Ce este un „punct triplu” și cum să-i determine coordonatele? Experimentele arată că pentru fiecare substanță există condiții (presiune și temperatură) în care vaporii, lichidul și cristalul pot coexista simultan pentru un timp arbitrar lung. De exemplu, dacă puneți apă cu gheață plutitoare într-un vas închis la zero grade, atunci atât apa, cât și gheața se vor evapora în spațiul liber. Cu toate acestea, la o presiune a vaporilor de 0,006 atm. (aceasta este presiunea „propria”, fără a lua în considerare presiunea creată de aer) și o temperatură de 0,01 ° C, creșterea masei de abur se va opri. De acum înainte, gheața, apa și aburul își vor păstra masa la nesfârșit. Acesta este punctul triplu pentru apă (diagrama din stânga). Dacă apă sau abur sunt plasate în condițiile regiunii din stânga, acestea vor deveni gheață. Dacă se introduce un lichid sau un corp solid în „regiunea inferioară”, atunci se va obține abur. În zona potrivită, apa se va condensa și gheața se va topi.
O diagramă similară poate fi construită pentru orice substanță. Scopul unor astfel de diagrame este de a răspunde la întrebarea: ce stare a materiei va fi stabilă la o astfel de presiune și la o anumită temperatură. De exemplu, diagrama din dreapta este pentru dioxid de carbon. Punctul triplu pentru această substanță are o coordonată de „presiune” de 5,11 atm, adică mult mai mult decât presiunea atmosferică normală. Prin urmare, în condiții normale (presiune 1 atm), putem observa doar tranziții „sub punctul triplu”, adică transformarea independentă a unui solid într-un gaz. La o presiune de 1 atm, aceasta se va întâmpla la o temperatură de -78 °C (vezi liniile de coordonate punctate sub punctul triplu).
Cu toții trăim „aproape” de valorile „condițiilor normale”, adică în primul rând la o presiune apropiată de o atmosferă. Prin urmare, dacă presiunea atmosferică este mai mică decât presiunea corespunzătoare punctului triplu, atunci când corpul este încălzit, nu vom vedea lichid, solidul se va transforma imediat în vapori. Exact așa se comportă „gheața uscată”, ceea ce este foarte convenabil pentru vânzătorii de înghețată. Brichetele de înghețată pot fi mutate cu bucăți de „gheață uscată” și să nu vă fie teamă că înghețata se va uda. Dacă presiunea corespunzătoare punctului triplu este mai mică decât cea atmosferică, atunci substanța aparține „topirii” - atunci când temperatura crește, se transformă mai întâi într-un lichid și apoi fierbe.
După cum puteți vedea, caracteristicile transformărilor agregate ale substanțelor depind direct de modul în care valorile curente ale presiunii și temperaturii se corelează cu coordonatele „punctului triplu” din diagrama „presiune-temperatura”.
Și în concluzie, să numim substanțele cunoscute de tine, care sublimă mereu în condiții normale. Acesta este iod, grafit, „gheață carbonică”. La alte presiuni și temperaturi decât cele normale, aceste substanțe pot fi observate atât în stare lichidă, cât și chiar în stare de fierbere.
(C) 2013. Physics.ru cu participarea A.V. Kuznetsova (Samara)
: [în 30 de volume] / cap. ed. A. M. Prohorov; 1969-1978, v. 1).
În condiții normale, orice substanță se află într-una din cele trei stări - solidă, lichidă sau gazoasă ( cm. stări agregate ale materiei). Fiecare dintre aceste condiții corespunde propriei sale structuri de legături între molecule și/sau atomi, caracterizată printr-o anumită energie de legare între ele. Pentru a schimba această structură, este necesar fie un aflux de energie termică din exterior (de exemplu, în timpul topirii unui solid), fie un flux de energie din exterior (de exemplu, în timpul cristalizării).
Luând, pentru început, un solid, înțelegem în mod speculativ că moleculele / atomii din acesta sunt legați într-un fel de structură cristalină rigidă sau amorfă - cu o încălzire ușoară, încep doar să se „agite” în jurul poziției lor fixe (cu cât temperatura este mai mare). , cu atât amplitudinea oscilațiilor este mai mare). Odată cu încălzirea suplimentară a substanței, moleculele se slăbesc din ce în ce mai mult, până când, în cele din urmă, se desprind de locul lor „familiar” și trec la „plutire liberă”. Asta e topire sau topire solid la lichid. Se numește furnizarea de energie necesară topirii unei substanțe căldură de topire.
Graficul schimbării temperaturii unui solid pe măsură ce trece de punctul de topire este în sine foarte interesant. Până la punctul de topire, pe măsură ce atomii/moleculele sunt încălzite, aceștia se balansează din ce în ce mai mult în jurul poziției lor fixe, iar sosirea fiecărei porțiuni suplimentare de energie termică duce la creșterea temperaturii solidului. Cu toate acestea, atunci când o substanță solidă atinge punctul de topire, ea rămâne la această temperatură o perioadă de timp, în ciuda afluxului continuu de căldură, până când se acumulează suficientă energie termică în ea pentru a rupe legăturile intermoleculare rigide. Adică în proces faza de tranzitie substanțe de la starea solidă la starea lichidă, energia este absorbită de acesta fără a crește temperatura, deoarece toată ea este cheltuită pentru ruperea legăturilor intermoleculare. De aceea, cubul de gheață dintr-un cocktail, chiar și în căldura zilei, rămâne înghețat la temperatură până se topește totul. În același timp, în timp ce se topește, cubul de gheață ia căldură din cocktailul din jur (și astfel îl răcește la o temperatură plăcută) și câștigă el însuși energia de care are nevoie pentru a rupe legăturile intermoleculare și, în final, a se autodistruge.
Cantitatea de căldură necesară pentru a topi sau vaporiza o unitate de volum a unui solid sau lichid se numește, respectiv, căldură latentă de fuziune sau căldură latentă de vaporizare.Și valorile aici sunt uneori considerabile. De exemplu, este nevoie de „doar” 420.000 jouli (J) de energie termică pentru a încălzi 1 kg de apă de la 0°C la 100°C și pentru a transforma acest kilogram de apă în 1 kg de abur cu o temperatură egală cu aceeași. 100°C, - până la 2.260.000 J de energie.
După ce masa solidă s-a transformat complet într-un lichid, o sursă suplimentară de căldură va provoca din nou o creștere a temperaturii substanței. În stare lichidă, moleculele unei substanțe sunt încă în contact strâns, dar legăturile intermoleculare rigide dintre ele sunt rupte, iar forțele de interacțiune care țin moleculele împreună sunt cu câteva ordine de mărime mai slabe decât într-un solid, astfel încât moleculele încep să se miște relativ liber unul față de celălalt. Furnizarea suplimentară de energie termică aduce lichidul în fază fierbere, și activ evaporare sau vaporizare.
Și, din nou, așa cum a fost descris în cazul topirii sau topirii, de ceva timp toată energia suplimentară primită este cheltuită pentru a rupe legăturile lichide dintre molecule și a le elibera în stare gazoasă (la un punct de fierbere constant). Energia cheltuită pentru ruperea acestor legături aparent slabe este așa-numita. căldură latentă de vaporizare este de asemenea necesară o cantitate considerabilă (vezi exemplul de mai sus).
Toate aceleași procese în timpul ieșirii de energie (răcire) a unei substanțe au loc în ordine inversă. În primul rând, gazul se răcește odată cu scăderea temperaturii și asta se întâmplă până când ajunge puncte de condensare este temperatura la care începe lichefiere -și este exact egală cu temperatura de evaporare (fierbere) a lichidului corespunzător. În timpul condensării, pe măsură ce forțele de atracție reciprocă dintre molecule încep să aibă prioritate față de energia mișcării termice, gazul începe să se transforme într-un lichid - „condensează”. În acest caz, așa-numitul specific căldura de condensare este exact egală cu căldura specifică latentă de vaporizare, despre care a fost deja discutată. Adică, câtă energie ai cheltuit pentru a evapora o anumită masă de lichid, exact câtă energie va da vaporii sub formă de căldură atunci când se condensează înapoi în lichid.
Faptul că cantitatea de căldură degajată în timpul condensului este foarte mare este un fapt ușor de verificat: este suficient să-ți aduci palma la gura unui ibric care fierbe. Pe lângă căldura de la abur în sine, pielea ta va suferi și de căldura eliberată ca urmare a condensării sale în apă lichidă.
La răcirea suplimentară a lichidului la templeratura de inghet(a cărui temperatură este punct de topire), procesul de transfer de energie termică către exterior va începe din nou fără a scădea temperatura substanței în sine. Acest proces se numește cristalizare, iar odată cu ea se eliberează exact aceeași cantitate de energie termică ca și cea luată din mediu în timpul topirii (tranziția unei substanțe dintr-o fază solidă la una lichidă).
Există un alt tip de tranziție de fază - de la starea solidă a materiei direct la starea gazoasă (ocolirea lichidului). Această transformare de fază se numește sublimare, sau sublimare. Cel mai cotidian exemplu: lenjeria brută atârnată să se usuce la frig. Apa din ea se cristalizează mai întâi în gheață, iar apoi - sub influența luminii directe a soarelui - cristalele microscopice de gheață pur și simplu se evaporă, ocolind faza lichidă. Un alt exemplu: la concertele rock, „gheața uscată” (dioxid de carbon înghețat CO 2 ) este folosită pentru a crea o cortină de fum - se evaporă direct în aer, învăluind muzicienii care interpretează și, de asemenea, ocolind faza lichidă. În consecință, conversia unui solid direct într-un gaz durează energie de sublimare.
Orice substanță este formată din molecule, iar proprietățile sale fizice depind de modul în care sunt ordonate moleculele și de modul în care interacționează între ele. În viața obișnuită, observăm trei stări agregate ale materiei - solidă, lichidă și gazoasă.
De exemplu, apa poate fi în stare solidă (gheață), lichidă (apă) și gazoasă (abur).
Gaz se extinde până ce umple întregul volum care i-a fost alocat. Dacă luăm în considerare un gaz la nivel molecular, vom vedea molecule care se repezi aleatoriu și se ciocnesc între ele și cu pereții vasului, care, totuși, practic nu interacționează între ele. Dacă creșteți sau micșorați volumul vasului, moleculele se vor redistribui uniform în noul volum.
Spre deosebire de gazul la o anumită temperatură, acesta ocupă un volum fix, dar ia și forma unui vas umplut - dar numai sub nivelul suprafeței sale. La nivel molecular, cel mai simplu mod de a te gândi la un lichid este ca molecule sferice care, deși sunt în contact strâns unele cu altele, au libertatea de a se rostogoli unele în jurul celeilalte, ca niște margele rotunde într-un borcan. Turnați un lichid într-un vas - iar moleculele se vor răspândi rapid și umple partea inferioară a volumului vasului, ca urmare, lichidul își va lua forma, dar nu se va răspândi în întregul volum al vasului.
Solid are propria formă, nu se întinde pe volumul recipientului
și nu își ia forma. La nivel microscopic, atomii sunt atașați unul de celălalt prin legături chimice, iar poziția lor unul față de celălalt este fixă. În același timp, pot forma atât structuri rigide ordonate - rețele cristaline - cât și o grămadă aleatorie - corpuri amorfe (aceasta este tocmai structura polimerilor, care arată ca paste încâlcite și lipicioase într-un bol).
Trei stări agregate clasice ale materiei au fost descrise mai sus. Există, totuși, o a patra stare, pe care fizicienii tind să o clasifice drept agregată. Aceasta este starea plasmei. Plasma se caracterizează prin îndepărtarea parțială sau completă a electronilor de pe orbitele lor atomice, în timp ce electronii liberi rămân în interiorul substanței.
Putem observa schimbarea stărilor agregate ale materiei cu ochii noștri în natură. Apa de la suprafața corpurilor de apă se evaporă și se formează nori. Deci lichidul se transformă într-un gaz. Iarna, apa din rezervoare îngheață, transformându-se în stare solidă, iar primăvara se topește din nou, transformându-se înapoi în lichid. Ce se întâmplă cu moleculele unei substanțe atunci când aceasta trece de la o stare la alta? Se schimbă? Sunt, de exemplu, moleculele de gheață diferite de moleculele de vapori? Răspunsul este fără echivoc: nu. Moleculele rămân exact aceleași. Energia lor cinetică se modifică și, în consecință, proprietățile substanței.
Energia moleculelor de vapori este suficient de mare pentru a se împrăștia în direcții diferite, iar atunci când sunt răcite, vaporii se condensează într-un lichid, iar moleculele au încă suficientă energie pentru o mișcare aproape liberă, dar nu suficientă pentru a se desprinde de atracția altor molecule. și zboară departe. Odată cu răcirea ulterioară, apa îngheață, devenind un corp solid, iar energia moleculelor nu mai este suficientă nici măcar pentru mișcarea liberă în interiorul corpului. Ele oscilează într-un singur loc, ținute de forțele atractive ale altor molecule.
Toată materia poate exista în una din cele patru forme. Fiecare dintre ele este o anumită stare agregată a materiei. În natura Pământului, doar unul este reprezentat în trei dintre ele deodată. Aceasta este apa. Este ușor să vezi că s-a evaporat, topit și întărit. Adică abur, apă și gheață. Oamenii de știință au învățat cum să schimbe stările agregate ale materiei. Cea mai mare dificultate pentru ei este doar plasma. Această stare necesită condiții speciale.
Ce este, de ce depinde și cum se caracterizează?
Dacă corpul a trecut într-o altă stare agregată a materiei, asta nu înseamnă că a apărut altceva. Substanța rămâne aceeași. Dacă lichidul a avut molecule de apă, atunci la fel vor fi în abur cu gheață. Doar locația lor, viteza de mișcare și forțele de interacțiune între ele se vor schimba.
La studierea subiectului „Stări agregate (gradul 8)”, sunt luate în considerare doar trei dintre ele. Acestea sunt lichide, gazoase și solide. Manifestările lor depind de condițiile fizice ale mediului. Caracteristicile acestor stări sunt prezentate în tabel.
| Nume de stat agregat | solid | lichid | gaz |
| Proprietățile sale | isi pastreaza forma cu volumul | are un volum constant, ia forma unui vas | nu are volum și formă constantă |
| Aranjarea moleculelor | la nodurile rețelei cristaline | dezordonat | haotic |
| Distanța dintre ele | comparabil cu dimensiunea moleculelor | aproximativ egal cu dimensiunea moleculelor | mult mai mare decât dimensiunea lor. |
| Cum se mișcă moleculele | oscilează în jurul unui punct de rețea | nu vă deplasați de la punctul de echilibru, ci uneori faceți sărituri mari | neregulat cu ciocniri ocazionale |
| Cum interacționează | puternic atras | puternic atrași unul de celălalt | nu sunt atrase, forțele de respingere se manifestă în timpul impacturilor |
Prima stare: solidă
Diferența sa fundamentală față de altele este că moleculele au un loc strict definit. Când se vorbește despre o stare solidă de agregare, ele înseamnă cel mai adesea cristale. În ele, structura rețelei este simetrică și strict periodică. Prin urmare, se păstrează întotdeauna, indiferent cât de departe s-ar răspândi corpul. Mișcarea oscilatorie a moleculelor unei substanțe nu este suficientă pentru a distruge această rețea.
Dar există și corpuri amorfe. Le lipsește o structură strictă în aranjarea atomilor. Ele pot fi oriunde. Dar acest loc este la fel de stabil ca în corpul cristalin. Diferența dintre substanțele amorfe și cele cristaline este că nu au o temperatură specifică de topire (solidificare) și se caracterizează prin fluiditate. Exemple vii de astfel de substanțe sunt sticla și plasticul.
A doua stare: lichid
Această stare agregată a materiei este o încrucișare între un solid și un gaz. Prin urmare, combină unele proprietăți de la prima și a doua. Deci, distanța dintre particule și interacțiunea lor este similară cu ceea ce a fost cazul cristalelor. Dar aici este locația și mișcarea mai aproape de gaz. Prin urmare, lichidul nu își păstrează forma, ci se răspândește peste vasul în care este turnat.
A treia stare: gaz
Pentru o știință numită „fizică”, starea de agregare sub formă de gaz nu se află pe ultimul loc. La urma urmei, ea studiază lumea din jurul ei, iar aerul din ea este foarte comun.
Caracteristicile acestei stări sunt că forțele de interacțiune dintre molecule sunt practic absente. Aceasta explică libera lor circulație. Datorită faptului că substanța gazoasă umple întregul volum care i se oferă. Mai mult, totul poate fi transferat în această stare, trebuie doar să creșteți temperatura cu cantitatea dorită.
A patra stare: plasmă
Această stare agregată a materiei este un gaz care este ionizat complet sau parțial. Aceasta înseamnă că numărul de particule încărcate negativ și pozitiv din el este aproape același. Această situație apare atunci când gazul este încălzit. Apoi are loc o accelerare bruscă a procesului de ionizare termică. Constă în faptul că moleculele sunt împărțite în atomi. Acestea din urmă se transformă apoi în ioni.
În univers, o astfel de stare este foarte comună. Pentru că conține toate stelele și mediul dintre ele. În limitele suprafeței Pământului, apare extrem de rar. În afară de ionosferă și vântul solar, plasmă este posibilă doar în timpul furtunilor. În fulgerele, se creează condiții în care gazele atmosferei trec în a patra stare a materiei.
Dar asta nu înseamnă că plasmă nu a fost creată în laborator. Primul lucru care putea fi reprodus a fost o descărcare de gaz. Plasma umple acum lumini fluorescente și semne de neon.
Cum se realizează tranziția între state?
Pentru a face acest lucru, trebuie să creați anumite condiții: o presiune constantă și o temperatură specifică. În acest caz, o schimbare a stărilor agregate ale unei substanțe este însoțită de eliberarea sau absorbția de energie. Mai mult, această tranziție nu are loc cu viteza fulgerului, ci necesită o anumită perioadă de timp. În acest timp, condițiile trebuie să rămână neschimbate. Tranziția are loc odată cu existența simultană a materiei sub două forme, care mențin echilibrul termic.
Primele trei stări ale materiei pot trece reciproc una în alta. Există procese directe și inverse. Au următoarele nume:
- topire(de la solid la lichid) și cristalizare, de exemplu, topirea gheții și solidificarea apei;
- vaporizare(de la lichid la gazos) și condensare, un exemplu este evaporarea apei și producerea acesteia din abur;
- sublimare(de la solid la gazos) și desublimare, de exemplu, evaporarea unui parfum uscat pentru primul dintre ele și modele geroase pe sticlă pentru al doilea.
Fizica topirii și cristalizării
Dacă un corp solid este încălzit, atunci la o anumită temperatură, numit punct de topire va începe o substanță specifică, o schimbare a stării de agregare, care se numește topire. Acest proces merge cu absorbția de energie, care se numește cantitatea de căldurăși este marcat cu litera Q. Pentru a-l calcula, trebuie să știți căldură specifică de fuziune, care este notat λ . Și formula arată așa:
Q=λ*m, unde m este masa substanței implicate în topire.
Dacă are loc procesul invers, adică cristalizarea lichidului, atunci condițiile se repetă. Singura diferență este că energia este eliberată, iar semnul minus apare în formulă.
Fizica vaporizării și condensului
Odată cu încălzirea continuă a substanței, aceasta se va apropia treptat de temperatura la care va începe evaporarea sa intensă. Acest proces se numește vaporizare. Se caracterizează din nou prin absorbția de energie. Doar ca să-l calculezi, trebuie să știi căldură specifică de vaporizare r. Iar formula va fi:
Q=r*m.
Procesul invers sau condensarea are loc cu degajarea aceleiași cantități de căldură. Prin urmare, în formulă apare din nou un minus.
