvus energijos šaltinis yra oro srautas (vėjas). Jėgainėms eksploatuoti naudojamos sraunios upės ir potvyniai jūrų ir vandenynų pakrantėse.

Deguonis, kaip ir kitos dujos, gali būti ketvirtoje agregacijos būsenoje, o tai reiškia plazmą. Neįprastas perėjimas iš kietos būsenosį dujines - būdingas bruožas kristalinis jodas. Tamsiai violetinė medžiaga sublimuojasi – virsta dujomis, aplenkdama skystą būseną.

Kaip vyksta perėjimai iš vienos agreguotos medžiagos formos į kitą?

Suvestinių medžiagų būklės pokyčiai nėra susiję su cheminėmis transformacijomis fizikiniai reiškiniai. Kylant temperatūrai, daugelis kietųjų medžiagų ištirpsta ir virsta skysčiais. Tolesnis temperatūros padidėjimas gali sukelti išgaravimą, ty medžiagos dujinę būseną. Gamtoje ir ekonomikoje tokie perėjimai būdingi vienai pagrindinių Žemės medžiagų. Ledas, skystis, garai yra vandens būsenos skirtingomis išorinėmis sąlygomis. Junginys yra tas pats, jo formulė yra H 2 O. 0 ° C temperatūroje ir žemiau šios vertės vanduo kristalizuojasi, tai yra, virsta ledu. Kylant temperatūrai, susidarę kristalai sunaikinami – ledas tirpsta, ir vėl gaunamas skystas vanduo. Jį kaitinant susidaro garavimas – vandens pavertimas dujomis – vyksta net esant žemos temperatūros. Pavyzdžiui, užšalusios balos palaipsniui išnyksta, nes vanduo išgaruoja. Net ir esant šaltam orui šlapi skalbiniai išdžiūsta, tačiau šis procesas užtrunka ilgiau nei karštą dieną.

Visi išvardyti vandens perėjimai iš vienos būsenos į kitą turi didelę reikšmę Žemės gamtai. Atmosferos reiškiniai, klimatas ir orai siejami su vandens garavimu nuo Pasaulio vandenyno paviršiaus, drėgmės pernešimu debesų ir rūko pavidalu į žemę bei krituliais (lietus, sniegas, kruša). Šie reiškiniai sudaro Pasaulinio vandens ciklo gamtoje pagrindą.

Kaip kinta suminės sieros būsenos?

Normaliomis sąlygomis siera yra ryškiai blizgantys kristalai arba šviesiai geltoni milteliai, t.y. ji yra kieta medžiaga. Kaitinant, pasikeičia sieros fizinė būsena. Pirma, kai temperatūra pakyla iki 190 °C, geltona medžiaga išsilydo ir virsta judriu skysčiu.

Jei skystą sierą greitai supilsite į šaltą vandenį, gausite rudą amorfinę masę. Toliau kaitinant sieros lydalą, jis tampa vis klampesnis ir tamsėja. Esant aukštesnei nei 300 °C temperatūrai, vėl pasikeičia sieros agregacijos būsena, medžiaga įgauna skysčio savybes ir tampa judri. Šie perėjimai atsiranda dėl elemento atomų gebėjimo sudaryti skirtingo ilgio grandines.

Kodėl medžiagos gali būti skirtingos fizinės būsenos?

Sieros, paprastos medžiagos, agregacijos būsena įprastomis sąlygomis yra kieta. Sieros dioksidas yra dujos sieros rūgštis- riebus skystis yra sunkesnis už vandenį. Skirtingai nuo druskos ir azoto rūgštys jis nėra lakus, nuo jo paviršiaus neišgaruoja molekulės. Kokios agregacijos būsenos yra plastikinė siera, kuri gaunama kaitinant kristalus?

Amorfinėje formoje medžiaga turi skysčio struktūrą, kurios skystis yra nereikšmingas. Tačiau plastikinė siera tuo pat metu išlaiko savo formą (kaip kieta medžiaga). Yra skystieji kristalai, kurios turi nemažai kietosioms medžiagoms būdingų savybių. Taigi medžiagos būsena skirtingomis sąlygomis priklauso nuo jos pobūdžio, temperatūros, slėgio ir kitų išorinių sąlygų.

Kokie bruožai egzistuoja kietųjų kūnų struktūroje?

