Агрегатні стани речовини Майнд карта. Загальна характеристика агрегатного стану речовини

Цілі уроку:

• поглибити та узагальнити знання про агрегатні стани речовини, вивчити в яких станах можуть бути речовини.

Завдання уроку:

Навчальні – сформулювати уявлення про властивості твердих тіл, газів, рідин.

Розвиваючі – розвиток учнів навичок мови, аналізу, висновки з пройденого та вивченого матеріалу.

Виховні – прищеплення розумової праці, створення всіх умов, підвищення інтересу до вивченого предмета.

Основні терміни:

Агрегатний стан- це стан речовини, що характеризується певними якісними властивостями: - здатність чи нездатність зберігати форму та обсяг; - наявність або відсутність ближнього та далекого порядку; - Іншими.

Рис.6. Агрегатний стан речовини за зміни температури.

Коли речовина з твердого стану перетворюється на рідке, це називається плавленням, зворотний процес – кристалізацією. При переході речовини з рідини в газ цей процес називається пароутворенням, в рідину з газу - конденсацією. А перехід одразу в газ із твердого тіла, минаючи рідке – сублімацією, зворотний процес – десублімацією.

1.Кристалізація; 2. Плавлення; 3. Конденсація; 4. Пароутворення;

5. Сублімація; 6. Десублімація.

Ці приклади переходів ми постійно спостерігаємо у повсякденному житті. Коли лід плавиться, він перетворюється на воду, а вода своєю чергою випаровується, і утворюється пара. Якщо розглядати у зворотний бік, пара, конденсуючись, починає переходити знову у воду, а вода у свою чергу, замерзаючи, стає льодом. Запах будь-якого твердого тіла – це сублімація. Частина молекул виривається із тіла, у своїй утворюється газ, що й дає запах. Приклад зворотного процесу – це взимку візерунки на склі, коли пара в повітрі при замерзанні осідає на склі.

На відео показано зміну агрегатних станів речовини.

Контролюючий блок.

1.Після замерзання, вода перетворилася на лід. Чи змінилися, чи при цьому молекули води?

2.У приміщенні користуються медичним ефіром. І через це зазвичай їм там сильно пахне. У якому стані перебуває ефір?

3. Що відбувається з формою рідини?

4.Льод. Це який стан води?

5. Що відбувається, коли замерзає вода?

Домашнє завдання.

Відповісти на запитання:

1. Чи можна на половину об'єму посудини заповнити її газом? Чому?

2. Чи можуть бути при кімнатній температурі в рідкому стані: азот та кисень?

3. Чи можуть бути при кімнатній температурі в газоподібному стані: залізо та ртуть?

4.У морозний зимовий день над річкою утворився туман. Який це стан речовини?

Ми вважаємо, що у речовини існує три агрегатні стани. Насправді їх як мінімум п'ятнадцять, при цьому список цих станів продовжує зростати з кожним днем. Це: аморфна тверда, тверда, нейтроніум, кварк-глюонна плазма, сильно симетрична речовина, слабко симетрична речовина, ферміонний конденсат, конденсат Бозе-Ейнштейна та дивна речовина.

ВИЗНАЧЕННЯ

Речовина- це сукупність великої кількості частинок (атомів, молекул чи іонів).

Речовини мають складну будову. Частинки у речовині взаємодіють між собою. Характер взаємодії частинок у речовині визначає його агрегатний стан.

Види агрегатних станів

Виділяють такі агрегатні стани: твердий, рідкий, газ, плазма.

У твердому стані частинки, як правило, об'єднані у правильну геометричну структуру. Енергія зв'язків частинок більша, ніж енергія їх теплових коливань.

Якщо температуру тіла збільшувати, то збільшується енергія теплових коливань частинок. За деякої температури енергія теплових коливань стає більшою, ніж енергія зв'язків. За такої температури зв'язку між частинками руйнуються і утворюються знову. При цьому частинки здійснюють різні види рухів (коливання, обертання, переміщення один щодо одного тощо). При цьому вони ще контактують між собою. Правильна геометрична структура порушена. Речовина знаходиться у рідкому стані.

