Агрегатные состояния вещества

Жидкие и твердые тела

Газ, испарение, конденсация и плавление

Агрегатным состоянием называют состояния одного и того же вещества, которое может быть твердым, жидким или газообразным. В процессе переходов между состояниями наблюдаются скачкообразные изменения таких характеристик вещества как плотность, энергия, энтропия и так далее.

Жидкие и твердые тела

Твердыми телами называют те тела, отличительной чертой которого является постоянство объема и формы.

Межмолекулярные расстояния в твердых телах довольно малы, потенциальная энергия молекул аналогична кинетической энергии. Такие тела подразделяют на две разновидности: аморфные и кристаллические. В состоянии термодинамического равновесия могут быть только твердые тела кристаллического типа. Если говорить об аморфных телах, то им свойственно метастабильное состояние - по своему строению они сходны с неравновесными жидкостями, которые долго кристаллизуются. В аморфном теле процесс кристаллизации (постепенный переход в другую фазу) протекает очень медленно. Главное отличное кристаллов от аморфных тел - это анизотропия его свойств. Направление в пространстве оказывает существенное влияние на характеристики кристаллического тела. Такие процессы как электропроводность и теплопроводность, звук и свет, распространяются в разных направлениях в зависимости от твёрдого тела. В случае аморфных тел (пластмассы, смолы и так далее) наблюдается изотропия, аналогичная жидкостям. Единственное их отличие в том, что жидкостям свойственна текучесть и статическая деформация сдвига в них оказывается невозможной.

Для кристаллических тел является характерным правильное молекулярное строение. Именно благодаря этому оказывается возможной анизотропия его характеристик. Правильным образом расположенные атомы кристалла образуют кристаллическую решётку. Расположение атомов в таких решётках может меняться в разных направлениях, что и приводит к анизотропии. Ионы, атомы или даже целые молекулы в такой решётке совершают беспорядочные движения колебательного характера, рассматриваемые в качестве её узлов. Чем большей будет температура, тем большей окажется энергия колебаний и как следствие - возрастёт среднее значение амплитуды колебаний. Размер кристалла находится в зависимости от данных колебаний. Растущая амплитуда колебаний является причиной роста размеров тела. Таким образом, объясняется расширение твёрдых тел под действием тепла.

Жидкими являются те тела, которые обладают конкретным объемом, но при этом лишенные упругости формы.

Жидкостям свойственно сильное межмолекулярное взаимодействие и малая способность изменения объема. Такое состояние является промежуточным между газом и твердым телом. Аналогично газам, жидкости изотропны и не имеют касательных напряжений тел. Помимо этого, им свойственна текучесть. Жидкости характеризуются тяжестью, следовательно, их удельный вес соответствует удельному весу тел, находящихся в твердом состоянии. Вблизи температурных значений кристаллизации их теплоемкость и прочие тепловые показатели находятся довольно близко к аналогичным показателям твёрдых тел.

До определенной степени в жидкостях может быть зафиксировано правильное расположение атомов, но исключительно в малых областях. Тут атомами также совершается движение колебательного типа в районе узлов квазикристаллической ячейки, но они отличаются от атомов твёрдых тел тем, что с той или иной периодичностью перескакивают между узлами. Вследствие этого движение атомов усложняется: оно становится колебательным, но при этом центр колебаний будет перемещаться в пространстве.

Газ, испарение, конденсация и плавление

Под газом понимается состояние вещества, при котором его молекулы находятся на относительно большом расстоянии друг от друга.

Допускается пренебрежение силами при взаимодействии на молекулярном уровне при невысоком давлении. Весь предоставленный газу объем заполняется его частицами. Такое состояние может быть рассмотрено в качестве сильно перегретого или ненасыщенного пара. Особого упоминания заслуживает плазма, представляющая собой полностью или частично ионизированный газ, в котором отрицательные и положительные заряды по плотности находятся на примерно одинаковом уровне. По сути, плазма является разновидностью газа из заряженных частиц, вступающих во взаимодействие друг с другом посредством электрических сил на большом расстоянии, при этом частицы не могут располагаться на ближнем или дальнем расстоянии друг от друга.

Веществам свойственен переход между агрегатными состояниями.

Под испарением подразумевается процесс по изменению состояния, при котором с поверхности текучего или твердого тела наблюдается вылет молекул, чья кинетическая энергия превышает потенциальную.

