Металлы имеют агрегатное состояние твердые жидкие газообразные

     Агрегатные состояния жидких металлов      Существует четыре основных состояния вещества: жидкое, твердое, газообразное и плазма, из которых к литейным процессам следует отнести два первых.

       В обычных условиях структура металла представляет собой кристаллическую решетку. Кристалл рассматривают как правильную совокупность атомов, которые не обязательно имеют одинаковую природу.

Всякий атом  занимает свое место, определяемое характером его геометрической взаимосвязи с кристаллической решеткой и характеризующее собой среднее положение центра этого атома (рисунок 1).

     Рисунок 1 – Кристаллическая решетка железа      В действительности атом совершает тепловые колебания в пространстве между соседними атомами. При  нагревании в определенный момент тепловые колебания становятся настолько сильными, что дальний порядок между атомами нарушается и металл переходит в жидкое состояние.

     Жидкие металлы, как и другие жидкости, незначительно перегретые над точкой начала кристаллизации, гораздо ближе по структуре и свойствам к твердому телу, нежели к газам. На это указывает ряд факторов:

     Строение жидких металлов      Современные теории жидкостей в какой-то мере объединяют две ранее существовавшие крайние точки зрения на природу жидкостей и учитывают те двойственные черты их поведения, которые вытекают из промежуточного положения жидкого агрегатного состояния вещества. Металлофизики, например, Б.Чалмерс, считают, что жидкость представляет собой совокупность атомов и молекул, колеблющихся со средней энергией

3 kТ/ 2 (К постоянная Больцмана = 1,38 . 10 – 23 Дж/ град) и со средней частотой ν . Всякий атом входит в то или иное кристаллоподобное  образование (кластер), которые ориентированы беспорядочно. Часть пространства между ними остается незаполненной атомами.

Кластеры (рисунок 2) очень быстро возникают и тут же распадаются из-за перехода атомов от одного из них к другому через вакансии — промежуточные пустоты. Вероятность появления и число микрозародышей твердой фазы определяются законами статистической физики.

В любой данный момент в жидкости существует значительный ближний порядок, когда всякий атом связан с каким-то другим и даже со многими другими соседями точно так же, как это бывает в кристалле.

     Рисунок 2 – Кластер      В соответствии с теорией флуктуации в жидкости спонтанно возникают локальные отклонения от ее средней концентрации, энергии и плотности, число и вероятность которых диктуются законами статистической механики.      Для объяснения определенных свойств жидких расплавов используется теория Стюарта и Бенца, согласно которой в жидкостях непрерывно разрушаются и создаются группировки элементарных частиц, называемых роями или сиботаксисами. Эти группировки являются нестойкими образованиями и не имеют четких границ раздела.      Согласно кластерной модели Архарова и Новохатского расплав представляет собой сочетание кластеров и разупорядоченной зоны. Кластеры характеризуются  определенной упорядоченностью строения центральной части и нестабильностью периферийных частей. При повышении температуры кластеры распадаются на более мелкие, при охлаждении металла укрупняются.

     Основной смысл общепринятой в настоящее время теории Я.И. Френкеля состоит в том, что переход из твердого в жидкое состояние обусловлен скачкообразным увеличением количества вакансий.

Это вызывает большую подвижность частиц и жидкости в целом, а также объясняет скачек растворимости многих веществ, при расплавлении растворителя. Необходимый избыток энергии обеспечивается флуктуациями. Вакансии (дырки) имеют размер порядка 10–10 м.

  По Томпсону работа  образования сферической полости в жидкости радиусом r  равна:

     Работа   ΔZ соизмерима с теплотой испарения. Важен тот факт, что для превращения жидкости в кристаллическое состояние необходимо при температуре превращения отвести тепло, соответствующее скрытой теплоте плавления. При этом атомы переводятся в позиции с меньшей потенциальной энергией, чем в жидкости. Однако в обоих случаях каждый атом имеет минимальную свободную энергию, но в жидкости эти минимумы выше, чем в кристалле.      В большинстве случаев плотность расплава меньше, чем у кристалла. Кристаллы же германия, кремния, галлия и висмута менее плотные своих расплавов и упругие свойства обеспечиваются исключительно упорядочением атомов.      Есть и другие теории жидкого состояния, но ни одна из них не позволяет по параметрам элементарных частиц жидкости высчитать ее микроскопические свойства. Не дают они объяснения многим явлениям, которые наблюдаются  в жидкости, например, возможности значительного переохлаждения.

