Доклад агрегатное состояние вещества и фазы его перехода

Обновлено: 04.07.2024

Загадочный окружающий мир не перестает удивлять. Кубик льда, брошенный в стакан и оставленный при комнатной температуре, в считанные минуты превратится в жидкость, а если оставить эту жидкость на подоконнике на более продолжительное время, – и вовсе испарится. Это — самый простой способ наблюдать за переходами одного агрегатного состояния вещества в другое.

Агрегатное состояние — состояние какого-либо вещества, имеющее определенные свойства: способность сохранять форму и объем, иметь дальний или ближний порядок и другие. При изменении агрегатного состояния вещества происходит изменение физических свойств, а также плотности, энтропии и свободной энергии.

Как и почему происходят эти удивительные превращения? Чтобы разобраться в этом, вспомним, что все вокруг состоит из атомов и молекул. Атомы и молекулы различных веществ взаимодействуют друг с другом, и именно связь между ними определяет, какое у вещества агрегатное состояние .

Выделяют четыре типа агрегатных веществ:

Кажется, что химия открывает нам свои тайны в этих удивительных превращениях. Однако это не так. Переход из одного агрегатного состояния в другое, а также броуновское движение или диффузия относятся к физическим явлениям, поскольку в этих превращениях не происходит изменений молекул вещества и сохраняется их химический состав.

Газообразное состояние

На молекулярном уровне газ представляет собой хаотически движущиеся, сталкивающиеся со стенками сосуда и между собой молекулы, которые друг с другом практически не взаимодействуют. Поскольку молекулы газа между собой не связаны, то газ заполняет весь предоставленный ему объем, взаимодействуя и изменяя направление только при ударах друг о друга.

Это происходит потому, что в замкнутый ограниченный объем шины попадает большое количество молекул, которым становится тесно, и они начинают чаще ударяться друг о друга и о стенки шины, а в результате суммарное воздействие миллионов молекул на стенки воспринимается нами как давление.

Но если газ занимает весь предоставленный ему объем, почему тогда он не улетает в космос и не распространяется по всей вселенной, заполняя межзвездное пространство? Значит, что-то все-таки удерживает и ограничивает газы атмосферой планеты?

Тогда возникает следующий вопрос: почему молекулы газов не падают на землю, а продолжают летать? Оказывается, благодаря солнечной энергии молекулы воздуха имеют солидный запас кинетической энергии, который позволяет им двигаться против сил земного притяжения.

Жидкое состояние

При повышении давления и/или снижении температуры газы можно перевести в жидкое состояние. Еще на заре ХIХ века английскому физику и химику Майклу Фарадею удалось перевести в жидкое состояние хлор и углекислый газ, сжимая их при очень низких температурах. Однако некоторые из газов не поддались ученым в то время, и, как оказалось, дело было не в недостаточном давлении, а в неспособности снизить температуру до необходимого минимума.

Жидкость, в отличие от газа, занимает определенный объем, однако она также принимает форму заполняемого сосуда ниже уровня поверхности. Наглядно жидкость можно представить как круглые бусины или крупу в банке. Молекулы жидкости находятся в тесном взаимодействии друг с другом, однако свободно перемещаются относительно друг друга.

Если на поверхности останется капля воды, через какое-то время она исчезнет. Но мы же помним, что благодаря закону сохранения массы-энергии, ничто не пропадает и не исчезает бесследно. Жидкость испарится, т.е. изменит свое агрегатное состояние на газообразное.

Испарение — это процесс преобразования агрегатного состояния вещества, при котором молекулы, чья кинетическая энергия превышает потенциальную энергию межмолекулярного взаимодействия, поднимаются с поверхности жидкости или твердого тела.

Испарение с поверхности твердых тел называется сублимацией или возгонкой. Наиболее простым способом наблюдать возгонку является использование нафталина для борьбы с молью. Если вы ощущаете запах жидкости или твердого тела, значит происходит испарение. Ведь нос как раз и улавливает ароматные молекулы вещества.

