Агрегатные состояния вещества и фазовые переходы

1. Агрегатные состояния вещества и фазовые переходы

2.

Агрегатное состояние (от лат. aggrego — присоединяю, связываю) — это
физическое состояние вещества, зависящее от соотношения двух
противоборствующих факторов:
1. Энергии теплового движения молекул (стремится разбросать частицы,
сделать систему хаотичной).
2. Энергии взаимодействия молекул (стремится собрать частицы вместе,
удержать их в упорядоченном состоянии).
Преобладание 1 фактора – газ, преобладание 2 фактора – твердое
вещество, равенство факторов – жидкость.

3.

Современная физика знает не три, а как минимум
четыре (а с учётом экзотических состояний — и гораздо
больше) агрегатных состояния.
Четвёртое — плазма — самое распространённое
состояние вещества во Вселенной (звёзды состоят
именно из плазмы).

4. Твёрдое тело: Пленённый порядок

В твёрдых телах частицы (атомы, молекулы, ионы) расположены в строгом геометрическом
порядке (образуют кристаллическую решётку) или в беспорядке (аморфные тела, например,
стекло). Но главное — они не могут покинуть свои места.
Свойства:
Сохранение формы и объёма: Твёрдое тело сопротивляется попытке его деформировать.
Чтобы сдвинуть молекулу с места, нужно приложить заметное усилие.
Ближний и дальний порядок: В кристаллах порядок идеальный — мы знаем, где находится
каждый атом на расстоянии миллионов шагов (дальний порядок). В аморфных телах порядок
только ближний — есть правильное окружение у каждого атома, но сами "ячейки" уложены как
попало.
Почему они твёрдые?
Потенциальная энергия взаимодействия молекул значительно превосходит их кинетическую
энергию. Частицы "сидят в ямах", которые сами себе вырыли силами притяжения, и лишь слегка
колеблются около положений равновесия.

5. Жидкость: Текучее равновесие

Жидкость — это нечто среднее. Она сохраняет объём, но не сохраняет форму, принимая
форму сосуда.
Свойства:
Текучесть: Частицы могут перескакивать с места на место. "Дырок" в структуре жидкости
практически нет (в отличие от газа), но порядок — только ближний.
Поверхностное натяжение: Поверхность жидкости ведёт себя как упругая плёнка. Молекулы на
поверхности испытывают нескомпенсированное притяжение внутрь жидкости, стягивая
поверхность до минимума.
Вязкость: Сопротивление течению. Мёд течёт медленно (вязкость высокая), вода — быстро
(вязкость низкая).
Почему они жидкие?
Энергия теплового движения и энергия взаимодействия сравниваются. Частицы ещё чувствуют
друг друга, ещё "хотят" быть вместе, но уже могут менять соседей.

6. Газ

В газе молекулы практически не связаны друг с другом. Они носятся с
огромными скоростями, сталкиваясь и разлетаясь.
Свойства:
Отсутствие формы и объёма: Газ занимает весь предоставленный ему объём.
Сжимаемость: Между молекулами газа огромные (по сравнению с их
размерами) промежутки, поэтому газ легко сжать.
Давление: Результат ударов молекул о стенки сосуда.
Почему они газообразные?
Энергия теплового движения намного превышает энергию связи. Молекулы
"разбежались" и друг друга "не замечают", пока не столкнутся.

7. Плазма

Плазма — это газ, в котором атомы потеряли свои электроны. Это смесь положительных ионов
и свободных электронов.
Свойства:
Электропроводность: Плазма отлично проводит ток (в отличие от обычного газа).
Чувствительность к магнитным полям: Заряженные частицы легко отклоняются магнитными
полями.
Свечение: При рекомбинации электронов и ионов выделяется энергия в виде света.
Где встречается:
Звёзды (включая Солнце).
Молнии.
Северное сияние.
Неоновые лампы, плазменные панели, сварка.

8. Фазовый переход — это переход вещества из одной фазы (агрегатного состояния) в другую при изменении внешних условий

(температуры, давления).

9. Плавление и кристаллизация

Плавление — переход из твёрдого состояния в жидкое.
Когда мы нагреваем твёрдое тело, амплитуда колебаний атомов в узлах
решётки растёт. В какой-то момент (при температуре плавления) атомы
получают достаточно энергии, чтобы разорвать связи и покинуть свои места.
Кристаллическая решётка рушится.
Кристаллизация (отвердевание) — обратный процесс, переход из жидкости в
твёрдое тело.
Чтобы жидкость закристаллизовалась, нужны центры кристаллизации —
пылинки, неоднородности, вокруг которых начинают выстраиваться атомы в
правильном порядке. Если жидкость очень чистая и охлаждается медленно,
её можно переохладить ниже температуры плавления, и она всё ещё
останется жидкой. Но достаточно бросить пылинку — и кристаллизация
пойдёт мгновенно.

10. Парообразование и конденсация

Парообразование — переход из жидкости в газ. Бывает в двух видах:
1. Испарение: Парообразование только с поверхности жидкости. Происходит при
любой температуре. Быстрые молекулы (с энергией выше средней) вылетают из
жидкости, унося энергию. Поэтому испарение всегда приводит к охлаждению
(вспомните, как холодно выходить из воды).
2. Кипение: Парообразование во всём объёме жидкости. Происходит при
определённой температуре (температуре кипения), когда давление насыщенного
пара внутри пузырьков сравнивается с внешним давлением. Пузырьки могут расти и
всплывать.
Конденсация — обратный процесс, переход из газа в жидкость. Когда пар
соприкасается с холодной поверхностью, молекулы теряют энергию и снова
собираются в капли. Роса утром — это конденсация.

11. Сублимация и десублимация

Сублимация — переход из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя
жидкую фазу.
Примеры:
Мокрый снег на морозе постепенно исчезает (испаряется, но по сути
сублимирует), не превращаясь в воду.
Нафталин (средство от моли) — пахнет, потому что твёрдые частицы переходят
сразу в газ.
Сухой лёд (твёрдый CO₂) при комнатной температуре превращается в газ, не
оставляя лужи.
Десублимация — обратный переход, из газа в твёрдое тело, минуя жидкость.
Иней на ветках — это вода из воздуха превратилась сразу в кристаллы льда.

12. Состояние вещества зависит от температуры и давления. Эту зависимость изображают на фазовой диаграмме.

На такой диаграмме есть:
Линии фазовых равновесий: При условиях, соответствующих этим линиям, две фазы
могут существовать одновременно (лёд и вода при 0°C).
Тройная точка: Уникальная точка, где могут сосуществовать сразу три фазы (твёрдая,
жидкая и газообразная). Для воды тройная точка — это очень узкий диапазон
температуры и давления, при которых лёд, вода и пар могут быть вместе.
Критическая точка: Выше определённой температуры и давления исчезает разница
между жидкостью и газом. Вещество становится сверхкритическим флюидом —
нечто среднее, обладающее свойствами и газа (заполняет объём), и жидкости
(растворяет вещества).

13. Аморфные тела: Твёрдые жидкости?

Стекло, смола, пластилин. Это твёрдые тела? Они держат форму. Но если
присмотреться, у них нет кристаллической решётки. Атомы расположены как в
жидкости — хаотично.
Аморфные тела — это переохлаждённые жидкости с очень высокой вязкостью.
Они текут, но очень медленно. В старых соборах стекло внизу толще, чем вверху
— оно стекло вниз веками.
У аморфных тел нет чёткой температуры плавления. Они размягчаются
постепенно.

14. Жидкие кристаллы: Порядок внутри текучести

Это вещества, которые текут как жидкости, но сохраняют ориентационный
порядок молекул как в кристаллах. Молекулы в них вытянуты и
ориентированы в одном направлении.
Именно это свойство позволило создать ЖК-экраны (LCD). При подаче
напряжения молекулы поворачиваются, и ячейка становится прозрачной или
тёмной.

15. Энергетика фазовых переходов: Скрытая теплота

Почему, когда лёд тает, температура смеси "лёд-вода" остаётся 0°C, пока весь лёд не растает,
даже если мы постоянно подводим тепло?
Куда уходит энергия?
Она тратится не на нагрев, а на разрушение кристаллической решётки. Чтобы оторвать
молекулу ото льда и перевести её в воду, нужно преодолеть силы притяжения. Эта энергия
называется удельной теплотой плавления.
То же самое при кипении: вся энергия уходит на отрыв молекул друг от друга и перевод их в
пар. Температура кипящей воды не меняется, пока вся вода не выкипит.
Откуда берётся холод при испарении?
Молекулы с самой большой энергией (самые быстрые) покидают жидкость. Средняя энергия
оставшихся молекул падает — температура жидкости снижается.

16.

Кроме плавления и кипения (это фазовые переходы первого рода, с
поглощением/выделением тепла и скачком плотности), существуют
переходы второго рода.
При них нет скачка плотности, нет скрытой теплоты, но резко меняются другие
свойства (теплоёмкость, магнитные свойства).
Примеры:
Переход металла в состояние сверхпроводимости (исчезает электрическое
сопротивление).
Переход гелия-4 в сверхтекучее состояние (течёт без трения).
Потеря намагниченности ферромагнетиком (железом) при нагреве выше
точки Кюри.

17. Задание 1.

Условие: Фазовые переходы происходят постоянно в повседневной жизни, в природе и в технике. Ниже перечислены
несколько явлений. Для каждого из них требуется определить, какой именно фазовый переход происходит, и объяснить его с
точки зрения физики.
Явления для анализа:
1. Образование инея на ветках деревьев морозным утром. (Какой процесс: конденсация или десублимация? Почему вода
превращается сразу в лёд, минуя жидкость?)
2. Исчезновение мокрого белья, развешенного на морозе. Бельё сначала замёрзло (стало жёстким), а через несколько дней
стало сухим, хотя температура всё время была ниже нуля. Куда делся лёд?
3. Запотевание очков при входе с холода в тёплое помещение. Почему стёкла покрываются каплями воды? Какой процесс
происходит?
4. Работа аэрозольного баллончика (дезодорант, краска). При нажатии на клапан из баллона вылетает струя, которая на ощупь
кажется очень холодной. С чем связано охлаждение? (Подсказка: внутри баллона вещество находится под давлением в жидкой
фазе.)
5. «Сухой лёд» (твёрдый углекислый газ) в театральных постановках. При комнатной температуре он не тает, не оставляет лужи, но
создаёт густой туман. Опишите процесс, который происходит с сухим льдом, и объясните, откуда берётся туман.
6. Образование сталактитов и сталагмитов в пещерах. Капельки воды, содержащие растворённый известняк, медленно падают с
потолка пещеры. Вода испаряется, а на потолке и полу нарастают каменные сосульки. Какой фазовый переход (помимо
испарения) здесь ключевой? Что происходит с растворённым веществом?
7. Почему горячий чай заваривается быстрее, чем тёплый? Связано ли это только со скоростью химической реакции диффузии,
или здесь играет роль фазовый переход (переход ароматических веществ из чайных листьев в воду)? Как температура влияет на
этот процесс?

18. Задание 2.

Условие:
Представьте, что вы мысленно проводите опыт с водой. Вы берёте кусочек льда при температуре –20°C и
начинаете его равномерно нагревать, пока он не превратится в пар при +120°C. Вы следите за
изменением температуры.
Вопросы для развернутого ответа:
1. Опишите, как будет меняться температура в процессе нагревания от –20°C до +120°C. На каких участках
температура будет расти, а на каких — оставаться постоянной?
2. Почему на графике нагревания появляются горизонтальные участки («плато»)? Что происходит с
веществом на этих участках и куда тратится подводимая энергия?
3. Сколько таких горизонтальных участков будет на графике для воды? Каким фазовым переходам они
соответствуют?
4. Изменится ли температура плавления льда, если мы будем проводить опыт не при нормальном
атмосферном давлении, а высоко в горах? Объясните, как давление влияет на температуру кипения и
плавления.
5. Что такое «тройная точка» воды? При каких условиях можно наблюдать одновременно лёд, воду и пар?

19. Задание 3.

Условие:
Вы вышли из воды в жаркий летний день. Вам прохладно, хотя воздух тёплый. Ветер усиливает
ощущение холода. Если же вы вытерлись полотенцем, вам становится комфортно.
Вопросы для развернутого ответа:
1. Объясните механизм охлаждения тела при испарении воды с его поверхности. Откуда берётся
энергия, необходимая для испарения?
2. Почему ветер усиливает ощущение холода? Как он влияет на скорость испарения?
3. Почему в бане (влажный пар) при той же температуре ощущается жарче, чем в сауне (сухой
воздух)? Как влажность воздуха влияет на эффективность испарения пота?
4. Объясните, почему собаки в жару высовывают язык и часто дышат. Какой физический процесс
они используют для охлаждения?
5. Почему спирт, попавший на кожу, вызывает более сильное ощущение холода, чем вода, хотя
комнатной температуры?

20. Задание 4.

Условие:
Все знают, что лёд плавает на поверхности воды. Это кажется естественным, но с точки
зрения физики это аномалия. У подавляющего большинства веществ твёрдая фаза
тяжелее жидкой и тонет в ней.
Вопросы для развернутого ответа:
1. Объясните, как меняется плотность воды при замерзании. Почему лёд занимает
больший объём, чем вода, из которой он образовался?
2. Какое значение для жизни на Земле имеет тот факт, что лёд плавает? Что бы
произошло с водоёмами и их обитателями зимой, если бы лёд тонул?
3. Нарисуйте мысленно график зависимости объёма воды от температуры при
охлаждении от +4°C до 0°C и при переходе в лёд. Объясните, почему у воды есть
аномалия плотности при +4°C.
4. Связано ли это свойство с молекулярным строением воды и типом связей между
молекулами? Кратко опишите механизм.