     Свойства жидких металлов

     Сходство жидкого и кристаллического состояния заключается, главным образом, в характере межчастичного взаимодействия и в термодинамических  свойствах, но существует принципиальное различие в строении жидких и твердых тел. Известная хаотичность в расположении частиц в жидкости и большая их подвижность, роднящие жидкость с газами, сочетаются с сильным межчастичным взаимодействием, как и в твердом теле. Этим  сочетанием обусловлен комплекс  свойств, характерный только для жидкого состояния вещества.

     Плотность

     По плотности металла судят о разрыхленности его структуры. Плотность — одна из основных физических характеристик расплава, непосредственно связанная с поверхностным натяжением, теплоемкостью, динамической вязкостью, теплотами растворения и др.

Жидкая фаза имеет лишь немного меньшую плотность, чем твердое вещество, но она на несколько порядков выше плотности газа. Самый легкий металл литий имеет плотность 0,53 г/см3, а самый тяжелый иридий плотностью 22,4  г/см3. Плотность железа 7,87 г/см 3 .

У большинства металлов при нагреве от комнатной температуры до температуры плавления плотность уменьшается на 3-5 %,  у железа она снижается до 7,35 г/см3.  В процессе плавления плотность большинства металлов снижается на несколько %, у железа – до 7,02 г/см 3.

  А плотность галлия, висмута, сурьмы, германия и кремния при плавлении увеличивается, как у воды, для которой это увеличение составляет около 11 %.

     При нагреве жидких металлов, как и в твердом состоянии, плотность уменьшается. С достаточной для практики точностью используется соотношение:       Подбором состава сплавов обеспечивают  заданную его плотность и коэффициент линейного расширения. Это важно, например, для армированных (выполненных из разнородных материалов) изделий, служащих при изменяющихся в широких пределах температурах Практическое значение изменения плотности металла до начала и в процессе кристаллизации состоит в том, что оно предопределяет объемную усадку (или рост), с которой связаны усадочные раковины, рыхлость, напряжения в наружных и внутренних участках слитков, заготовок и отливок (рисунок 3).      Рисунок 3 — Усадочная раковина в слитке

     Температура плавления

     Температура плавления –  это единственная температура,  при которой кристаллическая твердая фаза сосуществует в равновесии с жидкостью. Для чистого элемента  или чистого соединения эта величина постоянная и лишь незначительно зависит от давления.

     Обычно разливаемый металл перегревается выше температуры плавления на 100 и более градусов. Исходя из этой температуры, выбирается материал литейной формы и футеровки разливочных ковшей.

Из часто используемых металлов ртуть  имеет самую низкую температуру плавления –  минус 39 0С, а самая высокая она у вольфрама – 3410 0С. Чистое железо плавится при 1539 0 С, медь — при 10830 С, алюминий – при 6600 С.

Титановые сплавы 1580-17200С.

Сталь                                1420-15200С

Чугун                                1150-12500С Бронзы                              1000-11500С Латуни                               900- 9500С Алюминиевые сплавы         580- 6300С Магниевые сплавы              600- 6500С Цинковые сплавы               390- 4200С      Так как фазовые превращения сопровождаются тепловыми эффектами, объемными изменениям и фазовыми напряжениями, то их учитывают, задавая оптимальные режимы охлаждения слитков, заготовок и отливок, а также при рассмотрении процессов  структурообразования и ликвации.

