ნივთიერების აგრეგაციის მდგომარეობას ჩვეულებრივ უწოდებენ მის უნარს შეინარჩუნოს ფორმა და მოცულობა. დამატებითი მახასიათებელია ნივთიერების აგრეგაციის ერთი მდგომარეობიდან მეორეში გადასვლის გზები. ამის საფუძველზე განასხვავებენ აგრეგაციის სამ მდგომარეობას: მყარი, თხევადი და აირისებრი. მათი ხილული თვისებები შემდეგია:
მყარი სხეული ინარჩუნებს ფორმასაც და მოცულობასაც. მას შეუძლია გადავიდეს როგორც სითხეში დნობით, ასევე პირდაპირ აირში სუბლიმაციის გზით.
- თხევადი - ინარჩუნებს მოცულობას, მაგრამ არა ფორმას, ანუ აქვს სითხე. დაღვრილი სითხე მიდრეკილია განუსაზღვრელი ვადით გავრცელდეს ზედაპირზე, რომელზეც ის ასხამენ. სითხე შეიძლება გადავიდეს მყარში კრისტალიზაციის გზით, ხოლო აირში აორთქლების გზით.
- გაზი - არ ინარჩუნებს არც ფორმას და არც მოცულობას. გაზი ნებისმიერი კონტეინერის გარეთ განუსაზღვრელი ვადით გაფართოვდება ყველა მიმართულებით. ამაში მას მხოლოდ გრავიტაცია უშლის ხელს, რის წყალობითაც დედამიწის ატმოსფერო არ იშლება კოსმოსში. გაზი გადადის სითხეში კონდენსაციის გზით და პირდაპირ მყარში შეიძლება გაიაროს ნალექებით.
ფაზის გადასვლები
ნივთიერების გადასვლას აგრეგაციის ერთი მდგომარეობიდან მეორეზე ეწოდება ფაზური გადასვლა, ვინაიდან აგრეგაციის მეცნიერული მდგომარეობა არის მატერიის ფაზა. მაგალითად, წყალი შეიძლება არსებობდეს მყარ ფაზაში (ყინული), თხევადი (ჩვეულებრივი წყალი) და აირისებრი (ორთქლი).
წყლის მაგალითიც კარგად არის ნაჩვენები. ის, რაც ყინვაგამძლე უქარო დღეს ეზოში გასაშრობად არის ჩამოკიდებული, მაშინვე იყინება, მაგრამ ცოტა ხნის შემდეგ მშრალი აღმოჩნდება: ყინული სუბლიმირებულია, პირდაპირ წყლის ორთქლად იქცევა.
როგორც წესი, მყარიდან თხევად და აირზე გადასვლას გათბობა სჭირდება, მაგრამ გარემოს ტემპერატურა არ იზრდება: თერმული ენერგია იხარჯება ნივთიერების შიდა ბმების გაწყვეტაზე. ეს არის ეგრეთ წოდებული ლატენტური სითბო. საპირისპირო ფაზის გადასვლების დროს (კონდენსაცია, კრისტალიზაცია) ეს სითბო გამოიყოფა.
ამიტომ ორთქლით დამწვრობა ასე საშიშია. კანთან შეხებისას ის კონდენსირდება. წყლის აორთქლების/კონდენსაციის ფარული სითბო ძალიან მაღალია: ამ მხრივ წყალი ანომალიური ნივთიერებაა; ამიტომაა შესაძლებელი დედამიწაზე სიცოცხლე. ორთქლით დამწვრობის დროს წყლის კონდენსაციის ფარული სიცხე ძალიან ღრმად „აწვება“ დამწვარ ადგილს და ორთქლით დამწვრობის შედეგები ბევრად უფრო მძიმეა, ვიდრე სხეულის იმავე უბანზე ალი.
ფსევდოფაზები
ნივთიერების თხევადი ფაზის სითხე განისაზღვრება მისი სიბლანტით, ხოლო სიბლანტე განისაზღვრება შიდა ბმების ბუნებით, რომელსაც ეძღვნება შემდეგი განყოფილება. სითხის სიბლანტე შეიძლება იყოს ძალიან მაღალი და ასეთი სითხე შეიძლება შეუმჩნევლად მიედინება თვალში.
კლასიკური მაგალითია მინა. ეს არ არის მყარი, მაგრამ ძალიან ბლანტი სითხე. გთხოვთ გაითვალისწინოთ, რომ შუშის ფურცლები საწყობებში არასოდეს ინახება კედელზე დახრილად. რამდენიმე დღეში ისინი იშლება საკუთარი წონის ქვეშ და გამოუსადეგარი გახდება.
ფსევდო-მყარი სხეულების სხვა მაგალითებია ფეხსაცმლის მოედანი და სამშენებლო ბიტუმი. თუ დაგავიწყდათ სახურავზე კუთხოვანი ბიტუმის ნაჭერი, ზაფხულის განმავლობაში ის ნამცხვრად გავრცელდება და ძირს ეკვრის. ფსევდო-მყარი სხეულები შეიძლება განვასხვავოთ რეალურისაგან დნობის ბუნებით: ნამდვილები ან ინარჩუნებენ ფორმას, სანამ ერთბაშად არ გავრცელდებიან (შედუღებისას იდუღებენ), ან ცურავდნენ, გამოყოფენ გუბეებსა და ნაკადულებს (ყინული). და ძალიან ბლანტი სითხეები თანდათან რბილდება, ისევე როგორც იგივე მოედანი ან ბიტუმი.
უკიდურესად ბლანტი სითხეები, რომელთა სითხე არ შეინიშნება მრავალი წლისა და ათწლეულების განმავლობაში, არის პლასტმასი. მათი ფორმის შენარჩუნების მაღალი უნარი უზრუნველყოფილია პოლიმერების უზარმაზარი მოლეკულური მასით, ათასობით და მილიონობით წყალბადის ატომით.
მატერიის ფაზების სტრუქტურა
აირის ფაზაში ნივთიერების მოლეკულები ან ატომები ერთმანეთისგან ძალიან შორს არიან, მათ შორის მანძილს ბევრჯერ აღემატება. ისინი ურთიერთობენ ერთმანეთთან დროდადრო და არარეგულარულად, მხოლოდ შეჯახების დროს. ურთიერთქმედება თავისთავად ელასტიურია: ისინი დაეჯახნენ მძიმე ბურთებივით და მაშინვე გაიფანტნენ.
სითხეში მოლეკულები/ატომები მუდმივად „გრძნობენ“ ერთმანეთს ქიმიური ხასიათის ძალიან სუსტი ბმების გამო. ეს ობლიგაციები მუდმივად იშლება და მაშინვე ისევ აღდგება, სითხის მოლეკულები მუდმივად მოძრაობენ ერთმანეთთან შედარებით და, შესაბამისად, სითხე მიედინება. მაგრამ გაზად გადაქცევისთვის საჭიროა ყველა ბმა ერთდროულად გატეხოთ და ამას დიდი ენერგია სჭირდება, რის გამოც სითხე ინარჩუნებს მოცულობას.
ამ მხრივ წყალი სხვა ნივთიერებებისგან იმით განსხვავდება, რომ სითხეში მისი მოლეკულები დაკავშირებულია ეგრეთ წოდებული წყალბადის ბმებით, რომლებიც საკმაოდ ძლიერია. აქედან გამომდინარე, წყალი შეიძლება იყოს სითხე ნორმალურ ტემპერატურაზე სიცოცხლისთვის. ბევრი ნივთიერება, რომლის მოლეკულური წონა ათობით და ასეულჯერ აღემატება წყალს, ნორმალურ პირობებში, არის აირები, როგორც მინიმუმ ჩვეულებრივი საყოფაცხოვრებო გაზი.
მყარ სხეულში, მისი ყველა მოლეკულა მყარად არის მოთავსებული მათ შორის ძლიერი ქიმიური ბმების გამო, რაც ქმნის ბროლის გისოსს. სწორი ფორმის კრისტალებს მათი ზრდისთვის განსაკუთრებული პირობები სჭირდებათ და ამიტომ იშვიათად გვხვდება ბუნებაში. მყარი სხეულების უმეტესობა არის პატარა და პაწაწინა კრისტალების კონგლომერატები - კრისტალები, რომლებიც მყარად არის დაკავშირებული მექანიკური და ელექტრული ბუნების ძალებით.
თუ მკითხველს უნახავს, მაგალითად, მანქანის დაბზარული ნახევრადღერძი ან თუჯის ბადე, მაშინ ჯართზე კრისტალების მარცვლები უბრალო თვალით ჩანს. და გატეხილი ფაიფურის ან ფაიანსის ჭურჭლის ფრაგმენტებზე, მათი დაკვირვება შესაძლებელია გამადიდებელი შუშის ქვეშ.
პლაზმა
ფიზიკოსები ასევე განასხვავებენ მატერიის მეოთხე საერთო მდგომარეობას - პლაზმას. პლაზმაში ელექტრონები იშლება ატომის ბირთვებიდან და ეს არის ელექტრულად დამუხტული ნაწილაკების ნარევი. პლაზმა შეიძლება იყოს ძალიან მკვრივი. მაგალითად, თეთრი ჯუჯა ვარსკვლავების შიგნიდან პლაზმის ერთი კუბური სანტიმეტრი იწონის ათეულ და ასეულ ტონას.
პლაზმა იზოლირებულია აგრეგაციის ცალკეულ მდგომარეობაში, რადგან ის აქტიურად ურთიერთქმედებს ელექტრომაგნიტურ ველებთან იმის გამო, რომ მისი ნაწილაკები დამუხტულია. თავისუფალ სივრცეში პლაზმა მიდრეკილია გაფართოებისკენ, გაცივების და გაზად გადაქცევას. მაგრამ ელექტრომაგნიტური ველების გავლენის ქვეშ მას შეუძლია შეინარჩუნოს ფორმა და მოცულობა ჭურჭლის გარეთ, როგორც მყარი სხეული. პლაზმის ეს თვისება გამოიყენება თერმობირთვული ენერგიის რეაქტორებში - მომავლის ელექტროსადგურების პროტოტიპებში.
აგრეგაციის მდგომარეობა- ეს არის მატერიის მდგომარეობა ტემპერატურისა და წნევის გარკვეულ დიაპაზონში, რომელიც ხასიათდება თვისებებით: უნარი (მყარი სხეული) ან უუნარობა (თხევადი, აირი) შეინარჩუნოს მოცულობა და ფორმა; გრძელვადიანი (მყარი) ან მოკლე დიაპაზონის (თხევადი) რიგის და სხვა თვისებების არსებობა ან არარსებობა.
ნივთიერება შეიძლება იყოს აგრეგაციის სამ მდგომარეობაში: მყარი, თხევადი ან აირისებრი, ამჟამად განასხვავებენ დამატებით პლაზმურ (იონურ) მდგომარეობას.
AT აირისებრიმდგომარეობით, ნივთიერების ატომებსა და მოლეკულებს შორის მანძილი დიდია, ურთიერთქმედების ძალები მცირეა, ხოლო ნაწილაკებს, რომლებიც შემთხვევით მოძრაობენ სივრცეში, აქვთ დიდი კინეტიკური ენერგია, რომელიც აღემატება პოტენციურ ენერგიას. აირისებრ მდგომარეობაში მყოფ მასალას არც ფორმა აქვს და არც მოცულობა. გაზი ავსებს ყველა არსებულ ადგილს. ეს მდგომარეობა დამახასიათებელია დაბალი სიმკვრივის ნივთიერებებისთვის.
AT თხევადიმდგომარეობით, შენარჩუნებულია მხოლოდ ატომების ან მოლეკულების მოკლე დიაპაზონის რიგი, როდესაც ნივთიერების მოცულობაში პერიოდულად ჩნდება ცალკეული სექციები ატომების მოწესრიგებული განლაგებით, თუმცა, ამ სექციების ორმხრივი ორიენტაცია ასევე არ არსებობს. მოკლე დიაპაზონის რიგი არასტაბილურია და შეიძლება გაქრეს ან ხელახლა გამოჩნდეს ატომების თერმული ვიბრაციების გავლენის ქვეშ. სითხის მოლეკულებს არ აქვთ განსაზღვრული პოზიცია და ამავე დროს მათ არ აქვთ გადაადგილების სრული თავისუფლება. თხევად მდგომარეობაში მყოფ მასალას არ აქვს საკუთარი ფორმა, ის ინარჩუნებს მხოლოდ მოცულობას. სითხეს შეუძლია დაიკავოს ჭურჭლის მოცულობის მხოლოდ ნაწილი, მაგრამ თავისუფლად მიედინება ჭურჭლის მთელ ზედაპირზე. თხევადი მდგომარეობა ჩვეულებრივ განიხილება მყარ და აირს შორის შუალედში.
AT მყარინივთიერება, ატომების განლაგება ხდება მკაცრად განსაზღვრული, რეგულარულად მოწესრიგებული, ნაწილაკების ურთიერთქმედების ძალები ურთიერთდაბალანსებულია, ამიტომ სხეულები ინარჩუნებენ ფორმას და მოცულობას. სივრცეში ატომების რეგულარულად მოწესრიგებული განლაგება ახასიათებს კრისტალურ მდგომარეობას, ატომები ქმნიან კრისტალურ გისოსს.
მყარ სხეულებს აქვთ ამორფული ან კრისტალური სტრუქტურა. ამისთვის ამორფულისხეულებს ახასიათებთ მხოლოდ ატომების ან მოლეკულების განლაგების მცირე დიაპაზონი, სივრცეში ატომების, მოლეკულების ან იონების ქაოტური განლაგება. ამორფული სხეულების მაგალითებია მინა, მოედანი და მოედანი, რომლებიც, როგორც ჩანს, მყარ მდგომარეობაშია, თუმცა სინამდვილეში ისინი ნელა მიედინება, როგორც სითხე. ამორფულ სხეულებს, კრისტალური სხეულებისგან განსხვავებით, არ აქვთ განსაზღვრული დნობის წერტილი. ამორფული სხეულები იკავებს შუალედურ ადგილს კრისტალურ მყარებსა და სითხეებს შორის.
მყარი ნივთიერებების უმეტესობას აქვს კრისტალურისტრუქტურა, რომელიც ხასიათდება სივრცეში ატომების ან მოლეკულების მოწესრიგებული განლაგებით. ბროლის სტრუქტურას ახასიათებს შორი მანძილის წესრიგი, როდესაც სტრუქტურის ელემენტები პერიოდულად მეორდება; არ არის ასეთი რეგულარული გამეორება მოკლე დისტანციებზე. კრისტალური სხეულის დამახასიათებელი თვისებაა მისი ფორმის შენარჩუნების უნარი. იდეალური ბროლის ნიშანი, რომლის მოდელი არის სივრცითი გისოსი, არის სიმეტრიის თვისება. სიმეტრია გაგებულია, როგორც მყარი ნივთიერების კრისტალური გისოსის თეორიული უნარი შერწყმის საკუთარ თავთან, როდესაც მისი წერტილები ასახულია გარკვეული სიბრტყიდან, რომელსაც ეწოდება სიმეტრიის სიბრტყე. გარე ფორმის სიმეტრია ასახავს ბროლის შიდა სტრუქტურის სიმეტრიას. მაგალითად, ყველა ლითონს აქვს კრისტალური სტრუქტურა, რომელიც ხასიათდება ორი სახის სიმეტრიით: კუბური და ექვსკუთხა.
ამორფულ სტრუქტურებში ატომების მოუწესრიგებელი განაწილებით, ნივთიერების თვისებები ერთნაირია სხვადასხვა მიმართულებით, ანუ მინისებრი (ამორფული) ნივთიერებები იზოტროპულია.
ყველა კრისტალს ახასიათებს ანიზოტროპია. კრისტალებში ატომებს შორის მანძილი დალაგებულია, მაგრამ წესრიგის ხარისხი შეიძლება განსხვავებული იყოს სხვადასხვა მიმართულებით, რაც იწვევს კრისტალური ნივთიერების თვისებების განსხვავებას სხვადასხვა მიმართულებით. ბროლის ნივთიერების თვისებების დამოკიდებულება მის გისოსის მიმართულებაზე ეწოდება ანიზოტროპიათვისებები. ანიზოტროპია ვლინდება როგორც ფიზიკური, ასევე მექანიკური და სხვა მახასიათებლების გაზომვისას. არსებობს თვისებები (სიმკვრივე, სითბოს სიმძლავრე), რომელიც არ არის დამოკიდებული კრისტალში მიმართულებაზე. მახასიათებლების უმეტესობა დამოკიდებულია მიმართულების არჩევანზე.
შესაძლებელია ობიექტების თვისებების გაზომვა, რომლებსაც აქვთ გარკვეული მასალის მოცულობა: ზომები - რამდენიმე მილიმეტრიდან ათეულ სანტიმეტრამდე. ბროლის უჯრედის იდენტური სტრუქტურის მქონე ამ ობიექტებს ერთკრისტალებს უწოდებენ.
თვისებების ანიზოტროპია ვლინდება ერთკრისტალებში და პრაქტიკულად არ არსებობს პოლიკრისტალურ ნივთიერებაში, რომელიც შედგება მრავალი მცირე შემთხვევით ორიენტირებული კრისტალებისგან. ამიტომ პოლიკრისტალურ ნივთიერებებს კვაზიიზოტროპული ეწოდება.
გარკვეულ ტემპერატურულ დიაპაზონში ხდება პოლიმერების კრისტალიზაცია, რომელთა მოლეკულები შეიძლება განლაგდეს მოწესრიგებულად, სუპრამოლეკულური სტრუქტურების ფორმირებით ჩალიჩების, ხვეულების (გლობულების), ფიბრილების და ა.შ. მოლეკულების და მათი აგრეგატების რთული სტრუქტურა განსაზღვრავს პოლიმერების სპეციფიკურ ქცევას გაცხელებისას. ისინი ვერ შედიან თხევად მდგომარეობაში დაბალი სიბლანტის მქონე, არ აქვთ აირისებრი მდგომარეობა. მყარი ფორმით, პოლიმერები შეიძლება იყოს მინის, მაღალ ელასტიურ და ბლანტი მდგომარეობებში. ხაზოვანი ან განშტოებული მოლეკულების მქონე პოლიმერები შეიძლება შეიცვალოს ერთი მდგომარეობიდან მეორეში ტემპერატურის ცვლილებით, რაც ვლინდება პოლიმერის დეფორმაციის პროცესში. ნახ. 9 გვიჩვენებს დეფორმაციის დამოკიდებულებას ტემპერატურაზე.
ბრინჯი. 9 ამორფული პოლიმერის თერმომექანიკური მრუდი: ტგ , ტტ, ტ p - მინის გადასვლის ტემპერატურა, სითხე და ქიმიური დაშლის დასაწყისი, შესაბამისად; I - III - შუშის, უაღრესად ელასტიური და ბლანტი მდგომარეობის ზონები, შესაბამისად; Δ ლ- დეფორმაცია.
მოლეკულების განლაგების სივრცითი სტრუქტურა განსაზღვრავს პოლიმერის მხოლოდ შუშის მდგომარეობას. დაბალ ტემპერატურაზე ყველა პოლიმერი ელასტიურად დეფორმირდება (ნახ. 9, ზონა I). შუშის გადასვლის ტემპერატურაზე ზემოთ ტ c ხაზოვანი სტრუქტურის მქონე ამორფული პოლიმერი გადადის უაღრესად ელასტიურ მდგომარეობაში ( II ზონა), ხოლო მისი დეფორმაცია მინისებრ და მაღალ ელასტიურ მდგომარეობებში შექცევადია. გათბობა ჩამოსხმის წერტილის ზემოთ ტ t გარდაქმნის პოლიმერს ბლანტ მდგომარეობაში ( III ზონა). პოლიმერის დეფორმაცია ბლანტიან მდგომარეობაში შეუქცევადია. სივრცითი (ქსელის, ჯვარედინი) სტრუქტურის მქონე ამორფულ პოლიმერს არ აქვს ბლანტი მდგომარეობა, მაღალი ელასტიური მდგომარეობის ტემპერატურული რეგიონი ფართოვდება პოლიმერის დაშლის ტემპერატურამდე. ტრ. ეს ქცევა დამახასიათებელია რეზინის ტიპის მასალებისთვის.
ნივთიერების ტემპერატურა ნებისმიერ აგრეგატულ მდგომარეობაში ახასიათებს მისი ნაწილაკების (ატომების და მოლეკულების) საშუალო კინეტიკურ ენერგიას. სხეულებში ამ ნაწილაკებს ძირითადად აქვთ რხევითი მოძრაობების კინეტიკური ენერგია წონასწორობის ცენტრთან შედარებით, სადაც ენერგია მინიმალურია. გარკვეული კრიტიკული ტემპერატურის მიღწევისას მყარი მასალა კარგავს თავის სიმტკიცეს (სტაბილურობას) და დნება, ხოლო სითხე ორთქლად იქცევა: დუღდება და აორთქლდება. ეს კრიტიკული ტემპერატურაა დნობის და დუღილის წერტილები.
როდესაც კრისტალური მასალა თბება გარკვეულ ტემპერატურაზე, მოლეკულები ისე ენერგიულად მოძრაობენ, რომ პოლიმერში ხისტი ბმები ირღვევა და კრისტალები ნადგურდება – ისინი გადადიან თხევად მდგომარეობაში. ტემპერატურას, რომლის დროსაც კრისტალები და სითხე წონასწორობაში არიან, ეწოდება ბროლის დნობის წერტილი, ან სითხის გამაგრების წერტილი. იოდისთვის ეს ტემპერატურაა 114 o C.
თითოეულ ქიმიურ ელემენტს აქვს საკუთარი დნობის წერტილი ტ pl მყარი და თხევადი არსებობის და დუღილის წერტილის გამიჯვნა ტკიპი, რომელიც შეესაბამება სითხის გაზად გადაქცევას. ამ ტემპერატურაზე ნივთიერებები თერმოდინამიკურ წონასწორობაშია. აგრეგაციის მდგომარეობის ცვლილებას შესაძლოა ახლდეს ნახტომის მსგავსი ცვლილება თავისუფალი ენერგიის, ენტროპიის, სიმკვრივისა და სხვა. ფიზიკური რაოდენობით.
სხვადასხვა სახელმწიფოების აღწერისთვის ფიზიკა უფრო ფართო კონცეფციას იყენებსთერმოდინამიკური ფაზა. ფენომენებს, რომლებიც აღწერს გადასვლას ერთი ფაზიდან მეორეზე, ეწოდება კრიტიკული.
როდესაც თბება, ნივთიერებები განიცდიან ფაზურ გარდაქმნებს. დნობისას (1083 o C), სპილენძი იქცევა სითხეში, რომელშიც ატომებს აქვთ მხოლოდ მოკლე დიაპაზონის რიგი. 1 ატმ წნევის დროს სპილენძი ადუღდება 2310 ° C ტემპერატურაზე და იქცევა აირისებრ სპილენძად შემთხვევით მოწყობილი სპილენძის ატომებით. დნობის წერტილში ბროლისა და სითხის გაჯერებული ორთქლის წნევა თანაბარია.
მასალა მთლიანობაში არის სისტემა.
სისტემა- ნივთიერებების ჯგუფი კომბინირებული ფიზიკური,ქიმიური ან მექანიკური ურთიერთქმედება. ფაზაეწოდება სისტემის ერთგვაროვან ნაწილს, გამოყოფილი სხვა ნაწილებისგან ფიზიკური ინტერფეისები (თუჯში: გრაფიტი + რკინის მარცვლები; ყინულის წყალში: ყინული + წყალი).კომპონენტებისისტემები არის სხვადასხვა ფაზა, რომლებიც ქმნიან მოცემულ სისტემას. სისტემის კომპონენტები- ეს არის ნივთიერებები, რომლებიც ქმნიან ამ სისტემის ყველა ფაზას (კომპონენტს).
მასალები, რომლებიც შედგება ორი ან მეტი ფაზისგან გაფანტულისისტემები . დისპერსიული სისტემები იყოფა ხსნარებად, რომელთა ქცევა წააგავს სითხეების ქცევას და გელებად მყარი ნივთიერებების დამახასიათებელი თვისებებით. ხსნარებში, დისპერსიული საშუალება, რომელშიც ნივთიერება ნაწილდება, არის თხევადი; გელებში ჭარბობს მყარი ფაზა. გელები არის ნახევრადკრისტალური ლითონი, ბეტონი, ჟელატინის ხსნარი წყალში დაბალ ტემპერატურაზე (მაღალ ტემპერატურაზე ჟელატინი იქცევა სოლად). ჰიდროზოლი არის დისპერსია წყალში, აეროზოლი არის დისპერსია ჰაერში.
სახელმწიფო დიაგრამები.
თერმოდინამიკურ სისტემაში თითოეული ფაზა ხასიათდება ისეთი პარამეტრებით, როგორიცაა ტემპერატურა თ, კონცენტრაცია თანდა წნევა რ. ფაზური გარდაქმნების აღსაწერად გამოიყენება ერთი ენერგიის მახასიათებელი - გიბსის თავისუფალი ენერგია ΔG(თერმოდინამიკური პოტენციალი).
თერმოდინამიკა გარდაქმნების აღწერილობაში შემოიფარგლება წონასწორობის მდგომარეობის გათვალისწინებით. წონასწორობის მდგომარეობათერმოდინამიკური სისტემა ხასიათდება თერმოდინამიკური პარამეტრების უცვლელობით (ტემპერატურა და კონცენტრაცია, როგორც ტექნოლოგიურ დამუშავებაში). რ= კონსტი) დროში და მასში ენერგიისა და მატერიის ნაკადების არარსებობა - გარე პირობების მუდმივობით. ფაზის ბალანსი- თერმოდინამიკური სისტემის წონასწორობა, რომელიც შედგება ორი ან მეტი ფაზისგან.
სისტემის წონასწორობის პირობების მათემატიკური აღწერისთვის არსებობს ფაზის წესიგიბსის მიერ მოცემული. ის აკავშირებს წონასწორობის სისტემაში ფაზების (F) და კომპონენტების (K) რაოდენობას სისტემის ვარიანსთან, ანუ თავისუფლების თერმოდინამიკური გრადუსების რაოდენობასთან (C).
სისტემის თავისუფლების თერმოდინამიკური ხარისხების რაოდენობა (ვარიანტობა) არის დამოუკიდებელი ცვლადების რაოდენობა, როგორც შიდა (ფაზების ქიმიური შემადგენლობა), ასევე გარეგანი (ტემპერატურა), რომლებსაც შეიძლება მიეცეს სხვადასხვა თვითნებური (გარკვეული ინტერვალით) მნიშვნელობები. რომ ახალი ფაზები არ გაჩნდეს და ძველი ფაზები არ გაქრეს .
გიბსის ფაზის წესის განტოლება:
C \u003d K - F + 1.
ამ წესის შესაბამისად, ორი კომპონენტის სისტემაში (K = 2) შესაძლებელია თავისუფლების შემდეგი ხარისხი:
ერთფაზიანი მდგომარეობისთვის (F = 1) C = 2, ანუ, შეგიძლიათ შეცვალოთ ტემპერატურა და კონცენტრაცია;
ორფაზიანი მდგომარეობისთვის (F = 2) C = 1, ანუ თქვენ შეგიძლიათ შეცვალოთ მხოლოდ ერთი გარე პარამეტრი (მაგალითად, ტემპერატურა);
სამფაზიანი მდგომარეობისთვის თავისუფლების გრადუსების რაოდენობა არის ნული, ანუ შეუძლებელია ტემპერატურის შეცვლა სისტემაში წონასწორობის დარღვევის გარეშე (სისტემა უცვლელია).
მაგალითად, სუფთა ლითონისთვის (K = 1) კრისტალიზაციის დროს, როდესაც არის ორი ფაზა (F = 2), თავისუფლების გრადუსების რაოდენობა არის ნული. ეს ნიშნავს, რომ კრისტალიზაციის ტემპერატურა ვერ შეიცვლება, სანამ პროცესი არ დასრულდება და დარჩება ერთი ფაზა - მყარი კრისტალი. კრისტალიზაციის დასრულების შემდეგ (F = 1), თავისუფლების ხარისხი არის 1, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ შეცვალოთ ტემპერატურა, ანუ გააციოთ მყარი წონასწორობის დარღვევის გარეშე.
სისტემების ქცევა, რომელიც დამოკიდებულია ტემპერატურასა და კონცენტრაციაზე, აღწერილია მდგომარეობის დიაგრამაზე. წყლის მდგომარეობის დიაგრამა არის სისტემა ერთი H 2 O კომპონენტით, ამიტომ ფაზების უდიდესი რაოდენობა, რომლებიც შეიძლება ერთდროულად იყოს წონასწორობაში არის სამი (ნახ. 10). ეს სამი ფაზა არის თხევადი, ყინული, ორთქლი. თავისუფლების ხარისხების რაოდენობა ამ შემთხვევაში ნულის ტოლია, ე.ი. შეუძლებელია წნევის ან ტემპერატურის შეცვლა ისე, რომ არცერთი ფაზა არ გაქრეს. ჩვეულებრივი ყინული, თხევადი წყალი და წყლის ორთქლი წონასწორობაში შეიძლება არსებობდეს ერთდროულად მხოლოდ 0,61 კპა წნევისა და 0,0075°C ტემპერატურის დროს. წერტილს, სადაც სამი ფაზა თანაარსებობს, ეწოდება სამმაგი წერტილი ( ო).
მრუდი OSჰყოფს ორთქლისა და სითხის რეგიონებს და წარმოადგენს გაჯერებული წყლის ორთქლის წნევის დამოკიდებულებას ტემპერატურაზე. OC მრუდი აჩვენებს ტემპერატურისა და წნევის იმ ურთიერთდაკავშირებულ მნიშვნელობებს, რომლებშიც თხევადი წყალი და წყლის ორთქლი წონასწორობაშია ერთმანეთთან, ამიტომ მას უწოდებენ თხევადი ორთქლის წონასწორობის მრუდი ან დუღილის მრუდი.
ნახ 10 წყლის მდგომარეობის დიაგრამა
მრუდი OVგამოყოფს თხევადი რეგიონს ყინულის რეგიონისგან. ეს არის მყარი-თხევადი წონასწორობის მრუდი და ეწოდება დნობის მრუდი. ეს მრუდი აჩვენებს ტემპერატურისა და წნევის იმ ურთიერთდაკავშირებულ წყვილებს, რომლებშიც ყინული და თხევადი წყალი წონასწორობაშია.
მრუდი OAეწოდება სუბლიმაციის მრუდი და აჩვენებს წნევისა და ტემპერატურის მნიშვნელობების ურთიერთდაკავშირებულ წყვილებს, რომლებშიც ყინული და წყლის ორთქლი წონასწორობაშია.
მდგომარეობის დიაგრამა არის ვიზუალური გზა სხვადასხვა ფაზის არსებობის რეგიონების წარმოდგენის გარე პირობებზე, როგორიცაა წნევა და ტემპერატურა. სახელმწიფო დიაგრამები აქტიურად გამოიყენება მასალების მეცნიერებაში პროდუქტის მოპოვების სხვადასხვა ტექნოლოგიურ ეტაპზე.
თხევადი განსხვავდება მყარი კრისტალური სხეულისგან სიბლანტის დაბალი მნიშვნელობებით (მოლეკულების შიდა ხახუნი) და სითხის მაღალი მნიშვნელობებით (სიბლანტის ორმხრივი). სითხე შედგება მოლეკულების მრავალი აგრეგატისგან, რომლებშიც ნაწილაკები განლაგებულია გარკვეული თანმიმდევრობით, კრისტალების თანმიმდევრობის მსგავსი. სტრუქტურული ერთეულების ბუნება და ნაწილაკთაშორისი ურთიერთქმედება განსაზღვრავს სითხის თვისებებს. არსებობს სითხეები: მონოატომური (თხევადი კეთილშობილი აირები), მოლეკულური (წყალი), იონური (მდნარი მარილები), მეტალიკი (მდნარი ლითონები), თხევადი ნახევარგამტარები. უმეტეს შემთხვევაში, სითხე არის არა მხოლოდ აგრეგაციის მდგომარეობა, არამედ თერმოდინამიკური (თხევადი) ფაზა.
თხევადი ნივთიერებები ყველაზე ხშირად ხსნარებია. გამოსავალიერთგვაროვანი, მაგრამ არა ქიმიურად სუფთა ნივთიერება, შედგება გამხსნელისა და გამხსნელისგან (გამხსნელის მაგალითებია წყალი ან ორგანული გამხსნელები: დიქლორეთანი, სპირტი, ნახშირბადის ტეტრაქლორიდი და ა.შ.), ამიტომ ის არის ნივთიერებების ნარევი. მაგალითად არის ალკოჰოლის ხსნარი წყალში. თუმცა, ხსნარები ასევე არის აირისებრი (მაგალითად, ჰაერი) ან მყარი (ლითონის შენადნობები) ნივთიერებების ნარევები.
გაციებისას კრისტალიზაციის ცენტრების წარმოქმნის დაბალი სიჩქარის პირობებში და სიბლანტის მკვეთრი ზრდის პირობებში, შეიძლება მოხდეს მინის მდგომარეობა. შუშები არის იზოტროპული მყარი მასალა, რომელიც მიიღება გამდნარი არაორგანული და ორგანული ნაერთების ზეგაციებით.
ცნობილია მრავალი ნივთიერება, რომელთა გადასვლა კრისტალური მდგომარეობიდან იზოტროპულ სითხეში ხდება შუალედური თხევადი ბროლის მდგომარეობით. დამახასიათებელია ნივთიერებებისთვის, რომელთა მოლეკულები გრძელი ღეროების (ღეროების) სახითაა ასიმეტრიული აგებულებით. ასეთი ფაზური გადასვლები, რომელსაც თან ახლავს თერმული ეფექტები, იწვევს მექანიკური, ოპტიკური, დიელექტრიკული და სხვა თვისებების მკვეთრ ცვლილებას.
თხევადი კრისტალებისითხის მსგავსად, შეუძლია მიიღოს წაგრძელებული წვეთი ან ჭურჭლის ფორმა, ჰქონდეს მაღალი სითხე და შეუძლია შერწყმა. ისინი ფართოდ გამოიყენება მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების სხვადასხვა დარგში. მათი ოპტიკური თვისებები დიდად არის დამოკიდებული გარე პირობებში მცირე ცვლილებებზე. ეს ფუნქცია გამოიყენება ელექტრო-ოპტიკურ მოწყობილობებში. კერძოდ, თხევადი კრისტალები გამოიყენება ელექტრონული საათების, ვიზუალური აღჭურვილობის და ა.შ.
აგრეგაციის ძირითად მდგომარეობებს შორის არის პლაზმა- ნაწილობრივ ან სრულად იონიზირებული გაზი. ფორმირების მეთოდის მიხედვით განასხვავებენ პლაზმის ორ ტიპს: თერმული, რომელიც წარმოიქმნება გაზის მაღალ ტემპერატურამდე გაცხელებისას და აირისებრი, რომელიც წარმოიქმნება აირისებრ გარემოში ელექტრული გამონადენის დროს.
პლაზმურ-ქიმიურმა პროცესებმა მტკიცე ადგილი დაიკავა ტექნოლოგიის რიგ დარგებში. ისინი გამოიყენება ცეცხლგამძლე ლითონების ჭრისა და შესადუღებლად, სხვადასხვა ნივთიერების სინთეზისთვის, ფართოდ იყენებენ პლაზმის სინათლის წყაროებს, პერსპექტიულია პლაზმის გამოყენება თერმობირთვულ ელექტროსადგურებში და ა.შ.
ყოველდღიურ პრაქტიკაში, ცალ-ცალკე უნდა შევეხოთ არა ცალკეულ ატომებს, მოლეკულებს და იონებს, არამედ რეალურ ნივთიერებებს - დიდი რაოდენობით ნაწილაკების აგრეგატს. მათი ურთიერთქმედების ბუნებიდან გამომდინარე, განასხვავებენ აგრეგატული მდგომარეობის ოთხ ტიპს: მყარი, თხევადი, აირისებრი და პლაზმური. ნივთიერებას შეუძლია გარდაიქმნას აგრეგაციის ერთი მდგომარეობიდან მეორეში შესაბამისი ფაზის გადასვლის შედეგად.
ნივთიერების არსებობა აგრეგაციის კონკრეტულ მდგომარეობაში განპირობებულია ნაწილაკებს შორის მოქმედი ძალებით, მათ შორის მანძილით და მათი მოძრაობის მახასიათებლებით. აგრეგაციის თითოეულ მდგომარეობას ახასიათებს გარკვეული თვისებების ნაკრები.
ნივთიერებების თვისებები აგრეგაციის მდგომარეობიდან გამომდინარე:
| მდგომარეობა | ქონება |
| აირისებრი |
|
| თხევადი |
|
| მყარი |
|
სისტემაში წესრიგის ხარისხის შესაბამისად, აგრეგაციის თითოეულ მდგომარეობას ახასიათებს საკუთარი თანაფარდობა ნაწილაკების კინეტიკურ და პოტენციურ ენერგიას შორის. მყარ სხეულებში პოტენციალი ჭარბობს კინეტიკას, ვინაიდან ნაწილაკები გარკვეულ პოზიციებს იკავებენ და მხოლოდ მათ გარშემო ირხევიან. აირებისთვის არსებობს უკუკავშირი პოტენციურ და კინეტიკურ ენერგიებს შორის, იმის გამო, რომ გაზის მოლეკულები ყოველთვის შემთხვევით მოძრაობენ და მათ შორის თითქმის არ არის შეკრული ძალები, ამიტომ გაზი იკავებს მთელ მოცულობას. სითხეების შემთხვევაში, ნაწილაკების კინეტიკური და პოტენციური ენერგიები დაახლოებით იგივეა, ნაწილაკებს შორის მოქმედებს არა ხისტი ბმა, ამიტომ სითხეებს თან ახლავს სითხე და მუდმივი მოცულობა.
როდესაც ნივთიერების ნაწილაკები ქმნიან რეგულარულ გეომეტრიულ სტრუქტურას და მათ შორის ობლიგაციების ენერგია უფრო მეტია, ვიდრე თერმული ვიბრაციების ენერგია, რაც ხელს უშლის არსებული სტრუქტურის განადგურებას, ეს ნიშნავს, რომ ნივთიერება მყარ მდგომარეობაშია. მაგრამ გარკვეული ტემპერატურიდან დაწყებული, თერმული ვიბრაციების ენერგია აღემატება ნაწილაკებს შორის ობლიგაციების ენერგიას. ამ შემთხვევაში, ნაწილაკები, მიუხედავად იმისა, რომ ისინი კონტაქტში რჩებიან, მოძრაობენ ერთმანეთთან შედარებით. შედეგად, გეომეტრიული სტრუქტურა ირღვევა და ნივთიერება გადადის თხევად მდგომარეობაში. თუ თერმული რყევები იმდენად იზრდება, რომ ნაწილაკებს შორის კავშირი პრაქტიკულად იკარგება, ნივთიერება იძენს აირისებრ მდგომარეობას. „იდეალურ“ გაზში ნაწილაკები თავისუფლად მოძრაობენ ყველა მიმართულებით.
როდესაც ტემპერატურა მატულობს, ნივთიერება გადადის მოწესრიგებული მდგომარეობიდან (მყარი) უწესრიგო მდგომარეობაში (აირზე), თხევადი მდგომარეობა შუალედურია ნაწილაკების მოწესრიგების თვალსაზრისით.
აგრეგაციის მეოთხე მდგომარეობას პლაზმა ეწოდება - აირი, რომელიც შედგება ნეიტრალური და იონიზებული ნაწილაკებისა და ელექტრონების ნარევისაგან. პლაზმა წარმოიქმნება ულტრამაღალ ტემპერატურაზე (10 5 -10 7 0 C) ნაწილაკების მნიშვნელოვანი შეჯახების ენერგიის გამო, რომლებსაც აქვთ მოძრაობის მაქსიმალური დარღვევა. პლაზმის, ისევე როგორც მატერიის სხვა მდგომარეობების სავალდებულო თვისებაა მისი ელექტრული ნეიტრალიტეტი. მაგრამ პლაზმაში ნაწილაკების მოუწესრიგებელი მოძრაობის შედეგად შეიძლება გამოჩნდეს ცალკეული დამუხტული მიკროზონები, რის გამოც ის ხდება ელექტრომაგნიტური გამოსხივების წყარო. პლაზმურ მდგომარეობაში არის მატერია ვარსკვლავებზე, სხვა კოსმოსურ ობიექტებზე, აგრეთვე თერმობირთვულ პროცესებში.
აგრეგაციის თითოეული მდგომარეობა განისაზღვრება ძირითადად ტემპერატურისა და წნევის დიაპაზონით, ამიტომ ვიზუალური რაოდენობრივი მახასიათებლისთვის გამოიყენება ნივთიერების ფაზური დიაგრამა, რომელიც აჩვენებს აგრეგაციის მდგომარეობის დამოკიდებულებას წნევასა და ტემპერატურაზე.
მატერიის მდგომარეობის დიაგრამა ფაზური გადასვლის მრუდებით: 1 - დნობა-კრისტალიზაცია, 2 - დუღილი-კონდენსაცია, 3 - სუბლიმაცია-დესუბლიმაცია.
მდგომარეობის დიაგრამა შედგება სამი ძირითადი სფეროსგან, რომლებიც შეესაბამება კრისტალურ, თხევად და აირისებრ მდგომარეობებს. ცალკეული რეგიონები გამოყოფილია მრუდებით, რომლებიც ასახავს ფაზურ გადასვლებს:
- მყარი თხევადი და პირიქით, თხევადი მყარი (დნობა-კრისტალიზაციის მრუდი - წერტილოვანი მწვანე გრაფიკი)
- თხევადი აირად და აირის საპირისპირო გადაქცევა სითხეში (დუღილის-კონდენსაციის მრუდი - ლურჯი გრაფიკი)
- მყარი აირისკენ და აირისებრი მყარამდე (სუბლიმაცია-დესუბლიმაციის მრუდი - წითელი გრაფიკი).
ამ მოსახვევების გადაკვეთის კოორდინატებს ეწოდება სამმაგი წერტილი, რომელშიც, გარკვეული წნევის P \u003d P in და გარკვეული ტემპერატურის T \u003d T in პირობებში, ნივთიერება შეიძლება თანაარსებობდეს აგრეგაციის სამ მდგომარეობაში ერთდროულად, ხოლო თხევად და მყარ მდგომარეობებს აქვთ იგივე ორთქლის წნევა. კოორდინატები Pv და Tv არის წნევის და ტემპერატურის ერთადერთი მნიშვნელობები, რომლებშიც სამივე ფაზა ერთდროულად შეიძლება თანაარსებობდეს.
მდგომარეობის ფაზურ დიაგრამაზე K წერტილი შეესაბამება T k ტემპერატურას - ეგრეთ წოდებული კრიტიკული ტემპერატურა, რომლის დროსაც ნაწილაკების კინეტიკური ენერგია აღემატება მათი ურთიერთქმედების ენერგიას და, შესაბამისად, თხევადი და აირის ფაზებს შორის გამყოფ ხაზს. წაშლილია და ნივთიერება არსებობს აირისებრ მდგომარეობაში ნებისმიერი წნევის დროს.
ფაზური სქემის ანალიზიდან გამომდინარეობს, რომ სამმაგ წერტილზე (P c) მეტი მაღალი წნევის დროს მყარი ნივთიერების გათბობა მთავრდება მისი დნობით, მაგალითად, P 1-ზე, დნობა ხდება წერტილში. დ. ტემპერატურის შემდგომი მატება T d-დან T e-მდე იწვევს ნივთიერების ადუღებას მოცემულ წნევაზე P 1-ზე. Р 2-ით ნაკლები წნევის დროს, ვიდრე წნევა Р в სამმაგ წერტილში, ნივთიერების გათბობა იწვევს მის გადასვლას უშუალოდ კრისტალურიდან აირისებურ მდგომარეობაში (წერტილი ქ), ანუ სუბლიმაციისკენ. ნივთიერებების უმეტესობისთვის, წნევა სამმაგ წერტილში უფრო დაბალია, ვიდრე გაჯერების ორთქლის წნევა (P in
P გაჯერებული ორთქლი, ამიტომ, როდესაც ასეთი ნივთიერებების კრისტალები თბება, ისინი არ დნება, არამედ აორთქლდება, ანუ განიცდიან სუბლიმაციას. მაგალითად, იოდის კრისტალები ან „მშრალი ყინული“ (მყარი CO 2) ასე იქცევიან.
მდგომარეობის დიაგრამის ანალიზი აირისებრი მდგომარეობა
ნორმალურ პირობებში (273 K, 101325 Pa), როგორც მარტივი ნივთიერებები, რომელთა მოლეკულები შედგება ერთი (He, Ne, Ar) ან რამდენიმე მარტივი ატომისგან (H 2, N 2, O 2), ასევე რთული ნივთიერებები დაბალი შემცველობით. მოლური მასა (CH 4, HCl, C 2 H 6).
ვინაიდან გაზის ნაწილაკების კინეტიკური ენერგია აღემატება მათ პოტენციურ ენერგიას, აირის მდგომარეობაში მყოფი მოლეკულები მუდმივად მოძრაობენ შემთხვევით. ნაწილაკებს შორის დიდი მანძილის გამო, აირებში მოლეკულათაშორისი ურთიერთქმედების ძალები იმდენად მცირეა, რომ ისინი საკმარისი არ არის ნაწილაკების ერთმანეთთან მოსაზიდად და ერთმანეთთან შესანარჩუნებლად. სწორედ ამ მიზეზით გაზებს არ აქვთ საკუთარი ფორმა და ხასიათდებიან დაბალი სიმკვრივით და შეკუმშვისა და გაფართოების მაღალი უნარით. აქედან გამომდინარე, გაზი მუდმივად იჭერს ჭურჭლის კედლებს, რომელშიც ის მდებარეობს, თანაბრად ყველა მიმართულებით.
გაზის ყველაზე მნიშვნელოვან პარამეტრებს შორის კავშირის შესასწავლად (წნევა P, ტემპერატურა T, ნივთიერების რაოდენობა n, მოლური მასა M, მასა m) გამოიყენება მატერიის აირისებრი მდგომარეობის უმარტივესი მოდელი - იდეალური გაზი, რომელიც ეფუძნება შემდეგ ვარაუდებს:
- გაზის ნაწილაკებს შორის ურთიერთქმედება შეიძლება უგულებელყოფილი იყოს;
- თავად ნაწილაკები არის მატერიალური წერტილები, რომლებსაც არ აქვთ საკუთარი ზომა.
ყველაზე ზოგადი განტოლება, რომელიც აღწერს იდეალური გაზის მოდელს, განტოლებად ითვლება მენდელეევ-კლაპეირონინივთიერების ერთი მოლისთვის:
თუმცა, რეალური გაზის ქცევა, როგორც წესი, განსხვავდება იდეალურისგან. ეს აიხსნება, პირველ რიგში, იმით, რომ ურთიერთმიზიდულობის უმნიშვნელო ძალები კვლავ მოქმედებენ რეალური აირის მოლეკულებს შორის, რომლებიც გარკვეულწილად კუმშავს გაზს. ამის გათვალისწინებით, გაზის მთლიანი წნევა იზრდება მნიშვნელობით ა/v2, რომელიც ითვალისწინებს დამატებით შიდა წნევას მოლეკულების ურთიერთმიზიდულობის გამო. შედეგად, გაზის მთლიანი წნევა გამოიხატება ჯამით P+ ა/v2. მეორეც, რეალური გაზის მოლეკულებს აქვთ, თუმცა მცირე, მაგრამ საკმაოდ განსაზღვრული მოცულობა ბ ასე რომ, სივრცეში არსებული ყველა გაზის რეალური მოცულობა არის V- ბ . განხილული მნიშვნელობების მენდელეევ-კლაპეირონის განტოლებაში ჩანაცვლებისას ვიღებთ რეალური გაზის მდგომარეობის განტოლებას, რომელიც ე.წ. ვან დერ ვაალის განტოლება:
სადაც ა და ბ არის ემპირიული კოეფიციენტები, რომლებიც პრაქტიკაში განისაზღვრება თითოეული რეალური გაზისთვის. დადგენილია, რომ კოეფიციენტი ა აქვს დიდი მნიშვნელობა ადვილად თხევადი გაზებისთვის (მაგალითად, CO 2, NH 3) და კოეფიციენტი ბ - პირიქით, რაც უფრო დიდია ზომით, მით უფრო დიდია გაზის მოლეკულები (მაგალითად, აირისებრი ნახშირწყალბადები).
ვან დერ ვაალის განტოლება აღწერს რეალური გაზის ქცევას ბევრად უფრო ზუსტად, ვიდრე მენდელეევ-კლაპეირონის განტოლება, რომელიც, მიუხედავად ამისა, ფართოდ გამოიყენება პრაქტიკულ გამოთვლებში მისი მკაფიო ფიზიკური მნიშვნელობის გამო. მიუხედავად იმისა, რომ გაზის იდეალური მდგომარეობა არის შემზღუდველი, წარმოსახვითი შემთხვევა, კანონების სიმარტივე, რომლებიც შეესაბამება მას, მათი გამოყენების შესაძლებლობა დაბალ წნევაზე და მაღალ ტემპერატურაზე მრავალი აირის თვისებების აღსაწერად, იდეალურ გაზის მოდელს ძალიან მოსახერხებელი ხდის. .
ნივთიერების თხევადი მდგომარეობა
ნებისმიერი კონკრეტული ნივთიერების თხევადი მდგომარეობა თერმოდინამიკურად სტაბილურია ნივთიერების ბუნების (შემადგენლობის) დამახასიათებელი ტემპერატურისა და წნევის გარკვეულ დიაპაზონში. თხევადი მდგომარეობის ზედა ტემპერატურის ზღვარი არის დუღილის წერტილი, რომლის ზემოთაც ნივთიერება სტაბილური წნევის პირობებში იმყოფება აირისებრ მდგომარეობაში. სითხის არსებობის სტაბილური მდგომარეობის ქვედა ზღვარი არის კრისტალიზაციის (გამაგრების) ტემპერატურა. დუღილისა და კრისტალიზაციის ტემპერატურას, რომელიც იზომება 101,3 კპა წნევაზე, ნორმას უწოდებენ.
ჩვეულებრივი სითხეებისთვის, იზოტროპია თანდაყოლილია - ფიზიკური თვისებების ერთგვაროვნება ნივთიერების შიგნით ყველა მიმართულებით. ზოგჯერ იზოტროპიისთვის სხვა ტერმინებიც გამოიყენება: უცვლელობა, სიმეტრია მიმართულების არჩევასთან მიმართებაში.
თხევადი მდგომარეობის ბუნების შესახებ შეხედულებების ჩამოყალიბებაში დიდი მნიშვნელობა აქვს კრიტიკული მდგომარეობის კონცეფციას, რომელიც აღმოაჩინა მენდელეევმა (1860 წ.):
კრიტიკული მდგომარეობა არის წონასწორული მდგომარეობა, რომელშიც ქრება სითხესა და მის ორთქლს შორის განცალკევების ზღვარი, ვინაიდან სითხე და მისი გაჯერებული ორთქლი იძენენ ერთსა და იმავე ფიზიკურ თვისებებს.
კრიტიკულ მდგომარეობაში, სითხისა და მისი გაჯერებული ორთქლის ორივე სიმკვრივისა და სპეციფიკური მოცულობის მნიშვნელობები იგივე ხდება.
მატერიის თხევადი მდგომარეობა შუალედურია აირისებრ და მყარს შორის. ზოგიერთი თვისება აახლოებს თხევად მდგომარეობას მყართან. თუ მყარ ნაწილაკებს ახასიათებთ ნაწილაკების ხისტი მოწესრიგება, რომელიც ვრცელდება ასობით ათასი ინტერატომური ან ინტერმოლეკულური რადიუსის მანძილზე, მაშინ თხევად მდგომარეობაში, როგორც წესი, შეინიშნება არაუმეტეს რამდენიმე ათეული მოწესრიგებული ნაწილაკი. ეს აიხსნება იმით, რომ თხევადი ნივთიერების სხვადასხვა ადგილას ნაწილაკებს შორის მოწესრიგება სწრაფად ჩნდება და ისევე სწრაფად „ბუნდოვდება“ ნაწილაკების თერმული ვიბრაციებით. ამავდროულად, ნაწილაკების "შეფუთვის" მთლიანი სიმკვრივე ოდნავ განსხვავდება მყარისგან, ამიტომ სითხეების სიმკვრივე დიდად არ განსხვავდება მყარი ნივთიერებების უმეტესობის სიმკვრივისგან. გარდა ამისა, სითხეების შეკუმშვის უნარი თითქმის ისეთივე მცირეა, როგორც მყარ სხეულებში (დაახლოებით 20000-ჯერ ნაკლები, ვიდრე აირები).
სტრუქტურულმა ანალიზმა დაადასტურა, რომ ე.წ მოკლე დიაპაზონის შეკვეთა, რაც ნიშნავს, რომ თითოეული მოლეკულის უახლოესი „მეზობლების“ რაოდენობა და მათი ურთიერთგანლაგება დაახლოებით ერთნაირია მთელ მოცულობაში.
სხვადასხვა შემადგენლობის ნაწილაკების შედარებით მცირე რაოდენობას, რომლებიც დაკავშირებულია ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედების ძალებით, ე.წ კასეტური . თუ სითხეში ყველა ნაწილაკი ერთნაირია, მაშინ ასეთ კასეტურს უწოდებენ ასოცირებული . ეს არის კლასტერებში და ასოციაციებში, რომ შეინიშნება მოკლე დიაპაზონის რიგი.
სხვადასხვა სითხეებში მოწესრიგების ხარისხი დამოკიდებულია ტემპერატურაზე. დნობის წერტილიდან ოდნავ ზემოთ დაბალ ტემპერატურაზე, ნაწილაკების განლაგების წესრიგის ხარისხი ძალიან მაღალია. ტემპერატურის მატებასთან ერთად ის მცირდება და ტემპერატურის მატებასთან ერთად სითხის თვისებები უფრო და უფრო უახლოვდება გაზების თვისებებს, ხოლო როდესაც კრიტიკულ ტემპერატურას მიაღწევს, თხევადი და აირისებრ მდგომარეობებს შორის სხვაობა ქრება.
თხევადი მდგომარეობის სიახლოვე მყარ მდგომარეობასთან დასტურდება აორთქლების DH 0 აორთქლების და დნობის DH 0 დნობის სტანდარტული ენთალპიების მნიშვნელობებით. შეგახსენებთ, რომ DH 0 აორთქლების მნიშვნელობა გვიჩვენებს სითბოს რაოდენობას, რომელიც საჭიროა 1 მოლი სითხის ორთქლად გადაქცევისთვის 101,3 კპა-ზე; სითბოს იგივე რაოდენობა იხარჯება 1 მოლი ორთქლის სითხეში კონდენსაციაზე იმავე პირობებში (ანუ DH 0 აორთქლება = DH 0 კონდენსაცია). 1 მოლი მყარი ნივთიერების თხევად გადაქცევისთვის საჭირო სითბოს რაოდენობას 101,3 კპა ეწოდება. შერწყმის სტანდარტული ენთალპია; იგივე რაოდენობის სითბო გამოიყოფა 1 მოლი სითხის კრისტალიზაციის დროს ნორმალური წნევის პირობებში (DH 0 დნობა = DH 0 კრისტალიზაცია). ცნობილია, რომ DH 0 აორთქლება<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.
თუმცა, სითხეების სხვა მნიშვნელოვანი თვისებები უფრო ჰგავს გაზებს. ასე რომ, გაზების მსგავსად, სითხეებს შეუძლიათ მიედინონ - ეს თვისება ე.წ სითხე . მათ შეუძლიათ წინააღმდეგობა გაუწიონ დინებას, ანუ ისინი თანდაყოლილი არიან სიბლანტე . ამ თვისებებზე გავლენას ახდენს მოლეკულებს შორის მიმზიდველი ძალები, თხევადი ნივთიერების მოლეკულური წონა და სხვა ფაქტორები. სითხეების სიბლანტე დაახლოებით 100-ჯერ აღემატება გაზების სიბლანტეს. გაზების მსგავსად, სითხეებს შეუძლიათ დიფუზირება, მაგრამ გაცილებით ნელი სიჩქარით, რადგან თხევადი ნაწილაკები უფრო მჭიდროდ არის შეფუთული, ვიდრე აირის ნაწილაკები.
თხევადი მდგომარეობის ერთ-ერთი ყველაზე საინტერესო თვისება, რომელიც არ არის დამახასიათებელი არც გაზისთვის და არც მყარისთვის, არის ზედაპირული დაძაბულობა .
სითხის ზედაპირული დაძაბულობის დიაგრამა თხევადი მოცულობის მოლეკულაზე ერთნაირად მოქმედებს მოლეკულათაშორისი ძალები ყველა მხრიდან. თუმცა სითხის ზედაპირზე დარღვეულია ამ ძალების ბალანსი, რის შედეგადაც ზედაპირული მოლეკულები იმყოფებიან რაიმე შედეგიანი ძალის მოქმედების ქვეშ, რომელიც მიმართულია სითხის შიგნით. ამ მიზეზით, თხევადი ზედაპირი დაძაბულობის მდგომარეობაშია. ზედაპირული დაძაბულობა არის მინიმალური ძალა, რომელიც ინახავს სითხის ნაწილაკებს შიგნით და ამით ხელს უშლის სითხის ზედაპირის შეკუმშვას.
მყარი ნივთიერებების სტრუქტურა და თვისებები
ცნობილი ნივთიერებების უმეტესობა, როგორც ბუნებრივი, ისე ხელოვნური, ნორმალურ პირობებში მყარ მდგომარეობაშია. დღეს ცნობილი ყველა ნაერთებიდან, დაახლოებით 95% არის მყარი, რაც მნიშვნელოვანი გახდა, რადგან ისინი არა მხოლოდ სტრუქტურული, არამედ ფუნქციური მასალების საფუძველია.
- სტრუქტურული მასალები არის მყარი ან მათი კომპოზიციები, რომლებიც გამოიყენება ხელსაწყოების, საყოფაცხოვრებო ნივთების და სხვადასხვა სტრუქტურების დასამზადებლად.
- ფუნქციური მასალები არის მყარი ნივთიერებები, რომელთა გამოყენება განპირობებულია მათში გარკვეული სასარგებლო თვისებების არსებობით.
მაგალითად, ფოლადი, ალუმინი, ბეტონი, კერამიკა მიეკუთვნება სტრუქტურულ მასალებს, ხოლო ნახევარგამტარები, ფოსფორები - ფუნქციურს.
მყარ მდგომარეობაში მატერიის ნაწილაკებს შორის მანძილი მცირეა და აქვთ იგივე სიდიდის რიგი, რაც თავად ნაწილაკებს. მათ შორის ურთიერთქმედების ენერგიები საკმარისად დიდია, რაც ხელს უშლის ნაწილაკების თავისუფალ მოძრაობას - მათ შეუძლიათ მხოლოდ გარკვეული წონასწორობის პოზიციების რყევა, მაგალითად, ბროლის გისოსების კვანძების გარშემო. ნაწილაკების თავისუფლად გადაადგილების შეუძლებლობა იწვევს მყარი სხეულების ერთ-ერთ ყველაზე დამახასიათებელ მახასიათებელს - საკუთარი ფორმისა და მოცულობის არსებობას. მყარი ნივთიერებების შეკუმშვის უნარი ძალიან მცირეა, ხოლო სიმკვრივე მაღალია და ნაკლებად არის დამოკიდებული ტემპერატურის ცვლილებებზე. მყარ მატერიაში მიმდინარე ყველა პროცესი ნელა მიმდინარეობს. მყარი სხეულების სტოქიომეტრიის კანონებს აქვთ განსხვავებული და, როგორც წესი, უფრო ფართო მნიშვნელობა, ვიდრე აირისებრი და თხევადი ნივთიერებებისთვის.
მყარი ნივთიერებების დეტალური აღწერა ზედმეტად მოცულობითია ამ მასალისთვის და, შესაბამისად, განხილულია ცალკეულ სტატიებში:, და.
განმარტება
მატერიის აგრეგატული მდგომარეობები (ლათინური aggrego - მიმაგრება, შეერთება) - ეს არის ერთი და იგივე ნივთიერების მდგომარეობა - მყარი, თხევადი, აირისებრი.
ერთი მდგომარეობიდან მეორეში გადასვლისას ხდება ენერგიის, ენტროპიის, სიმკვრივისა და მატერიის სხვა მახასიათებლების მკვეთრი ცვლილება.
მყარი და თხევადი სხეულები
განმარტება
მყარი სხეულები არის სხეულები, რომლებიც გამოირჩევიან ფორმისა და მოცულობის მუდმივობით.
მათში ინტერმოლეკულური დისტანციები მცირეა და მოლეკულების პოტენციური ენერგია კინეტიკურის შედარებულია. მყარი იყოფა ორ ტიპად: კრისტალური და ამორფული. მხოლოდ კრისტალური სხეულები არიან თერმოდინამიკური წონასწორობის მდგომარეობაში. ამორფული სხეულები, ფაქტობრივად, წარმოადგენენ მეტასტაბილურ მდგომარეობებს, რომლებიც თავიანთი სტრუქტურით უახლოვდებიან არაწონასწორობას, ნელ-ნელა კრისტალდება სითხეებს. ამორფულ სხეულში ხდება კრისტალიზაციის ძალიან ნელი პროცესი, ნივთიერების თანდათანობითი გადასვლის პროცესი კრისტალურ ფაზაში. განსხვავება კრისტალსა და ამორფულ მყარს შორის, პირველ რიგში, მისი თვისებების ანიზოტროპიაში მდგომარეობს. კრისტალური სხეულის თვისებები დამოკიდებულია სივრცეში მიმართულებაზე. სხვადასხვა სახის პროცესები, როგორიცაა თბოგამტარობა, ელექტროგამტარობა, სინათლე, ხმა, მრავლდება მყარი სხეულის სხვადასხვა მიმართულებით სხვადასხვა გზით. ამორფული სხეულები (მინა, ფისები, პლასტმასი) იზოტოპურია, როგორც სითხეები. ერთადერთი განსხვავება ამორფულ სხეულებსა და სითხეებს შორის არის ის, რომ ეს უკანასკნელი სითხეა, მათში სტატიკური ათვლის დეფორმაციები შეუძლებელია.
კრისტალურ სხეულებს აქვთ სწორი მოლეკულური სტრუქტურა. მისი თვისებების ანიზოტროპია ბროლის სწორი აგებულებით არის განპირობებული. ბროლის ატომების სწორი განლაგება ქმნის ე.წ. სხვადასხვა მიმართულებით, გისოსებში ატომების განლაგება განსხვავებულია, რაც იწვევს ანიზოტროპიას. ატომები (ან იონები, ან მთლიანი მოლეკულები) ბროლის ბადეში ასრულებენ შემთხვევით რხევად მოძრაობას შუა პოზიციების ირგვლივ, რომლებიც განიხილება როგორც კრისტალური მედის კვანძები. რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა, მით მეტია რხევების ენერგია და, შესაბამისად, რხევების საშუალო ამპლიტუდა. ბროლის ზომა დამოკიდებულია რხევების ამპლიტუდაზე. რხევების ამპლიტუდის ზრდა იწვევს სხეულის ზომის ზრდას. ეს ხსნის მყარი ნივთიერებების თერმულ გაფართოებას.
განმარტება
თხევადი სხეულები არის სხეულები, რომლებსაც აქვთ გარკვეული მოცულობა, მაგრამ არ აქვთ ფორმის ელასტიურობა.
სითხეებს ახასიათებთ ძლიერი ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედება და დაბალი შეკუმშვა. სითხე იკავებს შუალედურ ადგილს მყარსა და გაზს შორის. სითხეები, გაზების მსგავსად, იზოტოპურია. გარდა ამისა, სითხეს აქვს სითხე. მასში, ისევე როგორც გაზებში, არ არის სხეულების ტანგენციალური ძაბვები (ათვლის ძაბვები). სითხეები მძიმეა, ე.ი. მათი ხვედრითი წონა შედარებულია მყარი სხეულების სპეციფიკურ წონასთან. კრისტალიზაციის ტემპერატურებთან ახლოს, მათი სითბური შესაძლებლობები და სხვა თერმული მახასიათებლები ახლოსაა მყარი ნივთიერებების ტემპერატურებთან. სითხეებში, გარკვეულწილად, შეინიშნება ატომების სწორი განლაგება, მაგრამ მხოლოდ მცირე ადგილებში. აქ ატომები ასევე ირხევიან კვაზიკრისტალური უჯრედის კვანძებთან, მაგრამ მყარი სხეულის ატომებისგან განსხვავებით, ისინი დროდადრო ხტებიან ერთი კვანძიდან მეორეზე. შედეგად, ატომების მოძრაობა ძალიან რთული იქნება: ის არის რხევითი, მაგრამ ამავე დროს ვიბრაციის ცენტრი მოძრაობს სივრცეში.
გაზი, აორთქლება, კონდენსაცია და დნობა
განმარტება
გაზი არის ნივთიერების მდგომარეობა, რომელშიც მოლეკულებს შორის მანძილი დიდია.
დაბალ წნევაზე მოლეკულებს შორის ურთიერთქმედების ძალები შეიძლება უგულებელყოფილი იყოს. გაზის ნაწილაკები ავსებენ მთელ მოცულობას, რომელიც მიეწოდება გაზს. აირები შეიძლება ჩაითვალოს ზედმეტად გაცხელებულ ან უჯერი ორთქლებად. პლაზმა გაზის განსაკუთრებული სახეობაა - ეს არის ნაწილობრივ ან მთლიანად იონიზებული გაზი, რომელშიც დადებითი და უარყოფითი მუხტების სიმკვრივე თითქმის ერთნაირია. პლაზმა არის დამუხტული ნაწილაკების გაზი, რომლებიც ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან ელექტრული ძალების გამოყენებით დიდ მანძილზე, მაგრამ არ გააჩნიათ ახლო და შორეული ნაწილაკები.
ნივთიერებები შეიძლება შეიცვალოს აგრეგაციის ერთი მდგომარეობიდან მეორეში.
განმარტება
აორთქლება არის ნივთიერების აგრეგაციის მდგომარეობის შეცვლის პროცესი, რომლის დროსაც მოლეკულები გამოდიან თხევადი ან მყარი ზედაპირიდან, რომლის კინეტიკური ენერგია აღემატება მოლეკულების ურთიერთქმედების პოტენციურ ენერგიას.
აორთქლება არის ფაზის გადასვლა. აორთქლების დროს თხევადი ან მყარი ნაწილი გადადის ორთქლში. აირისებრ მდგომარეობაში მყოფ ნივთიერებას, რომელიც სითხესთან დინამიურ წონასწორობაშია, გაჯერებული ორთქლი ეწოდება. ამ შემთხვევაში, სხეულის შინაგანი ენერგიის ცვლილება:
\[\სამკუთხედი \ U=\pm mr\ \მარცხნივ(1\მარჯვნივ),\]
სადაც m არის სხეულის წონა, r არის აორთქლების სპეციფიკური სითბო (J / კგ).
განმარტება
კონდენსაცია არის აორთქლების საპირისპირო პროცესი.
შიდა ენერგიის ცვლილების გამოთვლა ხორციელდება ფორმულის მიხედვით (1).
განმარტება
დნობა არის ნივთიერების მყარი მდგომარეობიდან თხევადში გადასვლის პროცესი, ნივთიერების აგრეგაციის მდგომარეობის შეცვლის პროცესი.
როდესაც ნივთიერება თბება, მისი შინაგანი ენერგია იზრდება, შესაბამისად, იზრდება მოლეკულების თერმული მოძრაობის სიჩქარე. იმ შემთხვევაში, თუ ნივთიერების დნობის წერტილი მიიღწევა, მყარი კრისტალური ბადე იწყებს ნგრევას. ნაწილაკებს შორის ბმები განადგურებულია, ნაწილაკებს შორის ურთიერთქმედების ენერგია იზრდება. სხეულზე გადაცემული სითბო მიდის ამ სხეულის შინაგანი ენერგიის გასაზრდელად, ხოლო ენერგიის ნაწილი მიდის სამუშაოს შესრულებაზე, რათა შეცვალოს სხეულის მოცულობა, როდესაც ის დნება. კრისტალური სხეულების უმეტესობისთვის, მოცულობა იზრდება დნობისას, მაგრამ არის გამონაკლისები, მაგალითად, ყინული, თუჯის. ამორფულ სხეულებს არ აქვთ დნობის კონკრეტული წერტილი. დნობა არის ფაზური გადასვლა, რომელსაც თან ახლავს სითბოს სიმძლავრის მკვეთრი ცვლილება დნობის ტემპერატურაზე. დნობის წერტილი დამოკიდებულია ნივთიერებაზე და არ იცვლება პროცესის დროს. ამ შემთხვევაში, სხეულის შინაგანი ენერგიის ცვლილება:
\[\სამკუთხედი U=\pm m\lambda \მარცხნივ(2\მარჯვნივ),\]
სადაც $\lambda $ არის შერწყმის სპეციფიკური სითბო (J/kg).
დნობის საპირისპირო პროცესი არის კრისტალიზაცია. შიდა ენერგიის ცვლილების გამოთვლა ხორციელდება ფორმულის მიხედვით (2).
სისტემის თითოეული სხეულის შიდა ენერგიის ცვლილება გათბობის ან გაგრილების შემთხვევაში შეიძლება გამოითვალოს ფორმულით:
\[\სამკუთხედი U=mc\სამკუთხედი T\მარცხნივ(3\მარჯვნივ),\]
სადაც c არის ნივთიერების სპეციფიკური სითბო, J/(kgK), $\სამკუთხედი T$ არის სხეულის ტემპერატურის ცვლილება.
აგრეგაციის ერთი მდგომარეობიდან მეორეში ნივთიერებების გადასვლის შესწავლისას, შეუძლებელია ეგრეთ წოდებული სითბოს ბალანსის განტოლების გარეშე, რომელიც ამბობს: სითბოს მთლიანი რაოდენობა, რომელიც გამოიყოფა თერმულად იზოლირებულ სისტემაში, ტოლია სითბო (სულ), რომელიც შეიწოვება ამ სისტემაში.
მისი მნიშვნელობით, სითბოს ბალანსის განტოლება არის ენერგიის კონსერვაციის კანონი თბოიზოლირებულ სისტემებში სითბოს გადაცემის პროცესებისთვის.
მაგალითი 1
დავალება: თბოიზოლირებულ ჭურჭელში არის წყალი და ყინული $t_i= 0^oС$ ტემპერატურაზე. წყლის ($m_(v\ ))$ და ყინულის ($m_(i\ ))$ მასა არის 0,5 კგ და 60 გ შესაბამისად. წყალში $m_(p\ )=$10 გ მასის წყლის ორთქლი იშვება. ტემპერატურაზე $t_p= 100^oС$. როგორი იქნება წყლის ტემპერატურა ჭურჭელში თერმული წონასწორობის დამყარების შემდეგ? გემის სითბოს სიმძლავრე იგნორირებულია.
ამოხსნა: განვსაზღვროთ, რა პროცესები მიმდინარეობს სისტემაში, მატერიის რა საერთო მდგომარეობა გვქონდა და რა მივიღეთ.
წყლის ორთქლი კონდენსირდება, გამოყოფს სითბოს.
ეს სითბო გამოიყენება ყინულის დნობისთვის და, შესაძლოა, ყინულისგან ხელმისაწვდომი და მიღებული წყლის გასათბობად.
ჯერ შევამოწმოთ რამდენი სითბო გამოიყოფა ორთქლის არსებული მასის კონდენსაციის დროს:
აქ, საცნობარო მასალებიდან, გვაქვს $r=2.26 10^6\frac(J)(კგ)$ - აორთქლების სპეციფიკური სითბო (ასევე გამოიყენება კონდენსაციისთვის).
ყინულის დნობისთვის საჭირო სითბო:
აქ საცნობარო მასალებიდან გვაქვს $\lambda =3.3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - ყინულის დნობის სპეციფიკური სითბო.
ჩვენ ვიღებთ, რომ ორთქლი გამოყოფს საჭიროზე მეტ სითბოს, მხოლოდ არსებული ყინულის დნობის მიზნით, ამიტომ ვწერთ სითბოს ბალანსის განტოლებას სახით:
სითბო გამოიყოფა $m_(p\ )$ მასით ორთქლის კონდენსაციის დროს და წყლის გაციების დროს, რომელიც წარმოიქმნება ორთქლიდან $T_p$ ტემპერატურადან სასურველ T-მდე. სითბო შეიწოვება $m_(i\) ყინულის დნობისას. )$ და $m_v+ m_i$ მასით წყლის გათბობა $T_i$-დან $T-მდე.\ $ აღნიშნეთ $T-T_i=\სამკუთხედი T$, $T_p-T$ სხვაობისთვის მივიღებთ:
სითბოს ბალანსის განტოლება მიიღებს ფორმას:
\ \ \[\სამკუთხედი T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\left(m_v+m_i+m_(p\ )\right))\მარცხნივ (1.6\მარჯვნივ)\]
ჩვენ განვახორციელებთ გამოთვლებს იმის გათვალისწინებით, რომ წყლის თბოტევადობა არის ცხრილი $c=4.2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i. +273=273K$:
$\სამკუთხედი T=\frac(2,26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4,2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2)\cdot 3,3\cdot 10^5)(4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^(-1))\დაახლოებით 3\მარცხნივ(K\მარჯვნივ)$შემდეგ T=273+3=276 (K)
პასუხი: ჭურჭელში წყლის ტემპერატურა თერმული წონასწორობის დამყარების შემდეგ იქნება 276 კ.
მაგალითი 2
ამოცანა: ნახატზე ნაჩვენებია იზოთერმის მონაკვეთი, რომელიც შეესაბამება ნივთიერების კრისტალური მდგომარეობიდან თხევადში გადასვლას. რა შეესაბამება ამ განყოფილებას p,T დიაგრამაზე?
p-ზე გამოსახული მდგომარეობების მთელი ნაკრები, V დიაგრამაზე ჰორიზონტალური სწორი ხაზის სეგმენტით p-ზე, T დიაგრამა გამოსახულია ერთი წერტილით, რომელიც განსაზღვრავს p და T მნიშვნელობებს, რომლის დროსაც ხდება გადასვლა აგრეგაციის ერთი მდგომარეობიდან სხვა ხდება.
ყველაზე გავრცელებული ცოდნა არის აგრეგაციის სამი მდგომარეობის შესახებ: თხევადი, მყარი, აირისებრი, ზოგჯერ ისინი ფიქრობენ პლაზმაზე, ნაკლებად ხშირად თხევად კრისტალზე. ახლახან ინტერნეტში გავრცელდა მატერიის 17 ფაზის სია, რომელიც აღებულია ცნობილი () სტივენ ფრაისგან. ამიტომ მათზე უფრო დეტალურად ვისაუბრებთ, რადგან. ცოტა მეტი უნდა იცოდეთ მატერიის შესახებ, თუ მხოლოდ იმისთვის, რომ უკეთ გავიგოთ სამყაროში მიმდინარე პროცესები.
ქვემოთ მოცემული მატერიის საერთო მდგომარეობების სია იზრდება ყველაზე ცივი მდგომარეობიდან ყველაზე ცხელამდე და ა.შ. შეიძლება გაგრძელდეს. ამავდროულად, უნდა გვესმოდეს, რომ აირისებური მდგომარეობიდან (No. 11), ყველაზე „გაფართოებული“, სიის ორივე მხარეს, ნივთიერების შეკუმშვის ხარისხი და მისი წნევა (გარკვეული დათქმებით ასეთი შეუსწავლელი ჰიპოთეტური მდგომარეობები, როგორც კვანტური, სხივი ან სუსტად სიმეტრიული) იზრდება.ტექსტის შემდეგ მოცემულია მატერიის ფაზური გადასვლების ვიზუალური გრაფიკი.
1. კვანტური- მატერიის აგრეგაციის მდგომარეობა, რომელიც მიიღწევა, როდესაც ტემპერატურა ეცემა აბსოლუტურ ნულამდე, რის შედეგადაც შინაგანი ბმები ქრება და მატერია იშლება თავისუფალ კვარკებად.
2. ბოზე-აინშტაინის კონდენსატი- მატერიის მთლიანი მდგომარეობა, რომელიც დაფუძნებულია აბსოლუტურ ნულთან ახლოს ტემპერატურამდე გაცივებულ ბოზონებზე (აბსოლუტურ ნულზე ზემოთ გრადუსის მემილიონედზე ნაკლები). ასეთ ძლიერ გაცივებულ მდგომარეობაში ატომების საკმარისად დიდი რაოდენობა აღმოჩნდება მინიმალურ შესაძლო კვანტურ მდგომარეობებში და კვანტური ეფექტები იწყებს გამოვლინებას მაკროსკოპულ დონეზე. ბოზე-აინშტაინის კონდენსატი (ხშირად მოიხსენიება როგორც "ბოზის კონდენსატი", ან უბრალოდ "უკან") წარმოიქმნება, როდესაც გაცივებთ ქიმიურ ელემენტს უკიდურესად დაბალ ტემპერატურაზე (ჩვეულებრივ, აბსოლუტურ ნულზე ზემოთ, მინუს 273 გრადუსი ცელსიუსით). , არის თეორიული ტემპერატურა რომელიც ყველაფერი ჩერდება).
სწორედ აქ იწყება უცნაური ამბები. პროცესები, რომლებიც ჩვეულებრივ მხოლოდ ატომურ დონეზეა დაკვირვებული, ახლა საკმარისად დიდი მასშტაბებით ხდება შეუიარაღებელი თვალით დასაკვირვებლად. მაგალითად, თუ ჭიქაში ჩადებთ „ზურგს“ და მიაწვდით სასურველ ტემპერატურას, ნივთიერება დაიწყებს კედელზე ცოცვას და საბოლოოდ თავისთავად გამოვა.
როგორც ჩანს, აქ საქმე გვაქვს მატერიის უშედეგო მცდელობასთან, შეამციროს საკუთარი ენერგია (რომელიც უკვე ყველა შესაძლო დონეს შორის ყველაზე დაბალ დონეზეა).
გამაგრილებელი აღჭურვილობის გამოყენებით ატომების შენელება წარმოქმნის სინგულარულ კვანტურ მდგომარეობას, რომელიც ცნობილია როგორც Bose condensate, ან Bose-Einstein. ეს ფენომენი იწინასწარმეტყველა ა. აინშტაინმა 1925 წელს, ს. ბოზის მუშაობის განზოგადების შედეგად, სადაც სტატისტიკური მექანიკა აშენდა ნაწილაკებისთვის, დაწყებული უმასური ფოტონებიდან მასის მქონე ატომებამდე (აინშტაინის ხელნაწერი, რომელიც დაკარგულად ითვლებოდა, ნაპოვნია ლეიდენის უნივერსიტეტის ბიბლიოთეკაში 2005 წელს). ბოზისა და აინშტაინის ძალისხმევის შედეგი იყო ბოზის კონცეფცია გაზის შესახებ, რომელიც ემორჩილება ბოზ-აინშტაინის სტატისტიკას, რომელიც აღწერს იდენტური ნაწილაკების სტატისტიკურ განაწილებას მთელი რიცხვის სპინით, რომელსაც ეწოდება ბოზონები. ბოზონები, რომლებიც, მაგალითად, არის როგორც ცალკეული ელემენტარული ნაწილაკები - ფოტონები, ასევე მთელი ატომები, შეიძლება იყვნენ ერთმანეთთან ერთსა და იმავე კვანტურ მდგომარეობებში. აინშტაინმა თქვა, რომ ატომების - ბოზონების ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე გაციება გამოიწვევს მათ გადასვლას (ან სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, კონდენსაციას) ყველაზე დაბალ კვანტურ მდგომარეობაში. ასეთი კონდენსაციის შედეგი იქნება მატერიის ახალი ფორმის გაჩენა.
ეს გადასვლა ხდება კრიტიკულ ტემპერატურაზე დაბლა, რომელიც არის ერთგვაროვანი სამგანზომილებიანი გაზისთვის, რომელიც შედგება არაურთიერთმა ნაწილაკებისგან, ყოველგვარი თავისუფლების შიდა ხარისხის გარეშე.
3. ფერმიონის კონდენსატი- ნივთიერების აგრეგაციის მდგომარეობა, საყრდენის მსგავსი, მაგრამ სტრუქტურით განსხვავებული. აბსოლუტურ ნულთან მიახლოებისას ატომები განსხვავებულად იქცევიან საკუთარი კუთხური იმპულსის სიდიდეზე (სპინი). ბოზონებს აქვთ მთელი რიცხვითი სპინები, ფერმიონებს კი აქვთ 1/2-ის ჯერადი სპინები (1/2, 3/2, 5/2). ფერმიონები ემორჩილებიან პაულის გამორიცხვის პრინციპს, რომელიც ამბობს, რომ ორ ფერმიონს არ შეიძლება ჰქონდეს ერთი და იგივე კვანტური მდგომარეობა. ბოზონებისთვის ასეთი აკრძალვა არ არსებობს და, შესაბამისად, მათ აქვთ შესაძლებლობა იარსებონ ერთ კვანტურ მდგომარეობაში და ამით შექმნან ეგრეთ წოდებული ბოზე-აინშტაინის კონდენსატი. ამ კონდენსატის წარმოქმნის პროცესი პასუხისმგებელია ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლაზე.
ელექტრონებს აქვთ სპინი 1/2 და შესაბამისად ფერმიონები არიან. ისინი გაერთიანდებიან წყვილებად (ე.წ. კუპერის წყვილებად), რომლებიც შემდეგ ქმნიან ბოზის კონდენსატს.
ამერიკელი მეცნიერები ცდილობდნენ მიეღოთ ერთგვარი მოლეკულა ფერმიონის ატომებიდან ღრმა გაგრილებით. რეალური მოლეკულებისგან განსხვავება ის იყო, რომ ატომებს შორის არ არსებობდა ქიმიური კავშირი - ისინი უბრალოდ მოძრაობდნენ ერთმანეთთან კორელაციური გზით. ატომებს შორის კავშირი უფრო ძლიერი აღმოჩნდა, ვიდრე კუპერის წყვილებში ელექტრონებს შორის. წარმოქმნილი ფერმიონების წყვილებისთვის ჯამური სპინი აღარ არის 1/2-ის ჯერადი, ამიტომ ისინი უკვე ბოზონებივით იქცევიან და შეუძლიათ ბოზის კონდენსატი შექმნან ერთი კვანტური მდგომარეობით. ექსპერიმენტის დროს კალიუმ-40 ატომის გაზი გაცივდა 300 ნანოკელვინამდე, ხოლო გაზი ე.წ. შემდეგ გამოიყენეს გარე მაგნიტური ველი, რომლის დახმარებითაც შესაძლებელი გახდა ატომებს შორის ურთიერთქმედების ხასიათის შეცვლა - ძლიერი მოგერიების ნაცვლად დაიწყო ძლიერი მიზიდულობა. მაგნიტური ველის გავლენის გაანალიზებისას შესაძლებელი გახდა ისეთი მნიშვნელობის პოვნა, რომლის დროსაც ატომებმა დაიწყეს კუპერის წყვილი ელექტრონების ქცევა. ექსპერიმენტის შემდეგ ეტაპზე, მეცნიერები გვთავაზობენ ზეგამტარობის ეფექტის მიღებას ფერმიონული კონდენსატისთვის.
4. ზესთხევადი მატერია- მდგომარეობა, რომელშიც ნივთიერებას პრაქტიკულად არ აქვს სიბლანტე და როდესაც მიედინება, ის არ განიცდის ხახუნს მყარ ზედაპირზე. ამის შედეგია, მაგალითად, ისეთი საინტერესო ეფექტი, როგორიცაა ჭურჭლიდან მისი კედლების გასწვრივ ზესთხევადი ჰელიუმის სრული სპონტანური „გამოდევნა“ გრავიტაციის საწინააღმდეგოდ. რა თქმა უნდა, აქ ენერგიის შენარჩუნების კანონის დარღვევა არ არის. ხახუნის ძალების არარსებობის შემთხვევაში, მხოლოდ გრავიტაციული ძალები მოქმედებენ ჰელიუმზე, ატომთაშორისი ურთიერთქმედების ძალები ჰელიუმსა და გემის კედლებსა და ჰელიუმის ატომებს შორის. ამრიგად, ატომთაშორისი ურთიერთქმედების ძალები აღემატება ყველა სხვა ძალას ერთად. შედეგად, ჰელიუმი მიდრეკილია მაქსიმალურად გავრცელდეს ყველა შესაძლო ზედაპირზე და, შესაბამისად, "მოგზაურობს" ჭურჭლის კედლების გასწვრივ. 1938 წელს საბჭოთა მეცნიერმა პიოტრ კაპიცამ დაამტკიცა, რომ ჰელიუმი შეიძლება არსებობდეს ზესთხევად მდგომარეობაში.
აღსანიშნავია, რომ ჰელიუმის მრავალი უჩვეულო თვისება ცნობილია საკმაოდ დიდი ხნის განმავლობაში. თუმცა, ბოლო წლებშიც კი ეს ქიმიური ელემენტი საინტერესო და მოულოდნელი ეფექტებით „გვაფუჭებს“. ასე რომ, 2004 წელს, პენსილვანიის უნივერსიტეტის მოსეს ჩანიმ და იუნი-სიონგ კიმმა მეცნიერული სამყარო დააინტერესეს იმით, რომ მათ მიაღწიეს ჰელიუმის სრულიად ახალ მდგომარეობას - ზესთხევადი მყარი. ამ მდგომარეობაში, ჰელიუმის ზოგიერთ ატომს ბროლის ბადეში შეუძლია მიედინება სხვების ირგვლივ, და ამგვარად, ჰელიუმი შეიძლება მიედინება საკუთარ თავში. "სუპერსიხისტის" ეფექტი თეორიულად იწინასწარმეტყველეს ჯერ კიდევ 1969 წელს. და 2004 წელს - თითქოს ექსპერიმენტული დადასტურება. თუმცა, გვიანდელმა და ძალიან ცნობისმოყვარე ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ყველაფერი არც ისე მარტივია და, შესაძლოა, ფენომენის ასეთი ინტერპრეტაცია, რომელიც ადრე იყო მიღებული მყარი ჰელიუმის ზეთხევადობის გამო, არასწორია.
მეცნიერთა ექსპერიმენტი ჰამფრი მარისის ხელმძღვანელობით, ბრაუნის უნივერსიტეტიდან აშშ-ში იყო მარტივი და ელეგანტური. მეცნიერებმა თხევადი ჰელიუმის დახურულ ავზში თავდაყირა საცდელი მილი მოათავსეს. საცდელ მილში და ავზში ჰელიუმის ნაწილი ისე იყო გაყინული, რომ საცდელ მილში სითხესა და მყარს შორის საზღვარი უფრო მაღალი იყო, ვიდრე ავზში. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მილის ზედა ნაწილში იყო თხევადი ჰელიუმი, ქვედა ნაწილში მყარი ჰელიუმი, იგი შეუფერხებლად გადადიოდა ავზის მყარ ფაზაში, რომელზედაც დაასხით ცოტა თხევადი ჰელიუმი - სითხის დონეზე დაბალი. საცდელი მილი. თუ თხევადი ჰელიუმი იწყებდა მყარში შეღწევას, მაშინ დონის სხვაობა შემცირდებოდა და მაშინ შეგვიძლია ვისაუბროთ მყარ ზეთხევად ჰელიუმზე. და პრინციპში, 13 ექსპერიმენტიდან სამში დონის განსხვავება შემცირდა.
5. სუპერმძიმე მატერია- აგრეგაციის მდგომარეობა, რომელშიც მატერია გამჭვირვალეა და შეუძლია სითხესავით „მოედინება“, მაგრამ სინამდვილეში ის მოკლებულია სიბლანტეს. ასეთი სითხეები ცნობილია მრავალი წლის განმავლობაში და უწოდებენ ზესთხევადებს. ფაქტია, რომ თუ ზესითხეს ურევენ, ის თითქმის სამუდამოდ ცირკულირებს, ხოლო ნორმალური სითხე საბოლოოდ დაწყნარდება. პირველი ორი სუპერთხევადი მკვლევარებმა შექმნეს ჰელიუმ-4-ისა და ჰელიუმ-3-ის გამოყენებით. ისინი გაცივდნენ თითქმის აბსოლუტურ ნულამდე - მინუს 273 გრადუს ცელსიუსამდე. და ჰელიუმ-4-დან ამერიკელმა მეცნიერებმა მოახერხეს სუპერ მყარი სხეულის მიღება. მათ გაყინული ჰელიუმი 60-ზე მეტჯერ შეკუმშეს წნევით, შემდეგ კი ნივთიერებით სავსე მინა დაამონტაჟეს მბრუნავ დისკზე. 0,175 გრადუს ცელსიუს ტემპერატურაზე დისკმა უცებ დაიწყო უფრო თავისუფლად ბრუნვა, რაც, მეცნიერთა აზრით, იმაზე მიუთითებს, რომ ჰელიუმი ზესხეულად იქცა.
6. მყარი- მატერიის აგრეგაციის მდგომარეობა, რომელიც ხასიათდება ფორმის სტაბილურობითა და ატომების თერმული მოძრაობის ბუნებით, რომლებიც ქმნიან მცირე ვიბრაციას წონასწორული პოზიციების ირგვლივ. მყარი ნივთიერებების სტაბილური მდგომარეობა კრისტალურია. განასხვავებენ მყარ ნაწილებს ატომებს შორის იონური, კოვალენტური, მეტალის და სხვა სახის ბმებით, რაც განსაზღვრავს მათი ფიზიკური თვისებების მრავალფეროვნებას. მყარი სხეულების ელექტრული და ზოგიერთი სხვა თვისება ძირითადად განისაზღვრება მისი ატომების გარე ელექტრონების მოძრაობის ბუნებით. მათი ელექტრული თვისებების მიხედვით, მყარი იყოფა დიელექტრიკებად, ნახევარგამტარებად და ლითონებად; მათი მაგნიტური თვისებების მიხედვით იყოფა დიამაგნიტებად, პარამაგნიტებად და მოწესრიგებული მაგნიტური სტრუქტურის მქონე სხეულებად. მყარი სხეულების თვისებების გამოკვლევები გაერთიანდა დიდ ველში - მყარი მდგომარეობის ფიზიკაში, რომლის განვითარებაც სტიმულირდება ტექნოლოგიების საჭიროებებით.
7. ამორფული მყარი- ნივთიერების აგრეგაციის შედედებული მდგომარეობა, რომელსაც ახასიათებს ფიზიკური თვისებების იზოტროპია ატომებისა და მოლეკულების მოუწესრიგებელი განლაგების გამო. ამორფულ მყარ სხეულებში ატომები ვიბრირებენ შემთხვევით მდებარე წერტილების გარშემო. კრისტალური მდგომარეობიდან განსხვავებით, მყარი ამორფულიდან თხევადზე გადასვლა თანდათან ხდება. ამორფულ მდგომარეობაშია სხვადასხვა ნივთიერებები: ჭიქები, ფისი, პლასტმასი და ა.შ.
8. თხევადი კრისტალი- ეს არის ნივთიერების აგრეგაციის სპეციფიკური მდგომარეობა, რომელშიც ის ერთდროულად ავლენს ბროლისა და სითხის თვისებებს. დაუყოვნებლივ უნდა გავაკეთოთ დათქმა, რომ ყველა ნივთიერება არ შეიძლება იყოს თხევად კრისტალურ მდგომარეობაში. თუმცა, ზოგიერთ ორგანულ ნივთიერებას რთული მოლეკულებით შეუძლია შექმნას აგრეგაციის სპეციფიკური მდგომარეობა - თხევადი კრისტალები. ეს მდგომარეობა ხორციელდება გარკვეული ნივთიერებების კრისტალების დნობის დროს. როდესაც ისინი დნება, წარმოიქმნება თხევად-კრისტალური ფაზა, რომელიც განსხვავდება ჩვეულებრივი სითხეებისგან. ეს ფაზა არსებობს ბროლის დნობის ტემპერატურიდან უფრო მაღალ ტემპერატურამდე, რომლის გაცხელებისას თხევადი კრისტალი ჩვეულებრივ სითხედ გარდაიქმნება.
რით განსხვავდება თხევადი კრისტალი თხევადი და ჩვეულებრივი კრისტალებისაგან და რით ჰგავს მათ? ჩვეულებრივი სითხის მსგავსად, თხევად კრისტალს აქვს სითხე და იღებს ჭურჭლის ფორმას, რომელშიც მოთავსებულია. ამით ის განსხვავდება ყველასთვის ცნობილი კრისტალებისაგან. თუმცა, მიუხედავად ამ თვისებისა, რომელიც მას სითხესთან აერთიანებს, მას აქვს კრისტალებისთვის დამახასიათებელი თვისება. ეს არის მოლეკულების სივრცეში მოწესრიგება, რომლებიც ქმნიან კრისტალს. მართალია, ეს შეკვეთა არ არის ისეთი სრულყოფილი, როგორც ჩვეულებრივ კრისტალებში, მაგრამ, მიუხედავად ამისა, ის მნიშვნელოვნად მოქმედებს თხევადი კრისტალების თვისებებზე, რაც განასხვავებს მათ ჩვეულებრივი სითხეებისგან. მოლეკულების არასრული სივრცითი მოწყობა, რომლებიც ქმნიან თხევად კრისტალს, გამოიხატება იმაში, რომ თხევად კრისტალებში არ არის სრული წესრიგი მოლეკულების სიმძიმის ცენტრების სივრცით მოწყობაში, თუმცა შეიძლება იყოს ნაწილობრივი წესრიგი. ეს ნიშნავს, რომ მათ არ აქვთ ხისტი ბროლის ბადე. ამიტომ, თხევად კრისტალებს, ისევე როგორც ჩვეულებრივ სითხეებს, აქვთ სითხის თვისება.
თხევადი კრისტალების სავალდებულო თვისება, რაც მათ აახლოებს ჩვეულებრივ კრისტალებს, არის მოლეკულების სივრცითი ორიენტაციის წესრიგის არსებობა. ორიენტაციის ასეთი წესრიგი შეიძლება გამოიხატოს, მაგალითად, იმაში, რომ თხევადი ბროლის ნიმუშში მოლეკულების ყველა გრძელი ღერძი ერთნაირად არის ორიენტირებული. ამ მოლეკულებს უნდა ჰქონდეს წაგრძელებული ფორმა. მოლეკულების ღერძების უმარტივესი დასახელებული წესრიგის გარდა, მოლეკულების უფრო რთული ორიენტაციის რიგის რეალიზება შესაძლებელია თხევად კრისტალში.
მოლეკულური ღერძების მოწესრიგების ტიპებიდან გამომდინარე, თხევადი კრისტალები იყოფა სამ ტიპად: ნემატური, სმექტური და ქოლესტერიული.
თხევადი კრისტალების ფიზიკისა და მათი გამოყენების კვლევა ამჟამად ფართო ფრონტზე მიმდინარეობს მსოფლიოს ყველა ყველაზე განვითარებულ ქვეყანაში. შიდა კვლევა კონცენტრირებულია როგორც აკადემიურ, ისე ინდუსტრიულ კვლევით დაწესებულებებში და აქვს ხანგრძლივი ტრადიცია. ვ.კ. ფრედერიკსი ვ.ნ. ცვეტკოვი. ბოლო წლებში, თხევადი კრისტალების სწრაფი შესწავლით, რუსი მკვლევარები ასევე მნიშვნელოვან წვლილს შეიტანენ ზოგადად თხევადი კრისტალების თეორიის და, კერძოდ, თხევადი კრისტალების ოპტიკის განვითარებაში. ასე რომ, ი.გ. ჩისტიაკოვა, ა.პ. კაპუსტინა, ს.ა. ბრაზოვსკი, ს.ა. პიკინა, ლ.მ. ბლინოვი და მრავალი სხვა საბჭოთა მკვლევარი ფართოდ არის ცნობილი სამეცნიერო საზოგადოებისთვის და ემსახურება თხევადი კრისტალების არაერთი ეფექტური ტექნიკური გამოყენების საფუძველს.
თხევადი კრისტალების არსებობა დადგინდა ძალიან დიდი ხნის წინ, კერძოდ 1888 წელს, ანუ თითქმის ერთი საუკუნის წინ. მიუხედავად იმისა, რომ მეცნიერები ამ მდგომარეობას 1888 წლამდე შეხვდნენ, ის ოფიციალურად მოგვიანებით აღმოაჩინეს.
პირველი, ვინც თხევადი კრისტალები აღმოაჩინა, იყო ავსტრიელი ბოტანიკოსი რეინიცერი. მის მიერ სინთეზირებული ახალი ნივთიერების ქოლესტერინის ბენზოატის გამოკვლევისას მან აღმოაჩინა, რომ 145 ° C ტემპერატურაზე, ამ ნივთიერების კრისტალები დნება, ქმნიან მოღრუბლულ სითხეს, რომელიც ძლიერად აფანტავს სინათლეს. მუდმივი გათბობით, 179 ° C ტემპერატურის მიღწევისას, სითხე ხდება გამჭვირვალე, ანუ ის იწყებს ოპტიკურ ქცევას, როგორც ჩვეულებრივი სითხე, როგორიცაა წყალი. ქოლესტერინის ბენზოატმა აჩვენა მოულოდნელი თვისებები მღვრიე ფაზაში. ამ ფაზის პოლარიზებული მიკროსკოპის ქვეშ შესწავლისას, რეინიცერმა აღმოაჩინა, რომ მას აქვს ორმხრივი შეფერხება. ეს ნიშნავს, რომ სინათლის გარდატეხის ინდექსი, ანუ სინათლის სიჩქარე ამ ფაზაში, დამოკიდებულია პოლარიზაციაზე.
9. თხევადი- ნივთიერების აგრეგაციის მდგომარეობა, რომელიც აერთიანებს მყარი მდგომარეობის მახასიათებლებს (მოცულობის კონსერვაცია, გარკვეული დაჭიმვის სიძლიერე) და აირისებრი მდგომარეობა (ფორმის ცვალებადობა). სითხეს ახასიათებს ნაწილაკების (მოლეკულების, ატომების) განლაგების მოკლე დიაპაზონის რიგი და მცირე განსხვავება მოლეკულების თერმული მოძრაობის კინეტიკურ ენერგიასა და მათი ურთიერთქმედების პოტენციურ ენერგიაში. სითხის მოლეკულების თერმული მოძრაობა შედგება წონასწორული პოზიციების ირგვლივ რხევებისა და შედარებით იშვიათი ნახტომებისგან ერთი წონასწორული პოზიციიდან მეორეზე, რაც დაკავშირებულია სითხის სითხესთან.
10. სუპერკრიტიკული სითხე(GFR) არის ნივთიერების აგრეგაციის მდგომარეობა, რომლის დროსაც ქრება განსხვავება თხევადი და აირის ფაზებს შორის. ნებისმიერი ნივთიერება კრიტიკულ წერტილზე ზემოთ ტემპერატურასა და წნევაზე არის სუპერკრიტიკული სითხე. ნივთიერების თვისებები სუპერკრიტიკულ მდგომარეობაში შუალედურია მის თვისებებს შორის გაზსა და თხევად ფაზებში. ამრიგად, SCF-ს აქვს მაღალი სიმკვრივე, სითხესთან ახლოს და დაბალი სიბლანტე, როგორც აირები. დიფუზიის კოეფიციენტს ამ შემთხვევაში აქვს შუალედური მნიშვნელობა სითხესა და გაზს შორის. სუპერკრიტიკულ მდგომარეობაში მყოფი ნივთიერებები შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ორგანული გამხსნელების შემცვლელი ლაბორატორიულ და სამრეწველო პროცესებში. სუპერკრიტიკულმა წყალმა და სუპერკრიტიკულმა ნახშირორჟანგმა ყველაზე დიდი ინტერესი და განაწილება მიიღო გარკვეულ თვისებებთან დაკავშირებით.
სუპერკრიტიკული მდგომარეობის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისებაა ნივთიერებების დაშლის უნარი. სითხის ტემპერატურის ან წნევის შეცვლით, შეიძლება შეიცვალოს მისი თვისებები ფართო დიაპაზონში. ამრიგად, შესაძლებელია სითხის მიღება, რომლის თვისებები ახლოს არის ან თხევადთან ან გაზთან. ამრიგად, სითხის დაშლის ძალა იზრდება სიმკვრივის მატებასთან ერთად (მუდმივ ტემპერატურაზე). ვინაიდან სიმკვრივე იზრდება წნევის მატებასთან ერთად, წნევის შეცვლამ შეიძლება გავლენა მოახდინოს სითხის დაშლის ძალაზე (მუდმივ ტემპერატურაზე). ტემპერატურის შემთხვევაში, სითხის თვისებების დამოკიდებულება გარკვეულწილად უფრო რთულია - მუდმივი სიმკვრივის დროს, სითხის დაშლის ძალაც იზრდება, მაგრამ კრიტიკულ წერტილთან ახლოს, ტემპერატურის უმნიშვნელო მატებამ შეიძლება გამოიწვიოს სიმკვრივის მკვეთრი ვარდნა. და, შესაბამისად, დაშლის ძალა. სუპერკრიტიკული სითხეები განუსაზღვრელი ვადით ერევა ერთმანეთს, ასე რომ, როდესაც ნარევის კრიტიკულ წერტილს მიაღწევს, სისტემა ყოველთვის ერთფაზიანი იქნება. ორობითი ნარევის სავარაუდო კრიტიკული ტემპერატურა შეიძლება გამოითვალოს ნივთიერებების კრიტიკული პარამეტრების საშუალო არითმეტიკული სახით Tc(mix) = (მოლური ფრაქცია A) x TcA + (მოლური ფრაქცია B) x TcB.
11. აირისებრი- (ფრანგული gaz, ბერძნულიდან ქაოსი - ქაოსი), მატერიის საერთო მდგომარეობა, რომელშიც მისი ნაწილაკების (მოლეკულები, ატომები, იონები) თერმული მოძრაობის კინეტიკური ენერგია მნიშვნელოვნად აღემატება მათ შორის ურთიერთქმედების პოტენციურ ენერგიას და, შესაბამისად, ნაწილაკებს. თავისუფლად გადაადგილება, თანაბრად შეავსეთ გარე ველების არარსებობის შემთხვევაში, მათთვის მიწოდებული მთელი მოცულობა.
12. პლაზმა- (ბერძნული პლაზმიდან - მოდური, ფორმის), მატერიის მდგომარეობა, რომელიც არის იონიზებული აირი, რომელშიც დადებითი და უარყოფითი მუხტების კონცენტრაცია თანაბარია (კვაზინეიტრალობა). სამყაროს მატერიის დიდი უმრავლესობა პლაზმურ მდგომარეობაშია: ვარსკვლავები, გალაქტიკური ნისლეულები და ვარსკვლავთშორისი გარემო. პლაზმა დედამიწასთან ახლოს არის მზის ქარის, მაგნიტოსფეროსა და იონოსფეროს სახით. მაღალი ტემპერატურის პლაზმა (T ~ 106 - 108 K) დეიტერიუმის და ტრიტიუმის ნარევიდან გამოკვლეულია კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის განხორციელების მიზნით. დაბალი ტემპერატურის პლაზმა (T Ј 105K) გამოიყენება სხვადასხვა გაზის გამონადენ მოწყობილობებში (გაზის ლაზერები, იონური მოწყობილობები, MHD გენერატორები, პლაზმური ჩირაღდნები, პლაზმური ძრავები და ა.შ.), ასევე ტექნოლოგიაში (იხ. პლაზმის მეტალურგია, პლაზმური ბურღვა, პლაზმური ტექნოლოგია).
13. გადაგვარებული მატერია- არის შუალედური ეტაპი პლაზმასა და ნეიტრონიუმს შორის. ის შეინიშნება თეთრ ჯუჯებში და მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ვარსკვლავების ევოლუციაში. როდესაც ატომები უკიდურესად მაღალი ტემპერატურისა და წნევის პირობებში არიან, ისინი კარგავენ ელექტრონებს (ისინი გადადიან ელექტრონულ გაზში). სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ისინი მთლიანად იონიზირებულია (პლაზმა). ასეთი გაზის (პლაზმის) წნევა განისაზღვრება ელექტრონის წნევით. თუ სიმკვრივე ძალიან მაღალია, ყველა ნაწილაკი იძულებულია მიუახლოვდეს ერთმანეთს. ელექტრონები შეიძლება იყოს გარკვეული ენერგიების მქონე მდგომარეობებში და ორ ელექტრონს არ შეიძლება ჰქონდეს იგივე ენერგია (თუ მათი სპინები საპირისპირო არ არის). ამრიგად, მკვრივ გაზში, ენერგიის ყველა ქვედა დონე ივსება ელექტრონებით. ასეთ გაზს დეგენერატი ეწოდება. ამ მდგომარეობაში ელექტრონები აჩვენებენ ელექტრონის დეგენერაციულ წნევას, რომელიც ეწინააღმდეგება მიზიდულობის ძალებს.
14. ნეიტრონიუმი- აგრეგაციის მდგომარეობა, რომელშიც მატერია გადადის ულტრამაღალი წნევის ქვეშ, რაც ლაბორატორიაში ჯერ მიუღწეველია, მაგრამ არსებობს ნეიტრონული ვარსკვლავების შიგნით. ნეიტრონულ მდგომარეობაში გადასვლისას მატერიის ელექტრონები ურთიერთქმედებენ პროტონებთან და გადაიქცევიან ნეიტრონად. შედეგად, ნეიტრონულ მდგომარეობაში მყოფი მატერია მთლიანად შედგება ნეიტრონებისაგან და აქვს ბირთვული რიგის სიმკვრივე. ნივთიერების ტემპერატურა ამ შემთხვევაში არ უნდა იყოს ძალიან მაღალი (ენერგიის ეკვივალენტში, არაუმეტეს ასი მევ).
ტემპერატურის ძლიერი მატებით (ასობით MeV და ზემოთ), ნეიტრონულ მდგომარეობაში სხვადასხვა მეზონები იწყებენ დაბადებას და განადგურებას. ტემპერატურის შემდგომი მატებასთან ერთად, ხდება დეკონიმინაცია და მატერია გადადის კვარკ-გლუონის პლაზმის მდგომარეობაში. ის აღარ შედგება ჰადრონებისგან, არამედ მუდმივად დაბადებული და ქრება კვარკებისა და გლუონებისგან.
15. კვარკ-გლუონური პლაზმა(ქრომოპლაზმა) არის მატერიის საერთო მდგომარეობა მაღალი ენერგიის ფიზიკაში და ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკაში, რომელშიც ჰადრონული მატერია გადადის მსგავს მდგომარეობაში, რომელშიც ელექტრონები და იონები არიან ჩვეულებრივ პლაზმაში.
ჩვეულებრივ ჰადრონებში მატერია ე.წ უფერო („თეთრ“) მდგომარეობაშია. ანუ სხვადასხვა ფერის კვარკები აკომპენსირებენ ერთმანეთს. მსგავსი მდგომარეობა არსებობს ჩვეულებრივ მატერიაში - როდესაც ყველა ატომი ელექტრულად ნეიტრალურია, ე.ი.
მათში დადებითი მუხტები ანაზღაურდება უარყოფითით. მაღალ ტემპერატურაზე შეიძლება მოხდეს ატომების იონიზაცია, ხოლო მუხტები განცალკევებულია და ნივთიერება ხდება, როგორც ამბობენ, "კვაზინეიტრალური". ანუ მატერიის მთლიანი ღრუბელი რჩება ნეიტრალური და მისი ცალკეული ნაწილაკები წყვეტენ ნეიტრალურობას. სავარაუდოდ, იგივე შეიძლება მოხდეს ჰადრონულ მატერიასთან დაკავშირებით - ძალიან მაღალი ენერგიების დროს ფერი გამოიყოფა და ნივთიერებას „კვაზიუფერო“ აქცევს.
სავარაუდოდ, დიდი აფეთქების შემდეგ პირველ მომენტებში სამყაროს მატერია კვარკ-გლუონური პლაზმის მდგომარეობაში იყო. ახლა კვარკ-გლუონური პლაზმა შეიძლება მცირე ხნით წარმოიქმნას ძალიან მაღალი ენერგიის ნაწილაკების შეჯახებისას.
კვარკ-გლუონური პლაზმა ექსპერიმენტულად იქნა მიღებული ბრუკჰავენის ეროვნულ ლაბორატორიაში RHIC ამაჩქარებელზე 2005 წელს. პლაზმის მაქსიმალური ტემპერატურა 4 ტრილიონი გრადუსი ცელსიუსით მიღწეული იქნა იქ 2010 წლის თებერვალში.
16. უცნაური ნივთიერება- აგრეგაციის მდგომარეობა, რომელშიც მატერია შეკუმშულია სიმკვრივის ზღვრულ მნიშვნელობებამდე, ის შეიძლება არსებობდეს "კვარკის სუპის" სახით. ამ მდგომარეობაში მატერიის კუბური სანტიმეტრი მილიარდ ტონას იწონიდა; გარდა ამისა, ნებისმიერ ნორმალურ ნივთიერებას, რომელთანაც ის შედის კონტაქტში, იმავე „უცნაურ“ ფორმაში გადააქცევს მნიშვნელოვანი რაოდენობის ენერგიის გამოყოფით.
ენერგია, რომელიც შეიძლება გამოთავისუფლდეს ვარსკვლავის ბირთვის ნივთიერების "უცნაურ სუბსტანციად" გადაქცევის დროს, გამოიწვევს "კვარკ ნოვას" სუპერძლიერ აფეთქებას - და, ლეჰისა და ვაიდის აზრით, ეს იყო ზუსტად ეს აფეთქება ასტრონომებმა 2006 წლის სექტემბერში დააფიქსირეს.
ამ ნივთიერების ფორმირების პროცესი ჩვეულებრივი სუპერნოვათი დაიწყო, რომელშიც მასიური ვარსკვლავი გადაიქცა. პირველი აფეთქების შედეგად წარმოიქმნა ნეიტრონული ვარსკვლავი. მაგრამ, ლეჰისა და უაიდის აზრით, ის დიდხანს არ გაგრძელებულა - რადგან მისი ბრუნვა თითქოს შენელდა საკუთარი მაგნიტური ველის გამო, მან დაიწყო კიდევ უფრო შეკუმშვა, "უცნაური ნივთების" შედედების წარმოქმნით, რამაც გამოიწვია კიდევ უფრო ძლიერი ვიდრე ჩვეულებრივი სუპერნოვას აფეთქება, ენერგიის განთავისუფლება - და ყოფილი ნეიტრონული ვარსკვლავის ნივთიერების გარე ფენები, რომლებიც მიფრინავს მიმდებარე სივრცეში სინათლის სიჩქარესთან ახლოს სიჩქარით.
17. ძლიერ სიმეტრიული მატერია- ეს არის იმდენად შეკუმშული ნივთიერება, რომ მის შიგნით არსებული მიკრონაწილაკები ერთმანეთზეა გადაფენილი და თავად სხეული იშლება შავ ხვრელში. ტერმინი „სიმეტრია“ ასე აიხსნება: სკოლის სკამიდან ავიღოთ ყველასთვის ცნობილი მატერიის საერთო მდგომარეობები – მყარი, თხევადი, აირისებრი. განსაზღვრულობისთვის, განიხილეთ იდეალური უსასრულო კრისტალი, როგორც მყარი. მას აქვს გარკვეული, ეგრეთ წოდებული დისკრეტული სიმეტრია თარგმანთან მიმართებაში. ეს ნიშნავს, რომ თუ ბროლის გისოსი ორ ატომს შორის ინტერვალის ტოლი მანძილით გადაინაცვლებს, მასში არაფერი შეიცვლება – ბროლი თავის თავს დაემთხვევა. თუ კრისტალი დნება, მაშინ მიღებული სითხის სიმეტრია განსხვავებული იქნება: ის გაიზრდება. კრისტალში ეკვივალენტური იყო მხოლოდ წერტილები, რომლებიც დაშორებული იყო ერთმანეთისგან გარკვეულ მანძილზე, ე.წ.
სითხე ერთგვაროვანია მთელი მოცულობით, მისი ყველა წერტილი ერთმანეთისგან არ განსხვავდება. ეს ნიშნავს, რომ სითხეები შეიძლება გადაადგილდეს ნებისმიერი თვითნებური მანძილით (და არა მხოლოდ ზოგიერთი დისკრეტული დისტანციით, როგორც კრისტალში) ან ბრუნავდეს ნებისმიერი თვითნებური კუთხით (რაც საერთოდ არ შეიძლება გაკეთდეს კრისტალებში) და ის დაემთხვევა თავის თავს. მისი სიმეტრიის ხარისხი უფრო მაღალია. გაზი კიდევ უფრო სიმეტრიულია: სითხე იკავებს გარკვეულ მოცულობას ჭურჭელში და არის ასიმეტრია ჭურჭლის შიგნით, სადაც სითხეა და წერტილები, სადაც ის არ არის. აირი კი იკავებს მისთვის მიწოდებულ მთელ მოცულობას და ამ თვალსაზრისით მისი ყველა წერტილი ერთმანეთისგან არ განსხვავდება. მიუხედავად ამისა, უფრო სწორი იქნება აქ ვისაუბროთ არა წერტილებზე, არამედ მცირე, მაგრამ მაკროსკოპულ ელემენტებზე, რადგან მიკროსკოპულ დონეზე ჯერ კიდევ არის განსხვავებები. დროის ზოგიერთ მომენტში არის ატომები ან მოლეკულები, ზოგი კი არა. სიმეტრია შეინიშნება მხოლოდ საშუალოდ, ან ზოგიერთი მაკროსკოპული მოცულობის პარამეტრებში, ან დროში.
მაგრამ ჯერ კიდევ არ არის მყისიერი სიმეტრია მიკროსკოპულ დონეზე. თუ ნივთიერება ძალიან ძლიერად არის შეკუმშული, ყოველდღიურ ცხოვრებაში მიუღებელ ზეწოლამდე, შეკუმშულია ისე, რომ ატომები დაიმსხვრა, მათი ჭურვები შეაღწიეს ერთმანეთში და ბირთვებმა დაიწყეს შეხება, სიმეტრია წარმოიქმნება მიკროსკოპულ დონეზე. ყველა ბირთვი ერთნაირია და დაჭერილია ერთმანეთზე, არის არა მხოლოდ ატომთაშორისი, არამედ ბირთვთაშორისი მანძილიც და ნივთიერება ხდება ერთგვაროვანი (უცნაური სუბსტანცია).
მაგრამ ასევე არსებობს სუბმიკროსკოპული დონე. ბირთვები შედგება პროტონებისა და ნეიტრონებისგან, რომლებიც მოძრაობენ ბირთვის შიგნით. მათ შორის ასევე არის გარკვეული სივრცე. თუ გააგრძელებთ შეკუმშვას ისე, რომ ბირთვებიც დაიმსხვრა, ნუკლეონები მჭიდროდ დააჭერენ ერთმანეთს. შემდეგ სუბმიკროსკოპულ დონეზე გამოჩნდება სიმეტრია, რომელიც ჩვეულებრივი ბირთვების შიგნითაც კი არ არის.
რაც ითქვა, შეიძლება დავინახოთ საკმაოდ გარკვეული ტენდენცია: რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა და რაც უფრო მაღალია წნევა, მით უფრო სიმეტრიული ხდება ნივთიერება. ამ მოსაზრებებიდან გამომდინარე, მაქსიმუმ შეკუმშულ ნივთიერებას ძლიერ სიმეტრიულს უწოდებენ.
18. სუსტად სიმეტრიული მატერია- მდგომარეობა, რომელიც ეწინააღმდეგება ძლიერ სიმეტრიულ მატერიას თავისი თვისებებით, რომელიც არსებობდა ძალიან ადრეულ სამყაროში პლანკის ტემპერატურასთან ახლოს ტემპერატურაზე, შესაძლოა დიდი აფეთქებიდან 10-12 წამის შემდეგ, როდესაც ძლიერი, სუსტი და ელექტრომაგნიტური ძალები წარმოადგენდნენ ერთ ზეძალას. . ამ მდგომარეობაში მატერია იმდენად შეკუმშულია, რომ მისი მასა ენერგიად გარდაიქმნება, რომელიც იწყებს გაბერვას, ანუ განუსაზღვრელი ვადით გაფართოებას. ჯერ არ არის შესაძლებელი ენერგიების მიღწევა ზეძალაუფლების ექსპერიმენტული წარმოებისთვის და მატერიის ამ ფაზაში გადაცემისთვის ხმელეთის პირობებში, თუმცა ასეთი მცდელობები გაკეთდა დიდ ადრონულ კოლაიდერზე ადრეული სამყაროს შესასწავლად. ამ ნივთიერების შემადგენელ ზეძალის შემადგენლობაში გრავიტაციული ურთიერთქმედების არარსებობის გამო, ზეძალა არ არის საკმარისად სიმეტრიული სუპერსიმეტრიულ ძალასთან შედარებით, რომელიც შეიცავს 4-ვე სახის ურთიერთქმედებას. ამიტომ, აგრეგაციის ამ მდგომარეობამ მიიღო ასეთი სახელი.
19. რადიაციული მატერია- ეს, ფაქტობრივად, აღარ არის ნივთიერება, არამედ ენერგია მისი სუფთა სახით. თუმცა, სწორედ აგრეგაციის ამ ჰიპოთეტურ მდგომარეობას მიიღებს სხეული, რომელმაც მიაღწია სინათლის სიჩქარეს. მისი მიღება ასევე შესაძლებელია სხეულის გაცხელებით პლანკის ტემპერატურამდე (1032K), ანუ ნივთიერების მოლეკულების სინათლის სიჩქარემდე დაშლით. როგორც ფარდობითობის თეორიიდან ირკვევა, როდესაც სიჩქარე 0,99 წმ-ზე მეტს აღწევს, სხეულის მასა უფრო სწრაფად იწყებს ზრდას, ვიდრე „ნორმალური“ აჩქარებით, გარდა ამისა, სხეული აგრძელებს, თბება, ანუ იწყებს აჩქარებას. გამოსხივება ინფრაწითელ სპექტრში. 0,999 წმ-ის ზღურბლის გადალახვისას სხეული მკვეთრად იცვლება და იწყებს სწრაფ ფაზურ გადასვლას სხივის მდგომარეობამდე. როგორც აინშტაინის ფორმულიდან ჩანს, სრულად აღებული, საბოლოო ნივთიერების მზარდი მასა შედგება მასებისგან, რომლებიც გამოყოფილია სხეულისგან თერმული, რენტგენის, ოპტიკური და სხვა გამოსხივების სახით, რომელთაგან თითოეულის ენერგია არის აღწერილია შემდეგი ტერმინით ფორმულაში. ამრიგად, სხეული, რომელიც უახლოვდება სინათლის სიჩქარეს, დაიწყებს გამოსხივებას ყველა სპექტრში, გაიზრდება სიგრძეში და დროში შენელდება, დათხელდება პლანკის სიგრძემდე, ანუ, როდესაც მიაღწევს c სიჩქარეს, სხეული გადაიქცევა უსასრულოდ გრძელ და თხელ. სხივი, რომელიც მოძრაობს სინათლის სიჩქარით და შედგება ფოტონებისაგან, რომლებსაც სიგრძე არ აქვთ და მისი უსასრულო მასა მთლიანად გადაიქცევა ენერგიად. ამიტომ ასეთ ნივთიერებას რადიაცია ეწოდება.