Жидкости окружают человека повсеместно. Свойства жидкостей также знакомы всем — это вязкость, текучесть. Когда заходит разговор о форме жидкости, то многие говорят, что жидкость не имеет определенной формы. Но так происходит только на Земле. Благодаря силе земного притяжения капля воды деформируется.

Однако многие видели как космонавты в условиях невесомости ловят водяные шарики разного размера. В условиях отсутствия гравитации жидкость принимает форму шара. А обеспечивает жидкости шарообразную форму сила поверхностного натяжения. Мыльные пузыри – отличный способ познакомиться с силой поверхностного натяжения на Земле.

Еще одно свойство жидкости — вязкость. Вязкость зависит от давления, химического состава и температуры. Большинство жидкостей подчиняются закону вязкости Ньютона, открытому в ХIХ веке. Однако есть ряд жидкостей с высокой вязкостью, которые при определенных условиях начинают вести себя как твердые тела и не подчиняются закону вязкости Ньютона. Такие растворы называются неньютоновскими жидкостями. Самый простой пример неньютоновской жидкости — взвесь крахмала в воде. Если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело.

Наливаете стакан сока и добавляете туда лед, моете стакан водой, а потом можно еще паром обдать, чтобы стакан был совсем чистым. В этом процессе трижды используется вода, но в разных агрегатных состояниях. Давайте разбираться, в каких.

О чем эта статья:

Агрегатные состояния вещества

Чтобы разобраться с тем, какими бывают агрегатные состояния, предлагаю по ходу чтения статьи заполнять таблицу.

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

Лед, вода и водяной пар — это все три агрегатных состояния одного вещества. Лед — твердое состояние, вода — жидкая, пар — газообразное. Для каждого вещества существует три состояния.

Твердое состояние

Его очень легко представить — это любой предмет, который мы встречаем в жизни. В этом состоянии тело сохраняет форму и объем. Расстояние между молекулами, приблизительно равно размеру самих молекул, которые, в свою очередь, расположены очень структурированно.

Такая структура называется кристаллической решеткой — из-за четкой структуры молекулам сложно двигаться, и они просто колеблются около своих положений равновесия.

Заполняем нашу табличку

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около своего положения в кристаллической решетке

Жидкое состояние

В этом состоянии сохраняется объем, но не сохраняется форма. Например, если перелить молоко из кувшина в стакан, то молоко, имевшее форму кувшина, примет форму стакана. Кстати, в корове у молока тоже была другая форма.

Расстояние между молекулами в жидком состоянии чуть больше, чем в твердом, но все равно невелико. При этом частицы не собраны в кристаллическую решетку, а расположены хаотично. Молекулы почти не двигаются, но при нагревании жидкости делают это более охотно.

Вспомните, что происходит, если залить чайный пакетик холодной водой — он почти не заваривается. А вот если налить кипяточку — чай точно будет готов.

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около своего положения в кристаллической решетке

близко друг к другу

малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается

Газообразное состояние

В жизни мы встречаем газообразное состояние вещества, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (он занимает весь предоставленный ему объем), состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около своего положения в кристаллической решетке

близко друг к другу

малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается

занимают предоставленный объем

больше размеров молекул

хаотичное и непрерывное

На самом деле, есть еще четвертое — плазма. Звучит, как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором помимо нейтральных частиц есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.

С агрегатными состояниями разобрались, ура! Но до сих пор неясно, каким образом у каждого вещества их целых три, и как одно переходит в другое. Для этого узнаем, что такое фазовые переходы.

Фазовые переходы: изменение агрегатных состояний вещества

При изменении внешних условий (например, если внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается в результате нагревания или охлаждения) могут происходить фазовые переходы — изменения агрегатных состояний вещества.

Фазовые переходы интересны тем, что все живое не Земле существует лишь благодаря тому, что вода умеет превращаться в лед или пар. С кристаллизацией, плавлением, парообразованием и конденсацией связаны многие процессы металлургии и микроэлектроники.

На схеме — названия всех фазовых переходов:

Переход из твердого состояния в жидкое — плавление;

Переход из жидкого состояния в твердое — кристаллизация;

Переход из газообразного состояния в жидкое — конденсация;

Переход из жидкого состояния в газообразное — парообразование;

Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое — сублимация;

Переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое — десублимация.

График фазовых переходов

Если взять процесс превращения льда в воду, воды — в пар, и обратные действия, то мы получим очень информативный график.

Разбираемся по шагам.

Сначала взяли лед, конечно, при отрицательной температуре, потому что при нуле лед начинает плавиться. Нагрели лед до температуры плавления (до 0 градусов Цельсия).

После того, как лед нагрелся до температуры плавления, он начинает плавиться. В точке B это еще лед, а в точке C — уже вода. Плавление происходит при постоянной температуре и тем дольше длится, чем больше масса плавящегося вещества. Еще этот процесс зависит от свойств самого вещества, но об этом немного позже.

Расплавленное вещество уже в жидком состоянии снова начинает нагреваться, и температура увеличивается, пока не достигает температуры кипения. В данном случае нагревается вода — это значит, что ее температура кипения равна 100 градусам Цельсия.

DE — кипение (парообразование) воды

При 100 градусах вода кипит, пока не выкипит целиком. В данном случае процесс, как и плавление, происходит при постоянной температуре. Но парообразование нельзя путать с испарением, потому что парообразование происходит при конкретной температуре, а испарение — при любой .

Далее полученный пар нагревается, но путем нагревания невозможно дойти до другого фазового перехода — можно пойти только обратно.

Первый шаг в обратную сторону — охлаждение до температуры кипения.

Дойдя до температуры кипения (в данном случае 100 градусов), пар начинает переходить в жидкое состояние. Этот процесс также происходит при постоянной температуре.

Сконденсировавшись, вода охлаждается, пока не начнет замерзать.

Кристаллизуется (замерзает) вода при той же температуре, что и плавится лед — 0 градусов. Кристаллизация также происходит при постоянной температуре.

После кристаллизации лед охлаждается.

С нагреванием и охлаждением все совсем просто — мы либо передаем теплоту телу (веществу), и оно идет на увеличение температуры, либо тело отдает тепло и охлаждается.

В остальных процессах температура не меняется. Это связано с тем, что количество теплоты не всегда зависит от температуры. Формулы для всех процессов выглядят так:

Нагревание

Охлаждение

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг · ˚C]

m — масса [кг]

t_{конечная} — конечная температура [˚C]

t_{начальная} — начальная температура [˚C]

Плавление

Кристаллизация

Q — количество теплоты [Дж]

λ — удельная теплота плавления вещества [Дж/кг]

m — масса [кг]

Парообразование

Конденсация

Q — количество теплоты [Дж]

L — удельная теплота парообразования вещества [Дж/кг]

m — масса [кг]

Онлайн-уроки физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

Решение задач по фазовым переходам

С теорией разобрались — а теперь давайте практиковаться!

Задачка раз. Температура медного образца массой 100 г повысилась с 20 °С до 60 °С. Какое количество теплоты получил образец? Удельную теплоёмкость меди считать равной 380 Дж/(кг · °С)

Q = 380 · 0,1 · (60 − 20) = 1520 Дж

Ответ: образец получил 1520 Дж

Задачка два. Какое количество теплоты необходимо для плавления 2,5 т стали, взятой при температуре плавления? Удельная теплота плавления стали λ = 80 кДж/кг. Теплопотерями пренебречь.

80 кДж/кг = 80 000 Дж/кг

Q = 80 000 · 2500 = 200 000 000 Дж = 200 МДж

Ответ: для плавления 2,5 т стали необходимо 200 МДж теплоты.

Сублимация и десублимация

Мы уже рассказали про такие процессы, как сублимация и десублимация.

Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое — сублимация (возгонка);
Переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое — десублимация.

Примерчики из жизни🤓

Про белье. Попробуйте повесить белье сушиться на улицу в мороз. Поскольку вода замерзает из-за низких температур, белье должно вернуться домой в виде большого айсберга, но этого не происходит — оно возвращается абсолютно сухим. В данном процессе произошла возгонка молекул воды (сублимация).

Про принтеры. Цветные принтеры (только не лазерные) печатают путем сублимации. Вот как это работает: частицы краски быстро переходят из твердого состояния в газообразное и оседают на бумаге — так получается цветная картинка.

