Der Aggregatzustand einer Substanz wird üblicherweise als ihre Fähigkeit bezeichnet, ihre Form und ihr Volumen beizubehalten. Ein weiteres Merkmal sind die Wege, auf denen ein Stoff von einem Aggregatzustand in einen anderen übergeht. Darauf aufbauend werden drei Aggregatzustände unterschieden: fest, flüssig und gasförmig. Ihre sichtbaren Eigenschaften sind wie folgt:

Ein fester Körper behält sowohl Form als auch Volumen. Es kann sowohl durch Schmelzen in eine Flüssigkeit als auch durch Sublimation direkt in ein Gas übergehen.
- Flüssigkeit - behält das Volumen, aber nicht die Form, das heißt, es hat Fließfähigkeit. Die verschüttete Flüssigkeit neigt dazu, sich unbegrenzt über die Oberfläche zu verteilen, auf die sie gegossen wird. Eine Flüssigkeit kann durch Kristallisation in einen Feststoff und durch Verdampfung in ein Gas übergehen.
- Gas - behält weder Form noch Volumen bei. Gas außerhalb eines Behälters neigt dazu, sich unbegrenzt in alle Richtungen auszudehnen. Nur die Schwerkraft kann ihn daran hindern, dank der sich die Erdatmosphäre nicht in den Weltraum auflöst. Ein Gas geht durch Kondensation in eine Flüssigkeit über, und direkt in einen Feststoff kann es durch Niederschlag übergehen.

Phasenübergänge

Der Übergang eines Stoffes von einem Aggregatzustand in einen anderen wird als Phasenübergang bezeichnet, da der wissenschaftliche Aggregatzustand eine Phase der Materie ist. Beispielsweise kann Wasser in fester Phase (Eis), flüssig (normales Wasser) und gasförmig (Dampf) vorliegen.

Auch das Beispiel Wasser ist gut demonstriert. Was an einem frostigen, windstillen Tag im Hof ​​zum Trocknen aufgehängt wird, gefriert sofort, stellt sich aber nach einer Weile als trocken heraus: Das Eis sublimiert und wird direkt zu Wasserdampf.

In der Regel erfordert der Phasenübergang von fest zu flüssig und gasförmig eine Erwärmung, aber die Temperatur des Mediums erhöht sich nicht: Die thermische Energie wird zum Aufbrechen der inneren Bindungen in der Substanz aufgewendet. Dies ist die sogenannte latente Wärme. Bei umgekehrten Phasenübergängen (Kondensation, Kristallisation) wird diese Wärme freigesetzt.

Deshalb sind Dampfverbrennungen so gefährlich. Bei Hautkontakt kondensiert es. Die latente Verdampfungs-/Kondensationswärme von Wasser ist sehr hoch: Wasser ist in dieser Hinsicht eine anomale Substanz; Deshalb ist Leben auf der Erde möglich. Während einer Dampfverbrennung „verbrüht“ die latente Wärme der Wasserkondensation die verbrannte Stelle sehr tief, und die Folgen einer Dampfverbrennung sind viel schwerwiegender als von einer Flamme auf derselben Körperstelle.

Pseudophasen

Die Fließfähigkeit der flüssigen Phase einer Substanz wird durch ihre Viskosität bestimmt, und die Viskosität wird durch die Art der inneren Bindungen bestimmt, denen der nächste Abschnitt gewidmet ist. Die Viskosität einer Flüssigkeit kann sehr hoch sein, und eine solche Flüssigkeit kann unmerklich zum Auge fließen.

Das klassische Beispiel ist Glas. Es ist kein Feststoff, sondern eine sehr viskose Flüssigkeit. Bitte beachten Sie, dass Glasscheiben in Lagern niemals schräg an die Wand gelehnt gelagert werden. Innerhalb weniger Tage sacken sie unter ihrem Eigengewicht durch und werden unbrauchbar.

Andere Beispiele für Pseudo-Festkörper sind Schuhpech und Baubitumen. Wenn Sie das eckige Stück Bitumen auf dem Dach vergessen, wird es sich im Laufe des Sommers zu einem Kuchen ausbreiten und am Boden haften bleiben. Pseudo-Festkörper können von echten durch die Art des Schmelzens unterschieden werden: Die echten behalten entweder ihre Form, bis sie sich sofort ausbreiten (Löten beim Löten), oder sie schwimmen und lassen Pfützen und Ströme aus (Eis). Und sehr viskose Flüssigkeiten werden allmählich weicher, wie das gleiche Pech oder Bitumen.

Hochviskose Flüssigkeiten, deren Fließfähigkeit über viele Jahre und Jahrzehnte nicht spürbar ist, sind Kunststoffe. Ihre hohe Formbeständigkeit wird durch das enorme Molekulargewicht von Polymeren, viele tausend und Millionen Wasserstoffatome, gewährleistet.

Die Struktur der Phasen der Materie

In der Gasphase sind die Moleküle oder Atome eines Stoffes sehr weit voneinander entfernt, um ein Vielfaches größer als der Abstand zwischen ihnen. Sie interagieren gelegentlich und unregelmäßig miteinander, nur bei Kollisionen. Die Wechselwirkung selbst ist elastisch: Sie kollidierten wie harte Bälle und zerstreuten sich sofort.

In einer Flüssigkeit "fühlen" sich Moleküle/Atome aufgrund sehr schwacher Bindungen chemischer Natur ständig gegenseitig. Diese Bindungen brechen ständig auf und werden sofort wieder hergestellt, die Moleküle der Flüssigkeit bewegen sich ständig relativ zueinander und daher fließt die Flüssigkeit. Aber um es in ein Gas zu verwandeln, müssen Sie alle Bindungen auf einmal aufbrechen, und das erfordert viel Energie, weshalb die Flüssigkeit ihr Volumen behält.

In dieser Hinsicht unterscheidet sich Wasser von anderen Stoffen dadurch, dass seine Moleküle in einer Flüssigkeit durch sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind, die ziemlich stark sind. Daher kann Wasser bei normaler Temperatur lebenslang eine Flüssigkeit sein. Viele Substanzen mit einem Molekulargewicht, das zehn- und hundertmal größer ist als das von Wasser, sind unter normalen Bedingungen Gase, wie zumindest gewöhnliches Haushaltsgas.

In einem Festkörper sind alle seine Moleküle aufgrund der starken chemischen Bindungen zwischen ihnen fest an ihrem Platz und bilden ein Kristallgitter. Kristalle in der richtigen Form benötigen besondere Bedingungen für ihr Wachstum und sind daher in der Natur selten zu finden. Die meisten Festkörper sind Konglomerate aus kleinen und winzigen Kristallen – Kristallite, die durch Kräfte mechanischer und elektrischer Natur fest miteinander verbunden sind.

Hat der Leser beispielsweise eine gebrochene Halbachse eines Autos oder einen gusseisernen Rost gesehen, dann sind die Kristallitkörner auf dem Schrott mit bloßem Auge sichtbar. Und auf Fragmenten von zerbrochenem Porzellan oder Fayencegeschirr können sie unter einer Lupe beobachtet werden.

Plasma

Physiker unterscheiden auch den vierten Aggregatzustand der Materie - Plasma. Im Plasma werden Elektronen aus Atomkernen herausgerissen, und es ist ein Gemisch aus elektrisch geladenen Teilchen. Plasma kann sehr dicht sein. Beispielsweise wiegt ein Kubikzentimeter Plasma aus dem Inneren weißer Zwergsterne Dutzende und Hunderte Tonnen.

Plasma wird in einen separaten Aggregatzustand isoliert, weil es aufgrund der Tatsache, dass seine Teilchen geladen sind, aktiv mit elektromagnetischen Feldern interagiert. Im freien Raum neigt das Plasma dazu, sich auszudehnen, abzukühlen und zu Gas zu werden. Aber unter dem Einfluss elektromagnetischer Felder kann es seine Form und sein Volumen außerhalb des Gefäßes wie ein fester Körper beibehalten. Diese Eigenschaft des Plasmas wird in thermonuklearen Leistungsreaktoren genutzt – Prototypen von Kraftwerken der Zukunft.

Aggregatzustand- Dies ist ein Zustand der Materie in einem bestimmten Temperatur- und Druckbereich, der durch Eigenschaften gekennzeichnet ist: die Fähigkeit (fest) oder Unfähigkeit (flüssig, gasförmig), Volumen und Form beizubehalten; das Vorhandensein oder Fehlen von Fernordnung (fest) oder Nahordnung (flüssig) und anderen Eigenschaften.

Ein Stoff kann sich in drei Aggregatzuständen befinden: fest, flüssig oder gasförmig, derzeit wird ein zusätzlicher Plasma-(Ionen-)Zustand unterschieden.

BEIM gasförmig Zustand, der Abstand zwischen Atomen und Molekülen einer Substanz groß ist, die Wechselwirkungskräfte klein sind und die Teilchen, die sich zufällig im Raum bewegen, eine große kinetische Energie haben, die die potentielle Energie übersteigt. Das Material im gasförmigen Zustand hat weder seine Form noch sein Volumen. Das Gas füllt den gesamten verfügbaren Raum aus. Dieser Zustand ist typisch für Stoffe mit geringer Dichte.

BEIM flüssig Zustand bleibt nur die Nahordnung von Atomen oder Molekülen erhalten, wenn im Volumen eines Stoffes periodisch getrennte Abschnitte mit geordneter Anordnung von Atomen auftreten, fehlt aber auch die gegenseitige Orientierung dieser Abschnitte. Die Nahordnung ist instabil und kann unter der Wirkung von thermischen Schwingungen von Atomen entweder verschwinden oder wieder auftreten. Die Moleküle einer Flüssigkeit haben keine bestimmte Position und gleichzeitig keine vollständige Bewegungsfreiheit. Das Material im flüssigen Zustand hat keine eigene Form, es behält nur das Volumen. Die Flüssigkeit kann nur einen Teil des Gefäßvolumens einnehmen, aber frei über die gesamte Oberfläche des Gefäßes fließen. Der flüssige Zustand wird normalerweise als Zwischenzustand zwischen fest und gasförmig angesehen.

BEIM fest Substanz, die Ordnung der Anordnung der Atome wird streng definiert, regelmäßig geordnet, die Wechselwirkungskräfte der Teilchen werden gegenseitig ausgeglichen, so dass die Körper ihre Form und ihr Volumen behalten. Die regelmäßig geordnete Anordnung der Atome im Raum kennzeichnet den kristallinen Zustand, die Atome bilden ein Kristallgitter.

Feststoffe haben eine amorphe oder kristalline Struktur. Für amorph Körper zeichnen sich nur durch eine Nahordnung in der Anordnung von Atomen oder Molekülen aus, eine chaotische Anordnung von Atomen, Molekülen oder Ionen im Raum. Beispiele für amorphe Körper sind Glas, Pech und Pech, die in einem festen Zustand zu sein scheinen, obwohl sie in Wirklichkeit langsam wie eine Flüssigkeit fließen. Amorphe Körper haben im Gegensatz zu kristallinen keinen definierten Schmelzpunkt. Amorphe Körper nehmen eine Zwischenstellung zwischen kristallinen Festkörpern und Flüssigkeiten ein.

Die meisten Feststoffe haben kristallin eine Struktur, die durch eine geordnete Anordnung von Atomen oder Molekülen im Raum gekennzeichnet ist. Die Kristallstruktur ist durch eine Fernordnung gekennzeichnet, wenn sich die Elemente der Struktur periodisch wiederholen; es gibt keine solche regelmäßige Wiederholung in der Nahordnung. Ein charakteristisches Merkmal eines kristallinen Körpers ist die Fähigkeit, seine Form beizubehalten. Ein Zeichen für einen idealen Kristall, dessen Modell ein räumliches Gitter ist, ist die Eigenschaft der Symmetrie. Unter Symmetrie versteht man die theoretische Fähigkeit des Kristallgitters eines Festkörpers, sich an sich selbst auszurichten, wenn seine Punkte an einer bestimmten Ebene, der sogenannten Symmetrieebene, gespiegelt werden. Die Symmetrie der äußeren Form spiegelt die Symmetrie der inneren Struktur des Kristalls wider. Beispielsweise haben alle Metalle eine kristalline Struktur, die sich durch zwei Arten von Symmetrie auszeichnet: kubisch und hexagonal.

Bei amorphen Strukturen mit ungeordneter Atomverteilung sind die Stoffeigenschaften in verschiedenen Richtungen gleich, d.h. glasartige (amorphe) Stoffe sind isotrop.

Alle Kristalle sind durch Anisotropie gekennzeichnet. In Kristallen sind die Abstände zwischen Atomen geordnet, aber der Ordnungsgrad kann in verschiedenen Richtungen unterschiedlich sein, was zu unterschiedlichen Eigenschaften der Kristallsubstanz in verschiedenen Richtungen führt. Die Abhängigkeit der Eigenschaften einer Kristallsubstanz von der Richtung in ihrem Gitter wird als Anisotropie Eigenschaften. Anisotropie manifestiert sich, wenn sowohl physikalische als auch mechanische und andere Eigenschaften gemessen werden. Es gibt Eigenschaften (Dichte, Wärmekapazität), die nicht von der Richtung im Kristall abhängen. Die meisten Eigenschaften hängen von der Richtungswahl ab.

Es ist möglich, die Eigenschaften von Objekten zu messen, die ein bestimmtes Materialvolumen haben: Größen - von einigen Millimetern bis zu mehreren zehn Zentimetern. Diese Objekte mit einer Struktur, die identisch mit der Kristallzelle ist, werden Einkristalle genannt.

Die Anisotropie der Eigenschaften manifestiert sich in Einkristallen und fehlt praktisch in einer polykristallinen Substanz, die aus vielen kleinen zufällig orientierten Kristallen besteht. Daher werden polykristalline Substanzen als quasiisotrop bezeichnet.

In einem bestimmten Temperaturbereich erfolgt die Kristallisation von Polymeren, deren Moleküle unter Bildung supramolekularer Strukturen in Form von Bündeln, Knäueln (Kügelchen), Fibrillen etc. geordnet angeordnet werden können. Die komplexe Struktur von Molekülen und ihren Aggregaten bestimmt das spezifische Verhalten von Polymeren beim Erhitzen. Sie können bei niedriger Viskosität nicht in einen flüssigen Zustand übergehen, sie haben keinen gasförmigen Zustand. In fester Form können Polymere in glasigen, hochelastischen und viskosen Zuständen vorliegen. Polymere mit linearen oder verzweigten Molekülen können bei einer Temperaturänderung von einem Zustand in einen anderen wechseln, was sich im Prozess der Verformung des Polymers äußert. Auf Abb. 9 zeigt die Abhängigkeit der Verformung von der Temperatur.

Reis. 9 Thermomechanische Kurve von amorphem Polymer: t c , t t, t p - Glasübergangstemperatur, Fluidität bzw. Beginn der chemischen Zersetzung; I - III - Zonen eines glasigen, hochelastischen bzw. viskosen Zustands; Δ l- Verformung.

Die räumliche Struktur der Anordnung von Molekülen bestimmt nur den Glaszustand des Polymers. Bei niedrigen Temperaturen verformen sich alle Polymere elastisch (Abb. 9, Zone I). Oberhalb der Glasübergangstemperatur t c ein amorphes Polymer mit linearer Struktur geht in einen hochelastischen Zustand über ( Zone II), und seine Verformung im glasigen und hochelastischen Zustand ist reversibel. Erhitzen über Stockpunkt t t überführt das Polymer in einen viskosen Zustand ( Zone III). Die Verformung des Polymers im viskosen Zustand ist irreversibel. Ein amorphes Polymer mit einer räumlichen (Netzwerk-, vernetzten) Struktur hat keinen viskosen Zustand, der Temperaturbereich des hochelastischen Zustands dehnt sich auf die Temperatur der Polymerzersetzung aus t R. Dieses Verhalten ist typisch für gummiartige Materialien.

Die Temperatur eines Stoffes in jedem Aggregatzustand charakterisiert die mittlere kinetische Energie seiner Teilchen (Atome und Moleküle). Diese Teilchen in Körpern haben hauptsächlich die kinetische Energie von Schwingungsbewegungen relativ zum Gleichgewichtszentrum, wo die Energie minimal ist. Wenn eine bestimmte kritische Temperatur erreicht ist, verliert das feste Material seine Festigkeit (Stabilität) und schmilzt, und die Flüssigkeit wird zu Dampf: es siedet und verdampft. Diese kritischen Temperaturen sind die Schmelz- und Siedepunkte.

Wenn ein kristallines Material auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, bewegen sich die Moleküle so heftig, dass die starren Bindungen im Polymer aufgebrochen und die Kristalle zerstört werden – sie gehen in einen flüssigen Zustand über. Die Temperatur, bei der Kristalle und Flüssigkeit im Gleichgewicht sind, wird Schmelzpunkt des Kristalls oder Erstarrungspunkt der Flüssigkeit genannt. Für Jod beträgt diese Temperatur 114 o C.

Jedes chemische Element hat seinen eigenen Schmelzpunkt t pl Trennung der Existenz eines Feststoffs und einer Flüssigkeit und des Siedepunkts t kip, entsprechend dem Übergang von Flüssigkeit in Gas. Bei diesen Temperaturen befinden sich die Stoffe im thermodynamischen Gleichgewicht. Eine Änderung des Aggregatzustands kann von einer sprungartigen Änderung der freien Energie, Entropie, Dichte und anderem begleitet sein. physikalische Quantitäten.

Zur Beschreibung der verschiedenen Zustände in Physik verwendet ein breiteres Konzept thermodynamische Phase. Phänomene, die Übergänge von einer Phase in eine andere beschreiben, werden als kritisch bezeichnet.

Beim Erhitzen durchlaufen Substanzen Phasenumwandlungen. Beim Schmelzen (1083 o C) verwandelt sich Kupfer in eine Flüssigkeit, in der die Atome nur eine Nahordnung haben. Bei einem Druck von 1 atm siedet Kupfer bei 2310 °C und verwandelt sich in gasförmiges Kupfer mit zufällig angeordneten Kupferatomen. Am Schmelzpunkt sind die Drücke des gesättigten Dampfes des Kristalls und der Flüssigkeit gleich.

Das Material als Ganzes ist ein System.

System- eine Gruppe von Stoffen kombiniert körperlich, chemische oder mechanische Wechselwirkungen. Phase wird als homogener Teil des Systems bezeichnet, der von anderen Teilen getrennt ist physikalische Grenzflächen (in Gusseisen: Graphit + Eisenkörner; in Eiswasser: Eis + Wasser).Komponenten Systeme sind die verschiedenen Phasen, aus denen ein bestimmtes System besteht. Systemkomponenten- das sind Stoffe, die alle Phasen (Komponenten) dieses Systems bilden.

Materialien, die aus zwei oder mehr Phasen bestehen, sind verteilt Systeme . Disperse Systeme werden unterteilt in Sole, deren Verhalten dem Verhalten von Flüssigkeiten ähnelt, und Gele mit den charakteristischen Eigenschaften von Festkörpern. Bei Solen ist das Dispersionsmedium, in dem die Substanz verteilt ist, flüssig, bei Gelen überwiegt die feste Phase. Gele sind halbkristallines Metall, Beton, eine Lösung von Gelatine in Wasser bei niedriger Temperatur (bei hoher Temperatur wird Gelatine zu einem Sol). Ein Hydrosol ist eine Dispersion in Wasser, ein Aerosol eine Dispersion in Luft.

Zustandsdiagramme.

In einem thermodynamischen System wird jede Phase durch Parameter wie Temperatur charakterisiert T, Konzentration mit und Druck R. Um Phasenumwandlungen zu beschreiben, wird ein einziges Energiemerkmal verwendet – die freie Gibbs-Energie ΔG(thermodynamisches Potential).

Die Thermodynamik bei der Beschreibung von Umwandlungen beschränkt sich auf die Betrachtung des Gleichgewichtszustandes. Gleichgewichtszustand Das thermodynamische System ist durch die Invarianz der thermodynamischen Parameter (Temperatur und Konzentration, wie bei der technologischen Verarbeitung) gekennzeichnet R= const) in der Zeit und das Fehlen von Energie- und Materieströmen darin - bei der Konstanz der äußeren Bedingungen. Phasengleichgewicht- Gleichgewichtszustand eines thermodynamischen Systems, das aus zwei oder mehr Phasen besteht.

Zur mathematischen Beschreibung der Gleichgewichtsbedingungen des Systems gibt es Phasenregel gegeben von Gibbs. Sie verbindet die Anzahl der Phasen (F) und Komponenten (K) in einem Gleichgewichtssystem mit der Varianz des Systems, also der Anzahl der thermodynamischen Freiheitsgrade (C).

Die Anzahl der thermodynamischen Freiheitsgrade (Varianz) eines Systems ist die Anzahl der unabhängigen Variablen, sowohl intern (chemische Zusammensetzung der Phasen) als auch extern (Temperatur), denen verschiedene willkürliche (in einem bestimmten Intervall) Werte gegeben werden können dass neue Phasen nicht erscheinen und alte Phasen nicht verschwinden.

Gleichung der Gibbs-Phasenregel:

C \u003d K - F + 1.

Nach dieser Regel sind in einem System aus zwei Komponenten (K = 2) folgende Freiheitsgrade möglich:

Für einen einphasigen Zustand (F = 1) ist C = 2, d. h. Sie können Temperatur und Konzentration ändern;

Für einen zweiphasigen Zustand (F = 2) ist C = 1, d. h. Sie können nur einen externen Parameter (z. B. Temperatur) ändern;

Bei einem dreiphasigen Zustand ist die Anzahl der Freiheitsgrade null, d. h. es ist unmöglich, die Temperatur zu ändern, ohne das Gleichgewicht im System zu stören (das System ist invariant).

Beispielsweise ist für ein reines Metall (K = 1) während der Kristallisation, wenn es zwei Phasen gibt (F = 2), die Anzahl der Freiheitsgrade null. Das bedeutet, dass die Kristallisationstemperatur nicht geändert werden kann, bis der Prozess beendet ist und eine Phase übrig bleibt – ein fester Kristall. Nach Beendigung der Kristallisation (F = 1) ist die Zahl der Freiheitsgrade 1, man kann also die Temperatur ändern, d. h. den Festkörper abkühlen, ohne das Gleichgewicht zu stören.

Das Verhalten von Systemen in Abhängigkeit von Temperatur und Konzentration wird durch ein Zustandsdiagramm beschrieben. Das Zustandsdiagramm von Wasser ist ein System mit einer H 2 O-Komponente, daher ist die größte Anzahl von Phasen, die gleichzeitig im Gleichgewicht sein können, drei (Abb. 10). Diese drei Phasen sind Flüssigkeit, Eis, Dampf. Die Anzahl der Freiheitsgrade ist in diesem Fall gleich Null, d.h. es ist unmöglich, weder den Druck noch die Temperatur so zu verändern, dass keine der Phasen verschwindet. Gewöhnliches Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf können nur bei einem Druck von 0,61 kPa und einer Temperatur von 0,0075 °C gleichzeitig im Gleichgewicht existieren. Der Punkt, an dem die drei Phasen koexistieren, wird Tripelpunkt genannt ( Ö).

Kurve Betriebssystem trennt die Bereiche Dampf und Flüssigkeit und stellt die Abhängigkeit des Drucks von gesättigtem Wasserdampf von der Temperatur dar. Die OC-Kurve zeigt jene zusammenhängenden Werte von Temperatur und Druck, bei denen flüssiges Wasser und Wasserdampf miteinander im Gleichgewicht stehen, daher wird sie als Flüssigkeits-Dampf-Gleichgewichtskurve oder Siedekurve bezeichnet.

Abb. 10 Wasserzustandsdiagramm

Kurve OV trennt den flüssigen Bereich vom Eisbereich. Es ist eine Fest-Flüssig-Gleichgewichtskurve und wird Schmelzkurve genannt. Diese Kurve zeigt jene zusammenhängenden Temperatur- und Druckpaare, bei denen Eis und flüssiges Wasser im Gleichgewicht sind.

Kurve OA wird als Sublimationskurve bezeichnet und zeigt die miteinander verbundenen Paare von Druck- und Temperaturwerten, bei denen Eis und Wasserdampf im Gleichgewicht sind.

Ein Zustandsdiagramm ist eine visuelle Möglichkeit, die Existenzbereiche verschiedener Phasen in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen wie Druck und Temperatur darzustellen. Zustandsdiagramme werden in der Materialwissenschaft in verschiedenen technologischen Phasen der Herstellung eines Produkts aktiv eingesetzt.

Eine Flüssigkeit unterscheidet sich von einem festen kristallinen Körper durch niedrige Viskositätswerte (innere Reibung von Molekülen) und hohe Fließfähigkeitswerte (der Kehrwert der Viskosität). Eine Flüssigkeit besteht aus vielen Aggregaten von Molekülen, in denen die Teilchen in einer bestimmten Ordnung angeordnet sind, ähnlich der Ordnung in Kristallen. Die Art der Struktureinheiten und die Wechselwirkung zwischen den Partikeln bestimmt die Eigenschaften der Flüssigkeit. Es gibt Flüssigkeiten: monoatomar (verflüssigte Edelgase), molekular (Wasser), ionisch (geschmolzene Salze), metallisch (geschmolzene Metalle), flüssige Halbleiter. Eine Flüssigkeit ist in den meisten Fällen nicht nur ein Aggregatzustand, sondern auch eine thermodynamische (flüssige) Phase.

Flüssige Substanzen sind meistens Lösungen. Lösung homogener, aber kein chemisch reiner Stoff, besteht aus einem gelösten Stoff und einem Lösungsmittel (Beispiele für ein Lösungsmittel sind Wasser oder organische Lösungsmittel: Dichlorethan, Alkohol, Tetrachlorkohlenstoff usw.), daher ist es ein Stoffgemisch. Ein Beispiel ist eine Lösung von Alkohol in Wasser. Lösungen sind aber auch Gemische gasförmiger (z. B. Luft) oder fester (Metalllegierungen) Stoffe.

Beim Abkühlen unter Bedingungen geringer Bildung von Kristallisationszentren und starkem Viskositätsanstieg kann ein glasartiger Zustand auftreten. Gläser sind isotrope feste Materialien, die durch Unterkühlung geschmolzener anorganischer und organischer Verbindungen erhalten werden.

Viele Substanzen sind bekannt, deren Übergang von einem kristallinen Zustand zu einer isotropen Flüssigkeit durch einen flüssigkristallinen Zwischenzustand erfolgt. Es ist charakteristisch für Substanzen, deren Moleküle die Form langer Stäbchen (Stäbchen) mit asymmetrischer Struktur haben. Solche Phasenübergänge, begleitet von thermischen Effekten, bewirken eine abrupte Änderung mechanischer, optischer, dielektrischer und anderer Eigenschaften.

Flüssigkristalle, können wie eine Flüssigkeit die Form eines länglichen Tropfens oder die Form eines Gefäßes annehmen, haben eine hohe Fließfähigkeit und sind in der Lage zu verschmelzen. Sie werden in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik eingesetzt. Ihre optischen Eigenschaften hängen stark von kleinen Änderungen der äußeren Bedingungen ab. Diese Funktion wird in elektrooptischen Geräten verwendet. Flüssigkristalle werden insbesondere bei der Herstellung von elektronischen Uhren, visuellen Geräten usw. verwendet.

Zu den wichtigsten Aggregatzuständen gehört Plasma- teilweise oder vollständig ionisiertes Gas. Je nach Bildungsmethode werden zwei Arten von Plasma unterschieden: thermisch, das entsteht, wenn ein Gas auf hohe Temperaturen erhitzt wird, und gasförmig, das sich bei elektrischen Entladungen in einem gasförmigen Medium bildet.

Plasmachemische Verfahren haben in einer Reihe von Technologiezweigen einen festen Platz eingenommen. Sie werden zum Schneiden und Schweißen hochschmelzender Metalle verwendet, zur Synthese verschiedener Substanzen, sie verwenden häufig Plasmalichtquellen, die Verwendung von Plasma in thermonuklearen Kraftwerken ist vielversprechend usw.

In der alltäglichen Praxis hat man es nicht separat mit einzelnen Atomen, Molekülen und Ionen zu tun, sondern mit realen Stoffen – einem Aggregat aus einer Vielzahl von Teilchen. Je nach Art ihrer Wechselwirkung werden vier Arten von Aggregatzuständen unterschieden: fest, flüssig, gasförmig und Plasma. Ein Stoff kann durch einen entsprechenden Phasenübergang von einem Aggregatzustand in einen anderen übergehen.

Das Vorhandensein einer Substanz in einem bestimmten Aggregatzustand ist auf die zwischen den Teilchen wirkenden Kräfte, den Abstand zwischen ihnen und die Merkmale ihrer Bewegung zurückzuführen. Jeder Aggregatzustand ist durch eine Reihe bestimmter Eigenschaften gekennzeichnet.

Stoffeigenschaften in Abhängigkeit vom Aggregatzustand:

Zustand	Eigentum
gasförmig	Die Fähigkeit, das gesamte Volumen einzunehmen und die Form eines Gefäßes anzunehmen; Kompressibilität; Schnelle Diffusion als Ergebnis der chaotischen Bewegung von Molekülen; Ein signifikanter Überschuss der kinetischen Energie der Teilchen über das Potential, E kinetic. > E-Pot.
flüssig	Die Fähigkeit, die Form des Teils des Gefäßes anzunehmen, den die Substanz einnimmt; Unfähigkeit zu expandieren, bis der gesamte Behälter gefüllt ist; Leichte Kompressibilität; Langsame Diffusion; Flüssigkeit; Die Verhältnismäßigkeit der potentiellen und kinetischen Energie der Teilchen, E kinetic. ≈ E-Pot.
fest	Die Fähigkeit, ihre eigene Form und ihr Volumen beizubehalten; Sehr geringe Kompressibilität (unter hohem Druck) Sehr langsame Diffusion durch oszillatorische Bewegung der Partikel; Mangelnde Fließfähigkeit; Ein deutlicher Überschuss der potentiellen Energie der Teilchen gegenüber der kinetischen, E-Kinetik.<Е потенц.

Entsprechend dem Ordnungsgrad des Systems ist jeder Aggregatzustand durch ein eigenes Verhältnis zwischen kinetischer und potentieller Energie der Teilchen gekennzeichnet. Bei Festkörpern überwiegt das Potential gegenüber der Kinetik, da die Teilchen bestimmte Orte einnehmen und nur um diese herum schwingen. Bei Gasen besteht eine umgekehrte Beziehung zwischen potentieller und kinetischer Energie, da sich Gasmoleküle immer zufällig bewegen und zwischen ihnen fast keine Kohäsionskräfte bestehen, sodass das Gas das gesamte Volumen einnimmt. Bei Flüssigkeiten sind die kinetische und potentielle Energie der Teilchen ungefähr gleich, zwischen den Teilchen wirkt eine nicht starre Bindung, daher sind Flüssigkeiten Fluidität und ein konstantes Volumen inhärent.

Wenn die Partikel einer Substanz eine regelmäßige geometrische Struktur bilden und die Energie der Bindungen zwischen ihnen größer ist als die Energie der thermischen Schwingungen, was die Zerstörung der bestehenden Struktur verhindert, bedeutet dies, dass sich die Substanz in einem festen Zustand befindet. Aber ab einer bestimmten Temperatur übersteigt die Energie der thermischen Schwingungen die Energie der Bindungen zwischen Teilchen. In diesem Fall bewegen sich die Partikel, obwohl sie in Kontakt bleiben, relativ zueinander. Dadurch wird die geometrische Struktur aufgebrochen und die Substanz geht in einen flüssigen Zustand über. Steigen die thermischen Schwankungen so stark an, dass die Verbindung zwischen den Teilchen praktisch verloren geht, nimmt der Stoff einen gasförmigen Zustand an. In einem "idealen" Gas bewegen sich Teilchen frei in alle Richtungen.

Wenn die Temperatur ansteigt, geht der Stoff von einem geordneten Zustand (fest) in einen ungeordneten Zustand (gasförmig) über, wobei der flüssige Zustand in Bezug auf die Ordnung der Teilchen dazwischen liegt.

Der vierte Aggregatzustand heißt Plasma – ein Gas, das aus einer Mischung neutraler und ionisierter Teilchen und Elektronen besteht. Plasma wird bei ultrahohen Temperaturen (10 5 -10 7 0 C) aufgrund der erheblichen Kollisionsenergie von Teilchen mit maximaler Bewegungsunordnung gebildet. Ein obligatorisches Merkmal des Plasmas, wie auch anderer Materiezustände, ist seine elektrische Neutralität. Als Folge der ungeordneten Bewegung von Teilchen im Plasma können jedoch getrennte geladene Mikrozonen auftreten, wodurch es zu einer Quelle elektromagnetischer Strahlung wird. Im Plasmazustand gibt es Materie auf Sternen, anderen Weltraumobjekten sowie in thermonuklearen Prozessen.

Jeder Aggregatzustand wird in erster Linie durch den Temperatur- und Druckbereich bestimmt, daher wird für eine visuelle quantitative Eigenschaft ein Phasendiagramm eines Stoffes verwendet, das die Abhängigkeit des Aggregatzustands von Druck und Temperatur zeigt.

Aggregatzustandsdiagramm mit Phasenübergangskurven: 1 - Schmelzen-Kristallisation, 2 - Sieden-Kondensation, 3 - Sublimation-Desublimation

Das Zustandsdiagramm besteht aus drei Hauptbereichen, die dem kristallinen, flüssigen und gasförmigen Zustand entsprechen. Einzelne Regionen sind durch Kurven getrennt, die Phasenübergänge widerspiegeln:

1. fest zu flüssig und umgekehrt, flüssig zu fest (Schmelz-Kristallisationskurve - gepunktete grüne Kurve)
2. flüssig zu gasförmig und umgekehrte Umwandlung von Gas zu Flüssigkeit (Siede-Kondensations-Kurve - blaues Diagramm)
3. fest zu gasförmig und gasförmig zu fest (Sublimations-Desublimationskurve - roter Graph).

Die Koordinaten des Schnittpunkts dieser Kurven werden als Tripelpunkt bezeichnet, in dem unter Bedingungen eines bestimmten Drucks P \u003d P in und einer bestimmten Temperatur T \u003d T in eine Substanz gleichzeitig in drei Aggregatzuständen koexistieren kann. und der flüssige und der feste Zustand haben den gleichen Dampfdruck. Die Koordinaten Pv und Tv sind die einzigen Druck- und Temperaturwerte, bei denen alle drei Phasen gleichzeitig koexistieren können.

Der Punkt K im Phasendiagramm des Zustands entspricht der Temperatur T k - der sogenannten kritischen Temperatur, bei der die kinetische Energie der Teilchen die Energie ihrer Wechselwirkung und damit die Trennlinie zwischen flüssiger und gasförmiger Phase übersteigt gelöscht wird und die Substanz bei jedem Druck im gasförmigen Zustand vorliegt.

Aus der Analyse des Phasendiagramms folgt, dass bei einem höheren Druck als am Tripelpunkt (P c) die Erwärmung eines Festkörpers mit seinem Schmelzen endet, z. B. bei P 1, das Schmelzen an dem Punkt auftritt d. Eine weitere Temperaturerhöhung von T d auf T e führt zum Sieden der Substanz bei einem gegebenen Druck P 1 . Bei einem Druck Р 2 kleiner als der Druck am Tripelpunkt Р в führt das Erhitzen der Substanz zu ihrem direkten Übergang vom kristallinen in den gasförmigen Zustand (Punkt q), also zur Sublimation. Bei den meisten Stoffen ist der Druck am Tripelpunkt kleiner als der Sättigungsdampfdruck (P in

P Sattdampf, wenn also die Kristalle solcher Substanzen erhitzt werden, schmelzen sie nicht, sondern verdampfen, dh sie sublimieren. So verhalten sich beispielsweise Jodkristalle oder „Trockeneis“ (festes CO 2 ).

Zustandsdiagrammanalyse

Gaszustand

Unter normalen Bedingungen (273 K, 101325 Pa) sind sowohl einfache Substanzen, deren Moleküle aus einem (He, Ne, Ar) oder mehreren einfachen Atomen (H 2, N 2, O 2) bestehen, als auch komplexe Substanzen mit einem niedrigen Molmasse (CH 4, HCl, C 2 H 6).

Da die kinetische Energie von Gasteilchen ihre potentielle Energie übersteigt, bewegen sich die Moleküle im gasförmigen Zustand ständig zufällig. Aufgrund der großen Abstände zwischen den Teilchen sind die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung in Gasen so gering, dass sie nicht ausreichen, um Teilchen aneinander zu ziehen und zusammenzuhalten. Aus diesem Grund haben Gase keine eigene Form und zeichnen sich durch eine geringe Dichte und eine hohe Komprimier- und Expansionsfähigkeit aus. Daher drückt das Gas ständig in alle Richtungen gleichmäßig auf die Wände des Gefäßes, in dem es sich befindet.

Um den Zusammenhang zwischen den wichtigsten Gasparametern (Druck P, Temperatur T, Stoffmenge n, Molmasse M, Masse m) zu untersuchen, wird das einfachste Modell des gasförmigen Aggregatzustands verwendet - ideales Gas, dem folgende Annahmen zugrunde liegen:

• die Wechselwirkung zwischen Gasteilchen kann vernachlässigt werden;
• die Partikel selbst sind materielle Punkte, die keine eigene Größe haben.

Die Gleichungen sind die allgemeinste Gleichung, die das ideale Gasmodell beschreibt Mendeleev-Clapeyron für ein Mol einer Substanz:

Das Verhalten eines realen Gases weicht jedoch in der Regel vom idealen ab. Dies erklärt sich zum einen damit, dass zwischen den Molekülen eines realen Gases noch unbedeutende gegenseitige Anziehungskräfte bestehen, die das Gas gewissermaßen komprimieren. Unter Berücksichtigung dessen erhöht sich der Gesamtgasdruck um den Wert a/v2, der den zusätzlichen Innendruck durch die gegenseitige Anziehung von Molekülen berücksichtigt. Als Ergebnis wird der Gesamtgasdruck durch die Summe ausgedrückt P+ a/v2. Zweitens haben die Moleküle eines realen Gases zwar ein kleines, aber ganz bestimmtes Volumen b , also das tatsächliche Volumen aller Gase im Weltraum V- b . Wenn wir die betrachteten Werte in die Mendeleev-Clapeyron-Gleichung einsetzen, erhalten wir die Zustandsgleichung eines realen Gases, das heißt Van-der-Waals-Gleichung:

wo a und b sind empirische Koeffizienten, die für jedes reale Gas in der Praxis ermittelt werden. Es wird festgestellt, dass der Koeffizient a hat einen großen Wert für leicht verflüssigbare Gase (z. B. CO 2, NH 3) und den Koeffizienten b - im Gegenteil, je größer die Größe, desto größer die Gasmoleküle (z. B. gasförmige Kohlenwasserstoffe).

Die Van-der-Waals-Gleichung beschreibt das Verhalten eines realen Gases viel genauer als die Mendeleev-Clapeyron-Gleichung, die jedoch aufgrund ihrer klaren physikalischen Bedeutung in praktischen Berechnungen weit verbreitet ist. Obwohl der ideale Zustand eines Gases ein begrenzter, imaginärer Fall ist, machen die Einfachheit der ihm entsprechenden Gesetze und die Möglichkeit ihrer Anwendung zur Beschreibung der Eigenschaften vieler Gase bei niedrigen Drücken und hohen Temperaturen das ideale Gasmodell sehr bequem .

Flüssiger Aggregatzustand

Der flüssige Zustand einer bestimmten Substanz ist in einem bestimmten Temperatur- und Druckbereich, der für die Art (Zusammensetzung) der Substanz charakteristisch ist, thermodynamisch stabil. Die obere Temperaturgrenze des flüssigen Zustands ist der Siedepunkt, oberhalb dessen sich ein Stoff unter stabilen Druckbedingungen im gasförmigen Zustand befindet. Die untere Grenze des stabilen Zustands der Existenz einer Flüssigkeit ist die Kristallisationstemperatur (Erstarrung). Siede- und Kristallisationstemperaturen, gemessen bei einem Druck von 101,3 kPa, werden als normal bezeichnet.

Für gewöhnliche Flüssigkeiten ist Isotropie inhärent - die Gleichmäßigkeit der physikalischen Eigenschaften in allen Richtungen innerhalb der Substanz. Manchmal werden auch andere Begriffe für Isotropie verwendet: Invarianz, Symmetrie bezüglich der Richtungswahl.

Bei der Bildung von Ansichten über die Natur des flüssigen Zustands ist der von Mendeleev (1860) entdeckte Begriff des kritischen Zustands von großer Bedeutung:

Ein kritischer Zustand ist ein Gleichgewichtszustand, in dem die Trenngrenze zwischen einer Flüssigkeit und ihrem Dampf verschwindet, da die Flüssigkeit und ihr gesättigter Dampf die gleichen physikalischen Eigenschaften annehmen.

Im kritischen Zustand werden die Werte sowohl der Dichte als auch des spezifischen Volumens der Flüssigkeit und ihres gesättigten Dampfes gleich.

Der flüssige Aggregatzustand liegt zwischen gasförmig und fest. Einige Eigenschaften bringen den flüssigen Zustand näher an den festen. Kennzeichnen sich Festkörper durch eine starre Ordnung der Teilchen aus, die sich über eine Distanz von Hunderttausenden von interatomaren oder intermolekularen Radien erstreckt, so werden im flüssigen Zustand in der Regel nicht mehr als einige zehn geordnete Teilchen beobachtet. Dies erklärt sich dadurch, dass schnell eine Ordnung zwischen Partikeln an verschiedenen Orten einer flüssigen Substanz entsteht, die durch thermische Schwingungen von Partikeln ebenso schnell wieder „verwischt“ wird. Gleichzeitig unterscheidet sich die Gesamtdichte der „Packung“ von Partikeln kaum von der eines Festkörpers, sodass sich die Dichte von Flüssigkeiten nicht wesentlich von der Dichte der meisten Festkörper unterscheidet. Außerdem ist die Kompressionsfähigkeit von Flüssigkeiten fast so gering wie die von Feststoffen (ca. 20.000-mal geringer als die von Gasen).

Die Strukturanalyse bestätigte, dass die sog Kurzstreckenauftrag, was bedeutet, dass die Anzahl der nächsten "Nachbarn" jedes Moleküls und ihre gegenseitige Anordnung im gesamten Volumen ungefähr gleich sind.

Eine relativ kleine Anzahl von Teilchen unterschiedlicher Zusammensetzung, die durch Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung verbunden sind, wird genannt Cluster . Sind alle Teilchen in einer Flüssigkeit gleich, so spricht man von einem solchen Cluster assoziieren . In Clustern und assoziierten Gruppen wird die Nahordnung beobachtet.

Der Ordnungsgrad in verschiedenen Flüssigkeiten hängt von der Temperatur ab. Bei tiefen Temperaturen knapp über dem Schmelzpunkt ist der Ordnungsgrad der Partikelablage sehr hoch. Mit steigender Temperatur nimmt sie ab und mit steigender Temperatur nähern sich die Eigenschaften der Flüssigkeit immer mehr den Eigenschaften von Gasen an und bei Erreichen der kritischen Temperatur verschwindet der Unterschied zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand.

Die Nähe des flüssigen Zustands zum festen Zustand wird durch die Werte der Standardverdampfungsenthalpien DH 0 der Verdampfung und Schmelzen DH 0 des Schmelzens bestätigt. Denken Sie daran, dass der Wert der DH 0 -Verdampfung die Wärmemenge angibt, die benötigt wird, um 1 Mol Flüssigkeit bei 101,3 kPa in Dampf umzuwandeln; Die gleiche Wärmemenge wird für die Kondensation von 1 Mol Dampf zu einer Flüssigkeit unter denselben Bedingungen aufgewendet (dh DH 0 -Verdampfung = DH 0 -Kondensation). Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um 1 Mol eines Feststoffs bei 101,3 kPa in eine Flüssigkeit umzuwandeln, wird als Standardschmelzenthalpie; die gleiche Wärmemenge wird bei der Kristallisation von 1 Mol Flüssigkeit unter Normaldruckbedingungen freigesetzt (DH 0 -Schmelzen = DH 0 -Kristallisation). Es ist bekannt, dass DH 0 verdampft<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.

Andere wichtige Eigenschaften von Flüssigkeiten ähneln jedoch eher denen von Gasen. Flüssigkeiten können also wie Gase fließen - diese Eigenschaft wird genannt Flüssigkeit . Sie können dem Fluss widerstehen, das heißt, sie sind inhärent Viskosität . Diese Eigenschaften werden durch Anziehungskräfte zwischen Molekülen, das Molekulargewicht der flüssigen Substanz und andere Faktoren beeinflusst. Die Viskosität von Flüssigkeiten ist etwa 100-mal größer als die von Gasen. Genau wie Gase können Flüssigkeiten diffundieren, jedoch viel langsamer, da Flüssigkeitspartikel dichter gepackt sind als Gaspartikel.

Eine der interessantesten Eigenschaften des flüssigen Zustands, der weder für Gase noch für Feststoffe charakteristisch ist, ist Oberflächenspannung .

Diagramm der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit

Auf ein in einem Flüssigkeitsvolumen befindliches Molekül wirken zwischenmolekulare Kräfte gleichmäßig von allen Seiten ein. An der Oberfläche der Flüssigkeit wird jedoch das Gleichgewicht dieser Kräfte gestört, wodurch die Oberflächenmoleküle unter der Wirkung einer resultierenden Kraft stehen, die in die Flüssigkeit gerichtet ist. Aus diesem Grund befindet sich die Flüssigkeitsoberfläche in einem Spannungszustand. Die Oberflächenspannung ist die minimale Kraft, die die Partikel einer Flüssigkeit im Inneren hält und dadurch verhindert, dass sich die Oberfläche der Flüssigkeit zusammenzieht.

Struktur und Eigenschaften von Festkörpern

Die meisten bekannten Substanzen, sowohl natürliche als auch künstliche, befinden sich unter normalen Bedingungen im festen Zustand. Von allen heute bekannten Verbindungen sind etwa 95 % Feststoffe, die wichtig geworden sind, da sie die Grundlage nicht nur von Struktur-, sondern auch von Funktionsmaterialien bilden.

• Strukturmaterialien sind Feststoffe oder deren Zusammensetzungen, die zur Herstellung von Werkzeugen, Haushaltsgegenständen und verschiedenen anderen Strukturen verwendet werden.
• Funktionsmaterialien sind Feststoffe, deren Verwendung auf das Vorhandensein bestimmter nützlicher Eigenschaften in ihnen zurückzuführen ist.

Beispielsweise gehören Stahl, Aluminium, Beton, Keramik zu Strukturmaterialien und Halbleiter, Leuchtstoffe zu Funktionsmaterialien.

Im Festkörper sind die Abstände zwischen den Materieteilchen klein und haben die gleiche Größenordnung wie die Teilchen selbst. Die Wechselwirkungsenergien zwischen ihnen sind groß genug, was die freie Bewegung von Teilchen verhindert - sie können nur um bestimmte Gleichgewichtspositionen oszillieren, beispielsweise um die Knoten des Kristallgitters. Die Unfähigkeit von Partikeln, sich frei zu bewegen, führt zu einem der charakteristischsten Merkmale von Festkörpern - dem Vorhandensein ihrer eigenen Form und ihres eigenen Volumens. Die Fähigkeit, Feststoffe zu komprimieren, ist sehr gering, und die Dichte ist hoch und wenig von Temperaturänderungen abhängig. Alle in Feststoffen ablaufenden Prozesse laufen langsam ab. Die Stöchiometriegesetze für Feststoffe haben eine andere und in der Regel weiter gefasste Bedeutung als für gasförmige und flüssige Stoffe.

Die detaillierte Beschreibung von Feststoffen ist für dieses Material zu umfangreich und wird daher in separaten Artikeln behandelt:, und.

Definition

Aggregatzustände der Materie (vom lateinischen aggrego – anheften, verbinden) – das sind die Zustände ein und derselben Substanz – fest, flüssig, gasförmig.

Beim Übergang von einem Zustand in einen anderen kommt es zu einer abrupten Änderung der Energie, Entropie, Dichte und anderer Eigenschaften der Materie.

Feste und flüssige Körper

Definition

Festkörper sind Körper, die sich durch Form- und Volumenkonstanz auszeichnen.

In ihnen sind die zwischenmolekularen Abstände klein und die potentielle Energie der Moleküle vergleichbar mit der kinetischen. Feststoffe werden in zwei Arten unterteilt: kristallin und amorph. Nur kristalline Körper befinden sich im thermodynamischen Gleichgewicht. Amorphe Körper stellen nämlich metastabile Zustände dar, die sich in ihrer Struktur nicht im Gleichgewicht befindlichen, langsam kristallisierenden Flüssigkeiten annähern. In einem amorphen Körper findet ein sehr langsamer Kristallisationsprozess statt, der Prozess eines allmählichen Übergangs eines Stoffes in eine kristalline Phase. Der Unterschied zwischen einem Kristall und einem amorphen Festkörper liegt hauptsächlich in der Anisotropie seiner Eigenschaften. Die Eigenschaften eines kristallinen Körpers hängen von der Raumrichtung ab. Verschiedene Arten von Prozessen, wie z. B. Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Licht, Schall, breiten sich in verschiedenen Richtungen eines Festkörpers auf unterschiedliche Weise aus. Amorphe Körper (Glas, Harze, Kunststoffe) sind wie Flüssigkeiten isotopisch. Der einzige Unterschied zwischen amorphen Körpern und Flüssigkeiten besteht darin, dass letztere flüssig sind, statische Scherverformungen sind bei ihnen nicht möglich.

Kristalline Körper haben die richtige molekulare Struktur. Die Anisotropie seiner Eigenschaften ist auf die richtige Struktur des Kristalls zurückzuführen. Die richtige Anordnung der Atome eines Kristalls bildet das sogenannte Kristallgitter. In verschiedenen Richtungen ist die Anordnung der Atome im Gitter unterschiedlich, was zu Anisotropie führt. Atome (oder Ionen oder ganze Moleküle) im Kristallgitter führen eine zufällige Schwingungsbewegung um die mittleren Positionen aus, die als Knoten des Kristallgitters betrachtet werden. Je höher die Temperatur, desto größer die Schwingungsenergie und damit die durchschnittliche Amplitude der Schwingungen. Die Größe des Kristalls hängt von der Amplitude der Schwingungen ab. Eine Zunahme der Schwingungsamplitude führt zu einer Zunahme der Körpergröße. Dies erklärt die Wärmeausdehnung von Festkörpern.

Definition

Flüssige Körper sind Körper, die ein gewisses Volumen, aber keine Formelastizität besitzen.

Flüssigkeiten zeichnen sich durch starke intermolekulare Wechselwirkung und geringe Kompressibilität aus. Eine Flüssigkeit nimmt eine Zwischenstellung zwischen einem Feststoff und einem Gas ein. Flüssigkeiten sind wie Gase isotopisch. Außerdem hat die Flüssigkeit Fluidität. Darin gibt es wie in Gasen keine Tangentialspannungen (Schubspannungen) von Körpern. Flüssigkeiten sind schwer, d.h. ihr spezifisches Gewicht ist vergleichbar mit dem spezifischen Gewicht von Feststoffen. In der Nähe der Kristallisationstemperaturen sind ihre Wärmekapazitäten und andere thermische Eigenschaften denen von Feststoffen nahe. In Flüssigkeiten wird bis zu einem gewissen Grad die richtige Anordnung der Atome beobachtet, aber nur in kleinen Bereichen. Auch hier schwingen die Atome in der Nähe der Knoten der quasikristallinen Zelle, aber anders als die Atome eines Festkörpers springen sie von Zeit zu Zeit von einem Knoten zum anderen. Infolgedessen wird die Bewegung von Atomen sehr komplex sein: Sie ist schwingend, aber gleichzeitig bewegt sich das Schwingungszentrum im Raum.

Gas, Verdunstung, Kondensation und Schmelzen

Definition

Ein Gas ist ein Aggregatzustand, in dem die Abstände zwischen den Molekülen groß sind.

Die Wechselwirkungskräfte zwischen Molekülen bei niedrigen Drücken können vernachlässigt werden. Gaspartikel füllen das gesamte Volumen aus, das dem Gas zur Verfügung gestellt wird. Gase können als stark überhitzte oder ungesättigte Dämpfe betrachtet werden. Plasma ist eine besondere Art von Gas - es ist teilweise oder vollständig ionisiertes Gas, in dem die Dichte positiver und negativer Ladungen nahezu gleich ist. Plasma ist ein Gas aus geladenen Teilchen, die durch elektrische Kräfte in großer Entfernung miteinander interagieren, aber keine nahen und fernen Teilchen haben.

Stoffe können von einem Aggregatzustand in einen anderen übergehen.

Definition

Verdunstung ist der Prozess der Änderung des Aggregatzustands einer Substanz, bei dem Moleküle von der Oberfläche einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs herausgeschleudert werden, deren kinetische Energie die potentielle Energie der Wechselwirkung von Molekülen übersteigt.

Verdampfung ist ein Phasenübergang. Beim Verdampfen geht ein Teil der Flüssigkeit oder des Feststoffs in Dampf über. Ein Stoff im gasförmigen Zustand, der mit einer Flüssigkeit im dynamischen Gleichgewicht steht, wird als gesättigter Dampf bezeichnet. In diesem Fall die Änderung der inneren Energie des Körpers:

\[\triangle \ U=\pm mr\ \left(1\right),\]

wobei m das Körpergewicht ist, r die spezifische Verdampfungswärme (J / kg).

Definition

Kondensation ist der umgekehrte Prozess der Verdampfung.

Die Berechnung der Änderung der inneren Energie erfolgt nach Formel (1).

Definition

Schmelzen ist der Vorgang des Übergangs eines Stoffes von einem festen in einen flüssigen Zustand, der Vorgang der Änderung des Aggregatzustands eines Stoffes.

Wenn eine Substanz erhitzt wird, erhöht sich ihre innere Energie, daher erhöht sich die Geschwindigkeit der thermischen Bewegung von Molekülen. Ist der Schmelzpunkt des Stoffes erreicht, beginnt das Kristallgitter des Festkörpers aufzubrechen. Bindungen zwischen Partikeln werden zerstört, die Wechselwirkungsenergie zwischen Partikeln nimmt zu. Die auf den Körper übertragene Wärme dient dazu, die innere Energie dieses Körpers zu erhöhen, und ein Teil der Energie wird dazu verwendet, Arbeit zu leisten, um das Volumen des Körpers zu ändern, wenn er schmilzt. Bei den meisten kristallinen Körpern nimmt das Volumen beim Schmelzen zu, es gibt jedoch Ausnahmen, z. B. Eis, Gusseisen. Amorphe Körper haben keinen bestimmten Schmelzpunkt. Das Schmelzen ist ein Phasenübergang, der von einer abrupten Änderung der Wärmekapazität bei der Schmelztemperatur begleitet wird. Der Schmelzpunkt ist stoffabhängig und verändert sich während des Prozesses nicht. In diesem Fall die Änderung der inneren Energie des Körpers:

\[\triangle U=\pm m\lambda \left(2\right),\]

wobei $\lambda $ die spezifische Schmelzwärme (J/kg) ist.

Der umgekehrte Prozess des Schmelzens ist die Kristallisation. Die Berechnung der Änderung der inneren Energie erfolgt nach Formel (2).

Die Änderung der inneren Energie jedes Körpers des Systems bei Erwärmung oder Abkühlung kann nach folgender Formel berechnet werden:

\[\triangle U=mc\triangle T\left(3\right),\]

wobei c die spezifische Wärme der Substanz ist, J/(kgK), $\triangle T$ die Änderung der Körpertemperatur ist.

Bei der Untersuchung der Übergänge von Stoffen von einem Aggregatzustand in einen anderen kommt man nicht ohne die sogenannte Wärmebilanzgleichung aus, die besagt: Die Gesamtmenge an Wärme, die in einem wärmegedämmten System freigesetzt wird, ist gleich der Menge an Wärme (gesamt), die in diesem System absorbiert wird.

Die Wärmebilanzgleichung ist in ihrer Bedeutung der Energieerhaltungssatz für Wärmeübertragungsvorgänge in wärmegedämmten Systemen.

Beispiel 1

Aufgabe: In einem wärmeisolierten Gefäß befinden sich Wasser und Eis bei der Temperatur $t_i= 0^oС$. Die Massen von Wasser ($m_(v\ ))$ und Eis ($m_(i\ ))$ betragen 0,5 kg bzw. 60 g. In das Wasser wird Wasserdampf der Masse $m_(p\ )=$10 g eingelassen. bei der Temperatur $t_p= 100^oС$. Welche Temperatur wird das Wasser im Behälter haben, nachdem sich das thermische Gleichgewicht eingestellt hat? Die Wärmekapazität des Gefäßes wird vernachlässigt.

Lösung: Stellen wir fest, welche Prozesse im System ablaufen, welche Aggregatzustände der Materie wir hatten und was wir bekommen haben.

Wasserdampf kondensiert und gibt dabei Wärme ab.

Diese Wärme wird zum Schmelzen des Eises und gegebenenfalls zum Erhitzen des verfügbaren und aus dem Eis gewonnenen Wassers verwendet.

Prüfen wir zunächst, wie viel Wärme bei der Kondensation der zur Verfügung stehenden Dampfmasse freigesetzt wird:

hier haben wir aus Referenzmaterialien $r=2,26 10^6\frac(J)(kg)$ - spezifische Verdampfungswärme (gilt auch für Kondensation).

Zum Schmelzen von Eis benötigte Wärme:

hier haben wir aus Referenzmaterialien $\lambda =3,3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - spezifische Schmelzwärme von Eis.

Wir bekommen, dass der Dampf mehr Wärme als nötig abgibt, nur um das vorhandene Eis zu schmelzen, deshalb schreiben wir die Wärmebilanzgleichung in der Form:

Beim Kondensieren von Dampf mit der Masse $m_(p\ )$ und beim Abkühlen von Wasser, das aus Dampf von der Temperatur $T_p$ auf die gewünschte Temperatur T gebildet wird, wird Wärme freigesetzt. Beim Schmelzen von Eis mit der Masse $m_(i\) wird Wärme absorbiert. )$ und Erwärmung von Wasser mit Masse $m_v+ m_i$ von Temperatur $T_i$ auf $T.\ $ Bezeichne $T-T_i=\triangle T$, für die Differenz $T_p-T$ erhält man:

Die Wärmebilanzgleichung hat die Form:

\ \ \[\triangle T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\left(m_v+m_i+m_(p\ )\right))\left (1.6\rechts)\]

Wir führen Berechnungen durch und berücksichtigen dabei, dass die Wärmekapazität von Wasser tabellarisch $c=4,2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i ist +273=273K$:

$\triangle T=\frac(2,26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4,2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2)\cdot 3,3\cdot 10^5)(4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^(-1))\approx 3\left(K\right)$dann T=273+3=276 (K)

Antwort: Die Temperatur des Wassers im Gefäß nach der Herstellung des thermischen Gleichgewichts beträgt 276 K.

Beispiel 2

Aufgabe: Die Abbildung zeigt den Abschnitt der Isotherme, der dem Übergang eines Stoffes vom kristallinen in den flüssigen Zustand entspricht. Was entspricht diesem Abschnitt im p,T-Diagramm?

Der gesamte Satz von Zuständen, der im p, V-Diagramm durch ein horizontales gerades Liniensegment dargestellt wird, im p, T-Diagramm wird durch einen Punkt dargestellt, der die Werte von p und T bestimmt, an denen der Übergang von einem Aggregatzustand erfolgt ein weiterer findet statt.

Am weitesten verbreitet ist das Wissen um drei Aggregatzustände: flüssig, fest, gasförmig, manchmal denkt man an Plasma, seltener an Flüssigkristall. Kürzlich hat sich im Internet eine Liste von 17 Phasen der Materie verbreitet, die dem berühmten () Stephen Fry entnommen ist. Deshalb werden wir ausführlicher darüber sprechen, weil. man sollte etwas mehr über Materie wissen, schon um die Vorgänge im Universum besser zu verstehen.

Die unten angegebene Liste der Aggregatzustände der Materie steigt von den kältesten Zuständen zu den heißesten und so weiter. darf fortgesetzt werden. Gleichzeitig sollte verstanden werden, dass aus dem gasförmigen Zustand (Nr. 11), dem „expandiertesten“, auf beiden Seiten der Liste, der Kompressionsgrad der Substanz und ihr Druck (mit einigen Vorbehalten für solche unerforschten hypothetische Zustände wie Quanten-, Strahlen- oder schwach symmetrische Zustände) Nach dem Text folgt eine visuelle Darstellung der Phasenübergänge der Materie.

1. Quanten- der Aggregatzustand der Materie, der erreicht wird, wenn die Temperatur auf den absoluten Nullpunkt sinkt, wodurch innere Bindungen verschwinden und Materie in freie Quarks zerfällt.

2. Bose-Einstein-Kondensat- Aggregatzustand der Materie, der auf Bosonen basiert, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt sind (weniger als ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt). In einem so stark abgekühlten Zustand befinden sich ausreichend viele Atome in ihren minimal möglichen Quantenzuständen, und Quanteneffekte beginnen sich auf makroskopischer Ebene zu manifestieren. Bose-Einstein-Kondensat (häufig als „Bose-Kondensat“ oder einfach „zurück“ bezeichnet) entsteht, wenn Sie ein chemisches Element auf extrem niedrige Temperaturen (normalerweise knapp über dem absoluten Nullpunkt, minus 273 Grad Celsius) abkühlen wo alles aufhört sich zu bewegen).
Hier beginnen seltsame Dinge mit der Substanz zu passieren. Prozesse, die normalerweise nur auf atomarer Ebene beobachtet werden, finden jetzt in Größenordnungen statt, die groß genug sind, um mit bloßem Auge beobachtet zu werden. Wenn Sie beispielsweise einen "Rücken" in ein Becherglas stellen und die gewünschte Temperatur einstellen, beginnt die Substanz, die Wand hinaufzukriechen und schließlich von selbst herauszukommen.
Offensichtlich handelt es sich hier um einen vergeblichen Versuch der Substanz, ihre eigene Energie (die bereits auf dem niedrigsten aller möglichen Niveaus liegt) zu senken.
Das Verlangsamen von Atomen mit Kühlgeräten erzeugt einen einzigartigen Quantenzustand, der als Bose-Kondensat oder Bose-Einstein bekannt ist. Dieses Phänomen wurde 1925 von A. Einstein als Ergebnis einer Verallgemeinerung der Arbeit von S. Bose vorhergesagt, in der die statistische Mechanik für Teilchen aufgebaut wurde, die von masselosen Photonen bis zu Atomen mit Masse reichten (Einsteins Manuskript, das als verschollen galt, wurde 2005 in der Bibliothek der Universität Leiden gefunden). Das Ergebnis der Bemühungen von Bose und Einstein war das Bose-Konzept eines Gases, das der Bose-Einstein-Statistik gehorcht, die die statistische Verteilung identischer Teilchen mit ganzzahligem Spin, den sogenannten Bosonen, beschreibt. Bosonen, das sind zum Beispiel sowohl einzelne Elementarteilchen – Photonen, als auch ganze Atome – können sich in gleichen Quantenzuständen befinden. Einstein schlug vor, dass das Abkühlen von Atomen – Bosonen auf sehr niedrige Temperaturen – dazu führen würde, dass sie in den niedrigstmöglichen Quantenzustand übergehen (oder mit anderen Worten kondensieren). Das Ergebnis einer solchen Verdichtung wird die Entstehung einer neuen Form von Materie sein.
Dieser Übergang tritt unterhalb der kritischen Temperatur auf, die für ein homogenes dreidimensionales Gas gilt, das aus nicht wechselwirkenden Teilchen ohne innere Freiheitsgrade besteht.

3. Fermionisches Kondensat- der Aggregatzustand der Materie, ähnlich der Unterlage, aber unterschiedlicher Struktur. Bei Annäherung an den absoluten Nullpunkt verhalten sich Atome je nach Größe ihres eigenen Drehimpulses (Spin) unterschiedlich. Bosonen haben ganzzahlige Spins, während Fermionen Spins haben, die Vielfache von 1/2 (1/2, 3/2, 5/2) sind. Fermionen gehorchen dem Pauli-Ausschlussprinzip, das besagt, dass zwei Fermionen nicht denselben Quantenzustand haben können. Für Bosonen gibt es kein solches Verbot, und daher haben sie die Möglichkeit, in einem Quantenzustand zu existieren und dabei das sogenannte Bose-Einstein-Kondensat zu bilden. Der Prozess der Bildung dieses Kondensats ist für den Übergang in den supraleitenden Zustand verantwortlich.
Elektronen haben Spin 1/2 und sind daher Fermionen. Sie verbinden sich zu Paaren (sogenannte Cooper-Paare), die dann ein Bose-Kondensat bilden.
Amerikanische Wissenschaftler versuchten, durch Tiefenkühlung eine Art Molekül aus Fermion-Atomen zu gewinnen. Der Unterschied zu echten Molekülen bestand darin, dass es keine chemische Bindung zwischen den Atomen gab – sie bewegten sich nur auf korrelierte Weise zusammen. Die Bindung zwischen Atomen erwies sich als noch stärker als zwischen Elektronen in Cooper-Paaren. Für die gebildeten Fermionenpaare ist der Gesamtspin nicht mehr ein Vielfaches von 1/2, sie verhalten sich also bereits wie Bosonen und können ein Bose-Kondensat mit einem einzigen Quantenzustand bilden. Während des Experiments wurde ein Gas aus Kalium-40-Atomen auf 300 Nanokelvin abgekühlt, während das Gas in einer sogenannten optischen Falle eingeschlossen war. Dann wurde ein externes Magnetfeld angelegt, mit dessen Hilfe die Art der Wechselwirkungen zwischen Atomen verändert werden konnte - statt einer starken Abstoßung wurde eine starke Anziehung beobachtet. Bei der Analyse des Einflusses des Magnetfelds konnte ein solcher Wert gefunden werden, bei dem sich die Atome wie Cooper-Elektronenpaare zu verhalten begannen. In der nächsten Phase des Experiments schlagen die Wissenschaftler vor, die Effekte der Supraleitung für das fermionische Kondensat zu erhalten.

4. Superflüssige Materie- ein Zustand, in dem die Substanz praktisch keine Viskosität hat und beim Fließen keine Reibung mit einer festen Oberfläche erfährt. Die Folge davon ist zum Beispiel ein so interessanter Effekt wie das völlig spontane „Herauskriechen“ von superflüssigem Helium aus dem Gefäß entlang seiner Wände gegen die Schwerkraft. Natürlich liegt hier kein Verstoß gegen den Energieerhaltungssatz vor. In Abwesenheit von Reibungskräften wirken auf Helium nur Gravitationskräfte, Kräfte der interatomaren Wechselwirkung zwischen Helium und den Wänden des Gefäßes und zwischen Heliumatomen. Die Kräfte der interatomaren Wechselwirkung übersteigen also alle anderen Kräfte zusammengenommen. Infolgedessen neigt Helium dazu, sich so weit wie möglich über alle möglichen Oberflächen zu verteilen und "wandert" daher entlang der Gefäßwände. 1938 bewies der sowjetische Wissenschaftler Pyotr Kapitsa, dass Helium in einem superflüssigen Zustand existieren kann.
Es ist erwähnenswert, dass viele der ungewöhnlichen Eigenschaften von Helium schon seit geraumer Zeit bekannt sind. In den letzten Jahren hat uns dieses chemische Element jedoch mit interessanten und unerwarteten Effekten „verwöhnt“. So faszinierten Moses Chan und Eun-Syong Kim von der University of Pennsylvania im Jahr 2004 die wissenschaftliche Welt, indem sie behaupteten, dass es ihnen gelungen sei, einen völlig neuen Zustand von Helium zu erreichen – einen superflüssigen Feststoff. In diesem Zustand können einige Heliumatome im Kristallgitter andere umströmen und somit Helium sich selbst durchströmen. Der Effekt der „Superhärte“ wurde bereits 1969 theoretisch vorhergesagt. Und im Jahr 2004 - als ob experimentelle Bestätigung. Spätere und sehr kuriose Experimente zeigten jedoch, dass alles nicht so einfach ist, und vielleicht ist eine solche Interpretation des Phänomens, das früher für die Suprafluidität von festem Helium gehalten wurde, falsch.
Das Experiment der Wissenschaftler um Humphrey Maris von der Brown University in den USA war einfach und elegant. Die Wissenschaftler stellten ein umgedrehtes Reagenzglas in einen geschlossenen Tank mit flüssigem Helium. Ein Teil des Heliums im Reagenzglas und im Tank wurde so eingefroren, dass die Grenze zwischen Flüssigkeit und Feststoff im Reagenzglas höher war als im Tank. Mit anderen Worten, im oberen Teil des Reagenzglases befand sich flüssiges Helium und im unteren Teil festes Helium; es ging glatt in die feste Phase des Tanks über, über die ein wenig flüssiges Helium gegossen wurde - niedriger als der Flüssigkeitsspiegel im Reagenzglas. Wenn flüssiges Helium durch festes Material zu sickern beginnt, nimmt der Niveauunterschied ab, und wir können von festem superflüssigem Helium sprechen. Und im Prinzip nahm in drei von 13 Experimenten der Pegelunterschied ab.

5. Superharte Materie- ein Aggregatzustand, in dem Materie durchsichtig ist und wie eine Flüssigkeit „fließen“ kann, tatsächlich aber keine Viskosität aufweist. Solche Flüssigkeiten sind seit vielen Jahren bekannt und werden Superfluide genannt. Tatsache ist, dass die Supraflüssigkeit, wenn sie gerührt wird, fast ewig zirkuliert, während sich die normale Flüssigkeit schließlich beruhigt. Die ersten beiden Superflüssigkeiten wurden von Forschern mit Helium-4 und Helium-3 hergestellt. Sie wurden fast bis zum absoluten Nullpunkt abgekühlt – auf minus 273 Grad Celsius. Und aus Helium-4 gelang es amerikanischen Wissenschaftlern, einen superharten Körper zu bekommen. Sie komprimierten das gefrorene Helium durch mehr als 60-fachen Druck, und dann wurde das mit der Substanz gefüllte Glas auf einer rotierenden Scheibe installiert. Bei einer Temperatur von 0,175 Grad Celsius begann die Scheibe plötzlich freier zu rotieren, was Wissenschaftlern zufolge darauf hindeutet, dass Helium zu einem Superkörper geworden ist.

6. Solide- der Aggregatzustand der Materie, gekennzeichnet durch die Stabilität der Form und die Art der thermischen Bewegung von Atomen, die kleine Schwingungen um die Gleichgewichtspositionen erzeugen. Der stabile Zustand von Festkörpern ist kristallin. Unterscheiden Sie Feststoffe mit ionischen, kovalenten, metallischen und anderen Arten von Bindungen zwischen Atomen, die die Vielfalt ihrer physikalischen Eigenschaften bestimmen. Die elektrischen und einige andere Eigenschaften von Festkörpern werden hauptsächlich durch die Art der Bewegung der äußeren Elektronen ihrer Atome bestimmt. Festkörper werden nach ihren elektrischen Eigenschaften in Dielektrika, Halbleiter und Metalle eingeteilt, nach ihren magnetischen Eigenschaften in Diamagnete, Paramagnete und Körper mit geordneter magnetischer Struktur. Die Untersuchungen der Eigenschaften von Festkörpern haben sich zu einem großen Gebiet zusammengeschlossen – der Festkörperphysik, deren Entwicklung durch die Erfordernisse der Technik angeregt wird.

7. Amorpher Feststoff- ein kondensierter Aggregatzustand eines Stoffes, gekennzeichnet durch die Isotropie der physikalischen Eigenschaften aufgrund der ungeordneten Anordnung von Atomen und Molekülen. In amorphen Festkörpern schwingen Atome um zufällig angeordnete Punkte. Im Gegensatz zum kristallinen Zustand erfolgt der Übergang von fest amorph zu flüssig allmählich. Verschiedene Substanzen befinden sich im amorphen Zustand: Gläser, Harze, Kunststoffe usw.

8. Flüssigkristall- dies ist ein bestimmter Aggregatzustand eines Stoffes, in dem er gleichzeitig die Eigenschaften eines Kristalls und einer Flüssigkeit aufweist. Wir müssen sofort einen Vorbehalt machen, dass nicht alle Substanzen im flüssigkristallinen Zustand sein können. Einige organische Substanzen mit komplexen Molekülen können jedoch einen bestimmten Aggregatzustand bilden - Flüssigkristall. Dieser Zustand wird beim Schmelzen von Kristallen bestimmter Substanzen durchgeführt. Beim Schmelzen entsteht eine flüssigkristalline Phase, die sich von gewöhnlichen Flüssigkeiten unterscheidet. Diese Phase existiert im Bereich von der Schmelztemperatur des Kristalls bis zu einer höheren Temperatur, bei der sich der Flüssigkristall in eine gewöhnliche Flüssigkeit umwandelt, wenn er erhitzt wird.
Wie unterscheidet sich ein Flüssigkristall von einer Flüssigkeit und einem gewöhnlichen Kristall und wie ähnelt er ihnen? Wie eine gewöhnliche Flüssigkeit ist ein Flüssigkristall flüssig und nimmt die Form eines Gefäßes an, in das er gegeben wird. Darin unterscheidet es sich von den allen bekannten Kristallen. Trotz dieser Eigenschaft, die es mit einer Flüssigkeit verbindet, hat es jedoch eine für Kristalle charakteristische Eigenschaft. Dies ist die räumliche Ordnung der Moleküle, die den Kristall bilden. Diese Anordnung ist zwar nicht so vollständig wie bei gewöhnlichen Kristallen, beeinflusst jedoch erheblich die Eigenschaften von Flüssigkristallen, was sie von gewöhnlichen Flüssigkeiten unterscheidet. Die unvollständige räumliche Ordnung der Moleküle, die einen Flüssigkristall bilden, äußert sich darin, dass in Flüssigkristallen keine vollständige Ordnung in der räumlichen Anordnung der Schwerpunkte der Moleküle vorliegt, obwohl es eine teilweise Ordnung geben kann. Das bedeutet, dass sie kein starres Kristallgitter haben. Daher haben Flüssigkristalle wie gewöhnliche Flüssigkeiten die Eigenschaft der Fließfähigkeit.
Eine obligatorische Eigenschaft von Flüssigkristallen, die sie gewöhnlichen Kristallen näher bringt, ist das Vorhandensein einer Ordnung in der räumlichen Orientierung von Molekülen. Eine solche Orientierungsordnung kann sich beispielsweise darin äußern, dass alle Längsachsen von Molekülen in einer Flüssigkristallprobe gleich orientiert sind. Diese Moleküle sollten eine längliche Form haben. Zusätzlich zu der einfachsten benannten Ordnung der Molekülachsen kann eine komplexere Orientierungsordnung von Molekülen in einem Flüssigkristall realisiert werden.
Abhängig von der Art der Ordnung der Molekülachsen werden Flüssigkristalle in drei Typen eingeteilt: nematisch, smektisch und cholesterisch.
Die Forschung zur Physik von Flüssigkristallen und ihren Anwendungen wird derzeit in allen am weitesten entwickelten Ländern der Welt auf breiter Front betrieben. Die heimische Forschung konzentriert sich sowohl auf akademische als auch auf industrielle Forschungseinrichtungen und hat eine lange Tradition. Die Werke von V.K. Frederiks an V.N. Zwetkow. In den letzten Jahren, der schnellen Erforschung von Flüssigkristallen, leisten russische Forscher auch einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung der Theorie von Flüssigkristallen im Allgemeinen und der Optik von Flüssigkristallen im Besonderen. Also, die Werke von I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Blinov und viele andere sowjetische Forscher sind der wissenschaftlichen Gemeinschaft weithin bekannt und dienen als Grundlage für eine Reihe effektiver technischer Anwendungen von Flüssigkristallen.
Die Existenz von Flüssigkristallen wurde vor sehr langer Zeit festgestellt, nämlich im Jahr 1888, also vor fast einem Jahrhundert. Obwohl Wissenschaftler vor 1888 auf diesen Zustand der Materie gestoßen waren, wurde er später offiziell entdeckt.
Der erste Entdecker von Flüssigkristallen war der österreichische Botaniker Reinitzer. Bei der Untersuchung der von ihm synthetisierten neuen Substanz Cholesterylbenzoat stellte er fest, dass bei einer Temperatur von 145 ° C die Kristalle dieser Substanz schmelzen und eine trübe Flüssigkeit bilden, die das Licht stark streut. Bei fortgesetzter Erwärmung wird die Flüssigkeit bei Erreichen einer Temperatur von 179 ° C klar, dh sie beginnt sich optisch wie eine gewöhnliche Flüssigkeit wie Wasser zu verhalten. Cholesterylbenzoat zeigte in der trüben Phase unerwartete Eigenschaften. Reinitzer untersuchte diese Phase unter einem Polarisationsmikroskop und stellte fest, dass sie Doppelbrechung aufweist. Das bedeutet, dass der Brechungsindex des Lichts, also die Lichtgeschwindigkeit in dieser Phase, von der Polarisation abhängt.

9. Flüssigkeit- der Aggregatzustand eines Stoffes, der die Eigenschaften eines festen Zustands (Volumenerhaltung, eine bestimmte Zugfestigkeit) und eines gasförmigen Zustands (Formvariabilität) vereint. Eine Flüssigkeit ist durch eine Nahordnung in der Anordnung von Teilchen (Molekülen, Atomen) und einen kleinen Unterschied in der kinetischen Energie der thermischen Bewegung von Molekülen und ihrer potentiellen Wechselwirkungsenergie gekennzeichnet. Die thermische Bewegung von Flüssigkeitsmolekülen besteht aus Schwingungen um Gleichgewichtslagen und relativ seltenen Sprüngen von einer Gleichgewichtslage zur anderen, was mit der Fließfähigkeit der Flüssigkeit zusammenhängt.

10. Überkritisches Fluid(GFR) ist der Aggregatzustand eines Stoffes, bei dem der Unterschied zwischen flüssiger und gasförmiger Phase verschwindet. Jede Substanz bei einer Temperatur und einem Druck über dem kritischen Punkt ist ein überkritisches Fluid. Die Eigenschaften einer Substanz im überkritischen Zustand liegen zwischen ihren Eigenschaften in der Gas- und Flüssigphase. Daher hat SCF eine hohe Dichte, nahezu flüssig und eine niedrige Viskosität wie Gase. Der Diffusionskoeffizient hat dabei einen Zwischenwert zwischen Flüssigkeit und Gas. Substanzen im überkritischen Zustand können als Ersatz für organische Lösungsmittel in Labor- und Industrieprozessen verwendet werden. Überkritisches Wasser und überkritisches Kohlendioxid haben im Zusammenhang mit bestimmten Eigenschaften das größte Interesse und die größte Verbreitung gefunden.
Eine der wichtigsten Eigenschaften des überkritischen Zustands ist die Fähigkeit, Substanzen aufzulösen. Durch Änderung der Temperatur oder des Drucks der Flüssigkeit kann man ihre Eigenschaften in einem weiten Bereich verändern. Somit ist es möglich, ein Fluid zu erhalten, dessen Eigenschaften entweder denen einer Flüssigkeit oder eines Gases nahe kommen. Das Lösungsvermögen einer Flüssigkeit nimmt also mit zunehmender Dichte (bei konstanter Temperatur) zu. Da die Dichte mit zunehmendem Druck zunimmt, kann eine Änderung des Drucks das Lösungsvermögen der Flüssigkeit (bei konstanter Temperatur) beeinflussen. Bei der Temperatur ist die Abhängigkeit der Flüssigkeitseigenschaften etwas komplizierter - bei konstanter Dichte steigt auch das Lösungsvermögen der Flüssigkeit, aber in der Nähe des kritischen Punktes kann eine leichte Temperaturerhöhung zu einem starken Abfall der Dichte führen. und dementsprechend Auflösungsvermögen. Überkritische Flüssigkeiten mischen sich unbegrenzt miteinander, sodass das System immer einphasig ist, wenn der kritische Punkt der Mischung erreicht ist. Die ungefähre kritische Temperatur eines binären Gemisches kann als arithmetisches Mittel der kritischen Parameter der Substanzen Tc(mix) = (Molanteil von A) x TcA + (Molanteil von B) x TcB berechnet werden.

11. Gasförmig- (Französisch Gaz, aus dem Griechischen Chaos - Chaos), der Aggregatzustand der Materie, in dem die kinetische Energie der thermischen Bewegung ihrer Teilchen (Moleküle, Atome, Ionen) die potentielle Energie der Wechselwirkungen zwischen ihnen und damit den Teilchen erheblich übersteigt sich frei bewegen und in Abwesenheit externer Felder das gesamte Volumen, das ihnen zur Verfügung gestellt wird, gleichmäßig ausfüllen.

12. Plasma- (aus dem Griechischen Plasma - geformt, geformt), ein Aggregatzustand, der ein ionisiertes Gas ist, in dem die Konzentrationen positiver und negativer Ladungen gleich sind (Quasi-Neutralität). Die überwiegende Mehrheit der Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand: Sterne, galaktische Nebel und das interstellare Medium. In der Nähe der Erde existiert Plasma in Form von Sonnenwind, Magnetosphäre und Ionosphäre. Hochtemperaturplasma (T ~ 106 - 108 K) aus einer Mischung von Deuterium und Tritium wird mit dem Ziel untersucht, eine kontrollierte thermonukleare Fusion zu realisieren. Niedertemperaturplasma (T Ј 105K) wird in verschiedenen Gasentladungsgeräten (Gaslaser, Ionengeräte, MHD-Generatoren, Plasmabrenner, Plasmamotoren usw.) sowie in der Technik (siehe Plasmametallurgie, Plasmabohren, Plasmatechnologie).

13. Entartete Materie- ist eine Zwischenstufe zwischen Plasma und Neutronium. Es wird in Weißen Zwergen beobachtet und spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Sternen. Wenn Atome extrem hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt sind, verlieren sie ihre Elektronen (sie gehen in ein Elektronengas über). Mit anderen Worten, sie sind vollständig ionisiert (Plasma). Der Druck eines solchen Gases (Plasma) wird durch den Elektronendruck bestimmt. Wenn die Dichte sehr hoch ist, werden alle Teilchen gezwungen, sich einander anzunähern. Elektronen können sich in Zuständen mit bestimmten Energien befinden, und zwei Elektronen können nicht dieselbe Energie haben (es sei denn, ihre Spins sind entgegengesetzt). So erweisen sich in einem dichten Gas alle niedrigeren Energieniveaus als mit Elektronen gefüllt. Ein solches Gas wird entartet genannt. In diesem Zustand weisen die Elektronen einen entarteten Elektronendruck auf, der der Schwerkraft entgegenwirkt.

14. Neutronium— Aggregatzustand, in den Materie unter ultrahohem Druck übergeht, der im Labor noch unerreichbar ist, aber im Inneren von Neutronensternen existiert. Beim Übergang in den Neutronenzustand interagieren die Elektronen der Materie mit Protonen und verwandeln sich in Neutronen. Infolgedessen besteht Materie im Neutronenzustand vollständig aus Neutronen und hat eine Dichte in der Größenordnung von Nuklearteilchen. Die Temperatur der Substanz sollte in diesem Fall nicht zu hoch sein (in Energieäquivalenten nicht mehr als hundert MeV).
Bei einem starken Temperaturanstieg (mehrere Hundert MeV und mehr) beginnen im Neutronenzustand verschiedene Mesonen zu entstehen und zu vernichten. Bei einem weiteren Temperaturanstieg kommt es zur Dekonfinierung und die Materie geht in den Zustand des Quark-Gluon-Plasmas über. Es besteht nicht mehr aus Hadronen, sondern aus ständig entstehenden und verschwindenden Quarks und Gluonen.

15. Quark-Gluon-Plasma(Chromoplasma) ist ein Aggregatzustand der Materie in der Hochenergie- und Elementarteilchenphysik, bei dem hadronische Materie in einen ähnlichen Zustand übergeht wie Elektronen und Ionen im gewöhnlichen Plasma.
Normalerweise befindet sich die Materie in Hadronen im sogenannten farblosen ("weißen") Zustand. Das heißt, Quarks unterschiedlicher Farbe kompensieren sich gegenseitig. Ein ähnlicher Zustand existiert in gewöhnlicher Materie – wenn alle Atome elektrisch neutral sind, d.
positive Ladungen in ihnen werden durch negative kompensiert. Bei hohen Temperaturen kann es zur Ionisierung von Atomen kommen, während die Ladungen getrennt werden und die Substanz, wie sie sagen, "quasi-neutral" wird. Das heißt, die gesamte Materiewolke bleibt als Ganzes neutral, und ihre einzelnen Teilchen hören auf, neutral zu sein. Vermutlich kann dasselbe mit hadronischer Materie passieren – bei sehr hohen Energien wird Farbe freigesetzt und macht die Substanz „quasi-farblos“.
Vermutlich befand sich die Materie des Universums in den ersten Augenblicken nach dem Urknall im Zustand von Quark-Gluon-Plasma. Nun kann bei Kollisionen von Teilchen sehr hoher Energie kurzzeitig Quark-Gluon-Plasma entstehen.
Quark-Gluon-Plasma wurde 2005 experimentell am RHIC-Beschleuniger des Brookhaven National Laboratory erhalten. Dort wurde im Februar 2010 die maximale Plasmatemperatur von 4 Billionen Grad Celsius erreicht.

16. Seltsame Substanz- Aggregatzustand, in dem Materie auf die Grenzwerte der Dichte komprimiert ist, kann sie in Form von „Quarksuppe“ vorliegen. Ein Kubikzentimeter Materie in diesem Zustand würde Milliarden Tonnen wiegen; Außerdem verwandelt es jede normale Substanz, mit der es in Kontakt kommt, unter Freisetzung einer beträchtlichen Menge an Energie in die gleiche "seltsame" Form.
Die Energie, die bei der Umwandlung der Substanz des Kerns eines Sterns in eine „fremde Substanz“ freigesetzt werden kann, wird zu einer übermächtigen Explosion einer „Quark-Nova“ führen – und genau das war es laut Leahy und Wyed diese Explosion, die Astronomen im September 2006 beobachteten.
Der Entstehungsprozess dieser Substanz begann mit einer gewöhnlichen Supernova, in die sich ein massereicher Stern verwandelte. Als Ergebnis der ersten Explosion entstand ein Neutronenstern. Aber laut Leahy und Wyed hielt es nicht lange an - da seine Rotation durch sein eigenes Magnetfeld verlangsamt zu sein schien, begann es noch mehr zu schrumpfen, mit der Bildung eines Klumpens aus "seltsamem Zeug", was dazu führte eine noch stärkere als bei einer normalen Supernova-Explosion, die Energie freisetzt - und die äußeren Schichten der Substanz des ehemaligen Neutronensterns mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in den umgebenden Weltraum fliegen.

17. Stark symmetrische Materie- Dies ist eine Substanz, die so stark komprimiert ist, dass die darin enthaltenen Mikropartikel übereinander geschichtet werden und der Körper selbst zu einem schwarzen Loch zusammenbricht. Der Begriff „Symmetrie“ erklärt sich wie folgt: Nehmen wir die jedem bekannten Aggregatzustände der Materie von der Schulbank – fest, flüssig, gasförmig. Betrachten Sie zur Bestimmtheit einen idealen unendlichen Kristall als Festkörper. Es hat eine gewisse, sogenannte diskrete Symmetrie bezüglich Translation. Das heißt, wenn das Kristallgitter um einen Abstand verschoben wird, der dem Abstand zwischen zwei Atomen entspricht, ändert sich nichts daran - der Kristall fällt mit sich selbst zusammen. Wenn der Kristall geschmolzen wird, ist die Symmetrie der resultierenden Flüssigkeit anders: Sie nimmt zu. In einem Kristall waren nur Punkte gleichwertig, die in bestimmten Abständen voneinander entfernt waren, die sogenannten Knoten des Kristallgitters, in denen sich identische Atome befanden.
Die Flüssigkeit ist über ihr gesamtes Volumen homogen, alle ihre Punkte sind nicht voneinander zu unterscheiden. Dies bedeutet, dass Flüssigkeiten um beliebige Entfernungen verschoben werden können (und nicht nur um einige diskrete, wie in einem Kristall) oder um beliebige Winkel gedreht werden können (was in Kristallen überhaupt nicht möglich ist), und es wird mit sich selbst zusammenfallen. Sein Symmetriegrad ist höher. Das Gas ist noch symmetrischer: Die Flüssigkeit nimmt ein bestimmtes Volumen im Gefäß ein und es gibt eine Asymmetrie im Inneren des Gefäßes, wo Flüssigkeit ist, und Punkte, wo es keine gibt. Das Gas hingegen nimmt das gesamte ihm zur Verfügung gestellte Volumen ein, und in diesem Sinne sind alle seine Punkte voneinander ununterscheidbar. Dennoch wäre es richtiger, hier nicht von Punkten zu sprechen, sondern von kleinen, aber makroskopischen Elementen, denn auf mikroskopischer Ebene gibt es immer noch Unterschiede. Zu manchen Zeitpunkten gibt es Atome oder Moleküle, zu anderen nicht. Symmetrie wird nur im Durchschnitt beobachtet, entweder in einigen makroskopischen Volumenparametern oder in der Zeit.
Aber es gibt immer noch keine sofortige Symmetrie auf mikroskopischer Ebene. Wird die Substanz sehr stark komprimiert, auf im Alltag nicht akzeptable Drücke, so komprimiert, dass die Atome zerdrückt werden, ihre Hüllen sich durchdringen und die Kerne sich zu berühren beginnen, entsteht Symmetrie auf mikroskopischer Ebene. Alle Kerne sind gleich und aneinander gepresst, es gibt nicht nur interatomare, sondern auch internukleare Abstände, und die Substanz wird homogen (fremde Substanz).
Aber es gibt auch eine submikroskopische Ebene. Kerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die sich im Kern bewegen. Zwischen ihnen ist auch etwas Platz. Wenn Sie weiter komprimieren, sodass auch die Kerne zerkleinert werden, pressen sich die Nukleonen fest aneinander. Dann erscheint auf submikroskopischer Ebene eine Symmetrie, die nicht einmal innerhalb gewöhnlicher Kerne vorhanden ist.
Aus dem Gesagten ist ein ganz klarer Trend ersichtlich: Je höher die Temperatur und je höher der Druck, desto symmetrischer wird der Stoff. Aufgrund dieser Überlegungen nennt man einen maximal komprimierten Stoff stark symmetrisch.

18. Schwach symmetrische Materie- ein Zustand, der in seinen Eigenschaften stark symmetrischer Materie entgegengesetzt ist, der im sehr frühen Universum bei einer Temperatur nahe der Planck-Temperatur vorhanden war, vielleicht 10-12 Sekunden nach dem Urknall, als starke, schwache und elektromagnetische Kräfte eine einzige Superkraft waren . In diesem Zustand wird Materie so stark komprimiert, dass ihre Masse in Energie umgewandelt wird, die sich aufzublähen beginnt, sich also unbegrenzt ausdehnt. Es ist noch nicht möglich, unter irdischen Bedingungen Energien für die experimentelle Erzeugung von Superkräften und die Überführung von Materie in diese Phase zu erreichen, obwohl solche Versuche am Large Hadron Collider unternommen wurden, um das frühe Universum zu untersuchen. Aufgrund des Fehlens einer gravitativen Wechselwirkung in der Zusammensetzung der Superkraft, die diese Substanz bildet, ist die Superkraft im Vergleich zur supersymmetrischen Kraft, die alle 4 Arten von Wechselwirkungen enthält, nicht ausreichend symmetrisch. Daher erhielt dieser Aggregatzustand einen solchen Namen.

19. Strahlungsangelegenheit- das ist in der Tat keine Substanz mehr, sondern Energie in ihrer reinsten Form. Es ist jedoch dieser hypothetische Aggregatzustand, den ein Körper einnehmen wird, der die Lichtgeschwindigkeit erreicht hat. Es kann auch durch Erhitzen des Körpers auf die Planck-Temperatur (1032 K) erhalten werden, dh durch Dispergieren der Moleküle der Substanz mit Lichtgeschwindigkeit. Wie aus der Relativitätstheorie hervorgeht, beginnt die Masse des Körpers, wenn die Geschwindigkeit mehr als 0,99 s erreicht, viel schneller zu wachsen als bei "normaler" Beschleunigung, außerdem verlängert sich der Körper, erwärmt sich, dh er beginnt zu strahlen im infraroten Spektrum. Beim Überschreiten der Schwelle von 0,999 s ändert sich der Körper radikal und beginnt einen schnellen Phasenübergang bis zum Strahlzustand. Wie aus Einsteins Formel vollständig hervorgeht, besteht die wachsende Masse der Endsubstanz aus Massen, die vom Körper in Form von thermischer, Röntgen-, optischer und anderer Strahlung getrennt werden, deren Energie jeweils gleich ist durch den nächsten Term in der Formel beschrieben. Ein Körper, der sich der Lichtgeschwindigkeit nähert, beginnt also in allen Spektren zu strahlen, wird länger und verlangsamt sich mit der Zeit und wird auf die Planck-Länge dünner, dh beim Erreichen der Geschwindigkeit c wird der Körper unendlich lang und dünn Strahl, der sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und aus Photonen besteht, die keine Länge haben, und dessen unendliche Masse vollständig in Energie umgewandelt wird. Daher wird eine solche Substanz als Strahlung bezeichnet.