Esami skirtumai tarp pagrindinių agreguotų medžiagų būsenų paaiškinami atomų, jonų ir molekulių sąveika. Pavyzdžiui, kodėl kietoji materijos būsena lemia kūnų gebėjimą išlaikyti tūrį ir formą? Metalo ar druskos kristalinėje gardelėje struktūrinės dalelės traukia viena kitą. Metaluose teigiamai įkrauti jonai sąveikauja su vadinamosiomis „elektronų dujomis“, laisvųjų elektronų rinkiniu metalo gabale. Druskos kristalai atsiranda dėl priešingai įkrautų dalelių - jonų - traukos. Atstumas tarp minėtų kietųjų kūnų struktūrinių vienetų yra daug mažesnis nei pačių dalelių dydžiai. Šiuo atveju veikia elektrostatinė trauka, ji suteikia stiprumo, bet atstūmimas nėra pakankamai stiprus.

Norint sunaikinti kietą medžiagos agregacijos būseną, reikia dėti pastangas. Metalai, druskos ir atominiai kristalai tirpsta labai aukštoje temperatūroje. Pavyzdžiui, geležis tampa skysta aukštesnėje nei 1538 °C temperatūroje. Volframas yra ugniai atsparus ir naudojamas kaitrinėms lemputėms gaminti. Yra lydinių, kurie tampa skysti esant aukštesnei nei 3000 °C temperatūrai. Daugelis Žemėje yra kietos būsenos. Šios žaliavos išgaunamos naudojant technologijas kasyklose ir karjeruose.

Norint atskirti nuo kristalo nors vieną joną, reikia sunaudoti daug energijos. Bet pakanka ištirpinti druską vandenyje, kad kristalinė gardelė suirtų! Šis reiškinys paaiškinamas nuostabiomis vandens, kaip polinio tirpiklio, savybėmis. H 2 O molekulės sąveikauja su druskų jonais, sunaikindamos cheminį ryšį tarp jų. Taigi, tirpimas nėra paprastas skirtingų medžiagų maišymas, o fizikinė ir cheminė jų sąveika.

Kaip sąveikauja skysčių molekulės?

Vanduo gali būti skystas kietas ir dujos (garai). Tai yra pagrindinės jo agregacijos būsenos normaliomis sąlygomis. Vandens molekulės susideda iš vieno deguonies atomo, prie kurio yra prijungti du vandenilio atomai. Molekulėje vyksta cheminio ryšio poliarizacija, o deguonies atomuose atsiranda dalinis neigiamas krūvis. Vandenilis tampa teigiamu molekulės poliu, kurį traukia kitos molekulės deguonies atomas. Tai vadinama „vandenilio jungtimi“.

Skysta agregacijos būsena pasižymi atstumais tarp struktūrinių dalelių, panašių į jų dydį. Traukos yra, bet ji silpna, todėl vanduo neišlaiko formos. Garavimas atsiranda dėl jungčių sunaikinimo, kuris atsiranda skysčio paviršiuje net kambario temperatūroje.

Ar dujose egzistuoja tarpmolekulinė sąveika?

Dujinė medžiagos būsena nuo skystos ir kietos skiriasi daugeliu parametrų. Tarp struktūrinių dujų dalelių yra dideli tarpai, daug didesni nei molekulių dydžiai. Tokiu atveju traukos jėgos visai neveikia. Dujinė agregacijos būsena būdinga ore esančioms medžiagoms: azotui, deguoniui, anglies dioksidui. Žemiau esančiame paveikslėlyje pirmasis kubas užpildytas dujomis, antrasis - skysčiu, o trečias - kietu.

Daugelis skysčių yra lakiųjų medžiagų, kurios nutrūksta nuo paviršiaus ir patenka į orą. Pavyzdžiui, jei atidarytas butelis su druskos rūgštis atsineškite vatos tamponą, pamirkytą amoniake, pasirodo balti dūmai. Cheminė reakcija tarp druskos rūgšties ir amoniako vyksta tiesiai ore, todėl susidaro amonio chloridas. Kokios agregacijos būsenos yra ši medžiaga? Jo dalelės, kurios sudaro baltus dūmus, yra maži kieti druskos kristalai. Šis eksperimentas turi būti atliekamas po gaubtu, medžiagos yra toksiškos.

Išvada

Dujų agregacijos būklę tyrė daugelis iškilių fizikų ir chemikų: Avogadro, Boyle'as, Gay-Lussac, Clayperon, Mendelejevas, Le Chatelier. Mokslininkai suformulavo dėsnius, paaiškinančius dujinių medžiagų elgesį cheminėse reakcijose, kai keičiasi išorinės sąlygos. Atviri modeliai buvo įtraukti ne tik į mokyklų ir universitetų fizikos ir chemijos vadovėlius. Daugelis chemijos pramonės šakų yra pagrįstos žiniomis apie medžiagų elgseną ir savybes įvairiose agregacijos būsenose.

