Испарение сублимация плавление и кристаллизация аморфные тела кратко

Обновлено: 05.07.2024

Аморфные вещества не имеют определённой точки плавления: при повышении температуры стабильно-аморфные вещества постепенно размягчаются и выше температуры стеклования ( T g > ) переходят в жидкое состояние. Вещества, обычно имеющие (поли-)кристаллическую структуру, но сильно переохлаждённые при затвердевании, могут затвердевать в аморфном состоянии, которое при последующем нагреве или с течением времени переходит в кристаллическое (в твёрдом состоянии с небольшим выделением тепла).

Аморфное состояние многих веществ получается при высокой скорости затвердевания (остывания) жидкого расплава, или при конденсации паров на охлаждённую заметно ниже температуры плавления поверхность-подложку. Соотношение реальной скорости охлаждения ( d T / d t ) и характеристической скорости кристаллизации определяет долю поликристаллов в аморфном объёме. Скорость кристаллизации — параметр вещества, слабо зависящий от давления и от температуры около точки плавления и сильно зависящий от сложности состава.

У металлов и сплавов аморфное состояние формируется, как правило, если расплав охлаждается за время порядка сотни и тысячи лет [ источник не указан 583 дня ] ; для стёкол достаточно намного меньшей скорости охлаждения — долей-десятков миллисекунд [ источник не указан 583 дня ] .

Из обычных полимеров (пластмасс) только полиэтилен имеет заметную скорость кристаллизации при комнатной температуре — порядка двух лет для мягкого (ПВД) и нескольких лет (даже с добавками-замедлителями кристаллизации) для твёрдого (ПНД) — уже примерно наполовину кристаллизованного вида. Это одна из причин охрупчивания со временем изделий из полиэтилена, особенно при повышенной температуре.

К стабильно-аморфным веществам принадлежат стёкла (искусственные и вулканические), естественные и синтетические смолы, клеи, парафин, воск и др. Аморфные вещества могут находиться либо в стеклообразном состоянии (при низких температурах), либо в состоянии расплава (при высоких температурах). Аморфные вещества переходят в стеклообразное состояние при температурах заметно ниже температуры стеклования T g > . При температурах намного выше T g > аморфные вещества ведут себя как расплавы, то есть находятся в расплавленном состоянии. Вязкость аморфных материалов — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Плавление и кристаллизация. Понятие о фазе вещества. Сублимация и десублимация.

Кристаллизация – это переход вещества в кристаллическое состояние из жидкого, или газообразного, или аморфного состояния.

Кристаллизация является фазовым переходом, происходит с выделением тепла, но при постоянной температуре. Примеры кристаллизации: замерзание воды (переход из жидкой фазы в кристаллическую), образование инея (переход из газообразной фазы в кристаллическую).

Плавление кристаллического вещества – это переход из кристаллической фазы в жидкую.

Процесс плавления кристаллического вещества происходит с поглощением тепла, но температура остается постоянной, пока плавление не завершится. Пример плавления кристаллического вещества – таяние льда. Смесь снега и льда сохраняет температуру 0° С, пока весь лед не растает.

Фазовые переходы на диаграмме температуры и давления

Кристаллизация и затвердевание: в чем разница?

Твердые вещества могут не быть кристаллическими. Например, стекло и стеклоподобные аморфные вещества постепенно затвердевают при остывании; у них нет явно выраженной точки фазового перехода. Плавление стекла тоже происходит в некотором диапазоне температур, зависящем от химического состава и наличия примесей.
Отличие кристаллизации от затвердевания – в наличии фазового перехода, во время которого сохраняется постоянная температура:

если тепло не подводить, то жидкая и твердая фазы будут оставаться в равновесии;

если тепло поступает, то кристаллы будут плавиться, при сохранении температуры фазового перехода;

если тепло отводить, то происходит рост кристаллов, температура фазового перехода сохраняется, пока вся жидкая фаза не перейдет в кристаллическую.

Например, смесь воды со льдом в жаркий день сохраняет нулевую температуру, пока весь лед не растает. Поступающее тепло увеличивает внутреннюю энергию за счет приобретения молекулами дополнительных степеней свободы, но температура сохраняется прежняя до того, как лед полностью растает.

