O estado de agregação de uma substância é geralmente chamado de capacidade de manter sua forma e volume. Uma característica adicional são as maneiras pelas quais uma substância passa de um estado de agregação para outro. Com base nisso, distinguem-se três estados de agregação: sólido, líquido e gasoso. Suas propriedades visíveis são as seguintes:
Um corpo sólido retém forma e volume. Ele pode passar tanto para um líquido por fusão quanto diretamente para um gás por sublimação.
- Líquido - retém volume, mas não forma, ou seja, tem fluidez. O líquido derramado tende a se espalhar indefinidamente sobre a superfície sobre a qual é derramado. Um líquido pode passar para um sólido por cristalização e para um gás por evaporação.
- Gás - não retém forma nem volume. O gás fora de qualquer recipiente tende a se expandir indefinidamente em todas as direções. Somente a gravidade pode impedi-lo de fazer isso, graças ao qual a atmosfera da Terra não se dissipa no espaço. Um gás passa para um líquido por condensação e diretamente para um sólido pode passar por precipitação.
Transições de fase
A transição de uma substância de um estado de agregação para outro é chamada de transição de fase, uma vez que o estado científico de agregação é uma fase da matéria. Por exemplo, a água pode existir em uma fase sólida (gelo), líquida (água comum) e gasosa (vapor).
O exemplo da água também está bem demonstrado. O que é pendurado no quintal para secar em um dia gelado e sem vento congela imediatamente, mas depois de um tempo fica seco: o gelo sublima, transformando-se diretamente em vapor de água.
Como regra, a transição de fase de um sólido para um líquido e um gás requer aquecimento, mas a temperatura do meio não aumenta: a energia térmica é gasta na quebra das ligações internas da substância. Este é o chamado calor latente. Durante as transições de fase reversa (condensação, cristalização), esse calor é liberado.
É por isso que as queimaduras de vapor são tão perigosas. Quando entra em contato com a pele, condensa. O calor latente de evaporação/condensação da água é muito alto: neste aspecto, a água é uma substância anômala; É por isso que a vida na Terra é possível. Durante uma queima de vapor, o calor latente da condensação da água "escalda" o local queimado muito profundamente, e as consequências de uma queima de vapor são muito mais graves do que de uma chama na mesma área do corpo.
Pseudofases
A fluidez da fase líquida de uma substância é determinada por sua viscosidade, e a viscosidade é determinada pela natureza das ligações internas, às quais a próxima seção é dedicada. A viscosidade de um líquido pode ser muito alta e esse líquido pode fluir imperceptivelmente para os olhos.
O exemplo clássico é o vidro. Não é um sólido, mas um líquido muito viscoso. Observe que as chapas de vidro nos armazéns nunca são armazenadas inclinadas obliquamente contra a parede. Dentro de alguns dias, eles cederão sob seu próprio peso e se tornarão inutilizáveis.
Outros exemplos de corpos pseudo-sólidos são o piche de sapato e o betume de construção. Se você esquecer o pedaço angular de betume no telhado, durante o verão ele se espalhará em um bolo e grudará na base. Os corpos pseudo-sólidos podem ser distinguidos dos reais pela natureza da fusão: os reais mantêm sua forma até se espalharem de uma só vez (soldam ao soldar) ou flutuam, liberando poças e correntes (gelo). E líquidos muito viscosos amolecem gradualmente, como o mesmo tom ou betume.
Líquidos extremamente viscosos, cuja fluidez não é perceptível por muitos anos e décadas, são plásticos. Sua alta capacidade de manter sua forma é fornecida pelo enorme peso molecular dos polímeros, muitos milhares e milhões de átomos de hidrogênio.
A estrutura das fases da matéria
Na fase gasosa, as moléculas ou átomos de uma substância estão muito distantes, muitas vezes maiores que a distância entre eles. Eles interagem uns com os outros ocasionalmente e irregularmente, apenas durante as colisões. A interação em si é elástica: eles colidiram como bolas duras e imediatamente se espalharam.
Em um líquido, moléculas/átomos constantemente "sentem" uns aos outros devido a ligações muito fracas de natureza química. Essas ligações se quebram o tempo todo e são imediatamente restauradas novamente, as moléculas do líquido estão constantemente se movendo uma em relação à outra e, portanto, o líquido flui. Mas para transformá-lo em gás, você precisa quebrar todas as ligações de uma só vez, e isso requer muita energia, e é por isso que o líquido retém seu volume.
A esse respeito, a água difere de outras substâncias, pois suas moléculas em um líquido estão conectadas pelas chamadas ligações de hidrogênio, que são bastante fortes. Portanto, a água pode ser um líquido a uma temperatura normal para a vida. Muitas substâncias com peso molecular dezenas e centenas de vezes maior que a da água, em condições normais, são gases, como pelo menos o gás doméstico comum.
Em um sólido, todas as suas moléculas estão firmemente no lugar devido às fortes ligações químicas entre elas, formando uma rede cristalina. Cristais da forma correta requerem condições especiais para seu crescimento e, portanto, raramente são encontrados na natureza. A maioria dos sólidos são conglomerados de pequenos e minúsculos cristais - cristalitos, firmemente ligados por forças de natureza mecânica e elétrica.
Se o leitor viu, por exemplo, um semi-eixo rachado de um carro ou uma grade de ferro fundido, os grãos de cristalitos na sucata são visíveis com um simples olho. E em fragmentos de porcelana quebrada ou pratos de faiança, eles podem ser observados sob uma lupa.
Plasma
Os físicos também distinguem o quarto estado agregado da matéria - plasma. No plasma, os elétrons são arrancados dos núcleos atômicos e é uma mistura de partículas eletricamente carregadas. O plasma pode ser muito denso. Por exemplo, um centímetro cúbico de plasma do interior de estrelas anãs brancas pesa dezenas e centenas de toneladas.
O plasma é isolado em um estado separado de agregação porque interage ativamente com campos eletromagnéticos devido ao fato de suas partículas serem carregadas. No espaço livre, o plasma tende a se expandir, esfriando e se transformando em gás. Mas sob a influência de campos eletromagnéticos, pode manter sua forma e volume fora do vaso, como um corpo sólido. Essa propriedade do plasma é usada em reatores termonucleares - protótipos de usinas de energia do futuro.
Estado de agregação- este é um estado da matéria em uma determinada faixa de temperaturas e pressões, caracterizada por propriedades: a capacidade (corpo sólido) ou incapacidade (líquido, gás) de manter o volume e a forma; a presença ou ausência de ordem de longo alcance (sólido) ou de curto alcance (líquido) e outras propriedades.
Uma substância pode estar em três estados de agregação: sólido, líquido ou gasoso, atualmente distingue-se um estado de plasma adicional (iônico).
NO gasoso No estado, a distância entre átomos e moléculas de uma substância é grande, as forças de interação são pequenas e as partículas, movendo-se aleatoriamente no espaço, têm uma grande energia cinética que excede a energia potencial. O material no estado gasoso não tem forma nem volume. O gás preenche todo o espaço disponível. Este estado é típico para substâncias com baixa densidade.
NO líquido No estado, apenas a ordem de curto alcance de átomos ou moléculas é preservada, quando seções separadas com um arranjo ordenado de átomos aparecem periodicamente no volume de uma substância, no entanto, a orientação mútua dessas seções também está ausente. A ordem de curto alcance é instável e pode desaparecer ou reaparecer sob a ação das vibrações térmicas dos átomos. As moléculas de um líquido não têm uma posição definida e, ao mesmo tempo, não têm total liberdade de movimento. O material no estado líquido não tem forma própria, retém apenas volume. O líquido pode ocupar apenas uma parte do volume do recipiente, mas fluir livremente por toda a superfície do recipiente. O estado líquido é geralmente considerado intermediário entre um sólido e um gás.
NO sólido substância, o arranjo dos átomos torna-se estritamente definido, regularmente ordenado, as forças de interação das partículas são mutuamente equilibradas, de modo que os corpos mantêm sua forma e volume. O arranjo regularmente ordenado de átomos no espaço caracteriza o estado cristalino, os átomos formam uma rede cristalina.
Os sólidos têm uma estrutura amorfa ou cristalina. Por amorfo Os corpos são caracterizados apenas por uma ordem de curto alcance no arranjo de átomos ou moléculas, um arranjo caótico de átomos, moléculas ou íons no espaço. Exemplos de corpos amorfos são o vidro, o piche e o piche, que parecem estar em estado sólido, embora na realidade fluam lentamente, como um líquido. Corpos amorfos, ao contrário dos cristalinos, não têm um ponto de fusão definido. Corpos amorfos ocupam uma posição intermediária entre sólidos e líquidos cristalinos.
A maioria dos sólidos tem cristalino uma estrutura que é caracterizada por um arranjo ordenado de átomos ou moléculas no espaço. A estrutura cristalina é caracterizada por uma ordem de longo alcance, quando os elementos da estrutura são repetidos periodicamente; não existe tal repetição regular na ordem de curto alcance. Uma característica de um corpo cristalino é a capacidade de manter sua forma. Um sinal de um cristal ideal, cujo modelo é uma rede espacial, é a propriedade da simetria. A simetria é entendida como a capacidade teórica da rede cristalina de um sólido de se combinar consigo mesma quando seus pontos são espelhados a partir de um determinado plano, chamado de plano de simetria. A simetria da forma externa reflete a simetria da estrutura interna do cristal. Por exemplo, todos os metais têm uma estrutura cristalina, caracterizada por dois tipos de simetria: cúbica e hexagonal.