Medžiagos gali būti skirtingos agregacijos būsenos: kietos, skystos, dujinės. Molekulinės jėgos skirtingose ​​agregacijos būsenose yra skirtingos: kietoje būsenoje jos yra didžiausios, dujinėje – mažiausios. Molekulinių jėgų skirtumas paaiškina savybės, kurios atsiranda skirtingose ​​agregacijos būsenose:

Kietose medžiagose atstumas tarp molekulių yra mažas ir vyrauja sąveikos jėgos. Todėl kietosios medžiagos turi savybę išlaikyti formą ir tūrį. Kietųjų medžiagų molekulės nuolat juda, tačiau kiekviena molekulė juda aplink pusiausvyros padėtį.

Skysčiuose atstumas tarp molekulių yra didesnis, vadinasi, sąveikos jėga mažesnė. Todėl skystis išlaiko savo tūrį, bet lengvai keičia formą.

Dujose sąveikos jėgos yra labai mažos, nes atstumas tarp dujų molekulių yra keliasdešimt kartų didesnis už molekulių dydį. Todėl dujos užima visą joms suteiktą tūrį.

Perėjimai iš vienos materijos būsenos į kitą

Apibrėžimas

Medžiagos tirpimas$-$ medžiagos perėjimas iš kietos būsenos į skystą.

Šį fazinį perėjimą visada lydi energijos absorbcija, ty medžiagai turi būti tiekiama šiluma. Tuo pačiu metu vidinė energija medžiagų padaugėja. Lydymas vyksta tik tam tikroje temperatūroje, vadinamoje lydymosi tašku. Kiekviena medžiaga turi savo lydymosi temperatūrą. Pavyzdžiui, ledas turi $t_(pl)=0^0\textrm(C)$.

Lydymosi metu medžiagos temperatūra nekinta.

Ką reikia padaryti, kad ištirptų $ m$ masės medžiaga? Pirmiausia reikia pakaitinti iki lydymosi temperatūros $t_(lydymas)$, pateikiant šilumos kiekį $c(\cdot)m(\cdot)(\Delta)T$, kur $c$ $-$ yra specifinė medžiagos šiluminė talpa. Tada reikia pridėti šilumos kiekį $(\lambda)(\cdot)m$, kur $\lambda$ $-$ yra specifinė medžiagos lydymosi šiluma. Pats lydymasis įvyks esant pastoviai temperatūrai, lygiai lydymosi temperatūrai.

Apibrėžimas

Medžiagos kristalizacija (kietėjimas).$-$ medžiagos perėjimas iš skystos į kietą būseną.

Tai yra atvirkštinis lydymosi procesas. Kristalizaciją visada lydi energijos išsiskyrimas, t.y. iš medžiagos turi būti pašalinta šiluma. Tokiu atveju sumažėja medžiagos vidinė energija. Jis atsiranda tik tam tikroje temperatūroje, sutampančia su lydymosi temperatūra.

Kol vyksta kristalizacija, medžiagos temperatūra nekinta.

Ką reikia padaryti, kad kristalizuotųsi medžiaga, kurios masė $m$? Pirmiausia reikia atvėsinti iki lydymosi temperatūros $t_(lydymas)$, pašalinant šilumos kiekį $c(\cdot)m(\cdot)(\Delta)T$, kur $c$ $-$ yra specifinė medžiagos šiluminė talpa. Tada reikia pašalinti šilumos kiekį $(\lambda)(\cdot)m$, kur $\lambda$ $-$ yra specifinė medžiagos lydymosi šiluma. Kristalizacija vyks pastovioje temperatūroje, lygioje lydymosi temperatūrai.

Apibrėžimas

Medžiagos garinimas$-$ medžiagos perėjimas iš skystos į dujinę būseną.

Šį fazinį perėjimą visada lydi energijos absorbcija, ty medžiagai turi būti tiekiama šiluma. Tuo pačiu metu padidėja medžiagos vidinė energija.

Yra du garinimo tipai: garinimas ir virinimas.

Apibrėžimas

Garavimas$-$ garavimas nuo skysčio paviršiaus, vykstantis bet kokioje temperatūroje.

Garavimo greitis priklauso nuo:

temperatūra;

paviršiaus plotas;

skysčio rūšis;

vėjas.

Apibrėžimas

Virimas$-$ garinimas per visą skysčio tūrį, kuris vyksta tik tam tikroje temperatūroje, vadinamoje virimo tašku.