Фазовый переход в твердом веществе между двумя кристаллическими состояниями

Иначе ведет себя углерод. У него несколько фазовых переходов. Из жидкой формы, при отводе тепла, он переходит в кристаллическую фазу – графит; при высоком давлении более 120 000 атм. жидкий углерод кристаллизуется в алмаз.
Кроме того, есть фазовый переход между двумя твердыми кристаллическими фазами: графитом и алмазом.

На рисунке красной линией показана диаграмма фазового перехода между алмазом и графитом. Температура фазового перехода зависит от давления, процессы, происходящие в твердом теле, аналогичны кристаллизации воды: если тепло подводить, то алмаз переходит в графит; если тепло отводить при соответствующем высоком давлении, то происходит переход, кристаллизация графита в алмаз.
Можно видеть, что переходы между алмазом и графитом совершаются при высоких температурах и давлениях, а при нормальном давлении и температуре алмаза вроде бы и не должно быть. Действительно, при низком давлении графит нельзя превратить в алмаз. Но если алмаз образовался под воздействием высокого давления, при охлаждении и уменьшении давления он сохраняет свою структуру: это метастабильное состояние. Действительно, из всех кристаллов алмаз самый нестойкий: при нагревании до 1400°С он превращается в графит – устойчивую при нормальном давлении фазу.

Кристаллизация жидких кристаллов

Есть вещества, имеющие несколько кристаллических фаз в твердом состоянии; но есть целый класс веществ, имеющих несколько фазовых переходов в жидком состоянии: это вещества, раствор или расплав которых образует жидкие кристаллы.
Жидкие кристаллы имеют для нас важнейшее значение. Живые ткани построены из органических молекул, частично упорядоченных; то есть все живые существа состоят из жидких кристаллов.
Жидкие кристаллы – это частично упорядоченные двумерные или одномерные структуры. Они стабильны в узком диапазоне температур, являются промежуточным состоянием между кристаллической и жидкой фазами. Переход от трехмерной кристаллической решетки к двумерной или одномерной структуре происходит при температуре фазового перехода; после того, как весь образец перейдет в жидкокристаллическое состояние, температура начинает повышаться, и повышается до значения, соответствующего следующему фазовому переходу. В конце концов частично упорядоченная структура переходит в жидкую фазу, при температуре соответствующего фазового перехода.

Сублимация и десублимация.

Процесс перехода твёрдых тел в газообразное состояние, минуя жидкую стадию, называют сублимацией, или возгонкой.

Испарение происходит и в твёрдых телах. Мы видим, как постепенно высыхает на морозе замёрзшее, покрытое льдом бельё. Мы ощущаем запах, образующийся при испарении твёрдого вещества мыла. То есть твердое тело превращается в пар.

ТВ. ТЕЛО ПАР

Десублимация

Иногда вещество может перейти из газообразного состояния сразу в твёрдое, минуя жидкую стадию. Такой процесс называется десублимацией.

Десублимация - это переход из газообразного состояния сразу в твердое.

Ледяные узоры, которые появляются на стёклах в мороз, и есть пример десублимации. При заморозках почва покрывается инеем - тонкими кристалликами льда, в которые превратились водяные пары из воздуха.

Как в жидкостях, так и в твердых телах всегда имеется некоторое число молекул, энергия которых достаточна для преодоления притяжения к другим молекулам и которые способны оторваться от поверхности жидкости или твердого тела и перейти в окружающее их пространство. Этот процесс для жидкости называется испарением (или парообразованием), для твердых тел — сублимацией (или возгонкой).

Испарение жидкостей идет при любой температуре, но его интенсивность с повышением температуры возрастает. Наряду с процессом испарения происходит компенсирующий его процесс конденсация пара в жидкость. Если число молекул, покидающих жидкость за единицу времени через единицу поверхности, равно числу молекул, переходящих из пара в жидкость, то наступает динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называется насыщением (см. также § 62).