Испарение является фазовой разновидностью перехода. Во время данного процесса часть твердого тела или жидкости трансформируется в пар. Насыщенным паром называют газообразное вещество. При таком состоянии наблюдается динамическое равновесие с жидкостью. В таком случае изменение внутренней энергии тела:

Где m является массой тела, а r удельной теплотой образования пара (Дж/кг).

Конденсация представляет собой обратный образованию пара процесс.

Изменения энергии внутри тела рассчитываются по вышеупомянутой формуле.

Под плавлением подразумевается процесс перехода вещества в жидкое состояние из твердого.

При нагреве вещества его внутренняя энергия будет увеличиваться и как следствие, скорость теплового молекулярного движения также будет увеличена. При достижении температуры, при которой вещество начнет плавиться, наблюдается разрушение кристаллической решетки твердого тела и взаимосвязи частиц, а энергия взаимодействия между ними возрастает. Передаваемое телу тепло идет на увеличение его внутренней энергии, а часть энергии задействуется в изменении объема и плавлении тела. У многих тел кристаллического типа наблюдается увеличение объема при плавлении, однако есть и исключения в виде льда или чугуна. У аморфных тел нет конкретной температуры плавления. Плавление представляет собой фазовый переход, которому свойственно скачкообразное изменение теплоемкости при необходимой для процесса плавления температуре, которая определяется веществом, а также не будет меняться в процессе. В таком случае изменение энергии внутри тела:

(2),

где λ является удельной теплота плавления (Дж/кг).

Кристаллизация является обратным плавлению процессом. Изменения внутренней энергии могут быть рассчитаны по формуле (2).

Для расчета изменения протекающей внутри каждого тела системы энергии при нагреве или охлаждении можно прибегнуть к следующей формуле:

где под c подразумевают удельную теплоемкость, Дж/(кгК), а под △T- изменение температуры тела.

Изучение переходов веществ из того или иного агрегатного состояния в другое оказывается невозможным, если не прибегнуть к уравнению теплового баланса. Согласно ему суммарное количество выделяемого в теплоизолированной системе тепла соответствует общему количеству поглощаемой внутри системы теплоты.

Под уравнением теплового баланса подразумевают закон сохранения энергии для процессов обмена тепла в системах с изоляцией тепла.

Задание: В изолированном от тепла сосуде находятся вода и лед при нулевой температуре. Масса воды (mv) - 0,5 кг, а льда (mi) - 60 гр. В сосуд впускается водяной пар (mp) с массой 10 гр. при температурном режиме 100 °C. Как изменится температура расположенной в сосуде жидкости при достижении равновесия тепла? Теплоемкость сосуда в расчет не берется.

Решение: Необходимо определить происходящие в системе процессы, а также, какие были агрегатные состояния в начале и какие в итоге.

Наблюдается конденсация пара с отдачей тепла, которое поспособствует плавлению льда и что вполне вероятно, оно может нагреть и полученную изо льда жидкость.

Первым делом нужно определить, сколько выделяется тепла при конденсации имеющегося пара:

взяв информацию из справочных материалов получаем - удельную теплоту образования бара, которую можно применить и для конденсации.

Для расплавления льда потребуется столько тепла:

отталкиваясь от справочной информации, получаем удельную теплоту плавления данного состояния - .

Отсюда следует, что пар отдает избыточное количество тепла, следовательно, уравнение получает следующий вид: .

Выделение теплоты осуществляется в процессе конденсации пара массой mp и остывании жидкости, образуемой из пара от температурного значения Tp до искомой T. Происходит поглощение тепла при плавлении льда массой mi и нагревании жидкости массой от температуры . Обозначим , для разности Tp−T и отсюда выходит следующее:

Уравнение теплового баланса будет выглядеть следующим образом:

Проведем расчеты с учетом табличной теплоемкости воды

тогда T=273+3=276 (K)

Ответ: температура жидкости в сосуде после того, как будет достигнуто тепловое равновесие, составляет 276 К.

Задание: На рисунке представлен участок изотермического процесса, который отвечает переходу вещества из кристаллического состояния в жидкое. Что на диаграмме p,T соответствует данному участку?

Ответ: совокупность состояний, которые представлены на диаграмме p,V горизонтальным отрезком прямой на диаграмме p,T изображается в виде точки. Она определяет значения p и T, при которых наблюдается переход между агрегатными состояниями.