Kiekviena medžiaga turi savo virimo temperatūrą. Pavyzdžiui, vanduo turi $t_(verdantis)=100^0\textrm(C)$. Kai verda, medžiagos temperatūra nekinta.

Ką reikia padaryti, kad medžiaga, kurios masė $m$ nuvirtų? Pirmiausia reikia pakaitinti iki virimo taško $t_(virimo)$, pateikiant šilumos kiekį $c(\cdot)m(\cdot)(\Delta)T$, kur $c$ $-$ yra specifinė medžiagos šiluminė talpa. Tada reikia pridėti šilumos kiekį $(L)(\cdot)m$, kur $L$ $-$ yra specifinė medžiagos garavimo šiluma. Pats virimas vyks pastovioje temperatūroje, lygioje virimo temperatūrai.

Apibrėžimas

Medžiagos kondensacija$-$ medžiagos perėjimas iš dujinės būsenos į skystą.

Tai atvirkštinis garinimo procesas. Kondensaciją visada lydi energijos išsiskyrimas, ty iš medžiagos turi būti pašalinta šiluma. Tokiu atveju sumažėja medžiagos vidinė energija. Jis atsiranda tik tam tikroje temperatūroje, sutampančia su virimo temperatūra.

Kol vyksta kondensatas, medžiagos temperatūra nekinta.

Ką reikia padaryti, kad medžiaga, kurios masė $m$ kondensuotųsi? Pirmiausia reikia atvėsinti iki virimo taško $t_(virimo)$, pašalinant šilumos kiekį $c(\cdot)m(\cdot)(\Delta)T$, kur $c$ $-$ yra specifinė medžiagos šiluminė talpa. Tada reikia pašalinti šilumos kiekį $(L)(\cdot)m$, kur $L$ $-$ yra specifinė medžiagos garavimo šiluma. Kondensacija įvyks esant pastoviai virimo temperatūrai.

Medžiagos agregacijos būsena paprastai vadinama jos gebėjimu išlaikyti formą ir tūrį. Papildoma ypatybė yra medžiagos perėjimo iš vienos agregacijos būsenos į kitą metodai. Remiantis tuo, išskiriamos trys agregacijos būsenos: kietoji, skystoji ir dujinė. Jų matomos savybės yra šios:

Tvirtas korpusas išlaiko formą ir tūrį. Jis gali patekti į skystį lydymosi būdu arba tiesiai į dujas sublimacijos būdu.
- Skystis – išlaiko tūrį, bet ne formą, tai yra, turi sklandumą. Išsiliejęs skystis linkęs neribotai pasklisti paviršiumi, ant kurio jis pilamas. Skystis gali tapti kietu kristalizacijos būdu, o dujos – išgaruodamas.
- Dujos – neišlaiko nei formos, nei tūrio. Dujos, esančios už bet kokio konteinerio, neribotai plinta visomis kryptimis. Tik gravitacija gali sutrukdyti jam tai padaryti, dėl kurios žemės atmosfera neišsisklaido į erdvę. Kondensacijos būdu dujos patenka į skystį, o nusodinant - tiesiai į kietą medžiagą.

Fazių perėjimai

Medžiagos perėjimas iš vienos agregacijos būsenos į kitą vadinamas faziniu perėjimu, nes mokslinė agregacijos būsena yra medžiagos fazė. Pavyzdžiui, vanduo gali egzistuoti kietoje fazėje (ledas), skystoje (paprastas vanduo) ir dujinėje fazėje (vandens garai).

Taip pat gerai parodytas vandens pavyzdys. Pakabintas kieme džiūti šaltą, nevėjuotą dieną, iškart sušąla, bet po kurio laiko pasirodo, kad sausas: ledas sublimuojasi, tiesiogiai virsdamas vandens garais.

Paprastai fazės perėjimui iš kietos medžiagos į skystą ir dujinį reikia šildyti, tačiau terpės temperatūra nekyla: šiluminė energija eina nutraukti vidinius medžiagos ryšius. Tai vadinamoji latentinė šiluma. Su atbuline eiga fazių perėjimai(kondensacija, kristalizacija) ši šiluma išsiskiria.

Štai kodėl nudegimai garais yra tokie pavojingi. Patekęs ant odos, jis kondensuojasi. Latentinė vandens garavimo/kondensacijos šiluma yra labai didelė: vanduo šiuo atžvilgiu yra anomali medžiaga; Štai kodėl gyvybė Žemėje yra įmanoma. Deginant garais latentinė vandens kondensacijos šiluma labai giliai „nupdegina“ apdegusią vietą, o nudegimo garais pasekmės yra daug sunkesnės nei nuo liepsnos toje pačioje kūno vietoje.