Для большинства твердых тел процесс сублимации при обычных температурах незначителен и давление пара над поверхностью твердого тела мало; оно повышается с повышением температуры. Интенсивно сублимируют такие вещества, как нафталин, камфора, что обнаруживается по резкому, свойственному им запаху. Особенно интенсивно сублимация происходит в вакууме — этим пользуются для изготовления зеркал. Известный пример сублимации — превращение льда в пар — мокрое белье высыхает на морозе.

Нагревание твердого тела до T_m еще не переводит его в жидкое состояние, поскольку энергия частиц вещества должна быть достаточной для разрушения кристаллической решетки. В процессе плавления теплота, сообщаемая веществу, идет на совершение работы по разрушению кристаллической решетки, а поэтому Т_пл = const до расплавления всего кристалла. Затем подводимая теплота пойдет опять-таки на увеличение энергии частиц жидкости и ее температура начнет повышаться. Количество теплоты, необходимое для расплавления 1 кг вещества, называется удельной теплотой плавления.

Если жидкость охлаждать, то процесс протекает в обратном направлении (рис. 114, б; Q' — количество теплоты, отдаваемое телом при кристаллизации): сначала температура жидкости понижается, затем при постоянной температуре, равной Т_т, начинается кристаллизация, после ее завершения температура кристалла начнет понижаться. Для кристаллизации вещества необходимо наличие так называемых центров кристаллизации — кристаллических зародышей, которыми могут быть не только кристаллики образующегося вещества, но и примеси, а также пыль, сажа и т. д. Отсутствие центров кристаллизации в чистой жидкости затрудняет образование микроскопических кристалликов, и вещество, оставаясь в жидком состоянии, охлаждается до температуры, меньшей температуры кристаллизации, при этом образуется переохлажденная жид кость (на рис. 114, б ей соответствует штриховая кривая). При сильном переохлаждении начинается спонтанное образование центров кристаллизации в вещество кристаллизуется довольно быстро.

Обычно переохлаждение расплава происходит от долей до десятков градусов, но дня ряда веществ может достигать сотен градусов. Из-за большой вязкости сильно переохлажденные жидкости теряют текучесть, сохраняя, как и твердые тела, свою форму. Эти тела получили название аморфных твердых тел; к ним относятся смолы, воск, сургуч, стекло. Аморфные тела, являясь, таким образом, переохлажденными жидкостями, изотропны, т. е. их свойства во всех направлениях одинаковы; для них, как и для жидкостей, характерен ближний порядок в расположении частиц; в них в отличие от жидкостей подвижность частиц довольно мала. Особенностью аморфных тел является отсутствие у них определенной точки плавления, т. е. невозможно указать определенную температуру, выше которой можно было бы констатировать жидкое состояние, а ниже — твердое. Из опыта известно, что в аморфных телах со временем может наблюдаться процесс кристаллизации, например в стекле появляются кристаллики; оно, теряя прозрачность, начинает мутнеть и превращаться в поликристаллическое тело.

В последнее время широкое распространение в народном хозяйстве получили полимеры — органические аморфные тела, молекулы которых состоят из большого числа одинаковых длинных молекулярных цепочек, соединенных химическими (валентными) связями. К полимерам относятся как естественные (крахмал, белок, каучук, клетчатка и др.), так и искусственные (пластмасса, резина, полистирол, лавсан, капрон и др.) органические вещества. Полимерам присущи прочность и эластичность; некоторые полимеры выдерживают растяжение, в 5—10 раз превышающее их первоначальную длину. Это объясняется тем, что длинные молекулярные цепочки могут при деформации либо сворачиваться в плотные клубки, либо вытягиваться в прямые линии. Эластичность полимеров проявляется только в определенном интервале температур, ниже которого они становятся твердыми и хрупкими, а выше — пластичными. Хотя синтетических полимерных материалов создано очень много (искусственные волокна, замените ли кожи, строительные материалы, заменители металлов и др.), но теория полимеров до настоящего времени полностью не разработана. Ее развитие определяется запросами современной техники, требующей синтеза полимеров с заранее заданными свойствами.

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.

Читайте также: