- Твердое состояние
- Жидкое состояние
- Газообразное состояние
- Изменение состояния вещества
Химия изучает вещество. Что же такое "вещество"? Вещество - это все то, что имеет массу и объем. Вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком, газообразном .
1. Твердое состояние
Частицы (молекулы) в твердом теле объединены в жесткую повторяющуюся конструкцию - кристаллическую решетку . Частицы в кристаллической решетке совершают небольшие колебания около центров равновесия. Твердое тело имеет форму и объем .
2. Жидкое состояние
В отличие от твердых тел, жидкость не имеет определенной формы, но имеет объем. Это объясняется тем, что в жидкостях частицы находятся на большем расстоянии друг от друга, чем в твердых телах и двигаются активнее.
Поскольку частицы в жидкостях располагаются менее плотно, чем в твердых телах, то они не могут образовать кристаллическую решетку, следовательно жидкости не имеют определенной формы.
3. Газообразное состояние
В газе частицы находятся еще на больших расстояниях, чем в жидкостях. Мало того - частицы постоянно находятся в хаотическом (беспорядочном) движении. Поэтому газы стремятся равномерно заполнить, предоставленный им, объем (отсюда следует тот факт, что у газов нет определенной формы).
4. Изменение состояния вещества
Возьмем банальный пример и проследим за процессом изменения состояния воды.
В твердом состоянии вода - это лед. Температура льда меньше 0 о С. При нагревании лед начинает плавиться и превращаться в воду. Это объясняется тем, что частицы льда, находящиеся в кристаллической решетке, при нагревании начинают двигаться, вследствие этого решетка разрушается. Температура, при которой происходит плавление вещества, называется "точкой плавления" вещества. Точка плавления воды равна 0 о С.
Следует заметить, что до тех пор пока лед полностью не расплавится, температура льда будет 0 о С.
| Во время фазовых изменений вещества температура остается постоянной |
После того, как лед полностью превратился в воду, мы продолжим нагрев. Температура воды будет повышаться, а движение частиц под действием тепла все более ускоряться. Это происходит до тех пор, пока вода не достигнет следующей своей точки изменения состояния - кипения .
Этот момент наступает когда связи частиц воды полностью разрываются и их движение становится свободным: вода превращается в пар.
| Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называется кипением |
Температура, при которой жидкость закипает, называют "точкой кипения" .
Следует обратить внимание, что температура кипения зависит от давления. При нормальном давлении (760 мм. рт. ст.) температура кипения воды составляет 100 о С.
По аналогии с плавлением: пока вода полностью не превратится в пар - температура будет постоянной.
Подведем итог. В результате нагревания мы получили разные фазовые состояния воды:
Лед → вода → пар или Н 2 0 (т) → Н 2 0 (ж) → Н 2 0 (г)
Что же произойдет, если мы начнем охлаждать водяной пар? Не надо быть "семи пядей во лбу", чтобы догадаться - пойдет обратный процесс фазовых изменений воды:
Пар → вода → лед
Существуют некоторые вещества, которые из твердого состояния переходят сразу в газообразное, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией или возгонкой . Так, например, ведет себя "сухой лед" (двуокись азота СО 2). При его нагревании вы не увидите ни капли воды, - "сухой лед" будет как бы испаряться на глазах.
Процесс, обратный сублимации (переход вещества из газа в твердое состояние), называется десублимация .
Любое изменение состояния вещества связано с метаморфозами температуры, давления. Можно одно вещество представить в следующих агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном.
Отметим, что по мере перехода не наблюдается изменения состава вещества. Переход вещества из жидкого состояния в твердое сопровождается только изменением сил межмолекулярного взаимодействия, расположением молекул. Превращение из одного состояния в другое именуют
Плавление
Данный процесс предполагает превращение в жидкость. Для его осуществления необходима повышенная температура.
Например, можно наблюдать в природе такое состояние вещества. Физика легко объясняет процесс таяния снежинок под действием весенних лучей. Маленькие кристаллики льда, входящие в состав снега, после прогревания воздуха до нулевой отметки начинают разрушаться. Происходит плавление постепенно. Сначала лед поглощает тепловую энергию. По мере изменения температуры происходит полное превращение льда в жидкую воду.
Он сопровождается существенным ростом скорости движения частиц, тепловой энергией, повышением величины внутренней энергии.
После достижения показателя, именуемого происходит разрыв структуры твердого вещества. У молекул появляется большая свобода, они «перескакивают», занимая разные положения. Расплавленное вещество имеет больший запас энергии, чем в твердом состоянии.
Температура отвердевания
Переход вещества из жидкого состояния в твердое осуществляется при определенном значении температуры. Если от тела будет отводиться тепло, то оно застывает (кристаллизуется).
Температуру отвердевания считают одной из важнейших характеристик.
Кристаллизация
Переход вещества из жидкого состояния в твердое положение называют кристаллизацией. При прекращении передачи тепла жидкости наблюдается снижение температуры до определенного значения. Фазовый переход вещества из жидкого состояния в твердое тело в физике называют кристаллизацией. При рассмотрении вещества, не содержащего примесей, температура плавления соответствует показателю кристаллизации.
Оба процесса протекают постепенно. Процесс кристаллизации сопровождается снижением молекул, содержащихся в жидкости. Силы притяжения, благодаря которым частицы удерживаются в строгом порядке, присущие твердым телам, возрастают. После того как частицы приобретут упорядоченное расположение, сформируется кристалл.
Называют физическую форму вещества, представленную в определенном интервале давлений и температур. Оно характеризуется количественными свойствами, которые изменены в выбранных интервалах:
- способность вещества менять форму и объем;
- отсутствие (присутствие) дальнего либо ближнего порядка.
Процесс кристаллизации связан с энтропией, свободной энергией, плотностью, иными физическими величинами.
Помимо жидкостей, твердых тел, газообразной формы, выделяют еще одно агрегатное состояние - плазму. В нее могут переходить газы в случае повышения температуры при неизменном давлении.
Рамки между разнообразными состояниями вещества далеко не всегда являются строгими. В физике подтверждено существование аморфных тел, способных сохранять структуру жидкости, имеющей небольшую текучесть. обладают способностью поляризовать электромагнитное излучение, которое через них проходит.
Заключение
Для того чтобы описывать различные состояния в физике, применяют определение термодинамической фазы. Критическими явлениями называют состояния, которые описывают превращение одной фазы в другую. Твердые тела отличаются сохранением на протяжении длительного временного промежутка своего среднего положения. Они будут совершать незначительные колебания (с минимальной амплитудой) около положения равновесия. У кристаллов есть определенная форма, которая при переходе в жидкое состояние будет изменяться. Информация о температурах кипения (плавления) позволяет физикам использовать переходы из одного агрегатного состояния в другое для практических целей.
Важно знать и понимать, каким образом осуществляются переходы между агрегатными состояниями веществ . Схему таких переходов изобразим на рисунке 4.
5 - сублимация (возгонка) - переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое;
6 - десублимация - переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое.
Б. 2 Плавление льда и замерзание воды (кристаллизация)
Если поместить лед в колбу и начать его нагревать с помощью горелки, то можно будет заметить, что его температура начнет повышаться, пока не достигнет температуры плавления (0 o C). Затем начнется процесс плавления, но при этом температура льда повышаться не будет, и только после окончания процесса плавления всего льда температура образовавшейся воды начнет повышаться.
Определение. Плавление - процесс перехода из твердого состояния в жидкое. Этот процесс происходит при постоянной температуре.
Температура, при которой происходит плавление вещества, называется температурой плавления и является измеренной величиной для многих твердых веществ, а потому табличной величиной. Например, температура плавления льда равна 0 o C, а температура плавления золота 1100 o C.
Обратный плавлению процесс - процесс кристаллизации - также удобно рассматривать на примере замерзания воды и превращения ее в лед. Если взять пробирку с водой и начать ее охлаждать, то сначала будет наблюдаться уменьшение температуры воды, пока она не достигнет 0 o C, а затем ее замерзание при постоянной температуре), и уже после полного замерзания дальнейшее охлаждение образовавшегося льда.
Если описанные процессы рассматривать с точки зрения внутренней энергии тела, то при плавлении вся полученная телом энергия расходуется на разрушение кристаллической решетки и ослабление межмолекулярных связей, таким образом, энергия расходуется не на изменение температуры, а на изменение структуры вещества и взаимодействия его частиц. В процессе же кристаллизации обмен энергиями происходит в обратном направлении: тело отдает тепло окружающей среде, а его внутренняя энергия уменьшается, что приводит к уменьшению подвижности частиц, увеличению взаимодействия между ними и отвердеванию тела.
График плавления и кристаллизации
Полезно уметь графически изобразить процессы плавления и кристаллизации вещества на графике. По осям графика расположены: ось абсцисс - время, ось ординат - температура вещества. В качестве исследуемого вещества примем лед при отрицательной температуре, т. е. такой, который при получении тепла не начнет сразу плавиться, а будет нагревать до температуры плавления. Опишем участки на графике, которые представляют собой отдельные тепловые процессы:
Начальное состояние - a: нагревание льда до температуры плавления 0 o C;
a - b: процесс плавления при постоянной температуре 0 o C;
b - точка с некоторой температурой: нагревание образовавшейся из льда воды до некоторой температуры;
Точка с некоторой температурой - c: охлаждение воды до температуры замерзания 0 o C;
c - d: процесс замерзания воды при постоянной температуре 0 o C;
d - конечное состояние: остывание льда до некоторой отрицательной температуры.
В зависимости от условий тела могут находиться в жидком, твердом или газообразном состоянии. Эти состояния называются агрегатными состояниями вещества .
В газах расстояние между молекулами много больше размеров молекул. Если газу не мешают стенки сосуда, его молекулы разлетаются.
В жидкостях и твердых телах молекулы расположены ближе друг к другу и поэтому не могут удаляться далеко друг от друга.
Переход из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом .
Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением , а температуру, при которой это происходит, – температурой плавления . Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией , а температуру перехода – температурой кристаллизации .
Количество теплоты, которое выделяется при кристаллизации тела либо поглощается телом при плавлении, отнесенное к единице массы тела, называется удельной теплотой плавления (кристаллизации) λ:
При кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении.
Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием . Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией . Количество теплоты, необходимое для парообразования (выделяющееся при конденсации):
| Q = Lm , |
Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением . Испарение может происходить при любой температуре. Переход жидкости в пар, происходящий по всему объему тела, называется кипением , а температуру, при которой жидкость кипит, – температурой кипения .
Наконец, сублимация – это переход вещества из твердого состояния непосредственно в газообразное, минуя жидкую стадию.
Если прочие параметры внешней среды (в частности, давление) остаются постоянными, то температура тела в процессе плавления (кристаллизации) и кипения не изменяется.
Если количество молекул, покидающих жидкость, равно количеству молекул, возвращающихся в жидкость, то говорят, что наступило динамическое равновесие между жидкостью и ее паром. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется
Агрегатные превращения вещества.
Три состояния вещества.
Агрегатные превращения.
Процесс плавления и отвердевания.
Переход твердого тела в жидкое состояние называется плавлением . Обратное явление называется отвердеванием . Если при отвердевании жидкости получается кристаллическое твердое тело, то такое отвердевание называют кристаллизацией .
Температура плавления и кристаллизации.
Температурой плавления данного вещества называют температуру, при которой одновременно сосуществуют твердое и жидкое состояния этого вещества. Температура плавления не зависит от скорости нагревания. До окончания плавления температура тела и расплава остается одинаковой.
Температура, при которой происходит процесс перехода вещества из жидкого состояние в твердое, называется температурой кристаллизации.
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГРАФИК ИЗМЕНЕНИЯ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ ВОДЫ.
Расчет количества теплоты при плавлении(кристаллизации)
Объяснение процесса плавления.
Жидкому состоянию вещества по сравнению с твердым кристаллическим присущи:
большая скорость движения молекул;
большее расстояние между молекулами;
отсутствие строгого расположение молекул.
Поэтому для превращения твердого тела в жидкость его молекулам необходимо сообщить дополнительную энергию.
Жидкому состоянию соответствует большая внутренняя энергия.
Парообразование Переход вещества из жидкого состояния в газообразное
Испарение – парообразование, происходящее с поверхности
жидкости при любой температуре
Условия парообразования.
площадь свободной поверхности – первая причина, влияющая на скорость парообразования.
Кипение.
Парообразование, происходящее по всему объему жидкости вследствие возникновения и всплытия на поверхность многочисленных пузырей насыщенного пара, называется кипением .
Кипение происходит с поглощением теплоты. Большая часть подводимой теплоты расходуется на разрыв связей между частицами вещества, остальная часть - на работу, совершаемую при расширении пара. В результате энергия взаимодействия между частицами пара становится больше, чем между частицами жидкости, поэтому внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия жидкости при той же температуре.
Удельная теплота парообразования.
Количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар в процессе кипения можно рассчитать по формуле:
где m - масса жидкости (кг), L - удельная теплота парообразования.
Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы превратитъ в пар 1 кг данного вещества при температуре кипения. Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ: [ L ] = 1 Дж/ кг
Температура кипения.
Во время кипения температура жидкости не меняется.. Температура кипения зависит от давления, оказываемого на жидкость. Каждое вещество при одном и том же давлении имеет свою температуру кипения. При увеличением атмосферного давления кипение начинается при более высокой температуре, при уменьшении давления - наоборот.. Так, например, вода кипит при 100 °С лишь при нормальном атмосферном давлении.
Загрузка...