Pseudofazės

Medžiagos skystosios fazės sklandumą lemia jos klampumas, o klampumą – vidinių ryšių, kuriems ji skirta, pobūdį. kitą skyrių. Skysčio klampumas gali būti labai didelis, o toks skystis gali tekėti akies nepastebimai.

Klasikinis pavyzdys yra stiklas. Tai ne kietas, o labai klampus skystis. Atkreipkite dėmesį, kad stiklo lakštai sandėliuose niekada nelaikomi atremti į sieną įstrižai. Per kelias dienas jie sulinks nuo savo svorio ir bus netinkami vartoti.

Kiti pseudosolidų pavyzdžiai yra batų tepalas ir statybinis bitumas. Jei ant stogo pamiršite kampuotą bitumo gabalėlį, per vasarą jis išplis į pyragą ir prilips prie pagrindo. Pseudokietus kūnus nuo tikrų galima atskirti pagal lydymosi pobūdį: tikrieji arba išlaiko formą, kol iš karto išsiskleidžia (litavimo metu lituojamas), arba plūduriuoja, išleisdami balas ir upelius (ledą). Ir labai klampūs skysčiai palaipsniui minkštėja, pavyzdžiui, pikis ar bitumas.

Nepaprastai klampūs skysčiai, kurių sklandumas nepastebimas daugelį metų ir dešimtmečių, yra plastikai. Jų aukštą gebėjimą išlaikyti formą užtikrina didžiulė polimerų molekulinė masė, daugybė tūkstančių ir milijonų vandenilio atomų.

Materijos fazinė struktūra

Dujinėje fazėje medžiagos molekulės arba atomai yra labai nutolę vienas nuo kito, daug kartų didesni už atstumą tarp jų. Jie sąveikauja tarpusavyje retkarčiais ir nereguliariai, tik susidūrimų metu. Pati sąveika yra elastinga: jie susidūrė kaip kieti rutuliai ir iškart išsisklaido.

Skystyje molekulės/atomai nuolat „jaučia“ vienas kitą dėl labai silpnų ryšių cheminė prigimtis. Šie ryšiai visą laiką nutrūksta ir iš karto vėl atsinaujina, skysčio molekulės nuolat juda viena kitos atžvilgiu, todėl skystis teka. Tačiau norint jį paversti dujomis, reikia iš karto nutraukti visas jungtis, o tam reikia daug energijos, todėl skystis išlaiko savo tūrį.

Šiuo požiūriu vanduo nuo kitų medžiagų skiriasi tuo, kad jo molekulės skystyje yra sujungtos vadinamaisiais vandeniliniais ryšiais, kurie yra gana stiprūs. Todėl vanduo gali būti skystis esant normaliai gyvybei temperatūrai. Daugelis medžiagų, kurių molekulinė masė dešimtis ir šimtus kartų didesnė nei vandens, normaliomis sąlygomis yra dujos, kaip ir paprastos buitinės dujos.

Kietoje medžiagoje visos jo molekulės išlieka tvirtai savo vietose dėl stiprios cheminiai ryšiai tarp jų sudaro kristalinę gardelę. Kristalai teisinga forma Jiems augti reikalingos ypatingos sąlygos, todėl gamtoje jie yra reti. Dauguma kietųjų medžiagų yra mažų ir mažų kristalų – kristalitų – konglomeratai, glaudžiai sujungti mechaninėmis ir elektrinėmis jėgomis.

Jei skaitytojas kada nors matė, pavyzdžiui, įtrūkusį automobilio ašies veleną ar ketaus groteles, tai ant laužo esantys kristalitų grūdeliai matomi plika akimi. O ant skaldytų porceliano ar molio indų fragmentų juos galima stebėti po padidinamuoju stiklu.

Plazma

Fizikai taip pat nustato ketvirtąją materijos būseną – plazmą. Plazmoje elektronai yra atskirti nuo atomų branduoliai, ir tai yra elektriškai įkrautų dalelių mišinys. Plazma gali būti labai tanki. Pavyzdžiui, vienas kubinis centimetras plazmos iš žvaigždžių vidaus – baltųjų nykštukų, sveria dešimtis ir šimtus tonų.

Plazma yra izoliuota į atskirą agregacijos būseną, nes ji aktyviai sąveikauja su elektromagnetiniais laukais dėl to, kad jos dalelės yra įkrautos. Laisvoje erdvėje plazma linkusi plėstis, atvėsdama ir virsdama dujomis. Tačiau veikiamas elektromagnetinių laukų, jis gali išlaikyti savo formą ir tūrį už indo ribų, kaip kietas kūnas. Ši plazmos savybė naudojama termobranduoliniuose reaktoriuose – ateities elektrinių prototipuose.