При подальшому зростанні температури теплові коливання посилюються, зв'язки між частинками стають ще слабкішими і практично відсутні. Речовина перебуває у газоподібному стані. Найпростішою моделлю речовини є ідеальний газ, у якому вважається, що частинки рухаються у будь-яких напрямках вільно, взаємодіють між собою лише в момент зіткнень, при цьому виконуються закони пружного удару.

Можна зробити висновок про те, що зі зростанням температури речовина переходить від упорядкованої структури до неупорядкованого стану.

Плазма - це газоподібна речовина, що складається із суміші нейтральних частинок іонів та електронів.

Температура та тиск у різних агрегатних станах речовини

Різні агрегатні стани речовини визначають: температура та тиск. Низький тиск та висока температура відповідають газам. При низьких температурах зазвичай речовина знаходиться в твердому стані. Проміжні температури відносять до речовин у рідкому стані. Для характеристики агрегатних станів речовини часто застосовується фазова діаграма. Це діаграма, що відображає залежність агрегатного стану від тиску та температури.

Основною особливістю газів є їх здатність до розширення та стисливість. Гази не мають форму, приймають форму судини, в яку поміщені. Об'єм газу визначає обсяг судини. Гази можуть змішуватися між собою у будь-яких пропорціях.

Рідина немає форми, але мають об'єм. Стискаються рідини погано, лише за високого тиску.

Тверді речовини мають форму та об'єм. У твердому стані можуть бути з'єднання з металевими, іонними і ковалентними зв'язками.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 2

Будь-яка речовина складається з молекул, яке фізичні властивості залежать від того, яким чином упорядковані молекули і як вони взаємодіють між собою. У звичайному житті ми спостерігаємо три агрегатні стани речовини - твердий, рідкий і газоподібний.

Наприклад, вода може перебувати в твердому (лід), рідкому (вода) та газоподібному (пар) станах.

Газрозширюється, доки заповнить весь відведений йому обсяг. Якщо розглянути газ на молекулярному рівні, ми побачимо молекули, що безладно мечаються і зіштовхуються між собою і зі стінками судини, які, проте, практично не вступають у взаємодію один з одним. Якщо збільшити чи зменшити об'єм судини, молекули поступово перерозподіляться у новому обсязі.

На відміну від газу при заданій температурі займає фіксований об'єм, проте і вона набуває форми судини, що заповнюється - але тільки нижче рівня її поверхні. На молекулярному рівні рідину найпростіше уявити у вигляді молекул-кульок, які хоч і перебувають у тісному контакті один з одним, проте мають свободу перекочуватися один щодо одного, подібно до круглих намистин у банку. Налийте рідину в посудину - і молекули швидко розтечуться і заповнять нижню частину обсягу судини, в результаті рідина набуде її форми, але не пошириться в повному обсязі судини.

Тверде тіломає власну форму, не розтікається за обсягом контейнераі не набуває його форми. На мікроскопічному рівні атоми прикріплюються один до одного хімічними зв'язками, та їхнє положення одне щодо одного фіксоване. При цьому вони можуть утворювати як жорсткі впорядковані структури - кристалічні грати, - так і безладне нагромадження - аморфні тіла (саме така структура полімерів, які схожі на переплутані макарони в мисці, що злиплися).

Вище було описано три класичні агрегатні стани речовини. Є, однак, і четвертий стан, які фізики схильні відносити до агрегатних. Це стан плазми. Плазма характеризується частковим чи повним зривом електронів зі своїми атомних орбіт, у своїй самі вільні електрони залишаються всередині речовини.

Зміна агрегатних станів речовини ми можемо спостерігати на власні очі у природі. Вода з поверхні водойм випаровується, і утворюються хмари. Так рідина перетворюється на газ. Взимку вода у водоймах замерзає, переходячи у твердий стан, а навесні знову тане, переходячи назад у рідину. Що відбувається з молекулами речовини під час переходу його з одного стану в інший? Чи змінюються вони? Чи відрізняються, наприклад, молекули льоду від молекул пари? Відповідь однозначна: ні. Молекули залишаються абсолютно тими самими. Змінюється їхня кінетична енергія, а відповідно і властивості речовини.