Em estruturas amorfas com uma distribuição desordenada de átomos, as propriedades da substância são as mesmas em diferentes direções, ou seja, substâncias vítreas (amorfas) são isotrópicas.
Todos os cristais são caracterizados por anisotropia. Nos cristais, as distâncias entre os átomos são ordenadas, mas o grau de ordem pode ser diferente em diferentes direções, o que leva a uma diferença nas propriedades da substância cristalina em diferentes direções. A dependência das propriedades de uma substância cristalina na direção em sua rede é chamada de anisotropia propriedades. A anisotropia se manifesta ao medir características físicas e mecânicas e outras. Existem propriedades (densidade, capacidade calorífica) que não dependem da direção do cristal. A maioria das características depende da escolha da direção.
É possível medir as propriedades de objetos que possuem um determinado volume de material: tamanhos - de alguns milímetros a dezenas de centímetros. Esses objetos com uma estrutura idêntica à célula cristalina são chamados de cristais únicos.
A anisotropia de propriedades se manifesta em cristais únicos e está praticamente ausente em uma substância policristalina que consiste em muitos pequenos cristais orientados aleatoriamente. Portanto, substâncias policristalinas são chamadas quase-isotrópicas.
A cristalização de polímeros, cujas moléculas podem ser arranjadas de maneira ordenada com a formação de estruturas supramoleculares na forma de feixes, espirais (glóbulos), fibrilas, etc., ocorre em uma determinada faixa de temperatura. A estrutura complexa das moléculas e seus agregados determina o comportamento específico dos polímeros ao serem aquecidos. Eles não podem entrar em um estado líquido com baixa viscosidade, eles não têm um estado gasoso. Na forma sólida, os polímeros podem estar em estados vítreos, altamente elásticos e viscosos. Polímeros com moléculas lineares ou ramificadas podem mudar de um estado para outro com uma mudança de temperatura, que se manifesta no processo de deformação do polímero. Na fig. 9 mostra a dependência da deformação com a temperatura.
Arroz. 9 Curva termomecânica de polímero amorfo: t c, t t, t p - temperatura de transição vítrea, fluidez e início da decomposição química, respectivamente; I - III - zonas de estado vítreo, altamente elástico e viscoso, respectivamente; Δ eu- deformação.
A estrutura espacial do arranjo das moléculas determina apenas o estado vítreo do polímero. Em baixas temperaturas, todos os polímeros se deformam elasticamente (Fig. 9, zona I). Acima da temperatura de transição vítrea t c um polímero amorfo com uma estrutura linear passa para um estado altamente elástico ( zona II), e sua deformação nos estados vítreos e altamente elásticos é reversível. Aquecimento acima do ponto de fluidez t t transforma o polímero em um estado viscoso ( zona III). A deformação do polímero no estado viscoso é irreversível. Um polímero amorfo com uma estrutura espacial (rede, reticulada) não possui um estado viscoso, a região de temperatura do estado altamente elástico se expande até a temperatura de decomposição do polímero t R. Esse comportamento é típico para materiais do tipo borracha.
A temperatura de uma substância em qualquer estado agregado caracteriza a energia cinética média de suas partículas (átomos e moléculas). Essas partículas nos corpos têm principalmente a energia cinética dos movimentos oscilatórios em relação ao centro de equilíbrio, onde a energia é mínima. Quando uma certa temperatura crítica é atingida, o material sólido perde sua força (estabilidade) e derrete, e o líquido se transforma em vapor: ferve e evapora. Essas temperaturas críticas são os pontos de fusão e ebulição.
Quando um material cristalino é aquecido a uma certa temperatura, as moléculas se movem tão vigorosamente que as ligações rígidas do polímero são quebradas e os cristais são destruídos - eles passam para o estado líquido. A temperatura na qual os cristais e o líquido estão em equilíbrio é chamada de ponto de fusão do cristal ou ponto de solidificação do líquido. Para o iodo, esta temperatura é de 114 o C.
Cada elemento químico tem seu próprio ponto de fusão t pl separando a existência de um sólido e um líquido, e o ponto de ebulição t kip, correspondente à transição do líquido para o gás. Nessas temperaturas, as substâncias estão em equilíbrio termodinâmico. Uma mudança no estado de agregação pode ser acompanhada por uma mudança semelhante a um salto na energia livre, entropia, densidade e outras. quantidades físicas.
Para descrever os vários estados física usa um conceito mais amplo fase termodinâmica. Fenômenos que descrevem transições de uma fase para outra são chamados de críticos.
Quando aquecidas, as substâncias sofrem transformações de fase. Quando fundido (1083 o C), o cobre se transforma em um líquido no qual os átomos têm apenas uma ordem de curto alcance. A uma pressão de 1 atm, o cobre ferve a 2310 ° C e se transforma em cobre gasoso com átomos de cobre dispostos aleatoriamente. No ponto de fusão, as pressões do vapor saturado do cristal e do líquido são iguais.
O material como um todo é um sistema.
Sistema- um grupo de substâncias combinadas físico, interações químicas ou mecânicas. fase chamada de parte homogênea do sistema, separada de outras partes interfaces físicas (em ferro fundido: grafite + grãos de ferro; em água gelada: gelo + água).Componentes sistemas são as várias fases que compõem um determinado sistema. Componentes do sistema- são substâncias que formam todas as fases (componentes) deste sistema.
Materiais que consistem em duas ou mais fases são disperso sistemas. Os sistemas dispersos são divididos em sóis, cujo comportamento se assemelha ao comportamento dos líquidos, e géis com propriedades características dos sólidos. Nos sóis, o meio de dispersão no qual a substância se distribui é o líquido; nos géis, predomina a fase sólida. Os géis são metal semicristalino, concreto, uma solução de gelatina em água a baixa temperatura (em alta temperatura, a gelatina se transforma em sol). Um hidrossol é uma dispersão em água, um aerossol é uma dispersão no ar.
Diagramas de estado.
Em um sistema termodinâmico, cada fase é caracterizada por parâmetros como temperatura T, concentração com e pressão R. Para descrever as transformações de fase, uma única característica de energia é usada - a energia livre de Gibbs ΔG(potencial termodinâmico).
A termodinâmica na descrição das transformações limita-se à consideração do estado de equilíbrio. Estado de equilibrio sistema termodinâmico é caracterizado pela invariância dos parâmetros termodinâmicos (temperatura e concentração, como no processamento tecnológico R= const) no tempo e a ausência de fluxos de energia e matéria nele - com a constância das condições externas. Equilíbrio de fase- estado de equilíbrio de um sistema termodinâmico constituído por duas ou mais fases.
Para a descrição matemática das condições de equilíbrio do sistema, há regra de fase dado por Gibbs. Ele conecta o número de fases (F) e componentes (K) em um sistema de equilíbrio com a variância do sistema, ou seja, o número de graus de liberdade termodinâmicos (C).
O número de graus de liberdade termodinâmicos (variância) de um sistema é o número de variáveis independentes, tanto internas (composição química das fases) quanto externas (temperatura), que podem receber vários valores arbitrários (em um determinado intervalo) para que novas fases não apareçam e velhas fases não desapareçam.
Equação da regra de fase de Gibbs:
C \u003d K - F + 1.
De acordo com esta regra, em um sistema de dois componentes (K = 2), os seguintes graus de liberdade são possíveis:
Para um estado monofásico (F = 1) C = 2, ou seja, você pode alterar a temperatura e a concentração;
Para um estado bifásico (F = 2) C = 1, ou seja, você pode alterar apenas um parâmetro externo (por exemplo, temperatura);
Para um estado trifásico, o número de graus de liberdade é zero, ou seja, é impossível alterar a temperatura sem perturbar o equilíbrio do sistema (o sistema é invariante).
Por exemplo, para um metal puro (K = 1) durante a cristalização, quando há duas fases (F = 2), o número de graus de liberdade é zero. Isso significa que a temperatura de cristalização não pode ser alterada até que o processo termine e uma fase permaneça - um cristal sólido. Após o término da cristalização (F = 1), o número de graus de liberdade é 1, então você pode alterar a temperatura, ou seja, resfriar o sólido sem perturbar o equilíbrio.
O comportamento dos sistemas em função da temperatura e da concentração é descrito por um diagrama de estados. O diagrama de estado da água é um sistema com um componente H 2 O, então o maior número de fases que podem estar simultaneamente em equilíbrio é três (Fig. 10). Estas três fases são líquido, gelo, vapor. O número de graus de liberdade neste caso é igual a zero, ou seja, é impossível mudar a pressão ou a temperatura para que nenhuma das fases desapareça. Gelo comum, água líquida e vapor de água podem existir em equilíbrio simultaneamente apenas a uma pressão de 0,61 kPa e uma temperatura de 0,0075°C. O ponto onde as três fases coexistem é chamado de ponto triplo ( O).
Curva SO separa as regiões de vapor e líquido e representa a dependência da pressão do vapor d'água saturado da temperatura. A curva OC mostra os valores inter-relacionados de temperatura e pressão nos quais a água líquida e o vapor de água estão em equilíbrio entre si, por isso é chamada de curva de equilíbrio líquido-vapor ou curva de ebulição.