Visa materija gali egzistuoti viena iš keturių formų. Kiekvienas iš jų yra tam tikra medžiagos agregacijos būsena. Žemės gamtoje trijose iš jų vienu metu atstovaujama tik vienai. Tai vanduo. Lengvai matosi ir išgaravęs, ir ištirpęs, ir sukietėjęs. Tai yra garai, vanduo ir ledas. Mokslininkai išmoko pakeisti suvestines materijos būsenas. Didžiausias sunkumas jiems – tik plazma. Ši sąlyga reikalauja specialių sąlygų.

Kas tai yra, nuo ko tai priklauso ir kaip jis apibūdinamas?

Jei kūnas pateko į kitokią materijos būseną, tai nereiškia, kad atsirado kažkas kita. Medžiaga išlieka ta pati. Jei skystis turėtų vandens molekules, tai ledas ir garai turėtų tas pačias molekules. Keisis tik jų vieta, judėjimo greitis ir tarpusavio sąveikos jėgos.

Studijuojant temą „Agregacijos būsenos (8 klasė)“ atsižvelgiama tik į tris iš jų. Tai yra skysti, dujiniai ir kieti. Jų pasireiškimai priklauso nuo fizines sąlygas aplinką. Šių sąlygų charakteristikos pateiktos lentelėje.

Pirmoji būsena: kieta

Jo esminis skirtumas iš kitų yra tai, kad molekulės turi griežtai apibrėžtą vietą. Kai žmonės kalba apie kietą agregacijos būseną, jie dažniausiai turi omenyje kristalus. Jų grotelių struktūra yra simetriška ir griežtai periodiška. Todėl jis visada išlieka, nesvarbu, kaip toli kūnas plinta. Medžiagos molekulių vibracinio judėjimo nepakanka šiai gardelei sunaikinti.

Tačiau yra ir amorfinių kūnų. Jiems trūksta griežtos atomų išdėstymo struktūros. Jie gali būti bet kur. Tačiau ši vieta yra tokia pat stabili, kaip ir kristaliniame kūne. Skirtumas amorfinės medžiagos iš kristalinių tuo, kad neturi specifinės lydymosi (kietėjimo) temperatūros ir pasižymi takumu. Ryškūs pavyzdžiai medžiagų, tokių kaip stiklas ir plastikas.

Antroji būsena: skysta

Ši materijos būsena yra kietosios ir dujinės medžiagos kryžius. Todėl jis sujungia kai kurias savybes iš pirmosios ir antrosios. Taigi atstumas tarp dalelių ir jų sąveikos yra panašus į tai, koks buvo kristalų atveju. Tačiau vieta ir judėjimas yra arčiau dujų. Todėl skystis neišlaiko savo formos, o pasklinda po visą indą, į kurį pilamas.

Trečia būsena: dujos

Mokslui, vadinamam „fizika“, agregacijos būsena dujų pavidalu yra ne paskutinėje vietoje. Ji mokosi mus supantį pasaulį, o oras jame labai paplitęs.

Šios būsenos ypatumai yra tai, kad tarp molekulių praktiškai nėra sąveikos jėgų. Tai paaiškina jų laisvą judėjimą. Dėl to dujinė medžiaga užpildo visą jai skirtą tūrį. Be to, viskas gali būti perkelta į šią būseną, jums tereikia padidinti temperatūrą reikiamu kiekiu.

Ketvirta būsena: plazma

Ši medžiagos agregacijos būsena yra visiškai arba iš dalies jonizuotos dujos. Tai reiškia, kad neigiamai ir teigiamai įkrautų dalelių skaičius jame yra beveik vienodas. Ši situacija atsiranda, kai šildomos dujos. Tada staigiai pagreitėja šiluminės jonizacijos procesas. Jį sudaro tai, kad molekulės yra suskirstytos į atomus. Pastarieji vėliau virsta jonais.

Visatoje ši būsena yra labai paplitusi. Nes jame yra visos žvaigždės ir terpė tarp jų. Žemės paviršiaus ribose jis pasitaiko itin retai. Be jonosferos ir saulės vėjo, plazma įmanoma tik perkūnijos metu. Žaibo blyksnių metu susidaro sąlygos, kai atmosferos dujos virsta ketvirtąja materijos būsena.