Енергія молекул пар досить велика, щоб розлітатися в різні сторони, а при охолодженні пар конденсується в рідину, і енергії у молекул все ще достатньо для майже вільного переміщення, але вже недостатньо, щоб відірватися від тяжіння інших молекул і полетіти. При подальшому охолодженні вода замерзає, стаючи твердим тілом, і енергії молекул недостатньо навіть для вільного переміщення всередині тіла. Вони коливаються близько місця, утримувані силами тяжіння інших молекул.

Усім, я думаю, відомо 3 основні агрегатні стани речовини: рідкий, твердий і газоподібний. Ми стикаємося з цими станами речовини щодня та всюди. Найчастіше їх розглядають на прикладі води. Рідкий стан води є найбільш звичним для нас. Ми постійно п'ємо рідку воду, вона тече у нас із крана, та й самі ми на 70% складаємось із рідкої води. Другий агрегатний стан води - це звичайний лід, який взимку ми бачимо на вулиці. У газоподібному вигляді воду також легко зустріти у повсякденному житті. У газоподібному стані вода – це, всім нам відомий, пара. Його можна побачити, коли ми, наприклад, кип'ятимо чайник. Так, саме за 100 градусів вода переходить з рідкого стану в газоподібний.

Це три звичні для нас агрегатні стани речовини. Але ви знаєте, що їх насправді 4? Я думаю, хоч раз кожен чув слово « плазма». А сьогодні я хочу, щоб ви ще й дізналися більше про плазму — четвертий агрегатний стан речовини.

Плазма - це частково або повністю іонізований газ з однаковою щільністю як позитивних, так і негативних зарядів. Плазму можна отримати з газу - з 3 агрегатного стану речовини шляхом сильного нагрівання. Агрегатний стан взагалі, по суті, залежить від температури. Перший агрегатний стан - це найнижча температура, при якій тіло зберігає твердість, другий агрегатний стан - це температура, при якій тіло починає плавитися і ставати рідким, третій агрегатний стан - це найбільш висока температура, при ній речовина стає газом. У кожного тіла, речовини температура переходу від одного агрегатного стан до іншого зовсім різна, у когось нижче, у когось вище, але у всіх строго в такій послідовності. А за якої ж температури речовина стає плазмою? Якщо цей четвертий стан, значить, температура переходу до нього вища, ніж у кожного попереднього. І це справді так. Для того, щоб іонізувати газ, потрібна дуже висока температура. Найнижча і низькоіонізована (близько 1%) плазма характеризується температурою до 100 тисяч градусів. У земних умовах таку плазму можна спостерігати як блискавок. Температура каналу блискавки може перевищувати 30 тисяч градусів, що у 6 разів більше, ніж температура поверхні Сонця. До речі, Сонце і решта зірок — це теж плазма, частіше все-таки високотемпературна. Наука доводить, що близько 99% усієї речовини Всесвіту - це плазма.

На відміну від низькотемпературної, високотемпературна плазма має практично 100% іонізацію та температуру до 100 мільйонів градусів. Це справді зоряна температура. На Землі така плазма зустрічається тільки в одному випадку - для дослідів тер-мо-ядерного синтезу. Кон-тро-лі-ру-е-мая реак-ція досить складна і енер-го-за-тратна, а ось некон-тро-лі-ру-е-мая доста-точно заре-ко-мен-до -вала себе як зброя-жі колос-саль-ної потужності-тер-мо-ядер-на бомба, випробувана-на СРСР 12 серпня-ста 1953 року.