     Вязкость

     Вязкость металлического расплава является наиболее характерным структурно-чувствительным свойством и определяется межчастичным взаимодействием. Поэтому этот показатель позволяет оценить строение расплава, природу и силы взаимодействия между компонентами в сплавах, а также связь между твердым и жидким состоянием.      Для характеристики вязкости жидкости принят коэффициент вязкости или внутреннего трения ?, называемый динамической вязкостью. Он численно равен силе трения между двумя слоями с площадью, равной единице при градиенте скорости, равной единице.      У металлов динамическая вязкость повышается с увеличением температуры их плавления. Для всех металлов она уменьшается с повышением температуры нагрева. У сплавов эвтектического состава обычно пониженные значения вязкости. Изменение вязкости от состава сплавов меняется неоднозначно, сложным образом и зависит от сил межчастичного взаимодействия. Загрязнение расплавов взвешенными частицами шлака или оксидов сопровождается заметным возрастанием вязкости.      Сравнительные данные вязкости (Па .  с):

Вода (25 0 С) – 0,00089;

Сталь (1600 0 С) – 0,0050 – 0,0085; Железо (1600 0 С) – 0,0045 – 0,0050.

     Поверхностное натяжение

     Поверхностное натяжение   численно равно количеству свободной поверхностной энергии, приходящейся на единицу поверхности раздела между рассматриваемым веществом и вакуумом. Поверхностное натяжение стали обуславливает смачиваемость и адгезию, влияет на характер струи и степень вторичного окисления металла во  время выпуска из плавильного агрегата и разливки. В период кристаллизации  поверхностные явления влияют на поверхностные и объемные концентрации компонентов, существенно изменяют структурообразование, кинетику капиллярного массопереноса, зарождения, коагуляции и всплывания неметаллических включений. Межфазное натяжение на границе металл-шлак в значительной степени определяет ассимиляцию неметаллических включений, образующихся при раскислении, обработке металла синтетическими шлаками и разливке под защитными средами.

     С увеличением температуры плавления металла поверхностное натяжение, как правило, увеличивается. Так, для ртути, железа и вольфрама оно соответственно равно, Н/ м: 0,45;  1,8  и 2,5.   Перегрев  жидкого металла на 100 0 С понижает поверхностное натяжение примерно на 2-4 % .

     Поверхностно активные добавки, которые в металле – основе растворяются в очень малых количествах и резко отличаются от основы по своим свойствам, существенно снижают поверхностное натяжение расплавов. Так, 0,1 % кислорода снижает  поверхностное натяжение железа до 1,1 Н / м, 0,1 % калия снижает поверхностное натяжение ртути в 2 раза.

     Литейные свойства

     Свойства, непосредственно влияющие на получение слитков и отливок требуемого качества, называются литейными. Они зависят от комплекса физико-химических свойств,  проявляющихся в образующихся фазах при охлаждении расплава, но полностью ими не определяются.

К литейным свойствам относят жидкотекучесть и заполняемость литейных форм, усадку и связанные с ней процессы образования различных дефектов, склонность к образованию дефектов на базе неметаллических и газовых включений, активность взаимодействия с окружающей средой и контактирующими материалами,  первичную и вторичную кристаллизацию, литейные напряжения и трещиноустойчивость, химическую и структурную неоднородность. Лучшим сочетанием литейных свойств обладают сплавы с большим количеством эвтектики. Литейные свойства чугуна значительно выше литейных свойств стали.

Может ли металл быть газом?

Да, металлы могут быть газами, в зависимости от того, насколько высока их температура кипения. Но действительно ли газообразные металлы считаются металлами?

Закройте на мгновение глаза и позвольте слову «металл» всплыть в вашей голове. А теперь ответьте: какой первый образ приходит вам на ум, когда вы думаете о «металле»?

Большинство из вас увидят твердый, блестящий твердый предмет — может быть, блестящий меч, гладкую машину или чистую посуду?

Слово «металл» ассоциируется у нас с твердыми объектами, потому что большинство металлов вокруг нас — это твердые тела. Но ограничиваются ли металлы только твердым телом? Могут ли они быть газом?

Да, конечно! Хотя металлы обычно находятся в твердом состоянии при комнатной температуре (вероятно, поэтому мы ассоциируем слово «металл» с твердыми объектами), металлы также могут быть газами.

Дело в том, что состояния вещества универсальны: металл может быть твердым, жидким или газообразным. Но это состояние определяется на основе правильных условий температуры и давления.

Например, металл, скажем, свинец, имеет температуру кипения 1740 градусов по Цельсию. Теперь вы знаете, что свинец в своем «естественном состоянии» представляет собой твердое вещество. Но когда вы начнете его нагревать, он сначала превратится в жидкость при 327 градусах Цельсия, а если вы продолжите подавать больше тепла, он превратится в газ при 1740 градусах Цельсия.

Свинец превращается в пар при 1740 градусах Цельсия.

Другой отличный пример — ртуть. Фактически, это металл с самой низкой температурой кипения (356,7 °C), что означает, что из всех металлов он превращается в газ при относительно более низкой температуре.

Но учтите, что пары ртути очень вредны. По данным Всемирной организации здравоохранения, «вдыхание паров ртути может оказывать вредное воздействие на нервную, пищеварительную и иммунную системы, легкие и почки и может быть фатальным. Неорганические соли ртути разъедают кожу, глаза и желудочно-кишечный тракт, а при попадании внутрь могут вызывать токсическое воздействие на почки».

Ртуть весьма примечательна — это металл, который существует в жидком виде при комнатной температуре, а затем закипает при небольшой температуре.

А теперь давайте обсудим еще один аспект этой саги о превращении металла в газ.

Остается ли металл металлом, когда он превращается в газ?

Мы установили, что металлы могут превращаться в газы, если их нагреть до точки кипения. Но если металл нагревается до точки кипения и становится газом, остается ли он металлом? Другими словами, может ли металл находиться в газообразном состоянии и при этом оставаться металлом?

Газообразные металлы не сохраняют свойств своих твердых аналогов, включая металлические связи, металлическую проводимость, пластичность, блеск или другие металлические свойства.

Вот почему металлы больше не считаются металлами, когда они переходят в газообразное состояние — это просто газ с определенными характерными свойствами «родительского» элемента. (тогда чем же они считаются? — В ЭТОЙ ТОЧКЕ ОНИ ЯВЛЯЮТСЯ ПРОСТО ГАЗОМ.

РТУТЬ ЯВЛЯЕТСЯ МЕТАЛЛОМ, НО КОГДА ОНА КИПИТСЯ, ЕЕ ПАР НАЗЫВАЕТСЯ РТУТНЫМ ГАЗОМ/ПАРАМИ)

Но почему металлы твердые? Что в них такого особенного, что делает их твердыми?

Почему металлы вообще твердые?

Металлы твердые при комнатной температуре из-за того, как их последовательные атомы упаковываются внутри.

Видите ли, вся материя состоит из атомов. Состояние вещества зависит от того, насколько близко или далеко друг от друга находятся эти атомы.

Если составляющие атомы вещества находятся далеко друг от друга, то это вещество будет существовать в виде газа при комнатной температуре. Атомы в жидком состоянии относительно ближе друг к другу, но в твердых телах атомы упакованы вместе в плотные кристаллы.

Из-за сильных сил, которые удерживают эти атомы близко друг к другу, твердые тела жесткие и имеют определенную форму и размер (в отличие от жидкости и газа).

Металлы твердые при комнатной температуре, потому что входящие в их состав атомы металлов упаковываются близко друг к другу, придавая им жесткий или «затвердевший» внешний вид. Это также является причиной того, что металлы имеют высокую температуру плавления и не существуют в жидком состоянии при комнатной температуре.

В целом, металлы могут превращаться в газ, но как только они превращаются в газ, они не сохраняют своих металлических свойств.

4 основных агрегатных состояния вещества — свойства

Агрегатных состояния точно три????? 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:

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)

1. Сначала нужно перевести массу в килограммы:

100 г = 0,1 кг

2. Берем формулу количества теплоты для нагревания вещества:

Q = cm(tконечная − tначальная)

3. Подставляем числа:

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.

1. Сначала нужно перевести массу в килограммы и удельную теплоту в Дж/кг:

2,5 т = 2500 кг

80 кДж/кг = 80 000 Дж/кг

2. Берем формулу количества теплоты для плавления вещества:

Q = λm

3. Подставляем числа:

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.

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.

Введение: агрегатное состояние вещества

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:

• газообразное,
• жидкое,
• твердое,
• плазма.

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.

К сожалению, невооруженным глазом и даже с помощью светового микроскопа увидеть молекулы газа невозможно. Однако газ можно потрогать. Конечно, если вы просто попробуете ловить молекулы газов, летающие вокруг, в ладони, то у вас ничего не получится.

Но наверняка все видели (или делали это сами), как кто-то накачивал воздухом шину автомобиля или велосипеда, и из мягкой и сморщенной она становилась накачанной и упругой.

А кажущуюся «невесомость» газов опровергнет опыт, описанный на странице 39 учебника «Химия 7 класс» под редакцией О.С. Габриеляна.

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?

Совершенно верно. И это — сила земного тяготения. Для того чтобы оторваться от планеты и улететь, молекулам нужно развить скорость, превышающую «скорость убегания» или вторую космическую скорость, а подавляющее большинство молекул движутся значительно медленнее.

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.

Твёрдое состояние

Если у жидкости, в отличие от газа, молекулы движутся уже не хаотически, а вокруг определенных центров, то в твёрдом агрегатном состоянии вещества атомы и молекулы имеют четкую структуру и похожи на построенных солдат на параде. И благодаря кристаллической решетке твердые вещества занимают определенный объем и имеют постоянную форму.

Между твердыми и жидкими телами существует промежуточная группа аморфных веществ, представители которой с одной стороны за счет высокой вязкости долго сохраняют свою форму, а с другой – частицы в нем строго не упорядочены и находятся в особом конденсированном состоянии.

К аморфным веществам относится целый ряд веществ: смола, стекло, янтарь, каучук, полиэтилен, поливинилхлорид, полимеры, сургуч, различные клеи, эбонит и пластмассы. Про аморфные тела подробно можно прочитать на странице 40 учебника «Химия 7 класс» под редакцией О.С.

Габриеляна.

При определенных условиях вещества, находящиеся в агрегатном состоянии жидкости, могут переходить в твердое, а твердые тела, наоборот, при нагревании плавиться и переходить в жидкое.

Это происходит потому, что при нагревании увеличивается внутренняя энергия, соответственно молекулы начинают двигаться быстрее, а при достижении температуры плавления кристаллическая решетка начинает разрушаться и изменяется агрегатное состояние вещества. У большинства кристаллических тел объем увеличивается при плавлении, но есть исключения, например – лед, чугун.

В зависимости от вида частиц, образующих кристаллическую решетку твердого тела, выделяют следующую структуру:

• молекулярную,
• атомную,
• ионную
• металлическую.

У одних веществ изменение агрегатных состояний происходит легко, как, например, у воды, для других веществ нужны особые условия (давление, температура). Но в современной физике ученые выделяют еще одно независимое состояние вещества — плазма.

Плазма — ионизированный газ с одинаковой плотностью как положительных, так и отрицательных зарядов. В живой природе плазма есть на солнце, или при вспышке молнии. Северное сияние и даже привычный нам костер, согревающий своим теплом во время вылазки на природу, также относится к плазме.

Искусственно созданная плазма добавляет яркости любому городу. Огни неоновой рекламы — это всего лишь низкотемпературная плазма в стеклянных трубках. Привычные нам лампы дневного света тоже заполнены плазмой.

Плазму делят на низкотемпературную — со степенью ионизации около 1% и температурой до 100 тысяч градусов, и высокотемпературную — ионизация около 100% и температурой в 100 млн градусов (именно в таком состоянии находится плазма в звездах).

Низкотемпературная плазма в привычных нам лампах дневного света широко применяется в быту.

Высокотемпературная плазма используется в реакциях термоядерного синтеза и ученые не теряют надежду использовать ее в качестве замены атомной энергии, однако контроль в этих реакциях очень сложен. А неконтролируемая термоядерная реакция зарекомендовала себя как оружие колоссальной мощности, когда 12 августа 1953 года СССР испытал термоядерную бомбу.

• Для проверки усвоения материала предлагаем небольшой тест.
• 1. Что не относится к агрегатным состояниям:
• 2. Вязкость ньютоновских жидкостей подчиняется:

• закону Бойля-Мариотта
• закону Архимеда
• закону вязкости Ньютона +

3. Почему атмосфера Земли не улетает в открытый космос:

• потому что молекулы газа не могут развить вторую космическую скорость
• потому что на молекулы газа воздействует сила земного притяжения +
• оба ответа правильные

4. Что не относится к аморфным веществам:

5.При охлаждении объем увеличивается у:

#ADVERTISING_INSERT#

Урок 3: Агрегатные состояния

• План урока:
• Газообразное состояние
• Жидкое состояние
• Твердое состояние
• Плазма
• Области применения агрегатных состояний

В мире множество веществ, которые могут принимать разную форму. Вода в чайнике жидкая, а если начать ее кипятить, то она станет паром. Если эту же воду поставить в морозильную камеру, то она затвердевает. Вещества на нашей планете как актеры, которые могут играть разные роли.

Агрегатное состояние – принятие химическими веществами разной формы в зависимости от изменений внешней среды. Всего существует четыре состояния – газовое, жидкое, твердое, плазменное. Но к агрегатным относятся только три состояния– газ, жидкость и твердые вещества. В плазменном состоянии не сохраняется атомно-молекулярный состав вещества, а в трех других – сохраняется.

Агрегатное состояние вещества и фазовые переходы. Гуглдиск

Процесс перехода одного состояния в другое называется фазовым переходом. Он характеризуется изменением структуры связей между атомами, молекулами или ионами. Фазовый переход сопровождается поглощением или выделением теплоты. Ему сопутствуют скачкообразные изменения физических и химических свойств — плотности, растворимости и др.

Вещество изменяет агрегатное состояние при следующих условиях.

• Плавление – переход вещества из твердого состоянияв жидкое (таяние льда).
• Затвердевание – обратный плавлению процесс (зимние узоры на стекле).
• Парообразование – переход вещества из жидкого состояния вгазообразное (выделение пара из кипящего чайника).
• Конденсация – обратный парообразованию процесс (появление капель воды при принятии горячего душа).
• Сублимация, или возгонка – переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую стадию(переход сухого льда в состояние углекислого газа).
• Десублимация – обратный сублимации процесс (появление инея на деревьях).

Газообразное состояние

Газ – состояние, при котором частицы вещества слабо связаны друг с другом, занимают все пространство и движутся хаотично. Расстояния между атомами и молекулами значительно превышают их размеры.

Газовое состояние можно сравнить с футбольным полем, на котором быстро и независимо друг от друга передвигаются спортсмены.

Футболисты, как и молекулыв газообразном состоянии, взаимодействуют только когда сталкиваются или близко подходят друг к другу.

Расположение молекул газа.

Газообразное состояние находится в виде различных запахов. У газов нет формы и объема, поэтому частицы распространяются по всему пространству. Например, запах газа из невыключеннойплиты быстро охватывает всю квартиру благодаря хаотичности движения молекул и их стремлению заполнить все помещение.

Газы обладают следующими особенными свойствами.

• Равномерность заполнения всего объема.
• Небольшая плотность при высокой скорости диффузии.
• Легкое сжатие.

Газообразноеагрегатное состояние веществаможно оценивать как насыщенный и ненасыщенный пар. Если число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул пара, возвращающихся в жидкость, то возникает динамическое равновесие между паром и жидкостью – состояние насыщенного пара. В ненасыщенном такого равновесия нет.

Насыщенный пар.

При нахождении жидкости в открытом сосуде, объем вещества уменьшается из-за испарения. Если поместить ту же жидкость в закрытый сосуд, объем вещества останется прежним.

Сначала начнется процесс испарения и продолжается до тех пор, пока число покинувших жидкость молекул не станет равно возвратившимся назад из паров. Т.е. в закрытом сосуде возникает динамическое равновесие.

Изменение внутренней энергии вещества определяется по формуле:

ΔU = ± mr, где m — масса тела, r — удельная теплота парообразования.

Переход веществиз газообразногов жидкое состояние, называется сжижением. Увеличение давления и понижение температуры приводит к уменьшению расстояний между молекулами, увеличению силы взаимодействия и превращению в жидкость. Сжижение характеризуется критической температурой. Она определяется в точке, в которой переход газа в жидкость невозможен.

Жидкое состояние

Жидкость – состояние, в котором происходит заполнение частицами всего объема. В отличие от газов, у жидкости есть поверхность. Также для нее характерно высокое межмолекулярное взаимодействие и низкая сжимаемость.

Частицы в жидкости располагаются как гости, приглашенные в небольшую квартиру. Приглашенные, как и молекулы, свободно передвигаются в пространстве и ведут себя по-разному.

Из-за того, что гостей много, человеку необходимо постоянно оглядываться, чтобы ни на кого не натолкнуться. Присутствующиенаходятся близко друг к другу.

Жидкие вещества. Гуглдиск:

Жидкое агрегатное состояниеобладает особенным свойством – текучестью. Она объясняется тем, что частицы колеблются внутри квазикристаллической решетки и перемещаются между ними. Получается сложная траектория — колебания вокруг центра, перемещающегося в пространстве.

Твердое состояние

Твердому состоянию свойственна высокая степень упорядоченности частиц. Каждая молекулаколеблется около среднего положения, оставаясь жестко связанной с соседями и образуя кристаллическую решетку.

Твердое агрегатное состояние напоминает воинскую часть, в которой все подчиняется строгим правилам. В строю, как и в твердых веществах, каждому солдату предоставлено определенное место. Самостоятельное перемещение внутри строя запрещается.

Солдаты стоят плотно плечом к плечу, расстояния между ними маленькие. Столкновения внутри строя невозможны.

Твердые вещества.

Твердые вещества имеют форму и сохраняют свой объем. Их классифицируют на несколько видов.

• Аморфные – вещества, в которых относительно упорядоченные частицы имеют сильные ковалентные, полярные и неполярные, ионные, металлические связи.
• Кристаллические – вещества, в которых частицы расположены строго по своим местам.

Аморфные тела по свойствам напоминают жидкости,так как их молекулы передвигаются между хаотично расположенными условными центрами. Примерами аморфных веществ служат пластмассы, смолы и другие неметаллы. Примеры кристаллических тел – железо, серебро и другие металлы.

Нагревание кристаллических веществ ведет к нарушению расположения частиц и увеличению расстояний между ними. При достижении температуры плавленияпроисходит перестройка молекул, и твердое тело превращаетсяв жидкое. Количество теплоты, которое необходимо для расплавления некоторой массы веществ, подчиняется формуле:

Q = km, где k — удельная теплота плавления этого вещества, m — его масса.

Плазма

Плазма – не выдумка из фантастических фильмов и книг, а ионизированный газ. Она характеризуется одновременным присутствием нейтральных и заряженных частиц. Ионизаторы воздуха строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.

Северное сияние

Получить плазму сложно, т.к. для этого вещество необходимо нагревать до температур порядка сотен тысяч градусов и выше. Полученная смесь состоит из электронов, ядер и положительно заряженных ионов. Плазма электронейтральна, но обладает высокой проводимостью.

Внутри нее происходят непрерывные разрежения и сгущения, сопровождающиеся образованием плазмоидов — упорядоченных структур правильной формы. Хотя плазма на нашей планете – редкое явление, каждый человек хотя бы раз в жизни сталкивался с ней. Плазменное состояние характерно для северного сияния и молний.

В масштабах Вселенной основная масса вещества находится в виде плазмы.

Сводная таблица агрегатных состояний

Области применения агрегатных состояний

Способность веществ переходить из одного агрегатного состояния в другой активно используется человеком. На ней основаны многие промышленные процессы.

• Способность металлов плавиться и принимать различную форму используется в черной и цветной металлургии.
• При получении соли и других химических соединений применяется выпаривание, при котором вещество получается после испарения жидкости.
• Инертные газы используются в осветительных приборах.
• Жидкий кислород применяется в медицине в качестве средства анестезии.

Таким образом, без различных агрегатных состояний невозможно было бы представить жизнь на планете. Фазовые переходы веществ используются практически во всех областях жизнедеятельности.