Aineen aggregaatiotilaa kutsutaan yleensä sen kyvyksi säilyttää muotonsa ja tilavuutensa. Lisäominaisuus ovat tavat, joilla aine siirtyy aggregaatiotilasta toiseen. Tämän perusteella erotetaan kolme aggregaatiotilaa: kiinteä, nestemäinen ja kaasu. Niiden näkyvät ominaisuudet ovat seuraavat:
Kiinteä runko säilyttää sekä muodon että tilavuuden. Se voi siirtyä sekä nesteeseen sulamalla että suoraan kaasuksi sublimoitumalla.
- Neste - säilyttää tilavuuden, mutta ei muotoa, eli sillä on juoksevuutta. Kaatunut neste pyrkii leviämään loputtomasti pinnalle, jolle se kaadetaan. Neste voi muuttua kiinteäksi aineeksi kiteytymällä ja kaasuksi haihtumalla.
- Kaasu - ei säilytä muotoa tai tilavuutta. Säiliön ulkopuolella oleva kaasu pyrkii laajenemaan loputtomasti kaikkiin suuntiin. Vain painovoima voi estää häntä tekemästä tätä, minkä ansiosta maapallon ilmakehä ei hajoa avaruuteen. Kaasu siirtyy nesteeseen kondensoitumalla ja suoraan kiinteään aineeseen voi kulkeutua saostuman kautta.
Vaiheen siirtymät
Aineen siirtymistä yhdestä aggregaatiotilasta toiseen kutsutaan faasisiirtymäksi, koska tieteellinen aggregaatiotila on aineen vaihe. Esimerkiksi vesi voi olla kiinteässä faasissa (jää), nestemäisessä (tavallinen vesi) ja kaasumaisessa (höyry).
Esimerkki vedestä on myös hyvin osoitettu. Se, mikä on ripustettu pihalle kuivumaan huurteisena tuulettomana päivänä, jäätyy heti, mutta hetken kuluttua se osoittautuu kuivaksi: jää sublimoituu muuttuen suoraan vesihöyryksi.
Pääsääntöisesti faasisiirtymä kiinteästä aineesta nesteeksi ja kaasuksi vaatii lämmitystä, mutta väliaineen lämpötila ei nouse: lämpöenergia kuluu aineen sisäisten sidosten rikkomiseen. Tämä on niin sanottu piilevä lämpö. Käänteisfaasimuutoksissa (kondensaatio, kiteytyminen) tätä lämpöä vapautuu.
Siksi höyrypalovammat ovat niin vaarallisia. Kun se joutuu kosketuksiin ihon kanssa, se tiivistyy. Veden piilevä haihtumis-/kondensaatiolämpö on erittäin korkea: tässä suhteessa vesi on poikkeava aine; Siksi elämä maan päällä on mahdollista. Höyrypalovamman aikana veden kondensoitumisen piilevä lämpö "polttaa" palaneen paikan erittäin syvälle, ja höyrypalovamman seuraukset ovat paljon vakavammat kuin samalla kehon alueella olevalla liekillä.
Pseudofaasit
Aineen nestefaasin juoksevuuden määrää sen viskositeetti, ja viskositeetin määrää sisäisten sidosten luonne, jolle seuraava osa on omistettu. Nesteen viskositeetti voi olla hyvin korkea, ja sellainen neste voi virrata huomaamattomasti silmään.
Klassinen esimerkki on lasi. Se ei ole kiinteä, vaan erittäin viskoosi neste. Huomaa, että varastojen lasilevyjä ei koskaan säilytetä vinosti seinää vasten. Muutamassa päivässä ne painuvat oman painonsa alla ja muuttuvat käyttökelvottomiksi.
Muita esimerkkejä pseudokiinteistä kappaleista ovat kenkäpiki ja rakennusbitumi. Jos unohdat kulmikkaan bitumipalan katolle, se leviää kesän aikana kakuksi ja tarttuu pohjaan. Pseudokiinteät kappaleet voidaan erottaa todellisista sulamisen luonteen perusteella: todelliset joko säilyttävät muotonsa, kunnes ne leviävät kerralla (juote juotettaessa), tai kelluvat päästäen ulos lätäköitä ja puroja (jää). Ja erittäin viskoosit nesteet pehmenevät vähitellen, kuten sama pihka tai bitumi.
Äärimmäisen viskoosit nesteet, joiden juoksevuutta ei ole havaittavissa moneen vuoteen ja vuosikymmeniin, ovat muoveja. Niiden korkea kyky säilyttää muotonsa johtuu polymeerien valtavasta molekyylipainosta, useista tuhansista ja miljoonista vetyatomeista.
Aineen vaiheiden rakenne
Kaasufaasissa aineen molekyylit tai atomit ovat hyvin kaukana toisistaan, monta kertaa suurempia kuin niiden välinen etäisyys. Ne ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa satunnaisesti ja epäsäännöllisesti, vain törmäysten aikana. Vuorovaikutus itsessään on joustava: ne törmäsivät kuin kovat pallot ja hajosivat välittömästi.
Nesteessä molekyylit/atomit jatkuvasti "tuntevat" toisiaan kemiallisen luonteen erittäin heikkojen sidosten vuoksi. Nämä sidokset katkeavat koko ajan ja palautuvat välittömästi uudelleen, nesteen molekyylit liikkuvat jatkuvasti suhteessa toisiinsa, ja siksi neste virtaa. Mutta jotta se muuttuisi kaasuksi, sinun on katkaistava kaikki sidokset kerralla, ja tämä vaatii paljon energiaa, minkä vuoksi neste säilyttää tilavuutensa.
Tässä suhteessa vesi eroaa muista aineista siinä, että sen nesteessä olevat molekyylit on yhdistetty niin sanotuilla vetysidoksilla, jotka ovat melko vahvoja. Siksi vesi voi olla nestettä normaalilämpötilassa koko elämän ajan. Monet aineet, joiden molekyylipaino on kymmeniä ja satoja kertoja suurempi kuin veden, ovat normaaleissa olosuhteissa kaasuja, kuten ainakin tavallinen kotitalouskaasu.
Kiinteässä aineessa kaikki sen molekyylit ovat tiukasti paikoillaan niiden välisten vahvojen kemiallisten sidosten vuoksi, jotka muodostavat kidehilan. Oikean muotoiset kiteet vaativat erityisiä olosuhteita kasvulleen, ja siksi niitä tavataan harvoin luonnossa. Suurin osa kiinteistä aineista on pienten ja pienten kiteiden konglomeraatteja – kristalliitteja, jotka ovat tiukasti sidoksissa mekaanisten ja sähköisten voimien avulla.
Jos lukija on nähnyt esimerkiksi auton puoliakselin murtuneen tai valurautaisen arinan, niin romussa olevat kristalliittirakeet näkyvät yksinkertaisella silmällä. Ja rikkoutuneiden posliini- tai fajanssiastioiden palasilla ne voidaan havaita suurennuslasin alla.
Plasma
Fyysikot erottavat myös aineen neljännen aggregaattitilan - plasman. Plasmassa elektronit irrotetaan atomiytimistä, ja se on seos sähköisesti varautuneita hiukkasia. Plasma voi olla hyvin tiheää. Esimerkiksi yksi kuutiosenttimetri plasmaa valkoisten kääpiötähtien sisältä painaa kymmeniä ja satoja tonneja.
Plasma on eristetty erilliseen aggregaatiotilaan, koska se on aktiivisesti vuorovaikutuksessa sähkömagneettisten kenttien kanssa johtuen siitä, että sen hiukkaset ovat varautuneet. Vapaassa tilassa plasma pyrkii laajenemaan, jäähtymään ja muuttumaan kaasuksi. Mutta sähkömagneettisten kenttien vaikutuksesta se voi säilyttää muotonsa ja tilavuutensa aluksen ulkopuolella, kuten kiinteä kappale. Tätä plasman ominaisuutta käytetään lämpöydinvoimareaktoreissa - tulevaisuuden voimalaitosten prototyypeissä.
Kokoamistila- tämä on aineen tila tietyllä lämpötila- ja painealueella, jolle ovat ominaisia ominaisuudet: kyky (kiinteä) tai kyvyttömyys (neste, kaasu) säilyttää tilavuus ja muoto; pitkän kantaman (kiinteä) tai lyhyen kantaman (neste) järjestyksen olemassaolo tai puuttuminen ja muut ominaisuudet.
Aine voi olla kolmessa aggregaatiotilassa: kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen, tällä hetkellä on eristetty ylimääräinen plasma (ioninen) tila.
AT kaasumaista tilassa, aineen atomien ja molekyylien välinen etäisyys on suuri, vuorovaikutusvoimat pienet ja avaruudessa satunnaisesti liikkuvilla hiukkasilla on suuri kineettinen energia, joka ylittää potentiaalienergian. Kaasumaisessa tilassa olevalla materiaalilla ei ole sen muotoa eikä tilavuutta. Kaasu täyttää kaiken käytettävissä olevan tilan. Tämä tila on tyypillinen aineille, joiden tiheys on pieni.
AT nestettä tilassa säilyy vain atomien tai molekyylien lyhyen kantaman järjestys, kun aineen tilavuuteen ilmestyy ajoittain erillisiä osia, joissa atomien järjestys on järjestetty, mutta myös näiden osien keskinäinen orientaatio puuttuu. Lyhyen kantaman järjestys on epävakaa ja voi joko kadota tai ilmaantua uudelleen atomien lämpövärähtelyjen vaikutuksesta. Nesteen molekyyleillä ei ole tiettyä asemaa, eikä niillä ole samalla täydellistä liikkumisvapautta. Nestemäisessä tilassa olevalla materiaalilla ei ole omaa muotoaan, se säilyttää vain tilavuuden. Neste voi viedä vain osan astian tilavuudesta, mutta virrata vapaasti astian koko pinnalla. Nestemäistä tilaa pidetään yleensä kiinteän aineen ja kaasun välissä.
AT kiinteä aineen atomien sijoittumisesta tulee tiukasti määritelty, säännöllinen järjestys, hiukkasten vuorovaikutusvoimat ovat keskenään tasapainossa, joten kappaleet säilyttävät muotonsa ja tilavuutensa. Atomien säännöllinen järjestys avaruudessa luonnehtii kiteistä tilaa, atomit muodostavat kidehilan.
Kiinteillä aineilla on amorfinen tai kiteinen rakenne. varten amorfinen Kappaleille on ominaista vain lyhyen kantaman järjestys atomien tai molekyylien järjestelyssä, atomien, molekyylien tai ionien kaoottinen järjestys avaruudessa. Esimerkkejä amorfisista kappaleista ovat lasi, pihka ja pihka, jotka näyttävät olevan kiinteässä tilassa, vaikka todellisuudessa ne virtaavat hitaasti, kuten neste. Amorfisilla kappaleilla, toisin kuin kiteisillä, ei ole tarkkaa sulamispistettä. Amorfiset kappaleet ovat kiteisten kiinteiden aineiden ja nesteiden välissä.
Useimmilla kiinteillä aineilla on kiteinen rakenne, jolle on tunnusomaista atomien tai molekyylien järjestynyt järjestely avaruudessa. Kiderakenteelle on ominaista pitkän kantaman järjestys, kun rakenteen elementit toistuvat ajoittain; ei ole sellaista säännöllistä toistoa lyhyen kantaman järjestyksessä. Kiteisen kappaleen ominaisuus on kyky säilyttää muotonsa. Ideaalikiteen merkki, jonka mallina on spatiaalinen hila, on symmetrian ominaisuus. Symmetrialla tarkoitetaan kiinteän aineen kidehilan teoreettista kykyä yhdistyä itsensä kanssa, kun sen pisteet peilataan tietystä tasosta, jota kutsutaan symmetriatasoksi. Ulkoisen muodon symmetria heijastaa kiteen sisäisen rakenteen symmetriaa. Esimerkiksi kaikilla metalleilla on kiderakenne, jolle on ominaista kahden tyyppinen symmetria: kuutio ja kuusikulmainen.
Amorfisissa rakenteissa, joissa atomijakauma on epäsäännöllinen, aineen ominaisuudet ovat samat eri suuntiin, eli lasimaiset (amorfiset) aineet ovat isotrooppisia.
Kaikille kiteille on ominaista anisotropia. Kiteissä atomien väliset etäisyydet ovat järjestettyjä, mutta järjestysaste voi olla erilainen eri suuntiin, mikä johtaa eroon kideaineen ominaisuuksissa eri suuntiin. Kideaineen ominaisuuksien riippuvuutta sen hilassa olevasta suunnasta kutsutaan anisotropia ominaisuuksia. Anisotropia ilmenee sekä fysikaalisten että mekaanisten ja muiden ominaisuuksien mittaamisessa. On ominaisuuksia (tiheys, lämpökapasiteetti), jotka eivät riipu kiteen suunnasta. Suurin osa ominaisuuksista riippuu suunnan valinnasta.
On mahdollista mitata esineiden ominaisuuksia, joilla on tietty materiaalitilavuus: koot - muutamasta millimetristä kymmeniin senttimetreihin. Näitä esineitä, joiden rakenne on identtinen kidekennon kanssa, kutsutaan yksittäiskiteiksi.
Ominaisuuksien anisotropia ilmenee yksittäisissä kiteissä, ja sitä ei käytännössä esiinny monikiteisessä aineessa, joka koostuu monista pienistä satunnaisesti suuntautuneista kiteistä. Siksi monikiteisiä aineita kutsutaan kvasi-isotrooppisiksi.
Tietyllä lämpötila-alueella tapahtuu polymeerien kiteytyminen, jonka molekyylit voidaan järjestää järjestykseen, jolloin muodostuu supramolekyylisiä rakenteita nippujen, kierteiden (pallosten), fibrillien jne. muodossa. Molekyylien ja niiden aggregaattien monimutkainen rakenne määrää polymeerien ominaiskäyttäytymisen kuumennettaessa. Ne eivät voi mennä nestemäiseen tilaan, jossa on alhainen viskositeetti, niillä ei ole kaasumaista tilaa. Kiinteässä muodossa polymeerit voivat olla lasimaisia, erittäin elastisia ja viskoosisia. Polymeerit, joissa on lineaarisia tai haarautuneita molekyylejä, voivat muuttua tilasta toiseen lämpötilan muutoksen myötä, mikä ilmenee polymeerin muodonmuutosprosessina. Kuvassa Kuva 9 esittää muodonmuutoksen riippuvuutta lämpötilasta.
Riisi. 9 Amorfisen polymeerin termomekaaninen käyrä: t c , t t, t p - lasittumislämpötila, juoksevuus ja vastaavasti kemiallisen hajoamisen alku; I - III - lasimaisen, erittäin elastisen ja viskoosin tilan vyöhykkeet, vastaavasti; Δ l- muodonmuutos.
Molekyylien järjestelyn avaruudellinen rakenne määrää vain polymeerin lasimaisen tilan. Alhaisissa lämpötiloissa kaikki polymeerit deformoituvat elastisesti (kuva 9, vyöhyke I). Lasittumislämpötilan yläpuolella t c lineaarisen rakenteen omaava amorfinen polymeeri siirtyy erittäin elastiseen tilaan ( vyöhyke II), ja sen muodonmuutos lasimaisessa ja erittäin elastisessa tilassa on palautuva. Lämmitys jähmepisteen yläpuolella t t muuttaa polymeerin viskoosiseen tilaan ( vyöhyke III). Polymeerin muodonmuutos viskoosissa tilassa on peruuttamaton. Amorfisella polymeerillä, jolla on spatiaalinen (verkko, silloitettu) rakenne, ei ole viskoosia tilaa, erittäin elastisen tilan lämpötila-alue laajenee polymeerin hajoamislämpötilaan t R. Tämä käyttäytyminen on tyypillistä kumityyppisille materiaaleille.
Aineen lämpötila missä tahansa aggregaattitilassa kuvaa sen hiukkasten (atomien ja molekyylien) keskimääräistä kineettistä energiaa. Näillä kappaleissa olevilla hiukkasilla on pääasiassa värähtelevien liikkeiden kineettinen energia suhteessa tasapainokeskukseen, jossa energia on minimaalinen. Kun tietty kriittinen lämpötila saavutetaan, kiinteä aine menettää lujuutensa (stabiiliutensa) ja sulaa, ja neste muuttuu höyryksi: se kiehuu ja haihtuu. Nämä kriittiset lämpötilat ovat sulamis- ja kiehumispisteet.
Kun kiteistä materiaalia kuumennetaan tietyssä lämpötilassa, molekyylit liikkuvat niin voimakkaasti, että polymeerin jäykät sidokset katkeavat ja kiteet tuhoutuvat - ne siirtyvät nestemäiseen tilaan. Lämpötilaa, jossa kiteet ja neste ovat tasapainossa, kutsutaan kiteen sulamispisteeksi tai nesteen jähmettymispisteeksi. Jodille tämä lämpötila on 114 o C.
Jokaisella kemiallisella alkuaineella on oma sulamispisteensä t pl erottaa kiinteän aineen ja nesteen olemassaolon sekä kiehumispisteen t kip, joka vastaa nesteen siirtymistä kaasuksi. Näissä lämpötiloissa aineet ovat termodynaamisessa tasapainossa. Aggregaatiotilan muutokseen voi liittyä hyppymäinen muutos vapaassa energiassa, entropiassa, tiheydessä ja muissa. fyysisiä määriä.
Kuvataksesi eri valtioita fysiikka käyttää laajempaa käsitettä termodynaaminen vaihe. Ilmiöitä, jotka kuvaavat siirtymiä vaiheesta toiseen, kutsutaan kriittisiksi.
Kuumennettaessa aineissa tapahtuu faasimuutoksia. Sulaessaan (1083 o C) kupari muuttuu nesteeksi, jossa atomit ovat vain lyhyen kantaman järjestystä. 1 atm:n paineessa kupari kiehuu 2310 °C:ssa ja muuttuu kaasumaiseksi kupariksi, jossa on satunnaisesti järjestettyjä kupariatomeja. Sulamispisteessä kiteen ja nesteen kylläisen höyryn paineet ovat yhtä suuret.
Materiaali kokonaisuudessaan on järjestelmä.
Järjestelmä- yhdistetyt aineet fyysinen, kemiallisia tai mekaanisia vuorovaikutuksia. vaihe kutsutaan järjestelmän homogeeniseksi osaksi, joka on erotettu muista osista fyysiset rajapinnat (valuraudassa: grafiitti + rautarakeita; jäävedessä: jää + vesi).Komponentit järjestelmät ovat eri vaiheita, jotka muodostavat tietyn järjestelmän. Järjestelmän osat- Nämä ovat aineita, jotka muodostavat tämän järjestelmän kaikki vaiheet (komponentit).
Materiaalit, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta faasista, ovat hajallaan järjestelmät. Dispersiosysteemit jaetaan sooleihin, joiden käyttäytyminen muistuttaa nesteiden käyttäytymistä, ja geeleihin, joilla on kiinteiden aineiden ominaisuudet. Sooleissa dispersioväliaine, johon aine jakautuu, on nestemäistä, geeleissä kiinteä faasi vallitsee. Geelit ovat puolikiteistä metallia, betonia, gelatiinin liuosta vedessä matalassa lämpötilassa (korkeassa lämpötilassa gelatiini muuttuu sooliksi). Hydrosoli on dispersio vedessä, aerosoli on dispersio ilmassa.
Tilakaaviot.
Termodynaamisessa järjestelmässä jokaiselle faasille on ominaista parametrit, kuten lämpötila T, keskittyminen kanssa ja paineita R. Vaihemuunnosten kuvaamiseen käytetään yhtä energiaominaisuutta - Gibbsin vapaata energiaa ΔG(termodynaaminen potentiaali).
Termodynamiikka muunnosten kuvauksessa rajoittuu tasapainotilan huomioimiseen. tasapainotila termodynaamiselle järjestelmälle on ominaista termodynaamisten parametrien (lämpötila ja pitoisuus, kuten teknologisessa käsittelyssä) muuttumattomuus R= const) ajassa ja energia- ja ainevirtojen puuttuminen siinä - ulkoisten olosuhteiden pysyvyyden kanssa. Vaiheen tasapaino- kahdesta tai useammasta vaiheesta koostuvan termodynaamisen järjestelmän tasapainotila.
Systeemin tasapainoolosuhteiden matemaattista kuvausta varten on olemassa vaihesääntö Gibbsin antama. Se yhdistää tasapainojärjestelmän vaiheiden (F) ja komponenttien (K) määrän järjestelmän varianssiin eli termodynaamisten vapausasteiden määrään (C).
Järjestelmän termodynaamisten vapausasteiden (varianssin) lukumäärä on sekä sisäisten (faasien kemiallinen koostumus) että ulkoisten (lämpötila) riippumattomien muuttujien lukumäärä, joille voidaan antaa erilaisia mielivaltaisia (tietyllä aikavälillä) arvoja. että uusia vaiheita ei ilmesty ja vanhat vaiheet eivät katoa.
Gibbsin vaihesäännön yhtälö:
C \u003d K - F + 1.
Tämän säännön mukaan kahden komponentin järjestelmässä (K = 2) seuraavat vapausasteet ovat mahdollisia:
Yksivaiheisessa tilassa (F = 1) C = 2, eli voit muuttaa lämpötilaa ja pitoisuutta;
Kaksivaiheisessa tilassa (F = 2) C = 1, eli voit muuttaa vain yhtä ulkoista parametria (esimerkiksi lämpötilaa);
Kolmivaiheisessa tilassa vapausasteiden lukumäärä on nolla, eli lämpötilaa on mahdotonta muuttaa häiritsemättä järjestelmän tasapainoa (järjestelmä on invariantti).
Esimerkiksi puhtaalla metallilla (K = 1) kiteytymisen aikana, kun faaseja on kaksi (F = 2), vapausasteiden lukumäärä on nolla. Tämä tarkoittaa, että kiteytyslämpötilaa ei voida muuttaa ennen kuin prosessi on päättynyt ja yksi faasi on jäljellä - kiinteä kide. Kiteytymisen päätyttyä (F = 1) vapausasteiden lukumäärä on 1, joten voit muuttaa lämpötilaa eli jäähdyttää kiinteää ainetta häiritsemättä tasapainoa.
Järjestelmien käyttäytymistä lämpötilasta ja pitoisuudesta riippuen kuvataan tilakaaviolla. Veden tilakaavio on järjestelmä, jossa on yksi H 2 O -komponentti, joten suurin määrä faaseja, jotka voivat samanaikaisesti olla tasapainossa, on kolme (kuva 10). Nämä kolme faasia ovat neste, jää, höyry. Vapausasteiden lukumäärä on tässä tapauksessa nolla, ts. on mahdotonta muuttaa painetta tai lämpötilaa siten, että mikään vaiheista ei katoa. Tavallinen jää, nestemäinen vesi ja vesihöyry voivat olla tasapainossa samanaikaisesti vain paineessa 0,61 kPa ja lämpötilassa 0,0075 °C. Pistettä, jossa kolme vaihetta esiintyy rinnakkain, kutsutaan kolmoispisteeksi ( O).
Käyrä OS erottaa höyryn ja nesteen alueet ja edustaa kylläisen vesihöyryn paineen riippuvuutta lämpötilasta. OC-käyrä näyttää ne lämpötilan ja paineen toisiinsa liittyvät arvot, joissa nestemäinen vesi ja vesihöyry ovat tasapainossa keskenään, joten sitä kutsutaan neste-höyry-tasapainokäyräksi tai kiehumiskäyräksi.
Kuva 10 Veden tilakaavio
Käyrä OV erottaa nestealueen jääalueesta. Se on kiinteä-neste-tasapainokäyrä ja sitä kutsutaan sulamiskäyräksi. Tämä käyrä näyttää ne toisiinsa liittyvät lämpötila- ja paineparit, joissa jää ja nestemäinen vesi ovat tasapainossa.
Käyrä OA kutsutaan sublimaatiokäyräksi ja se näyttää toisiinsa liittyvät paine- ja lämpötila-arvot, joissa jää ja vesihöyry ovat tasapainossa.
Tilakaavio on visuaalinen tapa esittää eri vaiheiden olemassaoloalueita ulkoisista olosuhteista, kuten paineesta ja lämpötilasta, riippuen. Tilakaavioita käytetään aktiivisesti materiaalitieteessä tuotteen saamisen eri teknologisissa vaiheissa.
Neste eroaa kiinteästä kiteisestä kappaleesta alhaisilla viskositeettiarvoilla (molekyylien sisäkitkalla) ja korkeilla juoksevuusarvoilla (viskositeetin käänteisluku). Neste koostuu useista molekyylien aggregaateista, joiden sisällä hiukkaset on järjestetty tiettyyn järjestykseen, joka on samanlainen kuin kiteissä. Rakenneyksiköiden luonne ja hiukkasten välinen vuorovaikutus määräävät nesteen ominaisuudet. Nesteitä on: yksiatomisia (nesteytetyt jalokaasut), molekyylisiä (vesi), ionisia (sulaneet suolat), metallisia (sulaneet metallit), nestemäiset puolijohteet. Useimmissa tapauksissa neste ei ole vain aggregaatiotila, vaan myös termodynaaminen (neste)faasi.
Nestemäiset aineet ovat useimmiten liuoksia. Ratkaisu homogeeninen, mutta ei kemiallisesti puhdas aine, koostuu liuenneesta aineesta ja liuottimesta (esimerkkejä liuottimesta ovat vesi tai orgaaniset liuottimet: dikloorietaani, alkoholi, hiilitetrakloridi jne.), joten se on aineiden seos. Esimerkki on alkoholiliuos vedessä. Liuokset ovat kuitenkin myös kaasumaisten (esimerkiksi ilma) tai kiinteiden (metalliseokset) aineiden seoksia.
Jäähdytettäessä olosuhteissa, joissa kiteytyskeskusten muodostumisnopeus on alhainen ja viskositeetin voimakas kasvu, voi tapahtua lasimainen tila. Lasit ovat isotrooppisia kiinteitä aineita, joita saadaan alijäähdyttämällä sulaa epäorgaanista ja orgaanista yhdistettä.
Tunnetaan monia aineita, joiden siirtyminen kiteisestä tilasta isotrooppiseen nesteeseen tapahtuu nestekidevälitilan kautta. Se on ominaista aineille, joiden molekyylit ovat pitkien sauvojen (sauvojen) muodossa, joilla on epäsymmetrinen rakenne. Tällaiset faasimuutokset, joihin liittyy lämpövaikutuksia, aiheuttavat äkillisen muutoksen mekaanisissa, optisissa, dielektrisissä ja muissa ominaisuuksissa.
nestekiteitä Kuten neste, ne voivat olla pitkänomaisen pisaran tai astian muodon, niillä on korkea juoksevuus ja ne voivat sulautua yhteen. Niitä käytetään laajasti tieteen ja tekniikan eri aloilla. Niiden optiset ominaisuudet riippuvat suuresti pienistä muutoksista ulkoisissa olosuhteissa. Tätä ominaisuutta käytetään sähköoptisissa laitteissa. Erityisesti nestekiteitä käytetään elektronisten kellojen, visuaalisten laitteiden jne.
Aggregaation tärkeimpiä tiloja on plasma- osittain tai kokonaan ionisoitua kaasua. Muodostusmenetelmän mukaan plasma erotetaan kahta tyyppiä: lämpöä, joka tapahtuu, kun kaasu kuumennetaan korkeisiin lämpötiloihin, ja kaasumainen, joka muodostuu sähköpurkauksissa kaasumaisessa väliaineessa.
Plasmakemialliset prosessit ovat ottaneet vakaan paikan useilla tekniikan aloilla. Niitä käytetään tulenkestävien metallien leikkaamiseen ja hitsaukseen, erilaisten aineiden synteesiin, ne käyttävät laajasti plasmavalonlähteitä, plasman käyttö lämpöydinvoimaloissa on lupaavaa jne.
Jokapäiväisessä käytännössä ei tarvitse käsitellä erikseen yksittäisiä atomeja, molekyylejä ja ioneja, vaan todellisia aineita - suuren määrän hiukkasten aggregaattia. Niiden vuorovaikutuksen luonteesta riippuen erotetaan neljä aggregaattitilatyyppiä: kiinteä, nestemäinen, kaasumainen ja plasma. Aine voi muuttua aggregaatiotilasta toiseen vastaavan faasisiirtymän seurauksena.
Aineen läsnäolo tietyssä aggregaatiotilassa johtuu hiukkasten välillä vaikuttavista voimista, niiden välisestä etäisyydestä ja niiden liikkeen ominaisuuksista. Jokaiselle aggregaatiotilalle on ominaista joukko tiettyjä ominaisuuksia.
Aineiden ominaisuudet aggregaatiotilasta riippuen:
| kunto | omaisuutta |
| kaasumaista |
|
| nestettä |
|
| kiinteä |
|
Järjestelmän järjestysasteen mukaisesti kullekin aggregaatiotilalle on tunnusomaista oma suhde hiukkasten kineettisten ja potentiaalisten energioiden välillä. Kiinteissä aineissa potentiaali hallitsee kineettistä, koska hiukkaset ovat tietyissä paikoissa ja värähtelevät vain niiden ympärillä. Kaasuilla potentiaali- ja kineettisten energioiden välillä on käänteinen suhde, mikä johtuu siitä, että kaasumolekyylit liikkuvat aina satunnaisesti, eikä niiden välillä ole juuri lainkaan koheesiovoimia, joten kaasu vie koko tilavuuden. Nesteiden tapauksessa hiukkasten kineettiset ja potentiaaliset energiat ovat suunnilleen samat, hiukkasten välillä toimii ei-jäykkä sidos, joten nesteille on ominaista juoksevuus ja vakiotilavuus.
Kun aineen hiukkaset muodostavat säännöllisen geometrisen rakenteen ja niiden välisten sidosten energia on suurempi kuin lämpövärähtelyjen energia, mikä estää olemassa olevan rakenteen tuhoutumisen, se tarkoittaa, että aine on kiinteässä tilassa. Mutta tietystä lämpötilasta alkaen lämpövärähtelyjen energia ylittää hiukkasten välisten sidosten energian. Tässä tapauksessa hiukkaset, vaikka ne pysyvät kosketuksessa, liikkuvat suhteessa toisiinsa. Tämän seurauksena geometrinen rakenne rikkoutuu ja aine siirtyy nestemäiseen tilaan. Jos lämpövaihtelut lisääntyvät niin paljon, että hiukkasten välinen yhteys käytännössä katkeaa, aine muuttuu kaasumaiseksi. "Ihanteellisessa" kaasussa hiukkaset liikkuvat vapaasti kaikkiin suuntiin.
Lämpötilan noustessa aine siirtyy järjestyneestä tilasta (kiinteästä) epäjärjestyneeseen tilaan (kaasumaiseen), nestemäinen tila on hiukkasten järjestyksen kannalta keskitasoa.
Neljättä aggregaatiotilaa kutsutaan plasmaksi - kaasuksi, joka koostuu neutraalien ja ionisoitujen hiukkasten ja elektronien seoksesta. Plasma muodostuu ultrakorkeissa lämpötiloissa (10 5 -10 7 0 C) johtuen suurimman liikehäiriön omaavien hiukkasten merkittävästä törmäysenergiasta. Plasman, kuten myös muiden aineen tilojen, pakollinen ominaisuus on sen sähköinen neutraalisuus. Mutta plasmassa olevien hiukkasten häiriöttömän liikkeen seurauksena voi ilmaantua erillisiä varautuneita mikrovyöhykkeitä, minkä vuoksi siitä tulee sähkömagneettisen säteilyn lähde. Plasmatilassa on ainetta, tähtiä, muita avaruuskohteita sekä lämpöydinprosesseja.
Jokainen aggregaatiotila määräytyy ensisijaisesti lämpötilojen ja paineiden vaihteluvälin perusteella, joten visuaalisen kvantitatiivisen ominaisuuden saamiseksi käytetään aineen vaihekaaviota, joka osoittaa aggregaatiotilan riippuvuuden paineesta ja lämpötilasta.
Kaavio aineen tilasta faasimuutoskäyrillä: 1 - sulaminen-kiteytys, 2 - kiehuminen-kondensaatio, 3 - sublimaatio-desublimaatio
Tilakaavio koostuu kolmesta pääalueesta, jotka vastaavat kiteistä, nestemäistä ja kaasumaista tilaa. Yksittäiset alueet erotetaan faasimuutoksia heijastavilla käyrillä:
- kiinteästä nesteeksi ja päinvastoin, nesteestä kiinteäksi (sulamiskiteytymiskäyrä - vihreä pisteviiva)
- nesteestä kaasumaiseksi ja kaasun käänteinen muuntaminen nesteeksi (kiehumis-kondensaatiokäyrä - sininen kaavio)
- kiinteästä kaasumaiseen ja kaasumaisesta kiinteään (sublimaatio-desublimaatiokäyrä - punainen kaavio).
Näiden käyrien leikkauspisteen koordinaatteja kutsutaan kolmoispisteeksi, jossa tietyn paineen P \u003d P in ja tietyn lämpötilan T \u003d T in olosuhteissa aine voi esiintyä samanaikaisesti kolmessa aggregaatiotilassa, ja nestemäisellä ja kiinteällä olomuodolla on sama höyrynpaine. Koordinaatit Pv ja Tv ovat ainoita paineen ja lämpötilan arvoja, joissa kaikki kolme vaihetta voivat esiintyä samanaikaisesti.
Tilan vaihekaavion piste K vastaa lämpötilaa T k - ns. kriittistä lämpötilaa, jossa hiukkasten liike-energia ylittää niiden vuorovaikutuksen energian ja siten neste- ja kaasufaasin erotusviivan. pyyhitään pois ja aine on kaasumaisessa tilassa missä tahansa paineessa.
Faasikaavion analyysistä seuraa, että korkeassa paineessa, joka on suurempi kuin kolmoispisteessä (P c), kiinteän aineen kuumeneminen päättyy sen sulamiseen, esimerkiksi P 1:ssä sulaminen tapahtuu kohdassa d. Lämpötilan nousu Td:stä T e:ään johtaa aineen kiehumiseen tietyssä paineessa P 1 . Paineessa Р 2 pienempi kuin paine kolmoispisteessä Р в aineen kuumennus johtaa sen siirtymiseen suoraan kiteisestä kaasumaiseen tilaan (piste q), eli sublimaatioon. Useimmille aineille kolmoispisteen paine on alhaisempi kuin kyllästyshöyryn paine (P in
P-kyllästetty höyry, joten kun tällaisten aineiden kiteitä kuumennetaan, ne eivät sula, vaan haihtuvat, eli ne sublimoituvat. Esimerkiksi jodikiteet tai "kuivajää" (kiinteä CO 2) käyttäytyvät tällä tavalla.
Tilakaavion analyysi kaasumainen tila
Normaaleissa olosuhteissa (273 K, 101325 Pa) sekä yksinkertaisia aineita, joiden molekyylit koostuvat yhdestä (He, Ne, Ar) tai useammasta yksinkertaisesta atomista (H 2, N 2, O 2), että monimutkaisia aineita, joilla on pieni moolimassa (CH 4, HCl, C 2 H 6).
Koska kaasuhiukkasten kineettinen energia ylittää niiden potentiaalienergian, kaasumaisessa tilassa olevat molekyylit liikkuvat jatkuvasti satunnaisesti. Suurista hiukkasten välisistä etäisyyksistä johtuen molekyylien välisen vuorovaikutuksen voimat kaasuissa ovat niin pieniä, että ne eivät riitä houkuttelemaan hiukkasia toisiinsa ja pitämään niitä yhdessä. Tästä syystä kaasuilla ei ole omaa muotoaan, ja niille on ominaista alhainen tiheys ja korkea kyky puristaa ja laajentaa. Siksi kaasu painaa jatkuvasti sen astian seiniä, jossa se sijaitsee, tasaisesti kaikkiin suuntiin.
Tärkeimpien kaasuparametrien (paine P, lämpötila T, aineen määrä n, moolimassa M, massa m) välisen suhteen tutkimiseen käytetään yksinkertaisinta aineen kaasumaisen olomuodon mallia - ihanteellinen kaasu, joka perustuu seuraaviin oletuksiin:
- kaasuhiukkasten välinen vuorovaikutus voidaan jättää huomiotta;
- hiukkaset itse ovat aineellisia pisteitä, joilla ei ole omaa kokoaan.
Yleisimpänä ideaalista kaasumallia kuvaavaa yhtälöä pidetään yhtälöinä Mendelejev-Clapeyron yhdelle moolille ainetta:
Todellisen kaasun käyttäytyminen eroaa kuitenkin yleensä ihanteellisesta. Tämä selittyy ensinnäkin sillä, että todellisen kaasun molekyylien välillä on edelleen merkityksettömiä keskinäisen vetovoiman voimia, jotka puristavat kaasua tietyssä määrin. Tämä huomioon ottaen kaasun kokonaispaine kasvaa arvolla a/v2, joka ottaa huomioon sisäisen lisäpaineen, joka johtuu molekyylien keskinäisestä vetovoimasta. Tämän seurauksena kaasun kokonaispaine ilmaistaan summana P+ a/v2. Toiseksi todellisen kaasun molekyyleillä on, vaikkakin pieni, mutta melko selvä tilavuus b , joten kaiken avaruudessa olevan kaasun todellinen tilavuus on V- b . Korvaamalla tarkasteltavat arvot Mendeleev-Clapeyron-yhtälöön, saamme todellisen kaasun tilayhtälön, joka on ns. van der Waalsin yhtälö:
missä a ja b ovat empiirisiä kertoimia, jotka määritetään käytännössä kullekin todelliselle kaasulle. On todettu, että kerroin a on suuri arvo helposti nesteytyville kaasuille (esim. CO 2, NH 3) ja kerroin b - päinvastoin, mitä suurempi koko, sitä suurempia kaasumolekyylejä (esimerkiksi kaasumaiset hiilivedyt).
Van der Waalsin yhtälö kuvaa todellisen kaasun käyttäytymistä paljon tarkemmin kuin Mendeleev-Clapeyron -yhtälö, jota kuitenkin käytetään laajasti käytännön laskelmissa sen selkeän fysikaalisen merkityksen vuoksi. Vaikka kaasun ideaalinen tila onkin rajoittava, kuvitteellinen tapaus, sitä vastaavien lakien yksinkertaisuus, mahdollisuus soveltaa niitä monien kaasujen ominaisuuksien kuvaamiseen matalissa paineissa ja korkeissa lämpötiloissa tekee ideaalisesta kaasumallista erittäin kätevän. .
Aineen nestemäinen tila
Minkä tahansa tietyn aineen nestemäinen tila on termodynaamisesti stabiili tietyllä lämpötila- ja painealueella, joka on ominaista aineen luonteelle (koostumukselle). Nestemäisen tilan lämpötilan yläraja on kiehumispiste, jonka yläpuolella aine on stabiilissa paineessa kaasumaisessa tilassa. Nesteen olemassaolon stabiilin tilan alaraja on kiteytymislämpötila (jähmettyminen). 101,3 kPa:n paineessa mitattuja kiehumis- ja kiteytyslämpötiloja kutsutaan normaaleiksi.
Tavallisille nesteille isotropia on luontainen - fysikaalisten ominaisuuksien tasaisuus aineen kaikkiin suuntiin. Joskus isotropiaan käytetään myös muita termejä: invarianssi, symmetria suunnan valinnan suhteen.
Nestemäisen tilan luonteen näkemysten muodostumisessa Mendelejevin (1860) keksimä kriittisen tilan käsite on erittäin tärkeä:
Kriittinen tila on tasapainotila, jossa nesteen ja sen höyryn erotusraja häviää, koska neste ja sen kyllästetty höyry saavat samat fysikaaliset ominaisuudet.
Kriittisessä tilassa nesteen ja sen kylläisen höyryn tiheydet ja ominaistilavuudet ovat samat.
Aineen nestemäinen tila on kaasumaisen ja kiinteän välillä. Jotkut ominaisuudet tuovat nestemäisen tilan lähemmäksi kiinteää ainetta. Jos kiinteille aineille on ominaista jäykkä hiukkasten järjestys, joka ulottuu satojen tuhansien atomien välisten tai molekyylien välisten säteiden etäisyydelle, niin nestemäisessä tilassa ei yleensä havaita enempää kuin muutamia kymmeniä järjestettyjä hiukkasia. Tämä selittyy sillä, että hiukkasten välinen järjestys nestemäisen aineen eri paikoissa syntyy nopeasti, ja yhtä nopeasti "hämärtyy" taas hiukkasten lämpövärähtelyjen vaikutuksesta. Samaan aikaan hiukkasten "pakkauksen" kokonaistiheys eroaa vähän kiinteän aineen tiheydestä, joten nesteiden tiheys ei poikkea paljon useimpien kiinteiden aineiden tiheydestä. Lisäksi nesteiden puristumiskyky on lähes yhtä pieni kuin kiinteillä aineilla (noin 20 000 kertaa pienempi kuin kaasuilla).
Rakenneanalyysi vahvisti, että ns lyhyen kantaman tilaus, mikä tarkoittaa, että kunkin molekyylin lähimpien "naapureiden" lukumäärä ja niiden keskinäinen järjestely ovat suunnilleen samat koko tilavuudessa.
Suhteellisen pientä määrää koostumukseltaan erilaisia hiukkasia, joita yhdistävät molekyylien välisen vuorovaikutuksen voimat, kutsutaan klusterin . Jos kaikki nesteen hiukkaset ovat samoja, niin tällaista klusteria kutsutaan kumppani . Lyhyen kantaman järjestys havaitaan klustereissa ja assosiaatioissa.
Eri nesteiden järjestysaste riippuu lämpötilasta. Hieman sulamispisteen yläpuolella olevissa lämpötiloissa järjestysaste hiukkasten sijoittelussa on erittäin korkea. Lämpötilan noustessa se laskee ja lämpötilan noustessa nesteen ominaisuudet lähestyvät yhä enemmän kaasujen ominaisuuksia, ja kun kriittinen lämpötila saavutetaan, nesteen ja kaasumaisen tilan välinen ero häviää.
Nestemäisen tilan läheisyys kiinteään olomuotoon vahvistetaan haihtumisen standardientalpioiden DH 0 ja sulamisen DH 0 avulla. Muista, että DH 0 haihtumisarvo osoittaa lämpömäärän, joka tarvitaan 1 moolin nesteen muuntamiseen höyryksi paineessa 101,3 kPa; sama määrä lämpöä kuluu 1 moolin höyryn tiivistymiseen nesteeksi samoissa olosuhteissa (eli DH 0 haihtuminen = DH 0 kondensaatio). Lämpömäärää, joka tarvitaan muuntamaan 1 moolin kiinteää ainetta nesteeksi paineessa 101,3 kPa, kutsutaan ns. tavallinen fuusioentalpia; sama määrä lämpöä vapautuu 1 moolin nestemäisen kiteytymisen aikana normaalipaineolosuhteissa (DH 0 sulaminen = DH 0 kiteytys). Tiedetään, että DH 0 haihtuminen<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.
Muut nesteiden tärkeät ominaisuudet ovat kuitenkin enemmän kaasujen kaltaisia. Joten, kuten kaasut, nesteet voivat virrata - tätä ominaisuutta kutsutaan juoksevuus . Ne voivat vastustaa virtausta, eli ne ovat luontaisia viskositeetti . Näihin ominaisuuksiin vaikuttavat molekyylien väliset vetovoimat, nestemäisen aineen molekyylipaino ja muut tekijät. Nesteiden viskositeetti on noin 100 kertaa suurempi kuin kaasujen. Aivan kuten kaasut, nesteet voivat diffuusoitua, mutta paljon hitaammin, koska nestehiukkaset pakkautuvat tiheämmin kuin kaasuhiukkaset.
Yksi mielenkiintoisimmista nestemäisen tilan ominaisuuksista, joka ei ole ominaista kaasuille tai kiinteille aineille, on pintajännitys .
Kaavio nesteen pintajännityksestä Nestetilavuudessa sijaitsevaan molekyyliin vaikuttavat tasaisesti molekyylien väliset voimat kaikilta puolilta. Nesteen pinnalla näiden voimien tasapaino kuitenkin häiriintyy, minkä seurauksena pintamolekyylit ovat jonkin tuloksena olevan voiman vaikutuksen alaisena, joka kohdistuu nesteen sisään. Tästä syystä nestepinta on jännittyneessä tilassa. Pintajännitys on pienin voima, joka pitää nesteen hiukkaset sisällä ja estää siten nesteen pintaa kutistumasta.
Kiinteiden aineiden rakenne ja ominaisuudet
Useimmat tunnetuista aineista, sekä luonnollisista että keinotekoisista, ovat normaaleissa olosuhteissa kiinteässä tilassa. Kaikista nykyään tunnetuista yhdisteistä noin 95 % on kiinteitä aineita, joista on tullut tärkeitä, koska ne ovat paitsi rakenteellisten, myös toiminnallisten materiaalien perusta.
- Rakennemateriaalit ovat kiinteitä aineita tai niiden koostumuksia, joista valmistetaan työkaluja, taloustavaroita ja erilaisia muita rakenteita.
- Funktionaaliset materiaalit ovat kiinteitä aineita, joiden käyttö johtuu tiettyjen hyödyllisten ominaisuuksien läsnäolosta.
Esimerkiksi teräs, alumiini, betoni, keramiikka kuuluvat rakennemateriaaleihin ja puolijohteet, loisteaineet toiminnallisiin.
Kiinteässä tilassa aineen hiukkasten väliset etäisyydet ovat pieniä ja niillä on sama suuruusluokka kuin itse hiukkasilla. Niiden väliset vuorovaikutusenergiat ovat riittävän suuria, mikä estää hiukkasten vapaan liikkumisen - ne voivat värähdellä vain tiettyjen tasapainoasemien ympärillä, esimerkiksi kidehilan solmujen ympärillä. Hiukkasten kyvyttömyys liikkua vapaasti johtaa yhteen kiinteiden aineiden ominaispiirteistä - niiden oman muodon ja tilavuuden läsnäoloon. Kyky puristaa kiinteitä aineita on hyvin pieni, ja tiheys on korkea ja riippuu vähän lämpötilan muutoksista. Kaikki kiinteässä aineessa tapahtuvat prosessit tapahtuvat hitaasti. Kiinteiden aineiden stoikiometrian laeilla on erilainen ja pääsääntöisesti laajempi merkitys kuin kaasumaisille ja nestemäisille aineille.
Kiinteiden aineiden yksityiskohtainen kuvaus on liian laaja tälle materiaalille, ja siksi sitä käsitellään erillisissä artikkeleissa:, ja.
Määritelmä
Aineen aggregoidut tilat (latinan kielestä aggrego - kiinnittää, yhdistää) - nämä ovat saman aineen tiloja - kiinteä, nestemäinen, kaasumainen.
Tilasta toiseen siirtymisen aikana tapahtuu äkillinen muutos aineen energiassa, entropiassa, tiheydessä ja muissa ominaisuuksissa.
Kiinteitä ja nestemäisiä kappaleita
Määritelmä
Kiinteät kappaleet ovat kappaleita, jotka erottuvat muodon ja tilavuuden pysyvyydestä.
Niissä molekyylien väliset etäisyydet ovat pieniä ja molekyylien potentiaalienergia on verrattavissa kineettiseen energiaan. Kiinteät aineet jaetaan kahteen tyyppiin: kiteisiin ja amorfisiin. Vain kidekappaleet ovat termodynaamisen tasapainon tilassa. Amorfiset kappaleet edustavat itse asiassa metastabiileja tiloja, jotka rakenteeltaan lähestyvät epätasapainoisia, hitaasti kiteytyviä nesteitä. Amorfisessa kappaleessa tapahtuu erittäin hidas kiteytymisprosessi, prosessi, jossa aine siirtyy asteittain kiteiseen faasiin. Ero kiteen ja amorfisen kiinteän aineen välillä on ensisijaisesti sen ominaisuuksien anisotropiassa. Kiteisen kappaleen ominaisuudet riippuvat suunnasta avaruudessa. Erilaiset prosessit, kuten lämmönjohtavuus, sähkönjohtavuus, valo, ääni, etenevät kiinteän kappaleen eri suuntiin eri tavoin. Amorfiset kappaleet (lasi, hartsit, muovit) ovat isotooppeja, kuten nesteet. Ainoa ero amorfisten kappaleiden ja nesteiden välillä on, että jälkimmäiset ovat nestemäisiä, staattiset leikkausmuodonmuutokset ovat niissä mahdottomia.
Kiteisillä kappaleilla on oikea molekyylirakenne. Sen ominaisuuksien anisotropia johtuu kiteen oikeasta rakenteesta. Kiteen atomien oikea järjestys muodostaa ns. kidehilan. Eri suunnissa atomien sijoittelu hilassa on erilainen, mikä johtaa anisotropiaan. Kidehilan atomit (tai ionit tai kokonaiset molekyylit) suorittavat satunnaista värähtelevää liikettä keskiasemien ympärillä, joita pidetään kidehilan solmuina. Mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi on värähtelyjen energia ja siten värähtelyjen keskimääräinen amplitudi. Kiteen koko riippuu värähtelyjen amplitudista. Värähtelyn amplitudin lisääntyminen johtaa kehon koon kasvuun. Tämä selittää kiinteiden aineiden lämpölaajenemisen.
Määritelmä
Nestekappaleet ovat kappaleita, joilla on tietty tilavuus, mutta joilla ei ole muodon joustavuutta.
Nesteille on ominaista voimakas molekyylien välinen vuorovaikutus ja alhainen puristuvuus. Neste on kiinteän aineen ja kaasun välissä. Nesteet, kuten kaasut, ovat isotooppisia. Lisäksi nesteessä on juoksevuutta. Siinä, kuten kaasuissa, ei ole kappaleiden tangentiaalista jännitystä (leikkausjännitystä). Nesteet ovat raskaita, ts. niiden ominaispaino on verrattavissa kiinteiden aineiden ominaispainoon. Lähellä kiteytyslämpötiloja niiden lämpökapasiteetit ja muut lämpöominaisuudet ovat lähellä kiinteiden aineiden vastaavia. Nesteissä atomien säännöllistä järjestelyä havaitaan jossain määrin, mutta vain pienillä alueilla. Täällä atomit värähtelevät myös kvasikiteisen solun solmujen lähellä, mutta toisin kuin kiinteän kappaleen atomit, ne hyppäävät solmusta toiseen ajoittain. Tämän seurauksena atomien liikkeestä tulee erittäin monimutkaista: se on värähtelevää, mutta samalla värähtelykeskus liikkuu avaruudessa.
Kaasu, haihtuminen, kondensaatio ja sulaminen
Määritelmä
Kaasu on aineen tila, jossa molekyylien väliset etäisyydet ovat suuret.
Molekyylien väliset vuorovaikutusvoimat alhaisissa paineissa voidaan jättää huomiotta. Kaasupartikkelit täyttävät koko kaasulle syötetyn tilavuuden. Kaasuja voidaan pitää erittäin tulistettuina tai tyydyttymättöminä höyryinä. Plasma on erityinen kaasutyyppi - se on osittain tai kokonaan ionisoitua kaasua, jossa positiivisten ja negatiivisten varausten tiheys on lähes sama. Plasma on varautuneiden hiukkasten kaasu, jotka ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa käyttämällä sähköisiä voimia suurella etäisyydellä, mutta joilla ei ole lähellä ja kaukana olevia hiukkasia.
Aineet voivat muuttua aggregaatiotilasta toiseen.
Määritelmä
Haihdutus on aineen aggregaatiotilan muutosprosessi, jossa nesteen tai kiinteän aineen pinnalta lentää molekyylit, joiden kineettinen energia ylittää molekyylien vuorovaikutuksen potentiaalisen energian.
Haihtuminen on faasimuutos. Haihdutuksen aikana osa nesteestä tai kiinteästä aineesta muuttuu höyryksi. Kaasumaisessa tilassa olevaa ainetta, joka on dynaamisessa tasapainossa nesteen kanssa, kutsutaan kylläiseksi höyryksi. Tässä tapauksessa kehon sisäisen energian muutos:
\[\kolmio \ U=\pm herra\ \vasen(1\oikea),\]
missä m on ruumiinpaino, r on höyrystymislämpö (J / kg).
Määritelmä
Kondensoituminen on käänteinen höyrystymisprosessi.
Sisäenergian muutoksen laskenta suoritetaan kaavan (1) mukaisesti.
Määritelmä
Sulaminen on aineen siirtymisprosessi kiinteästä tilasta nestemäiseen, prosessi, jossa aineen aggregaatiotila muuttuu.
Kun ainetta kuumennetaan, sen sisäinen energia kasvaa, joten molekyylien lämpöliikkeen nopeus kasvaa. Jos aineen sulamispiste saavutetaan, kiinteän aineen kidehila alkaa hajota. Hiukkasten väliset sidokset tuhoutuvat, hiukkasten välinen vuorovaikutusenergia kasvaa. Kehoon siirtyvä lämpö lisää tämän kehon sisäistä energiaa, ja osa energiasta menee työhön, joka muuttaa kehon tilavuutta sen sulaessa. Useimmissa kiteisissä kappaleissa tilavuus kasvaa sulattaessa, mutta poikkeuksia on, esimerkiksi jää, valurauta. Amorfisilla kappaleilla ei ole tiettyä sulamispistettä. Sulaminen on faasimuutos, johon liittyy äkillinen lämpökapasiteetin muutos sulamislämpötilassa. Sulamispiste riippuu aineesta eikä muutu prosessin aikana. Tässä tapauksessa kehon sisäisen energian muutos:
\[\kolmio U=\pm m\lambda \vasen(2\oikea),\]
missä $\lambda $ on sulamislämpö (J/kg).
Käänteinen sulamisprosessi on kiteytyminen. Sisäenergian muutoksen laskenta suoritetaan kaavan (2) mukaisesti.
Järjestelmän kunkin rungon sisäisen energian muutos lämmityksen tai jäähdytyksen tapauksessa voidaan laskea kaavalla:
\[\kolmio U=mc\kolmio T\vasen(3\oikea),\]
missä c on aineen ominaislämpö, J/(kgK), $\kolmio T$ on kehon lämpötilan muutos.
Kun tutkitaan aineiden siirtymiä aggregaatiotilasta toiseen, on mahdotonta tulla toimeen ilman ns. lämpötasapainoyhtälöä, joka sanoo: lämpöeristetyssä järjestelmässä vapautuva kokonaislämmön määrä on yhtä suuri kuin tässä järjestelmässä absorboitunut lämpö (kokonaismäärä).
Sen merkityksessä lämpötasapainoyhtälö on energian säilymisen laki lämmönsiirtoprosesseissa lämpöeristetyissä järjestelmissä.
Esimerkki 1
Tehtävä: Lämpöeristetyssä astiassa on vettä ja jäätä lämpötilassa $t_i= 0^oС$. Veden ($m_(v\ ))$ ja jään ($m_(i\ ))$ massat ovat 0,5 kg ja 60 g. Veteen päästetään vesihöyryä, jonka massa on $m_(p\ )=$10 g. lämpötilassa $t_p= 100^oС$. Mikä on veden lämpötila astiassa lämpötasapainon saavuttamisen jälkeen? Aluksen lämpökapasiteetti jätetään huomiotta.
Ratkaisu: Selvitetään, mitä prosesseja järjestelmässä tapahtuu, mitkä aineen aggregaattitilat meillä oli ja mitä saimme.
Vesihöyry tiivistyy ja luovuttaa lämpöä.
Tätä lämpöä käytetään jään sulattamiseen ja mahdollisesti jäästä saatavan veden lämmittämiseen.
Tarkastetaan ensin, kuinka paljon lämpöä vapautuu käytettävissä olevan höyrymassan kondensoitumisen aikana:
tässä vertailumateriaaleista $r=2.26 10^6\frac(J)(kg)$ - ominaishöyrystyslämpö (soveltuu myös kondensaatioon).
Jään sulatukseen tarvittava lämpö:
tässä vertailumateriaaleista $\lambda =3.3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - jään sulamislämpö.
Saadaan, että höyry luovuttaa enemmän lämpöä kuin tarvitaan, vain sulattaakseen olemassa olevan jään, joten kirjoitamme lämpötasapainoyhtälön muodossa:
Lämpöä vapautuu höyryn tiivistyessä, jonka massa on $m_(p\ )$ ja veden jäähtyessä, joka muodostuu höyrystä lämpötilasta $T_p$ haluttuun T:een. Lämpöä imeytyy sulaessa jäätä, jonka massa on $m_(i\ )$ ja veden lämmitys, jonka massa on $m_v+ m_i$ lämpötilasta $T_i$ arvoon $T.\ $ Merkitse $T-T_i=\kolmio T$, erolle $T_p-T$ saadaan:
Lämpötasapainon yhtälö on seuraavanlainen:
\ \ \[\kolmio T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\left(m_v+m_i+m_(p\ )\right))\vasen (1,6\oikea)\]
Suoritamme laskelmat ottaen huomioon, että veden lämpökapasiteetti on taulukkomuotoinen $c=4.2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273K$:
$\kolmio T=\frac(2,26\cpiste 10^6\cpiste 10^(-2)+4,2\cpiste 10^3\cpiste 10^(-2)10^2-6\cpiste 10^ (-2)\cpiste 3,3\cpiste 10^5)(4,2\cpiste 10^3\cpiste 5,7\cpiste 10^(-1))\noin 3\vasen(K\oikea)$sitten T = 273 + 3 = 276 (K)
Vastaus: Veden lämpötila astiassa lämpötasapainon saavuttamisen jälkeen on 276 K.
Esimerkki 2
Tehtävä: Kuvassa on isotermin leikkaus, joka vastaa aineen siirtymistä kiteisestä tilasta nestemäiseen tilaan. Mikä vastaa p,T-kaavion tätä osaa?
P, V -kaaviossa vaakasuuntaisella suoralla jaksolla p, T -kaaviossa kuvattu tilajoukko on kuvattu yhdellä pisteellä, joka määrittää p:n ja T:n arvot, jossa siirtyminen yhdestä aggregaatiotilasta toinen tapahtuu.
Yleisin tieto on kolmesta aggregaatiotilasta: nestemäinen, kiinteä, kaasumainen, joskus ajatellaan plasmaa, harvemmin nestekidettä. Äskettäin Internetissä on levinnyt luettelo 17 aineen vaiheesta, joka on otettu kuuluisalta () Stephen Fryltä. Siksi puhumme niistä yksityiskohtaisemmin, koska. pitäisi tietää vähän enemmän aineesta, jos vain ymmärtääkseen paremmin maailmankaikkeudessa tapahtuvia prosesseja.
Alla oleva luettelo aineen aggregoiduista olomuodoista kasvaa kylmimmästä kuumimpaan ja niin edelleen. voidaan jatkaa. Samanaikaisesti on ymmärrettävä, että kaasumaisesta tilasta (nro 11), "laajentunein", luettelon molemmilla puolilla, aineen puristusaste ja sen paine (joillakin varauksilla sellaisiin tutkimattomiin hypoteettiset tilat, kuten kvantti, säde tai heikosti symmetrinen) lisääntyvät Tekstin jälkeen esitetään visuaalinen graafi aineen faasisiirtymistä.
1. Kvantti- aineen aggregoitumistila, joka saavutetaan, kun lämpötila laskee absoluuttiseen nollaan, minkä seurauksena sisäiset sidokset katoavat ja aine murenee vapaiksi kvarkeiksi.
2. Bose-Einstein-kondensaatti- aineen aggregoitu tila, joka perustuu bosoneihin, jotka ovat jäähtyneet lähellä absoluuttista nollapistettä (alle asteen miljoonasosa absoluuttisen nollan yläpuolella). Tällaisessa voimakkaasti jäähtyneessä tilassa riittävän suuri määrä atomeja joutuu mahdollisimman pieniin kvanttitiloihinsa ja kvanttiefektit alkavat ilmetä makroskooppisella tasolla. Bose-Einstein-kondensaattia (kutsutaan usein "Bose-kondensaatiksi" tai yksinkertaisesti "takaisin") syntyy, kun jäähdytät kemiallisen alkuaineen erittäin alhaisiin lämpötiloihin (yleensä juuri absoluuttisen nollan yläpuolelle, miinus 273 celsiusastetta). , on teoreettinen lämpötila jossa kaikki lakkaa liikkumasta).
Tässä alkaa tapahtua outoja asioita. Prosessit, jotka normaalisti nähdään vain atomitasolla, tapahtuvat nyt riittävän suurissa mittakaavassa paljain silmin havaittavaksi. Jos esimerkiksi asetat "selkäosan" dekantterilasiin ja säädät halutun lämpötilan, aine alkaa ryömimään seinää pitkin ja lopulta poistumaan itsestään.
Ilmeisesti tässä on kyse aineen turhasta yrityksestä alentaa omaa energiaansa (joka on jo matalimmillaan kaikista mahdollisista tasoista).
Atomien hidastaminen jäähdytyslaitteistolla tuottaa yksittäisen kvanttitilan, joka tunnetaan nimellä Bose-kondensaatti tai Bose-Einstein. Tämän ilmiön ennusti A. Einstein vuonna 1925 S. Bosen työn yleistyksen seurauksena, jossa tilastollista mekaniikkaa rakennettiin hiukkasille, jotka vaihtelivat massattomista fotoneista massapitoisiin atomeihin (Einsteinin käsikirjoitus, jota pidettiin kadonneena, löydettiin Leidenin yliopiston kirjastosta vuonna 2005 ). Bosen ja Einsteinin ponnistelujen tuloksena syntyi Bose-Einsteinin tilastoja noudattava Bosen kaasukonsepti, joka kuvaa identtisten hiukkasten, joilla on kokonaisluku spin, tilastollista jakautumista, joita kutsutaan bosoneiksi. Bosonit, jotka ovat esimerkiksi sekä yksittäisiä alkuainehiukkasia - fotoneja että kokonaisia atomeja, voivat olla toistensa kanssa samoissa kvanttitiloissa. Einstein ehdotti, että atomien - bosonien - jäähdyttäminen erittäin alhaisiin lämpötiloihin saisi ne menemään (tai toisin sanoen tiivistymään) alimpaan mahdolliseen kvanttitilaan. Tällaisen tiivistymisen seurauksena syntyy uudenlainen aineen muoto.
Tämä siirtymä tapahtuu kriittisen lämpötilan alapuolella, joka on homogeeniselle kolmiulotteiselle kaasulle, joka koostuu vuorovaikuttamattomista hiukkasista ilman sisäisiä vapausasteita.
3. Fermioninen kondensaatti- aineen aggregaatiotila, joka on samanlainen kuin tausta, mutta eroaa rakenteeltaan. Lähestyessään absoluuttista nollaa atomit käyttäytyvät eri tavalla riippuen oman kulmamomenttinsa (spin) suuruudesta. Bosonien pyöritykset ovat kokonaislukuja, kun taas fermioneissa on kierrokset, jotka ovat 1/2 (1/2, 3/2, 5/2) kerrannaisia. Fermionit noudattavat Paulin poissulkemisperiaatetta, jonka mukaan kahdella fermionilla ei voi olla samaa kvanttitilaa. Bosoneille tällaista kieltoa ei ole, ja siksi niillä on mahdollisuus olla yhdessä kvanttitilassa ja muodostaa siten ns. Bose-Einstein-kondensaatin. Tämän kondensaatin muodostumisprosessi on vastuussa siirtymisestä suprajohtavaan tilaan.
Elektronien spin 1/2 ja siksi ne ovat fermioneja. Ne yhdistyvät pareiksi (ns. Cooper-pariksi), jotka muodostavat sitten Bose-kondensaatin.
Amerikkalaiset tutkijat yrittivät saada eräänlaisen molekyylin fermion-atomeista syväjäähdytyksellä. Erona todellisista molekyyleistä oli se, että atomien välillä ei ollut kemiallista sidosta - ne vain liikkuivat yhdessä korreloivalla tavalla. Atomien välinen sidos osoittautui jopa vahvemmaksi kuin Cooper-parien elektronien välinen sidos. Muodostuneiden fermioniparien kokonaisspin ei ole enää 1/2:n kerrannainen, joten ne käyttäytyvät jo bosonien tavoin ja voivat muodostaa Bose-kondensaatin yhdellä kvanttitilalla. Kokeen aikana kalium-40 atomia sisältävä kaasu jäähdytettiin 300 nanokelviniin samalla kun kaasu suljettiin ns. optiseen loukuun. Sitten käytettiin ulkoista magneettikenttää, jonka avulla oli mahdollista muuttaa atomien välisten vuorovaikutusten luonnetta - vahvan hylkimisen sijaan alettiin havaita voimakasta vetovoimaa. Magneettikentän vaikutusta analysoitaessa oli mahdollista löytää sellainen arvo, jossa atomit alkoivat käyttäytyä kuin Cooper-elektroniparit. Kokeen seuraavassa vaiheessa tutkijat ehdottavat suprajohtavuuden vaikutusten saamista fermioniselle kondensaatille.
4. Supernesteaine- tila, jossa aineella ei käytännössä ole viskositeettia, ja virratessa se ei koe kitkaa kiinteän pinnan kanssa. Seurauksena tästä on esimerkiksi sellainen mielenkiintoinen vaikutus kuin supernesteisen heliumin täydellinen spontaani "hiipiminen ulos" astiasta sen seiniä pitkin painovoimaa vastaan. Tässä ei tietenkään rikota energian säilymislakia. Kitkavoimien puuttuessa heliumiin vaikuttavat vain painovoimat, heliumin ja astian seinämien sekä heliumatomien välisen atomien välisen vuorovaikutuksen voimat. Joten atomien välisen vuorovaikutuksen voimat ylittävät kaikki muut voimat yhdistettynä. Tämän seurauksena heliumilla on taipumus levitä mahdollisimman paljon kaikille mahdollisille pinnoille ja siksi "matkustaa" pitkin suonen seiniä. Vuonna 1938 Neuvostoliiton tiedemies Pjotr Kapitsa osoitti, että heliumia voi olla supernestetilassa.
On syytä huomata, että monet heliumin epätavallisista ominaisuuksista ovat olleet tiedossa jo jonkin aikaa. Viime vuosina tämä kemiallinen alkuaine on kuitenkin "hemmentänyt" meitä mielenkiintoisilla ja odottamattomilla vaikutuksilla. Joten vuonna 2004 Moses Chan ja Eun-Syong Kim Pennsylvanian yliopistosta kiehtoivat tiedemaailmaa väittämällä, että he olivat onnistuneet saamaan aikaan täysin uuden heliumin tilan - supernesteisen kiinteän aineen. Tässä tilassa jotkut kidehilan heliumatomit voivat virrata muiden ympärillä ja helium voi siten virrata itsensä läpi. "Superkovuuden" vaikutus ennustettiin teoriassa jo vuonna 1969. Ja vuonna 2004 - ikään kuin kokeellinen vahvistus. Myöhemmät ja erittäin uteliaat kokeet osoittivat kuitenkin, että kaikki ei ole niin yksinkertaista, ja ehkä tällainen ilmiön tulkinta, joka aiemmin pidettiin kiinteän heliumin superfluiditeettina, on virheellinen.
Humphrey Marisin johtamien tutkijoiden kokeilu Brownin yliopistosta Yhdysvalloissa oli yksinkertainen ja tyylikäs. Tiedemiehet asettivat koeputken ylösalaisin suljettuun nestemäistä heliumia sisältävään säiliöön. Osa heliumista koeputkessa ja säiliössä oli jäätynyt siten, että nesteen ja kiinteän aineen välinen raja koeputken sisällä oli korkeampi kuin säiliössä. Toisin sanoen koeputken yläosassa oli nestemäistä heliumia ja alaosassa kiinteää heliumia, joka siirtyi sujuvasti säiliön kiinteään faasiin, jonka päälle kaadettiin vähän nestemäistä heliumia - alempana kuin nestepinta. koeputkessa. Jos nestemäistä heliumia alkaisi tihkua kiinteän aineen läpi, tasoero pienenisi ja silloin voidaan puhua kiinteästä supernesteestä. Ja periaatteessa kolmessa 13 kokeesta tasoero pieneni.
5. Superkova aine- aggregaatiotila, jossa aine on läpinäkyvää ja voi "virrata" kuin neste, mutta itse asiassa se on vailla viskositeettia. Tällaiset nesteet ovat olleet tunnettuja jo vuosia ja niitä kutsutaan supernesteiksi. Tosiasia on, että jos supernestettä sekoitetaan, se kiertää lähes ikuisesti, kun taas normaali neste lopulta rauhoittuu. Tutkijat loivat kaksi ensimmäistä supernestettä käyttämällä helium-4:ää ja helium-3:a. Ne jäähdytettiin melkein absoluuttiseen nollaan - miinus 273 celsiusasteeseen. Ja helium-4:stä amerikkalaiset tutkijat onnistuivat saamaan superkovan kappaleen. He puristivat jäätynyttä heliumia paineella yli 60 kertaa, ja sitten aineella täytetty lasi asennettiin pyörivälle levylle. 0,175 celsiusasteen lämpötilassa levy alkoi yhtäkkiä pyöriä vapaammin, mikä tiedemiesten mukaan osoittaa, että heliumista on tullut superkappale.
6. Kiinteä- aineen aggregoitumistila, jolle on ominaista atomien muodon pysyvyys ja lämpöliikkeen luonne, jotka aiheuttavat pieniä värähtelyjä tasapainoasemien ympärillä. Kiinteiden aineiden stabiili tila on kiteinen. Kiinteät aineet erotetaan ionisista, kovalenttisista, metallisista ja muun tyyppisistä atomien välisistä sidoksista, mikä määrää niiden fysikaalisten ominaisuuksien monimuotoisuuden. Kiinteiden aineiden sähköiset ja eräät muut ominaisuudet määräytyvät pääasiassa sen atomien ulkoelektronien liikkeen luonteesta. Kiinteät aineet jaetaan sähköisten ominaisuuksiensa mukaan eristeisiin, puolijohteisiin ja metalleihin, magneettisten ominaisuuksiensa mukaan diamagneeteiksi, paramagneeteiksi ja kappaleiksi, joilla on järjestetty magneettinen rakenne. Kiinteiden aineiden ominaisuuksien tutkimukset ovat yhdistyneet laajaksi alaksi – kiinteän olomuodon fysiikaksi, jonka kehitystä vauhdittavat tekniikan tarpeet.
7. Amorfinen kiinteä aine- aineen tiivistynyt aggregaatiotila, jolle on tunnusomaista fysikaalisten ominaisuuksien isotropia atomien ja molekyylien epäjärjestyksen vuoksi. Amorfisissa kiinteissä aineissa atomit värähtelevät satunnaisten pisteiden ympärillä. Toisin kuin kiteisessä tilassa, siirtyminen kiinteästä amorfisesta nesteeksi tapahtuu vähitellen. Erilaiset aineet ovat amorfisessa tilassa: lasit, hartsit, muovit jne.
8. Nestekide- tämä on aineen erityinen aggregaatiotila, jossa sillä on samanaikaisesti kiteen ja nesteen ominaisuuksia. Meidän on välittömästi tehtävä varaus, että kaikki aineet eivät voi olla nestekidetilassa. Jotkut orgaaniset aineet, joissa on monimutkaisia molekyylejä, voivat kuitenkin muodostaa tietyn aggregaatiotilan - nestekide. Tämä tila suoritetaan tiettyjen aineiden kiteiden sulamisen aikana. Kun ne sulavat, muodostuu nestekiteinen faasi, joka eroaa tavallisista nesteistä. Tämä faasi esiintyy alueella kiteen sulamislämpötilasta johonkin korkeampaan lämpötilaan, johon kuumennettaessa nestekide muuttuu tavalliseksi nesteeksi.
Miten nestekide eroaa nesteestä ja tavallisesta kiteestä ja miten se muistuttaa niitä? Kuten tavallinen neste, nestekide on juoksevaa ja se on muodoltaan astia, johon se asetetaan. Tässä se eroaa kaikkien tuntemista kiteistä. Huolimatta tästä ominaisuudesta, joka yhdistää sen nesteeseen, sillä on kiteille ominaisuus. Tämä on kiteen muodostavien molekyylien järjestys avaruudessa. Totta, tämä järjestys ei ole niin täydellinen kuin tavallisissa kiteissä, mutta se vaikuttaa kuitenkin merkittävästi nestekiteiden ominaisuuksiin, mikä erottaa ne tavallisista nesteistä. Nestekiteen muodostavien molekyylien epätäydellinen tilajärjestys ilmenee siinä, että nestekiteissä molekyylien painopisteiden avaruudellisessa järjestelyssä ei ole täydellistä järjestystä, vaikka osittaista järjestystä voi olla. Tämä tarkoittaa, että niissä ei ole jäykkää kidehilaa. Siksi nestekiteillä, kuten tavallisilla nesteillä, on juoksevuusominaisuus.
Nestekiteiden pakollinen ominaisuus, joka tuo ne lähemmäksi tavallisia kiteitä, on järjestyksen läsnäolo molekyylien avaruudellisessa orientaatiossa. Tällainen orientaatiojärjestys voi ilmetä esimerkiksi siinä, että nestekidenäytteessä kaikki molekyylien pitkät akselit ovat samalla tavalla orientoituneita. Näillä molekyyleillä tulee olla pitkänomainen muoto. Yksinkertaisimman nimetyn molekyylien akselijärjestyksen lisäksi nestekiteessä voidaan toteuttaa monimutkaisempi molekyylien orientaatiojärjestys.
Molekyyliakselien järjestyksen tyypistä riippuen nestekiteet jaetaan kolmeen tyyppiin: nemaattisiin, smektisiin ja kolesterisiin.
Nestekiden fysiikan ja niiden sovellusten tutkimusta tehdään tällä hetkellä laajalla rintamalla kaikissa maailman kehittyneimmissä maissa. Kotimainen tutkimus on keskittynyt sekä akateemisiin että teollisiin tutkimuslaitoksiin ja sillä on pitkät perinteet. Teokset V.K. Frederiks V.N. Tsvetkova. Viime vuosina nopealla nestekiteiden tutkimuksella venäläiset tutkijat ovat myös edistäneet merkittävästi nestekiteiden teorian kehittymistä yleensä ja erityisesti nestekiteiden optiikkaa. Joten, I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Blinov ja monet muut Neuvostoliiton tutkijat ovat tiedeyhteisön laajasti tuntemia ja toimivat perustana useille tehokkaille nestekiteiden teknisille sovelluksille.
Nestekiteiden olemassaolo perustettiin hyvin kauan sitten, nimittäin vuonna 1888, eli melkein sata vuotta sitten. Vaikka tiedemiehet olivat kohdanneet tämän aineen tilan ennen vuotta 1888, se löydettiin virallisesti myöhemmin.
Ensimmäinen, joka löysi nestekiteet, oli itävaltalainen kasvitieteilijä Reinitzer. Tutkiessaan hänen syntetisoimaansa uutta kolesteryylibentsoaattia, hän havaitsi, että 145 °C:n lämpötilassa tämän aineen kiteet sulavat muodostaen samean nesteen, joka hajottaa voimakkaasti valoa. Jatkuvassa lämmityksessä, kun lämpötila on 179 ° C, neste muuttuu kirkkaaksi, eli se alkaa käyttäytyä optisesti kuin tavallinen neste, kuten vesi. Kolesteryylibentsoaatti osoitti odottamattomia ominaisuuksia sameassa faasissa. Tutkiessaan tätä faasia polarisoivalla mikroskoopilla Reinitzer havaitsi, että sillä on kahtaistaitetta. Tämä tarkoittaa, että valon taitekerroin, eli valon nopeus tässä vaiheessa, riippuu polarisaatiosta.
9. Neste- aineen aggregaatiotila, jossa yhdistyvät kiinteän tilan (tilavuuden säilyminen, tietty vetolujuus) ja kaasumaisen tilan (muodon vaihtelu) piirteet. Nesteelle on tunnusomaista hiukkasten (molekyylien, atomien) järjestys lyhyellä etäisyydellä ja pieni ero molekyylien lämpöliikkeen kineettisessä energiassa ja niiden potentiaalisessa vuorovaikutusenergiassa. Nestemolekyylien lämpöliike koostuu värähtelystä tasapainoasemien ympärillä ja suhteellisen harvinaisista hyppyistä tasapainoasennosta toiseen, mikä liittyy nesteen juoksevuuteen.
10. Ylikriittinen neste(GFR) on aineen aggregaatiotila, jossa neste- ja kaasufaasin ero häviää. Mikä tahansa aine, jonka lämpötila ja paine ylittää kriittisen pisteen, on ylikriittistä nestettä. Ylikriittisessä tilassa olevan aineen ominaisuudet ovat kaasu- ja nestefaasin ominaisuuksien välissä. Siten SCF:llä on korkea tiheys, lähellä nestettä ja alhainen viskositeetti, kuten kaasuilla. Diffuusiokerroin on tässä tapauksessa nesteen ja kaasun välissä. Ylikriittisessä tilassa olevia aineita voidaan käyttää orgaanisten liuottimien korvikkeena laboratorio- ja teollisuusprosesseissa. Ylikriittinen vesi ja ylikriittinen hiilidioksidi ovat saaneet eniten kiinnostusta ja leviämistä tiettyjen ominaisuuksien yhteydessä.
Yksi ylikriittisen tilan tärkeimmistä ominaisuuksista on kyky liuottaa aineita. Nesteen lämpötilaa tai painetta muuttamalla voidaan muuttaa sen ominaisuuksia laajalla alueella. Siten on mahdollista saada neste, jonka ominaisuudet ovat lähellä joko nestettä tai kaasua. Näin ollen nesteen liukenemiskyky kasvaa tiheyden kasvaessa (vakiolämpötilassa). Koska tiheys kasvaa paineen kasvaessa, paineen muuttaminen voi vaikuttaa nesteen liukenemiskykyyn (vakiolämpötilassa). Lämpötilan tapauksessa nesteen ominaisuuksien riippuvuus on jonkin verran monimutkaisempi - vakiotiheydellä myös nesteen liukenemiskyky kasvaa, mutta lähellä kriittistä pistettä lämpötilan lievä nousu voi johtaa tiheyden jyrkkään laskuun, ja vastaavasti liuotusvoima. Ylikriittiset nesteet sekoittuvat keskenään rajattomasti, joten kun seoksen kriittinen piste saavutetaan, järjestelmä on aina yksivaiheinen. Binääriseoksen likimääräinen kriittinen lämpötila voidaan laskea aineiden kriittisten parametrien aritmeettisena keskiarvona Tc(mix) = (A:n mooliosuus) x TcA + (B:n mooliosuus) x TcB.
11. Kaasumainen- (ranskaksi gaz, kreikaksi kaaos - kaaos), aineen kokonaistila, jossa sen hiukkasten (molekyylien, atomien, ionien) lämpöliikkeen kineettinen energia ylittää merkittävästi niiden välisten vuorovaikutusten potentiaalisen energian ja siten hiukkasten liikkua vapaasti, tasaisesti täyttäen ilman ulkoisia kenttiä, koko heille tarjotun tilavuuden.
12. Plasma- (kreikankielisestä plasmasta - muotoiltu, muotoiltu), aineen tila, joka on ionisoitua kaasua, jossa positiivisten ja negatiivisten varausten pitoisuudet ovat yhtä suuret (quasi neutraali). Suurin osa maailmankaikkeuden aineesta on plasmatilassa: tähdet, galaktiset sumut ja tähtienvälinen väliaine. Maapallon lähellä plasmaa esiintyy aurinkotuulen, magnetosfäärin ja ionosfäärin muodossa. Korkean lämpötilan plasmaa (T ~ 106 - 108 K) deuteriumin ja tritiumin seoksesta tutkitaan tavoitteena toteuttaa kontrolloitu lämpöydinfuusio. Matalalämpöistä plasmaa (T Ј 105K) käytetään erilaisissa kaasupurkauslaitteissa (kaasulaserit, ionilaitteet, MHD-generaattorit, plasmapolttimet, plasmamoottorit jne.) sekä tekniikassa (ks. Plasmametallurgia, Plasmaporaus, Plasmatekniikka).
13. Degeneroitunut aine- on välivaihe plasman ja neutroniumin välillä. Sitä havaitaan valkoisissa kääpiöissä ja sillä on tärkeä rooli tähtien kehityksessä. Kun atomit ovat erittäin korkeissa lämpötiloissa ja paineissa, ne menettävät elektroninsa (ne menevät elektronikaasuksi). Toisin sanoen ne ovat täysin ionisoituneita (plasma). Tällaisen kaasun (plasman) paine määräytyy elektronin paineen mukaan. Jos tiheys on erittäin korkea, kaikki hiukkaset pakotetaan lähestymään toisiaan. Elektronit voivat olla tilassa, jossa on tietty energia, ja kahdella elektronilla ei voi olla samaa energiaa (elleivät niiden spinit ole vastakkaisia). Siten tiheässä kaasussa kaikki alemmat energiatasot osoittautuvat täytetyiksi elektroneilla. Tällaista kaasua kutsutaan rappeutuneeksi. Tässä tilassa elektroneissa on degeneroitunut elektronipaine, joka vastustaa painovoimaa.
14. Neutronium- aggregaatiotila, johon aine siirtyy ultrakorkean paineen alaisena, jota ei laboratoriossa vielä voida saavuttaa, mutta joka on olemassa neutronitähtien sisällä. Siirtyessään neutronitilaan aineen elektronit ovat vuorovaikutuksessa protonien kanssa ja muuttuvat neutroneiksi. Tämän seurauksena neutronitilassa oleva aine koostuu kokonaan neutroneista ja sen tiheys on ydinluokkaa. Aineen lämpötila ei tässä tapauksessa saa olla liian korkea (energiaekvivalentteina enintään sata MeV).
Lämpötilan voimakkaan nousun myötä (satoja MeV ja enemmän) neutronitilassa alkaa syntyä ja tuhoutua erilaisia mesoneja. Lämpötilan noustessa entisestään tapahtuu rajoitusten purkaminen ja aine siirtyy kvarkkigluoniplasman tilaan. Se ei enää koostu hadroneista, vaan jatkuvasti syntyvistä ja katoavista kvarkeista ja gluoneista.
15. Kvarkkigluoniplasma(kromoplasma) on korkeaenergisen fysiikan ja alkuainehiukkasfysiikan aineen aggregoitu tila, jossa hadroniaine siirtyy tilaan, joka on samanlainen kuin elektronit ja ionit tavallisessa plasmassa.
Yleensä hadroneissa oleva aine on ns. värittömässä ("valkoisessa") tilassa. Eli eriväriset kvarkit kompensoivat toisiaan. Samanlainen tila on olemassa tavallisessa aineessa - kun kaikki atomit ovat sähköisesti neutraaleja, eli
niissä olevat positiiviset varaukset kompensoidaan negatiivisilla. Korkeissa lämpötiloissa voi tapahtua atomien ionisaatiota, kun taas varaukset erotetaan, ja aineesta tulee, kuten sanotaan, "lähes neutraaliksi". Toisin sanoen koko aineen pilvi kokonaisuutena pysyy neutraalina ja sen yksittäiset hiukkaset lakkaavat olemasta neutraaleja. Oletettavasti sama asia voi tapahtua hadronisen aineen kanssa - erittäin suurilla energioilla väri vapautuu ja tekee aineesta "lähes värittömän".
Oletettavasti maailmankaikkeuden aine oli kvarkkigluoniplasman tilassa ensimmäisinä hetkinä alkuräjähdyksen jälkeen. Nyt kvarkkigluoniplasmaa voi muodostua lyhyen aikaa erittäin korkean energian hiukkasten törmäyksissä.
Kvarkkigluoniplasma saatiin kokeellisesti Brookhaven National Laboratoryn RHIC-kiihdyttimestä vuonna 2005. Plasman maksimilämpötila, 4 biljoonaa celsiusastetta, saavutettiin siellä helmikuussa 2010.
16. Outo aine- aggregaatiotila, jossa aine on puristettu tiheyden raja-arvoihin, se voi esiintyä "rahkakeiton" muodossa. Kuutiosenttimetri ainetta tässä tilassa painaisi miljardeja tonneja; lisäksi se muuttaa minkä tahansa normaalin aineen, jonka kanssa se joutuu kosketuksiin, samaan "outolliseen" muotoon vapauttamalla huomattavan määrän energiaa.
Energia, joka voi vapautua tähden ytimen aineen muuttumisen aikana "oudoksi aineeksi", johtaa "kvarkkinovan" supervoimakkaaseen räjähdykseen - ja Leahyn ja Wyedin mukaan se oli juuri tämä räjähdys, jonka tähtitieteilijät havaitsivat syyskuussa 2006.
Tämän aineen muodostumisprosessi alkoi tavallisella supernovalla, josta massiivinen tähti muuttui. Ensimmäisen räjähdyksen seurauksena muodostui neutronitähti. Mutta Leahyn ja Wyedin mukaan se ei kestänyt kauan - kun sen pyöriminen näytti hidastuneen sen oman magneettikentän vaikutuksesta, se alkoi kutistua entisestään, jolloin muodostui "outoa tavaraa" oleva hyytymä, mikä johti normaalia supernovaräjähdystäkin voimakkaampi, energian vapautuminen - ja entisen neutronitähden substanssin ulkokerrokset, jotka lentävät ympäröivään avaruuteen lähellä valonnopeutta.
17. Voimakkaasti symmetrinen aine- tämä on aine, joka on puristettu niin paljon, että sen sisällä olevat mikrohiukkaset kerrostuvat päällekkäin ja keho itse romahtaa mustaksi aukoksi. Termi "symmetria" selitetään seuraavasti: Otetaan kaikkien koulun penkistä tuntemat aineen aggregoidut tilat - kiinteä, nestemäinen, kaasumainen. Tarkkuuden vuoksi harkitse ihanteellista ääretöntä kristallia kiinteänä aineena. Sillä on tietty, niin kutsuttu diskreetti symmetria käännöksen suhteen. Tämä tarkoittaa, että jos kidehilaa siirretään etäisyydellä, joka on yhtä suuri kuin kahden atomin välinen aika, siinä ei muutu mikään - kide osuu yhteen itsensä kanssa. Jos kide sulaa, tuloksena olevan nesteen symmetria on erilainen: se kasvaa. Kiteessä vain pisteet, jotka olivat kaukana toisistaan tietyillä etäisyyksillä, niin sanotut kidehilan solmut, joissa identtiset atomit sijaitsivat, olivat ekvivalentteja.
Neste on homogeeninen koko tilavuudessaan, sen kaikkia pisteitä ei voi erottaa toisistaan. Tämä tarkoittaa, että nesteitä voidaan syrjäyttää millä tahansa mielivaltaisilla etäisyyksillä (eikä vain joillakin erillisillä etäisyyksillä, kuten kiteessä) tai pyörittää mielivaltaisilla kulmilla (mitä ei voida tehdä kiteissä ollenkaan) ja se osuu yhteen itsensä kanssa. Sen symmetriaaste on korkeampi. Kaasu on vielä symmetrisempi: nesteellä on tietty tilavuus astiassa ja astian sisällä on epäsymmetriaa, missä nestettä on, ja kohtia, joissa sitä ei ole. Kaasu puolestaan vie koko sille tarjotun tilavuuden, ja tässä mielessä sen kaikki pisteet ovat erottamattomia toisistaan. Siitä huolimatta olisi oikeampaa puhua täällä ei pisteistä, vaan pienistä, mutta makroskooppisista elementeistä, koska mikroskooppisella tasolla on edelleen eroja. Joinakin ajankohtina on atomeja tai molekyylejä, kun taas toisissa ei ole. Symmetriaa havaitaan vain keskimäärin, joko joissakin makroskooppisissa tilavuusparametreissa tai ajassa.
Mutta mikroskooppisella tasolla ei vieläkään ole välitöntä symmetriaa. Jos aine puristetaan erittäin voimakkaasti, paineisiin, joita ei voida hyväksyä jokapäiväisessä elämässä, puristetaan niin, että atomit murskasivat, niiden kuoret tunkeutuivat toisiinsa ja ytimet alkoivat koskettaa, symmetria syntyy mikroskooppisella tasolla. Kaikki ytimet ovat samat ja puristuvat toisiaan vasten, ei ole vain atomien välisiä, vaan myös ytimien välisiä etäisyyksiä, ja aineesta tulee homogeeninen (outo aine).
Mutta on myös submikroskooppinen taso. Ytimet koostuvat protoneista ja neutroneista, jotka liikkuvat ytimen sisällä. Niiden välissä on myös tilaa. Jos jatkat puristamista niin, että myös ytimet murskautuvat, nukleonit puristavat tiukasti toisiaan vasten. Sitten submikroskooppisella tasolla ilmaantuu symmetriaa, joka ei ole edes tavallisten ytimien sisällä.
Sen perusteella, mitä on sanottu, on havaittavissa melko selvä suuntaus: mitä korkeampi lämpötila ja paine, sitä symmetrisempi aine muuttuu. Näiden näkökohtien perusteella maksimiin puristettua ainetta kutsutaan vahvasti symmetriseksi.
18. Heikosti symmetrinen aine- ominaisuuksiltaan vahvasti symmetrisen aineen vastainen tila, joka oli läsnä hyvin varhaisessa universumissa lähellä Planckin lämpötilaa, ehkä 10-12 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen, jolloin vahvat, heikot ja sähkömagneettiset voimat olivat yksi supervoima . Tässä tilassa aine puristuu siinä määrin, että sen massa muuttuu energiaksi, joka alkaa paisua, eli laajenee loputtomasti. Vielä ei ole mahdollista saavuttaa energioita supervoiman kokeelliseen tuotantoon ja aineen siirtämiseen tähän vaiheeseen maanpäällisissä olosuhteissa, vaikka tällaisia yrityksiä tehtiin Large Hadron Colliderissa varhaisen universumin tutkimiseksi. Koska tämän aineen muodostavan supervoiman koostumuksessa ei ole gravitaatiovuorovaikutusta, supervoima ei ole riittävän symmetrinen verrattuna supersymmetriseen voimaan, joka sisältää kaikki 4 vuorovaikutustyyppiä. Siksi tämä aggregaatiotila sai sellaisen nimen.
19. Säteilyaine- tämä ei itse asiassa ole enää aine, vaan energia puhtaimmassa muodossaan. Kuitenkin valonnopeuden saavuttanut kappale ottaa tämän hypoteettisen aggregaatiotilan. Se voidaan saada myös kuumentamalla keho Planckin lämpötilaan (1032K), eli hajottamalla aineen molekyylit valonnopeudella. Kuten suhteellisuusteoriasta seuraa, kun nopeus saavuttaa yli 0,99 s, kehon massa alkaa kasvaa paljon nopeammin kuin "normaalilla" kiihtyvyydellä, lisäksi keho pitenee, lämpenee, eli se alkaa säteilee infrapunaspektrissä. Ylittäessä 0,999 s:n kynnyksen keho muuttuu dramaattisesti ja aloittaa nopean vaiheensiirron säteen tilaan. Kuten Einsteinin kaavasta kokonaisuudessaan seuraa, lopullisen aineen kasvava massa muodostuu massoista, jotka erotetaan kehosta lämpö-, röntgen-, optisen ja muun säteilyn muodossa, joista jokaisen energia on kuvataan kaavan seuraavalla termillä. Siten valonnopeutta lähestyvä kappale alkaa säteillä kaikissa spektreissä, kasvaa pituudeltaan ja hidastua ajan myötä, oheneen Planckin pituuteen eli nopeuden c saavuttaessa kappale muuttuu äärettömän pitkäksi ja ohueksi. valonnopeudella liikkuva säde, joka koostuu fotoneista, joilla ei ole pituutta, ja sen ääretön massa muuttuu kokonaan energiaksi. Siksi tällaista ainetta kutsutaan säteilyksi.