Плазму класифікують не лише за температурою та ступенем іонізації, а й за щільністю, і за квазінейтральністю. Словосполучення щільність плазмизазвичай позначає щільність електронів, Тобто кількість вільних електронів в одиниці об'єму. Ну, з цим, гадаю, все зрозуміло. А ось що таке квазінейтральність знають далеко не всі. Квазінейтральність плазми - це одна з найважливіших її властивостей, що полягає в практично точній рівності щільностей позитивних іонів і електронів, що входять до її складу. Через хорошу електричну провідність плазми поділ позитивних і негативних зарядів неможливий на відстанях великих дебаївської довжини і часах великих періоду плазмових коливань. Майже вся плазма квазінейтральна. Прикладом неквазінейтральної плазми пучок електронів. Однак щільність ненейтральних плазм повинна бути дуже мала, інакше вони швидко розпадуться за рахунок кулонівського відштовхування.

Ми мало розглянули земних прикладів плазми. Адже їх досить багато. Людина навчилася застосовувати плазму собі на благо. Бла-го-даря чет-вер-тому агре-гат-ному стану реч-ства ми можемо користуватися газо-роз-ряд-ними лам-пами, пла-мен-ними теле-ви- зо-рами, дуго-вий елек-тро-зваркою, лазерами. Звичайні газо-розрядні лампи денного світла - це теж плазма. Існує в нашому світі також плазмова лампа. Її переважно використовують у науці, щоб вивчити, а головне — побачити деякі з найскладніших плазмових явищ, включаючи філаментацію. Фотографію такої лампи можна побачити на малюнку нижче:

Крім побутових плазмових приладів, Землі так само часто можна бачити природну плазму. Про один із її прикладів ми вже говорили. Це блискавка. Але крім блискавок плазмовими явищами можна назвати північне сяйво, "вогні святого Ельма", іоносферу Землі і, звичайно, вогонь.

Зверніть увагу, і вогонь, і блискавка, і інші прояви плазми, як ми це називаємо, горять. Чим зумовлене таке яскраве випромінювання світла плазмою? Світіння плазми обумовлено переходом електронів із високоенергетичного стану в стан з низькою енергією післярекомбінації з іонами. Цей процес призводить до випромінювання зі спектром, що відповідає збуджуваного газу. Саме тому плазма світиться.

Хотілося б трохи розповісти про історію плазми. Адже колись плазмою називалися лише такі речовини, як рідка складова молока та безбарвна складова крові. Все змінилося 1879 року. Саме того року знаменитий англійський вчений Вільям Крукс, досліджуючи електричну провідність у газах, відкрив явище плазми. Щоправда, назвали цей стан речовини плазмою лише 1928. І це зробив Ірвінг Ленгмюр.

На закінчення хочу сказати, що таке цікаве та загадкове явище, як кульова блискавка, про яку я не раз писала на цьому сайті, це, звичайно ж, теж плазмойд, як і звичайна блискавка. Це, мабуть, найнезвичайніший плазмойд із усіх земних плазмових явищ. Адже існує близько 400 різних теорій на рахунок кульової блискавки, але не одна з них не була визнана воістину правильною. У лабораторних умовах схожі, але короткочасні явища вдалося отримати кількома різними способами, отже питання природі кульової блискавки залишається відкритим.

Звичайну плазму, звісно, ​​теж створювали у лабораторіях. Колись це було складним, але зараз подібний експеримент не складає особливих труднощів. Якщо плазма міцно увійшла до нашого побутового арсеналу, то і в лабораторіях над нею чимало експериментують.

Найцікавішим відкриттям у галузі плазми стали експерименти з плазмою у невагомості. Виявляється, у вакуумі плазма кристалізується. Це відбувається так: заряджені частинки плазми починають відштовхуватися один від одного, і, коли у них є обмежений об'єм, вони займають той простір, який їм відведено, розбігаючись у різні боки. Це дуже схоже на кристалічні ґрати. Чи не означає це, що плазма є замикаючою ланкою між першим агрегатним станом речовини та третім? Адже вона стає плазмою завдяки іонізації газу, а у вакуумі плазма знову стає як би твердою. Але це лише моє припущення.

Кристаліки плазми в космосі мають також досить дивну структуру. Цю структуру можна спостерігати і вивчати лише у космосі, у справжньому космічному вакуумі. Навіть якщо створити вакуум на Землі і помістити туди плазму, то гравітація просто стискатиме всю «картину», що утворюється всередині. У космосі кристали плазми просто злітають, утворюючи об'ємну тривимірну структуру дивної форми. Після відправлення результатів спостереження за плазмою на орбіті земним ученим, з'ясувалося, що завихрення у плазмі дивним чином повторюють структуру нашої галактики. А це означає, що у майбутньому можна буде зрозуміти, як зародилася наша галактика шляхом вивчення плазми. Нижче на фотографіях показана та сама кристалізована плазма.

Це все, що мені хотілося б сказати на тему плазми. Сподіваюся, вона вас зацікавила та здивувала. Адже це воістину дивовижне явище, а точніше стан - 4 агрегатний стан речовини.

Агрегатний стан- це стан речовини у певному інтервалі температур і тисків, що характеризується властивостями: здатністю (тверде тіло) або нездатністю (рідина, газ) зберігати обсяг та форму; наявністю чи відсутністю далекого (тверде тіло) або ближнього (рідина) порядку та іншими властивостями.

Речовина може бути в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому або газоподібному, в даний час виділяють додатково плазмовий (іонний) стан.

У газоподібномуВідстань між атомами і молекулами речовини велика, сили взаємодії малі і частинки, хаотично переміщаючись в просторі, мають велику кінетичну енергію, що перевищує потенційну енергію. Матеріал у газоподібному стані не має ні своєї форми, ні обсягу. Газ заповнює весь доступний простір. Цей стан властивий для речовин із малою щільністю.

У рідкомустан зберігається лише ближній порядок атомів або молекул , коли в обсязі речовини періодично виникають окремі ділянки з упорядкованим розташуванням атомів, проте взаємна орієнтація цих ділянок також відсутня. p align="justify"> Близький порядок нестійкий і під дією теплових коливань атомів може або зникати, або виникати знову. Молекули рідини немає певного становища, й те водночас їм недоступна повна свобода переміщення. Матеріал у рідкому стані своєї форми не має, зберігає лише обсяг. Рідина може займати лише частину об'єму судини, але вільно перетікати по всій поверхні судини. Рідкий стан зазвичай вважають проміжним між твердим тілом та газом.

У твердомуВ речовині порядок розташування атомів стає строго визначеним, закономірно впорядкованим, сили взаємодії частинок взаємно врівноважені, тому тіла зберігають свою форму і об'єм. Закономірно упорядковане розташування атомів у просторі характеризує кристалічний стан, атоми утворюють кристалічну решітку.

Тверді тіла мають аморфну ​​чи кристалічну будову. Для аморфнихтіл характерний лише ближній порядок розташування атомів чи молекул, хаотичне розташування атомів, молекул чи іонів у просторі. Прикладами аморфних тіл є скло, пек, вар, що зовні перебувають у твердому стані, хоча насправді вони повільно течуть, подібно до рідини. Певної температури плавлення у аморфних тіл, на відміну кристалічних, немає. Аморфні тіла займають проміжне положення між кристалічними твердими тілами та рідинами.

Більшість твердих тіл має кристалічнийбудова, яка відрізняється упорядкованим розташуванням атомів чи молекул у просторі. Для кристалічної структури властивий далекий порядок, коли елементи структури періодично повторюються; при ближньому порядку таке правильне повторення відсутнє. Характерною рисою кристалічного тіла є здатність зберігати форму. Ознакою ідеального кристала, моделлю якого є просторові грати, є властивість симетрії. Під симетрією розуміється теоретична здатність кристалічних ґрат твердого тіла поєднуватися самій із собою при дзеркальному відображенні її точок від деякої площини, званої площиною симетрії. Симетрія зовнішньої форми відбиває симетрію внутрішньої структури кристала. Кристалічну структуру мають, наприклад, всі метали, для яких характерні два типи симетрії: кубічна та гексагональна.

В аморфних структурах з невпорядкованим розподілом атомів властивості речовини у різних напрямках однакові, тобто склоподібні (аморфні) речовини ізотропні.

Для всіх кристалів характерна анізотропія. У кристалах відстані між атомами упорядковані, але в різних напрямках ступінь упорядкованості може бути неоднаковим, що призводить до відмінності властивостей речовини кристала в різних напрямках. Залежність властивостей речовини кристала від напрямку в його ґратах називають анізотропієювластивостей. Анізотропія проявляється при вимірі як фізичних, і механічних та інших характеристик. Існують властивості (щільність, теплоємність), що не залежать від напрямку в кристалі. Більшість характеристик залежить від вибору напрямку.

Виміряти властивості можна об'єктів, мають певний матеріальний обсяг: розміри - від кількох міліметрів до десятків сантиметрів. Ці об'єкти з будовою, ідентичним кристалічному осередку, називаються монокристалами.

Анізотропія властивостей проявляється в монокристалах і практично відсутня в полікристалічній речовині, що складається з багатьох дрібних хаотично орієнтованих кристалів. Тому полікристалічні речовини називають квазіізотропними.

Кристалізація полімерів, молекули яких можуть розташовуватися впорядковано з утворенням надмолекулярних структур у вигляді пачок, клубків (глобул), фібрил тощо, відбувається у певному інтервалі температур. Складне будова молекул та його агрегатів визначає специфіку поведінки полімерів при нагріванні. Вони не можуть перейти в рідкий стан із низькою в'язкістю, не мають газоподібного стану. У твердому вигляді полімери можуть перебувати в склоподібному, високоеластичному та в'язкотекучому станах. Полімери з лінійними або розгалуженими молекулами при зміні температури можуть переходити з одного стану до іншого, що проявляється в процесі деформації полімеру. На рис. 9 наведено залежність деформації від температури.

Мал. 9 Термомеханічна крива аморфного полімеру: t c, tт, tр - температури склування, плинності та початку хімічного розкладання відповідно; I - III - зони склоподібного, високоеластичного та в'язкотекучого стану відповідно; Δ l- Деформація.

Просторова структура розташування молекул визначає лише склоподібний стан полімеру. При низьких температурах усі полімери деформуються пружно (рис. 9, зона I). Вище температури склування t c аморфний полімер з лінійною структурою перетворюється на високоеластичний стан ( зона II), та його деформація в склоподібному та високоеластичному станах оборотна. Нагрівання вище температури плинності tт переводить полімер у в'язкотекучий стан ( зона III). Деформація полімеру у в'язкотекучому стані необоротна. Аморфний полімер з просторовою (сітчастою, зшитою) структурою не має в'язкотекучого стану, температурна область високоеластичного стану розширюється до температури розкладання полімеру tнар. Така поведінка характерна для матеріалів типу гум.

Температура речовини у будь-якому агрегатному стані характеризує середню кінетичну енергію його частинок (атомів та молекул). Ці частинки в тілах мають в основному кінетичну енергію коливальних рухів щодо центру рівноваги, де енергія мінімальна. При досягненні деякої критичної температури твердий матеріал втрачає свою міцність (стійкість) і розплавляється, а рідина перетворюється на пару: кипить і випаровується. Цими критичними температурами є температури плавлення та кипіння.

При нагріванні кристалічного матеріалу за певної температури молекули рухаються настільки енергійно, що жорсткі зв'язки в полімері порушуються і кристали руйнуються - переходять у рідкий стан. Температура, коли він кристали і рідина перебувають у рівновазі, називається точкою плавлення кристала, чи точкою твердіння рідини. Для йоду ця температура дорівнює 114 о.

Кожен хімічний елемент має індивідуальну температуру плавлення tпл, що розділяє існування твердого тіла та рідини, та температурою кипіння tкіп, що відповідає переходу рідини в газ. При цих температурах речовини перебувають у термодинамічній рівновазі. Зміна агрегатного стану може супроводжуватися стрибкоподібною зміною вільної енергії, ентропії, щільності та інших фізичних величин

Для опису різних станів у фізиці використовується ширше поняттятермодинамічні фази. Явища, що описують переходи з однієї фази до іншої, називають критичними.

При нагріванні речовини зазнають фазових перетворень. Мідь при плавленні (1083 про З) перетворюється на рідину, у якій атоми мають лише ближній порядок. При тиску 1 атм мідь кипить при 2310 про З перетворюється на газоподібну мідь з безладно розташованими атомами міді. У точці плавлення тиску насиченої пари кристала та рідини рівні.

Матеріал загалом є систему.

Система- група речовин, об'єднаних фізичними,хімічними чи механічними взаємодіями. Фазоюназивають однорідну частину системи, відокремлену від інших частин фізичними межами розділу (у чавуні: графіт + зерна заліза; у воді з льодом: лід + вода).Складові частиниСистеми - це різні фази, що утворюють цю систему. Компоненти системи- Це речовини, що утворюють всі фази (складові частини) даної системи.

Матеріали, що складаються з двох і більше фаз, є дисперснісистеми. Дисперсні системи поділяють на золі, поведінка яких нагадує поведінку рідин, та гелі з характерними властивостями твердих тіл. У золях дисперсійним середовищем, у якій розподілена речовина, є рідина, в гелях переважає тверда фаза. Гелями є напівкристалічний метал, бетон, розчин желатину у воді за низької температури (при високій температурі желатин переходить у золь). Гідрозолем називають дисперсію у воді, аерозолем – дисперсію у повітрі.

Діаграми стану.

У термодинамічній системі кожна фаза характеризується такими параметрами, як температура Т, концентрація зта тиск Р. Для опису фазових перетворень використовується єдина енергетична характеристика – вільна енергія Гіббса ΔG(Термодинамічний потенціал).

Термодинаміка в описах перетворень обмежується розглядом стану рівноваги. Рівноважний стантермодинамічної системи характеризується незмінністю термодинамічних параметрів (температури та концентрації, так як у технологічних обробках Р= const) у часі та відсутністю в ній потоків енергії та речовини - за сталості зовнішніх умов. Фазова рівновага- рівноважний стан термодинамічної системи, що складається з двох чи більше фаз.

Для математичного опису умов рівноваги системи існує правило фаз, Виведений Гіббсом. Воно пов'язує число фаз (Ф) та компонентів (К) у рівноважній системі з варіантністю системи, тобто числом термодинамічних ступенів свободи (С).

Число термодинамічних ступенів свободи (варіантність) системи – це число незалежних змінних як внутрішніх (хімічний склад фаз), так і зовнішніх (температура), яким можна надавати різні довільні (у деякому інтервалі) значення так, щоб не з'явилися нові та не зникли старі фази .

Рівняння правила фаз Гіббса:

З = К – Ф + 1.

Відповідно до цього правила в системі з двох компонентів (К = 2) можливі такі варіанти ступенів свободи:

Для однофазного стану (Ф = 1) С = 2, тобто можна змінювати температуру та концентрацію;

Для двофазного стану (Ф = 2) С = 1, тобто можна змінювати лише один зовнішній параметр (наприклад, температуру);

Для трифазного стану число ступенів свободи дорівнює нулю, тобто не можна змінювати температуру без порушення рівноваги в системі (система нонваріантна).

Наприклад, для чистого металу (К = 1) під час кристалізації, коли є дві фази (Ф = 2), число ступенів свободи дорівнює нулю. Це означає, що температура кристалізації може бути змінена, доки закінчиться процес і залишиться одна фаза - твердий кристал. Після закінчення кристалізації (Ф = 1) число ступенів свободи дорівнює 1 тому можна змінювати температуру, тобто охолоджувати тверду речовину, не порушуючи рівноваги.

Поведінка систем залежно від температури та концентрації описується діаграмою стану. Діаграма стану води — система з одним компонентом H 2 O, тому найбільше фаз, які одночасно можуть перебувати в рівновазі, дорівнює трьом (рис. 10). Ці три фази – рідина, лід, пара. Число ступенів свободи у разі дорівнює нулю, тобто. не можна змінити ні тиск, ні температуру, щоб не зникла жодна фаза. Звичайна крига, рідка вода і водяна пара можуть існувати в рівновазі одночасно тільки при тиску 0,61 кПа і температурі 0,0075°С. Точка співіснування трьох фаз називається потрійною точкою ( O).

Крива ОСрозділяє області пари і рідини і є залежністю тиску насиченої водяної пари від температури. Крива ОС показує ті взаємопов'язані значення температури та тиску, при яких рідка вода та водяна пара знаходяться в рівновазі один з одним, тому вона називається кривою рівноваги рідина – пара або кривою кипіння.

10 Діаграма стану води

Крива ОВвідокремлює область рідини від льоду. Вона є кривою рівноваги твердий стан - рідина і називається кривою плавлення. Ця крива показує ті взаємозалежні пари значень температури і тиску, у яких лід і рідка вода перебувають у рівновазі.

Крива OAназивається кривою сублімації і показує взаємопов'язані пари значень тиску та температури, при яких у рівновазі знаходяться лід та водяна пара.

Діаграма стану - наочний спосіб представлення областей існування різних фаз залежно від зовнішніх умов, наприклад, від тиску і температури. Діаграми стану активно використовуються у матеріалознавстві на різних технологічних етапах отримання виробу.

Рідина відрізняється від твердого кристалічного тіла малими значеннями в'язкості (внутрішнього тертя молекул) та високими значеннями плинності (величина, зворотна в'язкості). Рідина складається з безлічі агрегатів молекул, усередині яких частинки розташовані в певному порядку, подібно до порядку в кристалах. Природа структурних одиниць та міжчастинної взаємодії визначає властивості рідини. Розрізняють рідини: моноатомні (зріджені шляхетні гази), молекулярні (вода), іонні (розплавлені солі), металеві (розплавлені метали), рідкі напівпровідники. У більшості випадків рідина є не тільки агрегатним станом, а й термодинамічною (рідкою) фазою.

Рідкі речовини найчастіше є розчинами. Розчиноднорідний, але не є хімічно чистою речовиною, складається з розчиненої речовини та розчинника (приклади розчинника - вода або органічні розчинники: дихлоретан, спирт, чотирихлористий вуглець та ін), тому є сумішшю речовин. Приклад – розчин спирту у воді. Однак розчинами є суміші газоподібних (наприклад, повітря) або твердих (сплави металів) речовин.

При охолодженні в умовах малої швидкості утворення центрів кристалізації та сильного збільшення в'язкості може виникнути склоподібний стан. Скло - це ізотропні тверді матеріали, одержувані переохолодженням розплавлених неорганічних та органічних сполук.

Відомо багато речовин, перехід яких із кристалічного стану в ізотропний рідкий здійснюється через проміжний рідкокристалічний стан. Воно характерне для речовин, молекули яких мають форму довгих стрижнів (паличок) з асиметричною будовою. Такі фазові переходи, що супроводжуються тепловими ефектами, викликають стрибкоподібну зміну механічних, оптичних, діелектричних та інших властивостей.

Рідкі кристали, подібно до рідини, можуть приймати форму подовженої краплі або форму судини, володіють високою плинністю, здатні до злиття. Вони отримали широке застосування у різних галузях науки та техніки. Їхні оптичні властивості сильно залежать від невеликих змін зовнішніх умов. Ця особливість використовується у електрооптичних пристроях. Зокрема, рідкі кристали застосовують при виготовленні електронного наручного годинника, візуальної апаратури та ін.

До основних агрегатних станів належить плазма- частково чи повністю іонізований газ. За способом утворення розрізняють два види плазми: термічну, що виникає при нагріванні газу до високих температур, і газоподібну, що утворюється при електричних розрядах у газовому середовищі.

Плазмохімічні процеси посіли міцне місце у низці галузей техніки. Вони застосовуються для різання та зварювання тугоплавких металів, синтезу різних речовин, широко використовують плазмові джерела світла, перспективне застосування плазми в термоядерних енергетичних установках та ін.