Рисуночки на окнах. Если вы решите проехаться на автобусе в холодную погоду — увидете на стеклах чудесные узоры. Из-за огромной разницы температур между улицей и автобусом, мы можем наблюдать процесс десублимации в виде красивых рисунков на стеклах. Иней образуется похожим способом — резкое похолодание приводит к десублимации воздуха.

Влажность воздуха: испарение и конденсация

Такие процессы, как испарение и конденсация, становятся более логичными и простыми, если их рассмотреть на примере влажности воздуха.

Влажность воздуха говорит нам о том, сколько в воздухе содержится водяного пара. Любое количество пара в воздух не запихнешь, поэтому, во-первых, его там очень мало, а во-вторых, при избыточном количестве водяного пара происходит конденсация — это когда образуется роса.

Допустим, зимой при температуре −20 градусов в 1 литре воздуха содержится 1 миллиграмм пара. Относительная влажность в таком случае равна 100% — испарения не будет, больше пара в этот воздух уже не запихнешь. Но если мы тот же воздух поместим в помещение с температурой +20 градусов, то в него может испариться уже до 17 миллиграмм пара. Значит, что его влажность будет равна 1/17 = 6%. Человеку комфортнее всего находиться при значении влажности 40–50%.

Как влажность влияет на человека

Для человека влажность очень важна, потому что мы состоим из воды на 90%. Если окружающей среде нечего испарять, она будет испарять нас. Поэтому при низкой влажности мы чувствуем сухость во рту, а при высокой — волосы впитывают влагу, разбухают и начинают виться. На этом принципе построены некоторые гигрометры — приборы для измерения влажности. Они так и называются — волосяные гигрометры. Только внутри не человеческий волос, а конский, но принцип от этого не меняется.

При высокой влажности холод и тепло воспринимаются более чувствительно. Это связано с потливостью человека при высокой температуре. Такой механизм помогает нам бороться с жарой, но при высокой влажности пот не может испариться. При испарении пота мы теряем избыточное тепло, а в данном случае этого не происходит.

При низкой влажности происходит нечто похожее. Как ни странно, в мороз мы тоже потеем (намного меньше, но все-таки это происходит). Если влажность на улице низкая, то пот испарится из-под куртки и нам будет комфортно, а при высокой влажности — он там задержится и будет проводить тепло наружу, забирая у нас драгоценные Джоули тепла. Поэтому зимой в Петербурге холоднее, чем в Москве.

Влажностью можно управлять. Существуют мешочки с шариками адсорбентами, которые кладут в коробки с обувью, чтобы впитать лишнюю влагу. Чтобы окна не запотевали, можно насыпать в рамы соль, которая также впитает влагу. А если вам наоборот нужно больше влаги — берем увлажнитель воздуха (классная вещь!): он добавляет в воздух водяной пар.

Почти все вещества в зависимости от температуры и давления могут находиться в трех агрегатных состояниях — газообразном, жидком и твердом.
Вещество может переходить из одного афегатного состояния в другое.
Эти смены состояния называют фазовыми переходами.

Для веществ в газообразном состоянии используют два названия: газ и пар
До XIX в. считалось, что одни вещества при достаточно сильном сжатии можно перевести из газообразного состояния в жидкое, а другие нельзя.
Первым дали название пар (когда они находятся в газообразном состоянии), а вторым — название газ или постоянный газ.

Однако в 1877 г. были сжижены постоянные газы кислород и азот, а в 1898 г. — водород.
Оказалось, что всякое вещество можно перевести из газообразного состояния в жидкое при условии, что его температура будет ниже некоторого значения; эту температуру назвали критической температурой.

Для различных веществ она различна
Например, для диоксида углерода С02 она равна 304 К (31 °С),
для кислорода 155 К (-118°С),
для азота 126 К (—147 °С),
для водорода 33 К (—240 °С),
для оксида водорода Н20 критическая температура 647 К (374 °С),
для ртути 1460 К (1187 °С).

Если температура вещества выше его критической температуры, то это вещество ни при каком давлении не переходит из газообразного состояния в жидкое, а тем более в твердое.
Если, например, температура оксида водорода окажется выше 374 °С, то никаким сжатием нельзя будет получить из него воду или лед.
Если ртуть нагреть выше 1187 °С, то она окажется в газообразном состоянии, из которого никаким сжатием не удастся перевести ее в жидкое состояние.

В настоящее время принято называть паром вещество в газообразном состоянии, находящееся при температуре ниже критической для данного вещества, и газом — при температуре выше критической.
Принципиальной разницы между паром и газом, таким образом, нет.

Критическая температура азота, кислорода, водорода ниже —100 °С, т. е. существенно ниже обычно используемых температур; поэтому азот, кислород, водород принято именовать газами.
Каждый из них может стать паром (а также жидкостью и даже твердым телом) при достаточно низких температурах. А вот у оксида водорода Н20 критическая температура равна 374 °С; она много больше обычных температур, поэтому принято говорить не о водяном газе, а о водяном паре.

Фазовый переход того или иного вещества из жидкого состояния в газообразное называют парообразованием или испарением (особым случаем парообразования является кипение), обратный переход называют конденсацией в жидкое состояние или проще — конденсацией.

Любой химический элемент или соединение в зависимости от внешних условий может принимать разные формы, которые называются агрегатным состоянием вещества. Поскольку при переходе из одного состояния в другое изменяются структурные связи между молекулами, атомами или ионами, то этот процесс изучается в физической химии.

Общие понятия
Твердые тела
Изменение жидкостей
Газообразное состояние
Сравнительная таблица
Область применения

Общие понятия

При нормальных внешних условия все вещества находятся в своем привычном состоянии: кислород — в газообразном, вода — в жидком, кристаллы — в твердом. Их изменение вызывает переход одного и того же вещества в разные состояния, которые называются агрегатными. Повышение или понижение температуры и/или давления окружающей среды влияет на характер взаимодействия между частицами, составляющими вещество (молекулами, атомами, ионами), и расстояние между ними.

Бывает три вида агрегатных состояний (АС):

твердое;
жидкое;
газообразное.

Переход вещества из одного АС в другое называется фазовым и сопровождается скачкообразным изменением его физических и химических свойств — плотности, растворимости, кинетической и потенциальной энергии частиц и др. Всего существует шесть процессов, вызывающих изменение агрегатного состояния вещества:

Плавление — преобразование твердого тела в жидкое (таяние льда).
Обратный процесс — кристаллизация или затвердение (морозные узоры на стекле).
Парообразование — переход вещества из жидкого АС в газообразное. Частные случаи — испарение происходит только с поверхности жидкости; кипение, при котором жидкость превращается в пар по всему объему.
Обратный процесс — конденсация.
Сублимация или возгонка — переход из твердого АС сразу в газообразное без жидкой стадии.
Десублимация — обратное преобразование.

Сублимированию в той или иной мере подвержены все твердые тела, но в основном количество частиц, покинувших тело, настолько мало, что процесс практически незаметен. Примеры явной сублимации — графит и сухой лед (оксид углерода). Даже сильное нагревание не приводит их в жидкое состояние, а постепенно превращает в газ. Запахи твердых тел тоже обусловлены возгонкой — отрываясь от поверхности, молекулы скапливаются в пары, обладающие ароматом (камфара, нафталин). Молекулы некоторых органических веществ, например, белков, настолько большие, что не позволяют им принять газообразную форму.

Твердые тела

При нормальных условиях находятся в стабильной форме и сохраняют свой объем. По внутреннему строению и свойствам разделяются на кристаллические и аморфные. Первые отличаются строго упорядоченным положением частиц, между которыми установлены сильные взаимосвязи — ковалентные полярные и неполярные, ионные, металлические. Тип взаимодействия определяет физические свойства твердого тела. Это, как правило, металлы и их оксиды, обладающие хорошей тепло- и электропроводностью, прочные и упругие.

Свойства аморфных тел близки к жидкостным, так как их молекулы передвигаются между хаотично расположенными условными центрами. К ним относятся разнообразные смолы, пластмассы, стекло и другие неметаллы. Нагревание кристаллических веществ приводит к нарушению упорядоченного расположения частиц, увеличению расстояний между ними и рекристаллизации. При определенной температуре, которая называется температурой плавления, перестройка молекул приводит к превращению твердого тела в жидкость. Количество теплоты, которое нужно, чтобы расплавить некоторую массу вещества, вычисляют по формуле: Q = km, где k — удельная теплота плавления этого вещества, m — его масса.

Молекулярная кинетическая энергия остается неизменной, поэтому дальнейшее нагревание вещества не приводит к повышению его температуры до тех пор, пока все оно не превратится в жидкость. Если продолжать нагрев, то с поверхности расплавленного металла начнется испарение — беспорядочный отрыв отдельных молекул, который является началом перехода в газообразное состояние. При кристаллизации, начинающейся при снижении температуры, остывающее тело само отдает тепло в атмосферу.

Опытным путем установлено, что температуры плавления и кристаллизации у каждого металла равны друг другу, а их точно известное значение отличает кристаллические тела от аморфных. В отличие от металлов, аморфные вещества не плавятся, а размягчаются. Например, стекло при нагревании сначала становится мягким, его легко согнуть или растянуть.

Дальнейшее повышение температуры приводит к тому, что оно под действием силы тяжести растекается по сосуду, который занимает. Эта масса, поначалу очень густая, постепенно приобретает консистенцию воды. Таким образом процесс перехода аморфного тела в жидкое происходит не при фиксированной температуре, как у кристаллических тел, а растягивается на все время нагревания.

Изменение жидкостей

Жидкости — это тела, занимающие весь объем, в котором находятся, образующие поверхность, но не способные удерживать упругую форму. Для них свойственно сильное межмолекулярное взаимодействие и низкая сжимаемость, что определяет их положение между газообразным и твердым АС. Жидкости изотропны, текучи и обладают удельным весом, сравнимым с тем же показателем у твердых тел.

Правильное расположение внутренних частиц распространяется на небольшие области — они не только колеблются вокруг узлов так называемой квазикристаллической решетки, но и могут перескакивать между ними. Получается сложная траектория — колебания вокруг центра, перемещающегося в пространстве. Этим объясняется текучесть тел в жидком АС. Если понизить температуру до границ кристаллизации, то различные тепловые свойства жидкостей приблизятся к показателям твердых тел.

Процесс парообразования

Некоторые молекулы жидкости могут преодолеть силы поверхностного натяжения и перейти в парообразную форму, чем объясняется явление испарения, происходящее при любой температуре. Когда она повышается, процесс становится интенсивней и распространяется на весь объем. Появляется все больше пузырьков насыщенного пара, прорывающихся из глубины на поверхность.

При температуре кипения, имеющей определенное значение для каждого жидкого тела, давление пара внутри пузырьков превышает атмосферное, и начинается интенсивный переход жидкости в газообразное АС. При пониженном атмосферном давлении температура кипения той же жидкости становится ниже.

Динамическое равновесие

Когда жидкость находится в открытой емкости, то ее количество обязательно уменьшится вследствие испарения. Но если сосуд закрыть, то этого не произойдет. Сначала начнется процесс испарения и продолжится до тех пор, пока число покинувших жидкость молекул не станет равно возвратившимся назад из паров.

Можно сказать, что замкнутая система придет в динамическое (подвижное) равновесие, так как процесс обмена молекул будет продолжаться и дальше, т. е. испарение и конденсация в замкнутой системе происходят одновременно и компенсируют друг друга. Пар, который находится в таком равновесии с соответствующей жидкостью, называется насыщенным. Изменение внутренней энергии вещества определяется по формуле: ΔU = ± mr, где m — масса тела, r — удельная теплота парообразования.

Динамическое равновесие у разных жидкостей наступает при разной плотности пара. Это зависит от силы межмолекулярного взаимодействия. Если они велики как, например, у ртути, то только незначительное число самых быстрых молекул может покидать поверхность жидкости, а равновесие наступает при малой плотности пара. У летучих жидкостей молекулы разлетаются очень быстро, поэтому нужна высокая плотность для наступления равновесия.