Bet tai nereiškia, kad plazma nebuvo sukurta laboratorijoje. Pirmas dalykas, kurį mums pavyko atkurti, buvo dujų išleidimas. Plazma dabar užpildo fluorescencines lempas ir neoninę reklamą.

Kaip vyksta perėjimas tarp būsenų?

Norėdami tai padaryti, turite sukurti tam tikras sąlygas: pastovų slėgį ir tam tikrą temperatūrą. Šiuo atveju agreguotos medžiagos būsenos pasikeitimą lydi energijos išsiskyrimas arba įsisavinimas. Be to, šis perėjimas nevyksta žaibo greičiu, o reikalauja tam tikro laiko. Visą šį laiką sąlygos turi likti nepakitusios. Perėjimas vyksta tuo pačiu metu esant dviem formoms, kurios palaiko šiluminę pusiausvyrą, medžiagai.

Pirmosios trys materijos būsenos gali tarpusavyje transformuotis viena į kitą. Yra tiesioginiai procesai ir atvirkštiniai. Jie turi tokius pavadinimus:

• tirpstantis(kieta į skystą) ir kristalizacija, pavyzdžiui, tirpstantis ledas ir kietėjantis vanduo;
• garinimas(nuo skysto iki dujinio) ir kondensacija, pavyzdys yra vandens išgarinimas ir jo gamyba iš garų;
• sublimacija(nuo kieto iki dujinio) ir desublimacija, pavyzdžiui, pirmojo iš jų išgaruoja sausos kvapiosios medžiagos, o antrosios – šerkšno raštai ant stiklo.

Lydymosi ir kristalizacijos fizika

Jei kieta medžiaga kaitinama, tada tam tikroje temperatūroje, vadinama lydymosi temperatūra konkrečios medžiagos, prasidės agregacijos būklės pasikeitimas, kuris vadinamas tirpimu. Šis procesas apima energijos įsisavinimą, kuris vadinamas šilumos kiekis ir yra pažymėtas raide K. Norėdami jį apskaičiuoti, turėsite žinoti specifinė lydymosi šiluma, kuris žymimas λ . Ir formulė įgauna tokią išraišką:

Q = λ * m, kur m yra medžiagos, kuri dalyvauja lydant, masė.

Jei vyksta atvirkštinis procesas, tai yra, skysčio kristalizacija, tada sąlygos kartojasi. Vienintelis skirtumas yra tas, kad energija išsiskiria, o formulėje atsiranda minuso ženklas.

Garavimo ir kondensacijos fizika

Kai medžiaga ir toliau kaitinama, ji palaipsniui artėja prie temperatūros, kurioje prasideda intensyvus jos garavimas. Šis procesas vadinamas garinimu. Jam vėlgi būdingas energijos įsisavinimas. Tik norint jį apskaičiuoti, reikia žinoti specifinė garavimo šiluma r. O formulė bus tokia:

Q = r * m.

Atvirkštinis procesas arba kondensacija vyksta, kai išsiskiria toks pat šilumos kiekis. Todėl formulėje vėl atsiranda minusas.

Gamtoje vanduo randamas trijų būsenų:

• kietos būsenos (sniegas, kruša, ledas);
• skysta būsena (vanduo, rūkas, rasa ir lietus);
• dujinė būsena (garai).

SU ankstyva vaikystė, net mokykloje mokosi įvairių fizinių vandens būsenų: rūko, kritulių, krušos, sniego, ledo ir kt. Yra vienas, kuris detaliai mokomasi mokykloje. Jie sutinka mus kiekvieną dieną gyvenime ir daro įtaką mūsų gyvenimui. – tai tam tikros temperatūros ir slėgio vandens būsena, kuri apibūdinama tam tikru intervalu.

Reikėtų paaiškinti pagrindines vandens būsenos sąvokas, kad rūko būsena ir debesuotumas nėra susiję su dujų susidarymu. Jie atsiranda kondensacijos metu. Tai unikali vandens savybė, kuri gali būti trijų skirtingų agregacijos būsenų. Trys vandens būsenos yra gyvybiškai svarbios planetai, jos sudaro hidrologinį ciklą ir užtikrina vandens cirkuliacijos procesą gamtoje. Mokykloje jie rodo įvairius eksperimentus apie garavimą ir. Bet kuriame gamtos kampelyje vanduo laikomas gyvybės šaltiniu. Yra ir ketvirta, ne mažiau svarbi būsena – Deryagin vanduo (rusiška versija), arba kaip šiuo metu įprasta vadinti – Nanovamzdelio vanduo (amerikietiška versija).

Vandens kietoji būsena

Išsaugoma forma ir tūris. Esant žemai temperatūrai, medžiaga užšąla ir virsta kieta medžiaga. Jei slėgis aukštas, kietėjimo temperatūra reikalinga aukštesnė. Kieta medžiaga gali būti kristalinė arba amorfinė. Kristale atomo padėtis yra griežtai nustatyta. Kristalų formos yra natūralios ir primena daugiakampį. IN amorfinis kūnas taškai išsidėstę chaotiškai ir svyruoja juose išlaikoma tik trumpo nuotolio tvarka.

Skysta vandens būsena

Skystoje būsenoje vanduo išlaiko savo tūrį, tačiau jo forma neišsaugoma. Tai reiškia, kad skystis užima tik dalį tūrio ir gali tekėti per visą paviršių. Studijuodami skystosios būsenos klausimus mokykloje, turėtumėte suprasti, kad tai yra tarpinė būsena tarp kietos terpės ir dujinės terpės. Skysčiai skirstomi į grynus ir mišinius. Kai kurie mišiniai labai svarbūs gyvybei, pavyzdžiui, kraujo ar jūros vandens. Skysčiai gali veikti kaip tirpikliai.

Dujų būklė

Forma ir tūris neišsaugomi. Kitu būdu dujinė būsena, kuri mokoma mokykloje, vadinama vandens garais. Eksperimentai aiškiai rodo, kad garai yra nematomi, jie tirpsta ore ir rodo santykinę drėgmę. Tirpumas priklauso nuo temperatūros ir slėgio. Sotieji garai ir rasos taškas yra didžiausios koncentracijos rodikliai. Garai ir rūkas yra skirtingos agregacijos būsenos.

Ketvirtoji agregacijos būsena yra plazma

Plazmos tyrimai ir šiuolaikiniai eksperimentai pradėta svarstyti kiek vėliau. Plazma yra visiškai arba iš dalies jonizuotos dujos, kurios susidaro pusiausvyros būsenoje aukštoje temperatūroje. Žemės sąlygomis susidaro dujų išlydis. Plazmos savybės lemia jos dujinę būseną, išskyrus tai, kad elektrodinamika vaidina didžiulį vaidmenį visame tame. Tarp agreguotų būsenų plazma yra labiausiai paplitusi Visatoje. Žvaigždžių ir tarpplanetinės erdvės tyrimas parodė, kad medžiagos yra plazmos būsenoje.

Kaip keičiasi agregacijos būsenos?

Keisti perėjimo iš vienos būsenos į kitą procesą:

- skystas - garas (garinimas ir virinimas);

- garai - skystis (kondensatas);

- skystis - ledas (kristalizacija);

- ledas - skystis (tirpsta);

- ledas - garas (sublimacija);

- garai - ledas, šerkšno susidarymas (desublimacija).

Vanduo buvo vadinamas įdomiu natūraliu žemės mineralu. Šie klausimai yra sudėtingi ir reikalauja nuolatinio tyrimo. Fizinę būklę mokykloje patvirtina atlikti eksperimentai, o jei kyla klausimų, eksperimentai aiškiai leidžia suprasti pamokoje dėstomą medžiagą. Garuojant skystis virsta, procesas gali prasidėti nuo nulio laipsnių. Kylant temperatūrai ji didėja. To intensyvumą patvirtina virimo eksperimentai 100 laipsnių temperatūroje. Į garavimo klausimus atsako garavimas nuo ežerų, upių paviršių ir net iš sausumos. Atvėsus, vyksta atvirkštinės transformacijos procesas, kai iš dujų susidaro skystis. Šis procesas vadinamas kondensacija, kai iš ore esančių vandens garų susidaro maži debesų lašeliai.

Ryškus pavyzdys yra gyvsidabrio termometras, kuriame gyvsidabris yra skystas, esant -39 laipsnių temperatūrai, gyvsidabris tampa kieta medžiaga. Galima keisti kieto kūno būseną, tačiau tam reikės papildomų pastangų, pavyzdžiui, lenkiant nagą. Dažnai moksleiviai užduoda klausimus, kaip suteikti formą tvirtas kūnas. Tai atliekama gamyklose ir specializuotose dirbtuvėse naudojant specialią įrangą. Visiškai bet kuri medžiaga gali egzistuoti trijose būsenose, įskaitant vandenį, tai priklauso nuo fizinių sąlygų. Vandeniui pereinant iš vienos būsenos į kitą, pasikeičia molekulinis išsidėstymas ir judėjimas, tačiau nesikeičia molekulės sudėtis. Eksperimentinės užduotys padės stebėti tokias įdomias būsenas.