Fig 10 Diagrama do estado da água
Curva OV separa a região líquida da região do gelo. É uma curva de equilíbrio sólido-líquido e é chamada de curva de fusão. Esta curva mostra os pares inter-relacionados de temperaturas e pressões em que o gelo e a água líquida estão em equilíbrio.
Curva OAé chamada de curva de sublimação e mostra os pares interconectados de valores de pressão e temperatura nos quais o gelo e o vapor de água estão em equilíbrio.
Um diagrama de estados é uma forma visual de representar as regiões de existência de várias fases dependendo das condições externas, como pressão e temperatura. Diagramas de estado são usados ativamente na ciência dos materiais em vários estágios tecnológicos de obtenção de um produto.
Um líquido difere de um corpo sólido cristalino por valores baixos de viscosidade (atrito interno das moléculas) e altos valores de fluidez (o recíproco da viscosidade). Um líquido consiste em muitos agregados de moléculas, dentro dos quais as partículas estão dispostas em uma determinada ordem, semelhante à ordem nos cristais. A natureza das unidades estruturais e a interação interpartícula determinam as propriedades do líquido. Existem líquidos: monoatômicos (gases nobres liquefeitos), moleculares (água), iônicos (sais fundidos), metálicos (metais fundidos), semicondutores líquidos. Na maioria dos casos, um líquido não é apenas um estado de agregação, mas também uma fase termodinâmica (líquida).
Substâncias líquidas são na maioria das vezes soluções. Solução uma substância homogênea, mas não quimicamente pura, consiste em um soluto e um solvente (exemplos de solvente são água ou solventes orgânicos: dicloroetano, álcool, tetracloreto de carbono, etc.), portanto, é uma mistura de substâncias. Um exemplo é uma solução de álcool em água. No entanto, as soluções também são misturas de substâncias gasosas (por exemplo, ar) ou sólidas (ligas metálicas).
Ao esfriar sob condições de baixa taxa de formação de centros de cristalização e forte aumento da viscosidade, pode ocorrer um estado vítreo. Os vidros são materiais sólidos isotrópicos obtidos por super-resfriamento de compostos inorgânicos e orgânicos fundidos.
São conhecidas muitas substâncias cuja transição de um estado cristalino para um líquido isotrópico ocorre através de um estado líquido-cristal intermediário. É característico de substâncias cujas moléculas estão na forma de hastes longas (bastões) com estrutura assimétrica. Tais transições de fase, acompanhadas por efeitos térmicos, causam uma mudança abrupta nas propriedades mecânicas, ópticas, dielétricas e outras.
cristais líquidos, como um líquido, pode assumir a forma de uma gota alongada ou a forma de um recipiente, ter alta fluidez e ser capaz de se fundir. Eles são amplamente utilizados em vários campos da ciência e tecnologia. Suas propriedades ópticas são altamente dependentes de pequenas mudanças nas condições externas. Este recurso é usado em dispositivos eletro-ópticos. Em particular, os cristais líquidos são usados na fabricação de relógios eletrônicos, equipamentos visuais, etc.
Entre os principais estados de agregação está plasma- gás parcial ou totalmente ionizado. De acordo com o método de formação, distinguem-se dois tipos de plasma: térmico, que ocorre quando um gás é aquecido a altas temperaturas, e gasoso, que se forma durante descargas elétricas em um meio gasoso.
Os processos de plasma-químicos ocuparam um lugar firme em vários ramos da tecnologia. Eles são usados para cortar e soldar metais refratários, para a síntese de várias substâncias, eles usam amplamente fontes de luz de plasma, o uso de plasma em usinas termonucleares é promissor, etc.
Na prática cotidiana, é preciso lidar não separadamente com átomos, moléculas e íons individuais, mas com substâncias reais - um agregado de um grande número de partículas. Dependendo da natureza de sua interação, distinguem-se quatro tipos de estado agregado: sólido, líquido, gasoso e plasma. Uma substância pode se transformar de um estado de agregação para outro como resultado de uma transição de fase correspondente.
A presença de uma substância em um determinado estado de agregação se deve às forças que atuam entre as partículas, à distância entre elas e às características de seu movimento. Cada estado de agregação é caracterizado por um conjunto de certas propriedades.
Propriedades das substâncias dependendo do estado de agregação:
| doença | propriedade |
| gasoso |
|
| líquido |
|
| sólido |
|
De acordo com o grau de ordem no sistema, cada estado de agregação é caracterizado por sua própria razão entre as energias cinética e potencial das partículas. Nos sólidos, o potencial predomina sobre o cinético, pois as partículas ocupam determinadas posições e apenas oscilam em torno delas. Para os gases, existe uma relação inversa entre as energias potencial e cinética, como consequência do fato de que as moléculas do gás sempre se movem aleatoriamente, e quase não há forças coesivas entre elas, de modo que o gás ocupa todo o volume. No caso de líquidos, as energias cinética e potencial das partículas são aproximadamente as mesmas, uma ligação não rígida atua entre as partículas, portanto a fluidez e um volume constante são inerentes aos líquidos.
Quando as partículas de uma substância formam uma estrutura geométrica regular, e a energia das ligações entre elas é maior que a energia das vibrações térmicas, o que impede a destruição da estrutura existente, significa que a substância está em estado sólido. Mas a partir de uma certa temperatura, a energia das vibrações térmicas excede a energia das ligações entre as partículas. Nesse caso, as partículas, embora permaneçam em contato, movem-se uma em relação à outra. Como resultado, a estrutura geométrica é quebrada e a substância passa para o estado líquido. Se as flutuações térmicas aumentam tanto que a conexão entre as partículas é praticamente perdida, a substância adquire um estado gasoso. Em um gás "ideal", as partículas se movem livremente em todas as direções.
Quando a temperatura aumenta, a substância passa de um estado ordenado (sólido) para um estado desordenado (gasoso); o estado líquido é intermediário em termos de ordenação das partículas.
O quarto estado de agregação é chamado de plasma - um gás que consiste em uma mistura de partículas neutras e ionizadas e elétrons. O plasma é formado em temperaturas ultra-altas (10 5 -10 7 0 C) devido à significativa energia de colisão de partículas que têm a máxima desordem de movimento. Uma característica obrigatória do plasma, assim como de outros estados da matéria, é sua neutralidade elétrica. Mas, como resultado do movimento desordenado das partículas no plasma, podem aparecer microzonas carregadas separadas, devido às quais se torna uma fonte de radiação eletromagnética. No estado de plasma, há matéria, estrelas, outros objetos espaciais, bem como em processos termonucleares.
Cada estado de agregação é determinado principalmente pela faixa de temperaturas e pressões, portanto, para uma característica quantitativa visual, é usado um diagrama de fases de uma substância, que mostra a dependência do estado de agregação em relação à pressão e temperatura.
Diagrama do estado da matéria com curvas de transição de fase: 1 - fusão-cristalização, 2 - ebulição-condensação, 3 - sublimação-dessublimação
O diagrama de estados consiste em três áreas principais, que correspondem aos estados cristalino, líquido e gasoso. Regiões individuais são separadas por curvas que refletem transições de fase:
- sólido para líquido e vice-versa, líquido para sólido (curva de fusão-cristalização - gráfico verde pontilhado)
- conversão de líquido para gasoso e reversa de gás para líquido (curva de ebulição-condensação - gráfico azul)
- sólido para gasoso e gasoso para sólido (curva de sublimação-dessublimação - gráfico vermelho).
As coordenadas da interseção dessas curvas são chamadas de ponto triplo, no qual, sob condições de uma certa pressão P \u003d P in e uma certa temperatura T \u003d T in, uma substância pode coexistir em três estados de agregação ao mesmo tempo, e os estados líquido e sólido têm a mesma pressão de vapor. As coordenadas Pv e Tv são os únicos valores de pressão e temperatura em que todas as três fases podem coexistir simultaneamente.
O ponto K no diagrama de fases do estado corresponde à temperatura T k - a chamada temperatura crítica, na qual a energia cinética das partículas excede a energia de sua interação e, portanto, a linha de separação entre as fases líquida e gasosa é apagado, e a substância existe no estado gasoso a qualquer pressão.
Decorre da análise do diagrama de fases que a uma alta pressão maior que no ponto triplo (P c), o aquecimento de um sólido termina com sua fusão, por exemplo, em P 1, a fusão ocorre no ponto d. Um aumento adicional na temperatura de T d para T e leva à ebulição da substância a uma dada pressão P 1 . A uma pressão Р 2 menor que a pressão no ponto triplo Р в, o aquecimento da substância leva à sua transição diretamente do estado cristalino para o gasoso (ponto q), ou seja, à sublimação. Para a maioria das substâncias, a pressão no ponto triplo é menor que a pressão de vapor de saturação (P em
P vapor saturado, portanto, quando os cristais de tais substâncias são aquecidos, eles não derretem, mas evaporam, ou seja, sofrem sublimação. Por exemplo, cristais de iodo ou "gelo seco" (CO 2 sólido) se comportam dessa maneira.
Análise do Diagrama de Estado Estado gasoso
Em condições normais (273 K, 101325 Pa), tanto substâncias simples, cujas moléculas consistem em um (He, Ne, Ar) ou vários átomos simples (H 2, N 2, O 2), quanto substâncias complexas com baixo massa molar (CH 4, HCl, C 2 H 6).
Como a energia cinética das partículas de gás excede sua energia potencial, as moléculas no estado gasoso estão constantemente se movendo aleatoriamente. Devido às grandes distâncias entre as partículas, as forças de interação intermolecular nos gases são tão pequenas que não são suficientes para atrair as partículas umas às outras e mantê-las unidas. É por esta razão que os gases não têm forma própria e são caracterizados por baixa densidade e alta capacidade de compressão e expansão. Portanto, o gás pressiona constantemente as paredes do recipiente em que está localizado, igualmente em todas as direções.
Para estudar a relação entre os parâmetros de gás mais importantes (pressão P, temperatura T, quantidade de substância n, massa molar M, massa m), é usado o modelo mais simples do estado gasoso da matéria - gás ideal, que se baseia nas seguintes premissas:
- a interação entre as partículas de gás pode ser desprezada;
- as próprias partículas são pontos materiais que não têm tamanho próprio.
A equação mais geral que descreve o modelo de gás ideal é considerada as equações Mendeleev-Clapeyron para um mol de uma substância:
No entanto, o comportamento de um gás real difere, via de regra, do ideal. Isso se explica, em primeiro lugar, pelo fato de que forças insignificantes de atração mútua ainda atuam entre as moléculas de um gás real, que comprimem o gás até certo ponto. Com isso em mente, a pressão total do gás aumenta pelo valor uma/v2, que leva em conta a pressão interna adicional devido à atração mútua das moléculas. Como resultado, a pressão total do gás é expressa pela soma P+ uma/v2. Em segundo lugar, as moléculas de um gás real têm um volume pequeno, mas bem definido. b , então o volume real de todo o gás no espaço é V- b . Ao substituir os valores considerados na equação de Mendeleev-Clapeyron, obtemos a equação de estado de um gás real, que se chama equação de van der Waals:
Onde uma e b são coeficientes empíricos que são determinados na prática para cada gás real. Fica estabelecido que o coeficiente uma tem um grande valor para gases que são facilmente liquefeitos (por exemplo, CO 2, NH 3), e o coeficiente b - pelo contrário, quanto maior o tamanho, maiores as moléculas de gás (por exemplo, hidrocarbonetos gasosos).
A equação de van der Waals descreve o comportamento de um gás real com muito mais precisão do que a equação de Mendeleev-Clapeyron, que, no entanto, é amplamente utilizada em cálculos práticos devido ao seu significado físico claro. Embora o estado ideal de um gás seja um caso limite, imaginário, a simplicidade das leis que lhe correspondem, a possibilidade de sua aplicação para descrever as propriedades de muitos gases a baixas pressões e altas temperaturas, torna o modelo de gás ideal muito conveniente .
Estado líquido da matéria
O estado líquido de qualquer substância em particular é termodinamicamente estável em uma certa faixa de temperaturas e pressões características da natureza (composição) da substância. O limite superior de temperatura do estado líquido é o ponto de ebulição acima do qual uma substância sob condições de pressão estável está no estado gasoso. O limite inferior do estado estável da existência de um líquido é a temperatura de cristalização (solidificação). As temperaturas de ebulição e cristalização medidas a uma pressão de 101,3 kPa são chamadas normais.
Para líquidos comuns, a isotropia é inerente - a uniformidade das propriedades físicas em todas as direções dentro da substância. Às vezes, outros termos também são usados para isotropia: invariância, simetria em relação à escolha da direção.
Na formação de opiniões sobre a natureza do estado líquido, o conceito de estado crítico, que foi descoberto por Mendeleev (1860), é de grande importância:
Um estado crítico é um estado de equilíbrio no qual o limite de separação entre um líquido e seu vapor desaparece, uma vez que o líquido e seu vapor saturado adquirem as mesmas propriedades físicas.
No estado crítico, os valores das densidades e volumes específicos do líquido e seu vapor saturado tornam-se os mesmos.
O estado líquido da matéria é intermediário entre o gasoso e o sólido. Algumas propriedades aproximam o estado líquido do sólido. Se os sólidos são caracterizados por um ordenamento rígido de partículas, que se estende por uma distância de centenas de milhares de raios interatômicos ou intermoleculares, no estado líquido, como regra, não são observadas mais do que algumas dezenas de partículas ordenadas. Isso é explicado pelo fato de que a ordem entre partículas em diferentes locais de uma substância líquida surge rapidamente e é rapidamente “borrada” novamente pelas vibrações térmicas das partículas. Ao mesmo tempo, a densidade total do “empacotamento” de partículas difere pouco da densidade de um sólido, de modo que a densidade dos líquidos não difere muito da densidade da maioria dos sólidos. Além disso, a capacidade de compressão dos líquidos é quase tão pequena quanto a dos sólidos (cerca de 20.000 vezes menor que a dos gases).
A análise estrutural confirmou que o chamado ordem de curto alcance, o que significa que o número de "vizinhos" mais próximos de cada molécula e seu arranjo mútuo são aproximadamente os mesmos em todo o volume.
Um número relativamente pequeno de partículas de composição diferente, conectadas por forças de interação intermolecular, é chamado de cacho . Se todas as partículas em um líquido são as mesmas, então esse aglomerado é chamado de associado . É nos clusters e associados que a ordem de curto alcance é observada.
O grau de ordem em vários líquidos depende da temperatura. Em baixas temperaturas ligeiramente acima do ponto de fusão, o grau de ordem na colocação das partículas é muito alto. À medida que a temperatura aumenta, ela diminui e, à medida que a temperatura aumenta, as propriedades do líquido se aproximam cada vez mais das propriedades dos gases, e quando a temperatura crítica é atingida, a diferença entre os estados líquido e gasoso desaparece.
A proximidade do estado líquido ao estado sólido é confirmada pelos valores das entalpias padrão de vaporização DH 0 de evaporação e fusão DH 0 de fusão. Lembre-se de que o valor de DH 0 evaporação mostra a quantidade de calor necessária para converter 1 mol de líquido em vapor a 101,3 kPa; a mesma quantidade de calor é gasta na condensação de 1 mol de vapor em um líquido sob as mesmas condições (ou seja, DH 0 evaporação = DH 0 condensação). A quantidade de calor necessária para converter 1 mol de um sólido em um líquido a 101,3 kPa é chamada de entalpia padrão de fusão; a mesma quantidade de calor é liberada durante a cristalização de 1 mol de líquido sob condições normais de pressão (DH 0 fusão = DH 0 cristalização). Sabe-se que a evaporação DH 0<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.
No entanto, outras propriedades importantes dos líquidos são mais parecidas com as dos gases. Assim, como os gases, os líquidos podem fluir - essa propriedade é chamada fluidez . Eles podem resistir ao fluxo, ou seja, são inerentes viscosidade . Essas propriedades são influenciadas por forças atrativas entre as moléculas, o peso molecular da substância líquida e outros fatores. A viscosidade dos líquidos é cerca de 100 vezes maior que a dos gases. Assim como os gases, os líquidos podem se difundir, mas a uma taxa muito mais lenta porque as partículas líquidas são compactadas mais densamente do que as partículas de gás.
Uma das propriedades mais interessantes do estado líquido, que não é característica nem de gases nem de sólidos, é tensão superficial .
Diagrama da tensão superficial de um líquido Uma molécula localizada em um volume líquido sofre a ação uniforme de forças intermoleculares de todos os lados. No entanto, na superfície do líquido, o equilíbrio dessas forças é perturbado, fazendo com que as moléculas da superfície estejam sob a ação de alguma força resultante, que é direcionada para dentro do líquido. Por esta razão, a superfície do líquido está em estado de tensão. A tensão superficial é a força mínima que mantém as partículas de um líquido no interior e, assim, evita que a superfície do líquido se contraia.
Estrutura e propriedades dos sólidos
A maioria das substâncias conhecidas, naturais e artificiais, estão no estado sólido em condições normais. De todos os compostos conhecidos hoje, cerca de 95% são sólidos, que se tornaram importantes, pois são a base não apenas de materiais estruturais, mas também funcionais.
- Materiais estruturais são sólidos ou suas composições que são usados para fazer ferramentas, utensílios domésticos e várias outras estruturas.
- Os materiais funcionais são sólidos, cujo uso se deve à presença de certas propriedades úteis neles.
Por exemplo, aço, alumínio, concreto, cerâmica pertencem a materiais estruturais e semicondutores, fósforos pertencem a materiais funcionais.
No estado sólido, as distâncias entre as partículas de matéria são pequenas e têm a mesma ordem de grandeza das próprias partículas. As energias de interação entre eles são grandes o suficiente, o que impede o livre movimento das partículas - elas só podem oscilar em torno de certas posições de equilíbrio, por exemplo, em torno dos nós da rede cristalina. A incapacidade das partículas de se moverem livremente leva a uma das características mais características dos sólidos - a presença de sua própria forma e volume. A capacidade de comprimir sólidos é muito pequena, e a densidade é alta e pouco dependente das mudanças de temperatura. Todos os processos que ocorrem na matéria sólida ocorrem lentamente. As leis da estequiometria para sólidos têm um significado diferente e, via de regra, mais amplo do que para substâncias gasosas e líquidas.
A descrição detalhada de sólidos é muito volumosa para este material e, portanto, é coberta em artigos separados: e.
Definição
Estados agregados da matéria (do latim aggrego - anexar, conectar) - estes são os estados da mesma substância - sólido, líquido, gasoso.
Durante a transição de um estado para outro, ocorre uma mudança abrupta na energia, entropia, densidade e outras características da matéria.
Corpos sólidos e líquidos
Definição
Corpos sólidos são corpos que se distinguem pela constância de forma e volume.
Neles, as distâncias intermoleculares são pequenas e a energia potencial das moléculas é comparável à cinética. Os sólidos são divididos em dois tipos: cristalinos e amorfos. Apenas corpos cristalinos estão em estado de equilíbrio termodinâmico. Corpos amorfos, de fato, representam estados metaestáveis, que em sua estrutura se aproximam do não-equilíbrio, cristalizando lentamente líquidos. Em um corpo amorfo, ocorre um processo muito lento de cristalização, o processo de transição gradual de uma substância para uma fase cristalina. A diferença entre um cristal e um sólido amorfo está principalmente na anisotropia de suas propriedades. As propriedades de um corpo cristalino dependem da direção no espaço. Vários tipos de processos, como condutividade térmica, condutividade elétrica, luz, som, propagam-se em diferentes direções de um corpo sólido de diferentes maneiras. Corpos amorfos (vidro, resinas, plásticos) são isotópicos, como líquidos. A única diferença entre corpos amorfos e líquidos é que estes últimos são fluidos, deformações de cisalhamento estático são impossíveis neles.
Os corpos cristalinos têm a estrutura molecular correta. A anisotropia de suas propriedades se deve à estrutura correta do cristal. O arranjo correto dos átomos de um cristal forma a chamada rede cristalina. Em direções diferentes, o arranjo dos átomos na rede é diferente, o que leva à anisotropia. Átomos (ou íons, ou moléculas inteiras) na rede cristalina realizam movimentos oscilatórios aleatórios em torno das posições intermediárias, que são consideradas nós da rede cristalina. Quanto maior a temperatura, maior a energia das oscilações e, portanto, a amplitude média das oscilações. O tamanho do cristal depende da amplitude das oscilações. Um aumento na amplitude das oscilações leva a um aumento no tamanho do corpo. Isso explica a expansão térmica dos sólidos.
Definição
Corpos líquidos são corpos que possuem certo volume, mas não possuem elasticidade de forma.
Os líquidos são caracterizados por forte interação intermolecular e baixa compressibilidade. Um líquido ocupa uma posição intermediária entre um sólido e um gás. Os líquidos, como os gases, são isotópicos. Além disso, o líquido tem fluidez. Nele, como nos gases, não há tensões tangenciais (tensões de cisalhamento) dos corpos. Os líquidos são pesados, ou seja, sua gravidade específica é comparável à gravidade específica dos sólidos. Perto das temperaturas de cristalização, suas capacidades caloríficas e outras características térmicas são próximas às dos sólidos. Em líquidos, um arranjo regular de átomos é observado até certo ponto, mas apenas em pequenas áreas. Aqui, os átomos também oscilam perto dos nós da célula quase cristalina, mas ao contrário dos átomos de um corpo sólido, eles saltam de um nó para outro de tempos em tempos. Como resultado, o movimento dos átomos será muito complexo: é oscilatório, mas ao mesmo tempo o centro das vibrações se move no espaço.
Gás, evaporação, condensação e fusão
Definição
Um gás é um estado da matéria em que as distâncias entre as moléculas são grandes.
As forças de interação entre moléculas em baixas pressões podem ser desprezadas. As partículas de gás preenchem todo o volume fornecido ao gás. Os gases podem ser considerados como vapores altamente superaquecidos ou insaturados. O plasma é um tipo especial de gás - é um gás parcial ou completamente ionizado, no qual a densidade de cargas positivas e negativas é quase a mesma. O plasma é um gás de partículas carregadas que interagem umas com as outras usando forças elétricas a uma grande distância, mas não possuem partículas próximas e distantes.
As substâncias podem mudar de um estado de agregação para outro.
Definição
A evaporação é o processo de mudança do estado de agregação de uma substância, no qual as moléculas saem da superfície de um líquido ou sólido, cuja energia cinética excede a energia potencial da interação das moléculas.
A evaporação é uma transição de fase. Durante a evaporação, parte do líquido ou sólido passa para o vapor. Uma substância em estado gasoso que está em equilíbrio dinâmico com um líquido é chamada de vapor saturado. Neste caso, a mudança na energia interna do corpo:
\[\triângulo \ U=\pm sr\ \left(1\right),\]
onde m é o peso corporal, r é o calor específico de vaporização (J/kg).
Definição
A condensação é o processo inverso da vaporização.
O cálculo da variação da energia interna é realizado de acordo com a fórmula (1).
Definição
A fusão é o processo de transição de uma substância do estado sólido para o estado líquido, o processo de mudança do estado de agregação de uma substância.
Quando uma substância é aquecida, sua energia interna aumenta, portanto, a velocidade do movimento térmico das moléculas aumenta. No caso em que o ponto de fusão da substância é atingido, a rede cristalina do sólido começa a se quebrar. As ligações entre as partículas são destruídas, a energia de interação entre as partículas aumenta. O calor transferido para o corpo vai aumentar a energia interna desse corpo, e parte da energia vai para fazer trabalho para alterar o volume do corpo quando ele derrete. Para a maioria dos corpos cristalinos, o volume aumenta quando fundido, mas há exceções, por exemplo, gelo, ferro fundido. Corpos amorfos não têm um ponto de fusão específico. A fusão é uma transição de fase, que é acompanhada por uma mudança abrupta na capacidade calorífica na temperatura de fusão. O ponto de fusão depende da substância e não muda durante o processo. Neste caso, a mudança na energia interna do corpo:
\[\triângulo U=\pm m\lambda \left(2\right),\]
onde $\lambda $ é o calor específico de fusão (J/kg).
O processo inverso de fusão é a cristalização. O cálculo da variação da energia interna é realizado de acordo com a fórmula (2).
A variação da energia interna de cada corpo do sistema no caso de aquecimento ou resfriamento pode ser calculada pela fórmula:
\[\triângulo U=mc\triângulo T\esquerda(3\direita),\]
onde c é o calor específico da substância, J/(kgK), $\triangle T$ é a mudança na temperatura do corpo.
Ao estudar as transições de substâncias de um estado de agregação para outro, é impossível prescindir da chamada equação de balanço de calor, que diz: a quantidade total de calor liberada em um sistema termicamente isolado é igual à quantidade de calor calor (total) que é absorvido neste sistema.
Em seu significado, a equação de balanço de calor é a lei de conservação de energia para processos de transferência de calor em sistemas isolados termicamente.
Exemplo 1
Atribuição: Há água e gelo em um recipiente com isolamento térmico a uma temperatura $t_i= 0^oС$. As massas de água ($m_(v\ ))$ e gelo ($m_(i\ ))$ são 0,5 kg e 60 g respectivamente. Vapor d'água de massa $m_(p\)=$10 g é lançado na água. na temperatura $t_p= 100^oС$. Qual será a temperatura da água no recipiente após o equilíbrio térmico ser estabelecido? A capacidade calorífica do recipiente é ignorada.
Solução: Vamos determinar quais processos ocorrem no sistema, quais estados agregados da matéria tivemos e o que obtivemos.
O vapor de água se condensa, liberando calor.
Este calor é usado para derreter o gelo e, possivelmente, para aquecer a água disponível e obtida do gelo.
Vamos primeiro verificar quanto calor é liberado durante a condensação da massa de vapor disponível:
aqui, a partir de materiais de referência, temos $r=2,26 10^6\frac(J)(kg)$ - calor específico de vaporização (também aplicável para condensação).
Calor necessário para derreter o gelo:
aqui de materiais de referência temos $\lambda =3.3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - calor específico de derretimento do gelo.
Obtemos que o vapor libera mais calor do que o necessário, apenas para derreter o gelo existente, portanto, escrevemos a equação de balanço de calor na forma:
Calor é liberado durante a condensação do vapor com massa $m_(p\)$ e resfriamento da água, que é formada a partir do vapor da temperatura $T_p$ até a T desejada. O calor é absorvido durante a fusão do gelo com massa $m_(i\ )$ e aquecimento de água com massa $m_v+ m_i$ da temperatura $T_i$ a $T.\ $ Denote $T-T_i=\triângulo T$, para a diferença $T_p-T$ temos:
A equação do balanço de calor terá a forma:
\ \ \[\triangle T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\left(m_v+m_i+m_(p\ )\right))\left (1.6\direito)\]
Faremos os cálculos levando em conta que a capacidade calorífica da água é tabular $c=4.2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273K$:
$\triangle T=\frac(2,26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4,2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2)\cdot 3,3\cdot 10^5)(4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^(-1))\approx 3\left(K\right)$then T=273+3=276 (K)
Resposta: A temperatura da água no recipiente após o estabelecimento do equilíbrio térmico será igual a 276 K.
Exemplo 2
Tarefa: A figura mostra a seção da isotérmica correspondente à transição de uma substância do estado cristalino para o líquido. O que corresponde a esta seção no diagrama p,T?
Todo o conjunto de estados representados no diagrama p, V por um segmento de linha reta horizontal no diagrama p, T é representado por um ponto que determina os valores de p e T, no qual a transição de um estado de agregação para outro acontece.
O conhecimento mais difundido é sobre três estados de agregação: líquido, sólido, gasoso, às vezes eles pensam em plasma, menos frequentemente em cristal líquido. Recentemente, uma lista de 17 fases da matéria, retirada do famoso () Stephen Fry, se espalhou na Internet. Portanto, falaremos sobre eles com mais detalhes, porque. deve-se conhecer um pouco mais sobre a matéria, mesmo que apenas para entender melhor os processos que ocorrem no Universo.
A lista de estados agregados da matéria abaixo aumenta dos estados mais frios para os mais quentes, e assim por diante. pode ser continuado. Ao mesmo tempo, deve-se entender que a partir do estado gasoso (nº 11), o mais “expandido”, em ambos os lados da lista, o grau de compressão da substância e sua pressão (com algumas ressalvas para tal inexplorado estados hipotéticos como quântico, raio ou fracamente simétrico) aumentam.Após o texto, é dado um gráfico visual das transições de fase da matéria.
1. Quântico- o estado de agregação da matéria, alcançado quando a temperatura cai para zero absoluto, em que as ligações internas desaparecem e a matéria se desintegra em quarks livres.
2. Condensado de Bose-Einstein- o estado agregado da matéria, que se baseia em bósons resfriados a temperaturas próximas ao zero absoluto (menos de um milionésimo de grau acima do zero absoluto). Em um estado tão fortemente resfriado, um número suficientemente grande de átomos encontra-se em seus estados quânticos mínimos possíveis, e os efeitos quânticos começam a se manifestar no nível macroscópico. O condensado de Bose-Einstein (muitas vezes referido como "condensado de Bose", ou simplesmente "volta") ocorre quando você resfria um elemento químico a temperaturas extremamente baixas (geralmente um pouco acima do zero absoluto, menos 273 graus Celsius). , é a temperatura teórica em que tudo para de se mover).
É aqui que coisas estranhas começam a acontecer. Processos normalmente observáveis apenas no nível atômico agora ocorrem em escalas grandes o suficiente para serem observadas a olho nu. Por exemplo, se você colocar um "costas" em um béquer e fornecer a temperatura desejada, a substância começará a subir pela parede e, eventualmente, sair por conta própria.
Aparentemente, aqui estamos lidando com uma tentativa fútil da matéria de diminuir sua própria energia (que já está no mais baixo de todos os níveis possíveis).
Desacelerar átomos usando equipamentos de resfriamento produz um estado quântico singular conhecido como condensado de Bose, ou Bose-Einstein. Este fenômeno foi previsto em 1925 por A. Einstein, como resultado de uma generalização do trabalho de S. Bose, onde a mecânica estatística foi construída para partículas, variando de fótons sem massa a átomos com massa (manuscrito de Einstein, que foi considerado perdido, foi encontrado na biblioteca da Universidade de Leiden em 2005). O resultado dos esforços de Bose e Einstein foi o conceito de Bose de um gás que obedece à estatística de Bose-Einstein, que descreve a distribuição estatística de partículas idênticas com spin inteiro, chamadas bósons. Os bósons, que são, por exemplo, partículas elementares individuais - fótons e átomos inteiros, podem estar entre si nos mesmos estados quânticos. Einstein sugeriu que o resfriamento de átomos - bósons a temperaturas muito baixas, faria com que eles fossem (ou, em outras palavras, se condensassem) no estado quântico mais baixo possível. O resultado dessa condensação será o surgimento de uma nova forma de matéria.
Essa transição ocorre abaixo da temperatura crítica, que é para um gás tridimensional homogêneo constituído de partículas não interativas sem nenhum grau de liberdade interno.
3. Condensado Fermiônico- o estado de agregação de uma substância, semelhante ao suporte, mas de estrutura diferente. Ao se aproximar do zero absoluto, os átomos se comportam de maneira diferente dependendo da magnitude de seu próprio momento angular (spin). Os bósons têm spins inteiros, enquanto os férmions têm spins múltiplos de 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Os férmions obedecem ao princípio de exclusão de Pauli, que afirma que dois férmions não podem ter o mesmo estado quântico. Para os bósons, não existe tal proibição e, portanto, eles têm a oportunidade de existir em um estado quântico e, assim, formar o chamado condensado de Bose-Einstein. O processo de formação desse condensado é responsável pela transição para o estado supercondutor.
Os elétrons têm spin 1/2 e, portanto, são férmions. Eles se combinam em pares (os chamados pares de Cooper), que então formam um condensado de Bose.
Cientistas americanos tentaram obter uma espécie de molécula de átomos de férmion por resfriamento profundo. A diferença das moléculas reais era que não havia ligação química entre os átomos - eles apenas se moviam juntos de maneira correlacionada. A ligação entre os átomos acabou sendo ainda mais forte do que entre os elétrons nos pares de Cooper. Para os pares de férmions formados, o spin total não é mais um múltiplo de 1/2, portanto, eles já se comportam como bósons e podem formar um condensado de Bose com um único estado quântico. Durante o experimento, um gás de 40 átomos de potássio foi resfriado a 300 nanokelvins, enquanto o gás foi encerrado em uma chamada armadilha óptica. Em seguida, um campo magnético externo foi aplicado, com a ajuda do qual foi possível alterar a natureza das interações entre os átomos - em vez de forte repulsão, forte atração começou a ser observada. Ao analisar a influência do campo magnético, foi possível encontrar tal valor em que os átomos começaram a se comportar como pares de elétrons de Cooper. Na próxima etapa do experimento, os cientistas propõem obter os efeitos da supercondutividade para o condensado fermiônico.
4. Matéria superfluida- um estado em que a substância praticamente não tem viscosidade e, ao fluir, não sofre atrito com uma superfície sólida. A consequência disso é, por exemplo, um efeito tão interessante como o "escorregamento" espontâneo completo do hélio superfluido do vaso ao longo de suas paredes contra a gravidade. Claro, não há violação da lei de conservação de energia aqui. Na ausência de forças de atrito, apenas forças de gravidade atuam sobre o hélio, forças de interação interatômica entre o hélio e as paredes do vaso e entre os átomos de hélio. Assim, as forças de interação interatômica excedem todas as outras forças combinadas. Como resultado, o hélio tende a se espalhar o máximo possível sobre todas as superfícies possíveis e, portanto, "viaja" ao longo das paredes do vaso. Em 1938, o cientista soviético Pyotr Kapitsa provou que o hélio pode existir em um estado superfluido.
Vale a pena notar que muitas das propriedades incomuns do hélio são conhecidas há algum tempo. No entanto, nos últimos anos, esse elemento químico vem nos “estragando” com efeitos interessantes e inesperados. Assim, em 2004, Moses Chan e Eun-Syong Kim, da Universidade da Pensilvânia, intrigaram o mundo científico ao afirmar que conseguiram obter um estado completamente novo de hélio - um sólido superfluido. Nesse estado, alguns átomos de hélio na rede cristalina podem fluir em torno de outros, e o hélio pode fluir através de si mesmo. O efeito da "superdureza" foi teoricamente previsto em 1969. E em 2004 - como se fosse uma confirmação experimental. No entanto, experimentos posteriores e muito curiosos mostraram que nem tudo é tão simples, e talvez essa interpretação do fenômeno, que anteriormente era considerada a superfluidez do hélio sólido, esteja incorreta.
O experimento dos cientistas liderados por Humphrey Maris, da Brown University, nos EUA, foi simples e elegante. Os cientistas colocaram um tubo de ensaio virado de cabeça para baixo em um tanque fechado de hélio líquido. Parte do hélio no tubo de ensaio e no tanque foi congelado de tal forma que a fronteira entre líquido e sólido dentro do tubo de ensaio era maior do que no tanque. Em outras palavras, havia hélio líquido na parte superior do tubo de ensaio e hélio sólido na parte inferior; passou suavemente para a fase sólida do tanque, sobre a qual foi derramado um pouco de hélio líquido - abaixo do nível líquido no tubo de ensaio. Se o hélio líquido começasse a se infiltrar no sólido, a diferença de nível diminuiria e então podemos falar de hélio superfluido sólido. E, em princípio, em três dos 13 experimentos, a diferença de nível diminuiu.
5. Matéria superdura- um estado de agregação em que a matéria é transparente e pode "fluir" como um líquido, mas na verdade é desprovida de viscosidade. Esses líquidos são conhecidos há muitos anos e são chamados de superfluidos. O fato é que, se o superfluido for agitado, ele circulará quase para sempre, enquanto o líquido normal acabará se acalmando. Os dois primeiros superfluidos foram criados por pesquisadores usando hélio-4 e hélio-3. Eles foram resfriados quase ao zero absoluto - a menos 273 graus Celsius. E a partir do hélio-4, os cientistas americanos conseguiram obter um corpo superduro. Eles comprimiram o hélio congelado por pressão mais de 60 vezes e, em seguida, o vidro preenchido com a substância foi instalado em um disco giratório. A uma temperatura de 0,175 graus Celsius, o disco de repente começou a girar mais livremente, o que, segundo os cientistas, indica que o hélio se tornou um supercorpo.
6. Sólido- o estado de agregação da matéria, caracterizado pela estabilidade da forma e pela natureza do movimento térmico dos átomos, que fazem pequenas vibrações em torno das posições de equilíbrio. O estado estável dos sólidos é cristalino. Distinguir sólidos com ligações iônicas, covalentes, metálicas e outros tipos de ligações entre átomos, o que determina a variedade de suas propriedades físicas. As propriedades elétricas e outras propriedades dos sólidos são determinadas principalmente pela natureza do movimento dos elétrons externos de seus átomos. De acordo com suas propriedades elétricas, os sólidos são divididos em dielétricos, semicondutores e metais; de acordo com suas propriedades magnéticas, eles são divididos em diamagnetos, paramagnetos e corpos com uma estrutura magnética ordenada. As investigações das propriedades dos sólidos se uniram em um grande campo - a física do estado sólido, cujo desenvolvimento está sendo estimulado pelas necessidades da tecnologia.
7. Sólido amorfo- um estado condensado de agregação de uma substância, caracterizado pela isotropia das propriedades físicas devido ao arranjo desordenado de átomos e moléculas. Em sólidos amorfos, os átomos vibram em torno de pontos localizados aleatoriamente. Ao contrário do estado cristalino, a transição de um sólido amorfo para líquido ocorre gradualmente. Várias substâncias estão no estado amorfo: vidros, resinas, plásticos, etc.
8. Cristal líquido- este é um estado específico de agregação de uma substância em que apresenta simultaneamente as propriedades de um cristal e de um líquido. Devemos imediatamente fazer uma reserva de que nem todas as substâncias podem estar no estado de cristal líquido. No entanto, algumas substâncias orgânicas com moléculas complexas podem formar um estado específico de agregação - cristal líquido. Este estado é realizado durante a fusão de cristais de certas substâncias. Quando derretem, forma-se uma fase líquido-cristalina, que difere dos líquidos comuns. Esta fase existe na faixa desde a temperatura de fusão do cristal até alguma temperatura mais alta, quando aquecido até o qual o cristal líquido se transforma em um líquido comum.
Como um cristal líquido difere de um líquido e um cristal comum e como é semelhante a eles? Como um líquido comum, um cristal líquido tem fluidez e assume a forma de um recipiente no qual é colocado. Nisto difere dos cristais conhecidos por todos. No entanto, apesar dessa propriedade, que o une a um líquido, possui uma propriedade característica dos cristais. Esta é a ordenação no espaço das moléculas que formam o cristal. É verdade que essa ordenação não é tão completa quanto nos cristais comuns, mas, no entanto, afeta significativamente as propriedades dos cristais líquidos, o que os distingue dos líquidos comuns. O ordenamento espacial incompleto das moléculas que formam um cristal líquido se manifesta no fato de que nos cristais líquidos não há uma ordem completa no arranjo espacial dos centros de gravidade das moléculas, embora possa haver uma ordem parcial. Isso significa que eles não têm uma rede cristalina rígida. Portanto, os cristais líquidos, como os líquidos comuns, têm a propriedade de fluidez.
Uma propriedade obrigatória dos cristais líquidos, que os aproxima dos cristais comuns, é a presença de uma ordem na orientação espacial das moléculas. Tal ordem na orientação pode se manifestar, por exemplo, no fato de que todos os eixos longos das moléculas em uma amostra de cristal líquido são orientados da mesma maneira. Essas moléculas devem ter uma forma alongada. Além da ordenação mais simples dos eixos das moléculas, uma ordem de orientação mais complexa das moléculas pode ser realizada em um cristal líquido.
Dependendo do tipo de ordenamento dos eixos moleculares, os cristais líquidos são divididos em três tipos: nemáticos, esméticos e colestéricos.
A pesquisa sobre a física dos cristais líquidos e suas aplicações está sendo realizada atualmente em uma ampla frente em todos os países mais desenvolvidos do mundo. A pesquisa nacional está concentrada em instituições de pesquisa acadêmica e industrial e tem uma longa tradição. As obras de V. K. Frederiks para V. N. Tsvetkov. Nos últimos anos, o rápido estudo de cristais líquidos, pesquisadores russos também contribuem significativamente para o desenvolvimento da teoria dos cristais líquidos em geral e, em particular, a ótica dos cristais líquidos. Assim, os trabalhos de I.G. Chistyakova, A. P. Kapustina, S.A. Brazovsky, S.A. Pikina, L. M. Blinov e muitos outros pesquisadores soviéticos são amplamente conhecidos da comunidade científica e servem como base para uma série de aplicações técnicas eficazes de cristais líquidos.
A existência de cristais líquidos foi estabelecida há muito tempo, nomeadamente em 1888, ou seja, há quase um século. Embora os cientistas tivessem encontrado esse estado da matéria antes de 1888, ele foi oficialmente descoberto mais tarde.
O primeiro a descobrir os cristais líquidos foi o botânico austríaco Reinitzer. Investigando a nova substância benzoato de colesterol sintetizada por ele, descobriu que a uma temperatura de 145°C, os cristais dessa substância derretem, formando um líquido turvo que dispersa fortemente a luz. Com o aquecimento contínuo, ao atingir a temperatura de 179°C, o líquido fica límpido, ou seja, começa a se comportar opticamente como um líquido comum, como a água. O benzoato de colesterol mostrou propriedades inesperadas na fase turva. Examinando esta fase sob um microscópio polarizador, Reinitzer descobriu que ela tem birrefringência. Isso significa que o índice de refração da luz, ou seja, a velocidade da luz nesta fase, depende da polarização.
9. Líquido- o estado de agregação de uma substância, combinando as características de um estado sólido (conservação de volume, uma certa resistência à tração) e um estado gasoso (variabilidade de forma). Um líquido é caracterizado por uma ordem de curto alcance no arranjo das partículas (moléculas, átomos) e uma pequena diferença na energia cinética do movimento térmico das moléculas e sua energia potencial de interação. O movimento térmico das moléculas líquidas consiste em oscilações em torno de posições de equilíbrio e saltos relativamente raros de uma posição de equilíbrio para outra, o que está associado à fluidez do líquido.
10. Fluido supercrítico(GFR) é o estado de agregação de uma substância, no qual a diferença entre as fases líquida e gasosa desaparece. Qualquer substância a uma temperatura e pressão acima do ponto crítico é um fluido supercrítico. As propriedades de uma substância no estado supercrítico são intermediárias entre suas propriedades nas fases gasosa e líquida. Assim, o SCF possui alta densidade, próxima ao líquido, e baixa viscosidade, como os gases. O coeficiente de difusão neste caso tem um valor intermediário entre líquido e gás. Substâncias no estado supercrítico podem ser usadas como substitutos de solventes orgânicos em processos laboratoriais e industriais. Água supercrítica e dióxido de carbono supercrítico receberam o maior interesse e distribuição em relação a certas propriedades.
Uma das propriedades mais importantes do estado supercrítico é a capacidade de dissolver substâncias. Ao alterar a temperatura ou pressão do fluido, pode-se alterar suas propriedades em uma ampla faixa. Assim, é possível obter um fluido cujas propriedades se aproximam tanto de um líquido quanto de um gás. Assim, o poder de dissolução de um fluido aumenta com o aumento da densidade (a uma temperatura constante). Como a densidade aumenta com o aumento da pressão, a alteração da pressão pode afetar o poder de dissolução do fluido (a uma temperatura constante). No caso da temperatura, a dependência das propriedades do fluido é um pouco mais complicada - em uma densidade constante, o poder de dissolução do fluido também aumenta, mas perto do ponto crítico, um leve aumento na temperatura pode levar a uma queda acentuada na densidade, e, consequentemente, poder de dissolução. Fluidos supercríticos se misturam indefinidamente, então quando o ponto crítico da mistura é atingido, o sistema será sempre monofásico. A temperatura crítica aproximada de uma mistura binária pode ser calculada como a média aritmética dos parâmetros críticos das substâncias Tc(mix) = (fração molar de A) x TcA + (fração molar de B) x TcB.
11. Gasoso- (gaz francês, do grego caos - caos), o estado agregado da matéria em que a energia cinética do movimento térmico de suas partículas (moléculas, átomos, íons) excede significativamente a energia potencial de interações entre eles e, portanto, as partículas mover-se livremente, preenchendo uniformemente na ausência de campos externos, todo o volume que lhes é fornecido.
12. Plasma- (do grego plasma - moldado, moldado), um estado da matéria, que é um gás ionizado, no qual as concentrações de cargas positivas e negativas são iguais (quase-neutralidade). A grande maioria da matéria no Universo está no estado de plasma: estrelas, nebulosas galácticas e o meio interestelar. Perto da Terra, o plasma existe na forma de vento solar, magnetosfera e ionosfera. Plasma de alta temperatura (T ~ 106 - 108 K) de uma mistura de deutério e trítio está sendo investigado com o objetivo de implementar a fusão termonuclear controlada. O plasma de baixa temperatura (T Ј 105K) é usado em vários dispositivos de descarga de gás (lasers de gás, dispositivos de íons, geradores MHD, tochas de plasma, motores de plasma, etc.), bem como em tecnologia (consulte Metalurgia de plasma, perfuração de plasma, tecnologia de plasma).
13. Matéria degenerada- é um estágio intermediário entre o plasma e o neutônio. É observado em anãs brancas e desempenha um papel importante na evolução das estrelas. Quando os átomos estão sob condições de temperaturas e pressões extremamente altas, eles perdem seus elétrons (eles vão para um gás de elétrons). Em outras palavras, eles são completamente ionizados (plasma). A pressão de tal gás (plasma) é determinada pela pressão do elétron. Se a densidade for muito alta, todas as partículas são forçadas a se aproximarem. Os elétrons podem estar em estados com certas energias e dois elétrons não podem ter a mesma energia (a menos que seus spins sejam opostos). Assim, em um gás denso, todos os níveis de energia mais baixos acabam sendo preenchidos com elétrons. Esse gás é chamado degenerado. Nesse estado, os elétrons exibem uma pressão de elétrons degenerada que se opõe às forças da gravidade.
14. Neutrônio— estado de agregação em que a matéria passa sob pressão ultra-alta, ainda inatingível em laboratório, mas que existe dentro de estrelas de nêutrons. Durante a transição para o estado de nêutrons, os elétrons da matéria interagem com os prótons e se transformam em nêutrons. Como resultado, a matéria no estado de nêutrons consiste inteiramente de nêutrons e tem uma densidade da ordem de nuclear. A temperatura da substância neste caso não deve ser muito alta (em energia equivalente, não superior a cem MeV).
Com um forte aumento da temperatura (centenas de MeV e acima), no estado de nêutrons, vários mésons começam a nascer e se aniquilar. Com um aumento adicional da temperatura, ocorre o desconfinamento e a matéria passa para o estado de plasma de quarks-glúons. Já não consiste em hádrons, mas em quarks e glúons que nascem e desaparecem constantemente.
15. Plasma de quark-glúon(cromoplasma) é um estado agregado da matéria em física de alta energia e física de partículas elementares, em que a matéria hadrônica passa para um estado semelhante ao estado em que elétrons e íons estão no plasma comum.
Normalmente, a matéria nos hádrons está no chamado estado incolor ("branco"). Ou seja, quarks de cores diferentes se compensam. Um estado semelhante existe na matéria comum - quando todos os átomos são eletricamente neutros, isto é,
cargas positivas neles são compensadas por negativas. Em altas temperaturas, a ionização dos átomos pode ocorrer, enquanto as cargas são separadas, e a substância torna-se, como se costuma dizer, "quase neutra". Ou seja, toda a nuvem de matéria como um todo permanece neutra e suas partículas individuais deixam de ser neutras. Presumivelmente, a mesma coisa pode acontecer com a matéria hadrônica - em energias muito altas, a cor é liberada e torna a substância "quase incolor".
Presumivelmente, a matéria do Universo estava no estado de plasma quark-gluon nos primeiros momentos após o Big Bang. Agora o plasma quark-gluon pode ser formado por um curto período de tempo em colisões de partículas de energias muito altas.
O plasma de quark-gluon foi obtido experimentalmente no acelerador RHIC no Brookhaven National Laboratory em 2005. A temperatura máxima do plasma de 4 trilhões de graus Celsius foi obtida lá em fevereiro de 2010.
16. Substância estranha- estado de agregação, em que a matéria é comprimida até os valores limites de densidade, pode existir na forma de "sopa de quarks". Um centímetro cúbico de matéria nesse estado pesaria bilhões de toneladas; além disso, transformará qualquer substância normal com a qual entre em contato na mesma forma "estranha" com a liberação de uma quantidade significativa de energia.
A energia que pode ser liberada durante a transformação da substância do núcleo de uma estrela em uma "substância estranha" levará a uma explosão superpoderosa de um "quark nova" - e, segundo Leahy e Wyed, foi justamente esta explosão que os astrônomos observaram em setembro de 2006.
O processo de formação desta substância começou com uma supernova comum, na qual uma estrela massiva se transformou. Como resultado da primeira explosão, uma estrela de nêutrons foi formada. Mas, segundo Leahy e Wyed, não durou muito - como sua rotação parecia ser retardada pelo próprio campo magnético, começou a encolher ainda mais, com a formação de um coágulo de "coisas estranhas", o que levou a um ainda mais poderoso do que em uma explosão normal de supernova, a liberação de energia - e as camadas externas da substância da antiga estrela de nêutrons, voando para o espaço circundante a uma velocidade próxima à velocidade da luz.
17. Matéria fortemente simétrica- esta é uma substância comprimida de tal forma que as micropartículas dentro dela são colocadas em camadas umas sobre as outras, e o próprio corpo colapsa em um buraco negro. O termo "simetria" é explicado da seguinte forma: vamos pegar os estados agregados da matéria conhecidos por todos do banco da escola - sólido, líquido, gasoso. Para definição, considere um cristal infinito ideal como um sólido. Tem uma certa simetria discreta em relação à tradução. Isso significa que, se a rede cristalina for deslocada por uma distância igual ao intervalo entre dois átomos, nada mudará nela - o cristal coincidirá consigo mesmo. Se o cristal for derretido, a simetria do líquido resultante será diferente: aumentará. Em um cristal, apenas os pontos que estavam distantes uns dos outros em certas distâncias, os chamados nós da rede cristalina, nos quais estavam localizados átomos idênticos, eram equivalentes.
O líquido é homogêneo em todo o seu volume, todos os seus pontos são indistinguíveis uns dos outros. Isso significa que os líquidos podem ser deslocados por quaisquer distâncias arbitrárias (e não apenas por algumas discretas, como em um cristal) ou girados por quaisquer ângulos arbitrários (o que não pode ser feito em cristais) e coincidirá consigo mesmo. Seu grau de simetria é maior. O gás é ainda mais simétrico: o líquido ocupa um certo volume no vaso e há uma assimetria no interior do vaso, onde há líquido, e pontos onde não há. O gás, por outro lado, ocupa todo o volume que lhe é fornecido e, nesse sentido, todos os seus pontos são indistinguíveis uns dos outros. No entanto, aqui seria mais correto falar não de pontos, mas de elementos pequenos, mas macroscópicos, porque no nível microscópico ainda existem diferenças. Em alguns momentos existem átomos ou moléculas, enquanto outros não. A simetria é observada apenas em média, seja em alguns parâmetros de volume macroscópicos, seja no tempo.
Mas ainda não há simetria instantânea no nível microscópico. Se a substância é comprimida com muita força, a pressões que são inaceitáveis na vida cotidiana, comprimida de modo que os átomos sejam esmagados, suas cascas penetram uma na outra e os núcleos começam a se tocar, a simetria surge no nível microscópico. Todos os núcleos são iguais e pressionados uns contra os outros, não existem apenas distâncias interatômicas, mas também internucleares, e a substância se torna homogênea (substância estranha).
Mas há também um nível submicroscópico. Os núcleos são compostos de prótons e nêutrons que se movem dentro do núcleo. Há também algum espaço entre eles. Se você continuar a comprimir para que os núcleos também sejam esmagados, os núcleons se pressionarão fortemente um contra o outro. Então, no nível submicroscópico, aparecerá a simetria, que não está nem dentro dos núcleos comuns.
Pelo que foi dito, pode-se ver uma tendência bem definida: quanto mais alta a temperatura e quanto mais alta a pressão, mais simétrica se torna a substância. Com base nessas considerações, a substância comprimida ao máximo é chamada de fortemente simétrica.
18. Matéria fracamente simétrica- um estado oposto à matéria fortemente simétrica em suas propriedades, que estava presente no Universo muito primitivo a uma temperatura próxima à temperatura de Planck, talvez 10-12 segundos após o Big Bang, quando forças fortes, fracas e eletromagnéticas eram uma única superforça . Nesse estado, a matéria é comprimida a tal ponto que sua massa é convertida em energia, que começa a inflar, ou seja, expandir sem limites. Ainda não é possível obter energias para a produção experimental de superpotência e a transferência de matéria para esta fase em condições terrestres, embora tais tentativas tenham sido feitas no Grande Colisor de Hádrons para estudar o universo primitivo. Devido à ausência de interação gravitacional na composição da superforça que forma essa substância, a superforça não é suficientemente simétrica em comparação com a força supersimétrica, que contém todos os 4 tipos de interações. Portanto, esse estado de agregação recebeu esse nome.
19. Matéria de radiação- isso, de fato, não é mais uma substância, mas energia em sua forma mais pura. No entanto, é esse estado hipotético de agregação que um corpo que atingiu a velocidade da luz terá. Também pode ser obtido aquecendo o corpo à temperatura de Planck (1032K), ou seja, dispersando as moléculas da substância à velocidade da luz. Como segue da teoria da relatividade, quando a velocidade atinge mais de 0,99 s, a massa do corpo começa a crescer muito mais rápido do que com aceleração "normal", além disso, o corpo se alonga, aquece, ou seja, começa a irradiam no espectro infravermelho. Ao cruzar o limiar de 0,999 s, o corpo muda radicalmente e inicia uma rápida transição de fase até o estado de feixe. Como segue da fórmula de Einstein, tomada na íntegra, a massa crescente da substância final é composta de massas que são separadas do corpo na forma de radiação térmica, de raios X, óptica e outras, cuja energia de cada uma é descrito pelo próximo termo na fórmula. Assim, um corpo que se aproxima da velocidade da luz começará a irradiar em todos os espectros, crescer em comprimento e diminuir no tempo, afinando até o comprimento de Planck, ou seja, ao atingir a velocidade c, o corpo se transformará em um corpo infinitamente longo e fino. feixe movendo-se à velocidade da luz e consistindo de fótons que não têm comprimento, e sua massa infinita se transformará completamente em energia. Portanto, tal substância é chamada de radiação.