Газообразное состояние

При этом АС частицы химических элементов и их соединений связаны друг с другом слабо или не связаны вообще и заполняют весь предоставленный объем. Такое состояние вещества широко распространено в природе: воздушные массы атмосферы; скопления газов под землей; газообразная материя, растворенная в водах Мирового океана.

Все газы отличаются следующими свойствами:

равномерно заполняют весь предоставленный объем, при этом не создавая поверхность;
имеют малую плотность при высокой скорости диффузии;
сравнительно легко сжимаются.

Эти характеристики определяются большими расстояниями между молекулами и их притяжением друг к другу. Газообразное АС веществ можно рассматривать, как перегретый или ненасыщенный пар. При сверхвысоких температурах газ частично или полностью ионизируется, при этом сохраняя общую электрическую нейтральность, потому что плотности отрицательных и положительных зарядов находятся примерно на одном уровне.

Так образуется плазма, которую некоторые ученые рассматривают, как четвертый вид АС вещества. В ней взаимодействие происходит между ионами и свободными электронами с помощью электрических сил, действующих на большом расстоянии. Вещества, которые при нормальных условиях являются газами, самопроизвольно переходить в жидкое состояние не могут.

Увеличение давления и понижение температуры приводит к уменьшению расстояний между молекулами и увеличению силы взаимодействия до такой степени, что вещество из газообразного состояния переходит в жидкое, т. е. изменяет свое АС. Этот процесс называется сжижением и характеризуется критической температурой. Она определяется в точке, после которой превращение газа в жидкость невозможно ни при каком давлении.

Для каждого газообразного вещества значение этой температуры свое. Оно бывает примерно равно комнатной, как у аммиака, хлора и углекислого газа, тогда для сжижения достаточно воздействовать на газ только давлением. У водорода и гелия, например, критическая температура намного ниже комнатной. Перед сжижением их сначала охлаждают до температуры чуть ниже критической, а затем доводят до жидкого АС повышенным давлением.

Сравнительная таблица

Различие между твердыми материалами, жидкостями и газами объясняется внутренними процессами, зависящими от агрегатного состояния вещества. В таблице приведены характерные для каждого класса особенности.

Состояние вещества	Расположение и характер движения частиц	Энергия взаимодействия	Физические свойства
Твердое	Расстояния между частицами, колеблющимися около положения равновесия, сопоставимы с их размерами.	Потенциальная энергия превышает кинетическую. Взаимодействие между частицами сильное.	Сохраняют собственную форму и объем. Имеют точную температуру кристаллизации и плавления. Обладают твердостью, прочностью и упругостью.
Жидкое	Частицы расположены вплотную и сохраняют близкий порядок упорядоченности. Могут перескакивать из одного положения равновесия в другой.	Модуль кинетической энергии почти равен потенциальной.	Сохраняют объем, но не форму. Закипают при определенной температуре. Текучи, почти не поддаются сжатию.
Газообразное	Частицы расположены хаотично на расстояниях, сильно превышающих их собственные размеры. Хаотичное движение частиц с довольно большими скоростями приводит к постоянным столкновениям между ними.	Кинетическая энергия по модулю намного превышает потенциальную. Легко заполняют весь предоставленный объем и сжимаются.	Принимают форму тех предметов, в которых находятся.

Можно отметить, что переход вещества из одного АС в другое зависит от соотношения потенциальной и кинетической энергии его частиц.

Область применения

Способность металлов плавиться и поддаваться обработке в жидком состоянии широко применяется в черной и цветной металлургии. В технологиях получения соли и других химических соединений используется процесс выпаривания, при котором нужное вещество получается после испарения жидкости. В разных областях промышленности и техники распространено применение жидких газов.

Инертные газы используются в осветительных приборах, жидкий кислород — в медицине в качестве средства анестезии, при сварке металлов в смеси с ацетиленом.

Жидкий водород — это ракетное топливо, а оксид серы уничтожает плесень. В рефрижераторах и промышленных холодильниках применяют жидкий аммиак, кроме того, сжиженные газы удобней транспортировать.

Читайте также: