Der Aggregatzustand eines Stoffes ist nicht von der Temperatur abhängig. Allgemeine Merkmale aggregierter Materiezustände
Aggregatzustand- Dies ist der Zustand eines Stoffes in einem bestimmten Temperatur- und Druckbereich, der durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet ist: die Fähigkeit (fest) oder die Unfähigkeit (flüssig, gasförmig), Volumen und Form beizubehalten; das Vorhandensein oder Fehlen einer Ordnung mit großer Reichweite (fest) oder mit kurzer Reichweite (flüssig) und anderen Eigenschaften.
Ein Stoff kann in drei Aggregatzuständen vorliegen: fest, flüssig oder gasförmig; derzeit wird ein zusätzlicher Plasmazustand (ionisch) unterschieden.
IN gasförmig In diesem Zustand ist der Abstand zwischen den Atomen und Molekülen der Substanz groß, die Wechselwirkungskräfte sind klein und die Teilchen, die sich chaotisch im Raum bewegen, haben eine große kinetische Energie, die die potentielle Energie übersteigt. Ein Material im gasförmigen Zustand hat weder eine eigene Form noch ein eigenes Volumen. Gas füllt den gesamten verfügbaren Raum. Dieser Zustand ist typisch für Stoffe mit geringer Dichte.
IN flüssig Zustand bleibt nur die Nahordnung von Atomen oder Molekülen erhalten, wenn im Volumen der Substanz periodisch einzelne Bereiche mit einer geordneten Anordnung von Atomen auftreten, aber auch die gegenseitige Orientierung dieser Bereiche fehlt. Die Nahordnung ist instabil und kann unter dem Einfluss thermischer Schwingungen von Atomen entweder verschwinden oder wieder auftauchen. Flüssige Moleküle haben keine bestimmte Position und gleichzeitig keine vollständige Bewegungsfreiheit. Das Material im flüssigen Zustand hat keine eigene Form; es behält nur sein Volumen. Die Flüssigkeit kann nur einen Teil des Gefäßvolumens einnehmen, aber über die gesamte Gefäßoberfläche frei fließen. Der flüssige Zustand wird üblicherweise als Zwischenzustand zwischen einem Feststoff und einem Gas betrachtet.
IN hart In einer Substanz wird die Anordnung der Atome streng definiert, natürlich geordnet, die Wechselwirkungskräfte zwischen den Teilchen werden gegenseitig ausgeglichen, sodass die Körper ihre Form und ihr Volumen behalten. Die regelmäßig geordnete Anordnung der Atome im Raum kennzeichnet den kristallinen Zustand; die Atome bilden ein Kristallgitter.
Feststoffe haben eine amorphe oder kristalline Struktur. Für amorph Körper zeichnen sich nur durch eine Nahordnung in der Anordnung von Atomen oder Molekülen aus, eine chaotische Anordnung von Atomen, Molekülen oder Ionen im Raum. Beispiele für amorphe Körper sind Glas, Pech, Var, die äußerlich in einem festen Zustand vorliegen, obwohl sie tatsächlich langsam fließen, wie eine Flüssigkeit. Amorphe Körper haben im Gegensatz zu kristallinen keinen bestimmten Schmelzpunkt. Amorphe Feststoffe nehmen eine Zwischenstellung zwischen kristallinen Feststoffen und Flüssigkeiten ein.
Die meisten Feststoffe haben kristallin eine Struktur, die durch die geordnete Anordnung von Atomen oder Molekülen im Raum gekennzeichnet ist. Die Kristallstruktur zeichnet sich durch eine Fernordnung aus, bei der sich die Elemente der Struktur periodisch wiederholen; Bei der Nahordnung gibt es keine solche korrekte Wiederholung. Ein charakteristisches Merkmal eines kristallinen Körpers ist die Fähigkeit, seine Form beizubehalten. Ein Merkmal eines idealen Kristalls, dessen Modell ein räumliches Gitter ist, ist die Eigenschaft der Symmetrie. Unter Symmetrie versteht man die theoretische Fähigkeit des Kristallgitters eines Festkörpers, sich an sich selbst auszurichten, wenn seine Punkte an einer bestimmten Ebene, der sogenannten Symmetrieebene, gespiegelt werden. Die Symmetrie der äußeren Form spiegelt die Symmetrie der inneren Struktur des Kristalls wider. Beispielsweise haben alle Metalle eine kristalline Struktur und zeichnen sich durch zwei Arten von Symmetrie aus: kubisch und hexagonal.
In amorphen Strukturen mit ungeordneter Atomverteilung sind die Eigenschaften des Stoffes in verschiedene Richtungen gleich, d. h. glasartige (amorphe) Stoffe sind isotrop.
Alle Kristalle zeichnen sich durch Anisotropie aus. In Kristallen sind die Abstände zwischen Atomen geordnet, aber in verschiedenen Richtungen ist der Grad der Ordnung möglicherweise nicht gleich, was zu Unterschieden in den Eigenschaften der Kristallsubstanz in verschiedenen Richtungen führt. Die Abhängigkeit der Eigenschaften einer Kristallsubstanz von der Richtung in ihrem Gitter nennt man Anisotropie Eigenschaften. Anisotropie zeigt sich bei der Messung sowohl physikalischer als auch mechanischer und anderer Eigenschaften. Es gibt Eigenschaften (Dichte, Wärmekapazität), die nicht von der Richtung im Kristall abhängen. Die meisten Eigenschaften hängen von der Wahl der Richtung ab.
Es ist möglich, Eigenschaften von Objekten zu messen, die ein bestimmtes Materialvolumen haben: Größen – von mehreren Millimetern bis zu mehreren zehn Zentimetern. Diese Objekte mit einer Struktur, die mit der Kristallzelle identisch ist, werden Einkristalle genannt.
Anisotropie der Eigenschaften manifestiert sich in Einkristallen und fehlt in einer polykristallinen Substanz, die aus vielen kleinen, zufällig ausgerichteten Kristallen besteht, praktisch nicht. Daher werden polykristalline Substanzen als quasiisotrop bezeichnet.
Die Kristallisation von Polymeren, deren Moleküle unter Bildung supramolekularer Strukturen in Form von Packungen, Knäueln (Kügelchen), Fibrillen usw. geordnet angeordnet werden können, erfolgt in einem bestimmten Temperaturbereich. Die komplexe Struktur von Molekülen und ihren Aggregaten bestimmt das spezifische Verhalten von Polymeren beim Erhitzen. Sie können nicht in einen flüssigen Zustand mit niedriger Viskosität übergehen und haben keinen gasförmigen Zustand. In fester Form können Polymere in glasartigen, hochelastischen und viskosen Zuständen vorliegen. Polymere mit linearen oder verzweigten Molekülen können bei Temperaturänderungen von einem Zustand in einen anderen wechseln, was sich in der Verformung des Polymers äußert. In Abb. Abbildung 9 zeigt die Abhängigkeit der Verformung von der Temperatur.
Reis. 9 Thermomechanische Kurve eines amorphen Polymers: T C , T T, T p – Temperatur des Glasübergangs, der Fließfähigkeit bzw. des Beginns der chemischen Zersetzung; I - III - Zonen mit glasigem, hochelastischem bzw. viskosem Fließzustand; Δ l- Verformung.
Die räumliche Struktur der Molekülanordnung bestimmt lediglich den glasigen Zustand des Polymers. Bei niedrigen Temperaturen verformen sich alle Polymere elastisch (Abb. 9, Zone I). Oberhalb der Glasübergangstemperatur T c ein amorphes Polymer mit linearer Struktur geht in einen hochelastischen Zustand über ( Zone II) und seine Verformung im glasigen und hochelastischen Zustand ist reversibel. Erhitzen über den Fließpunkt T t überführt das Polymer in einen viskosen Fließzustand ( Zone III). Die Verformung eines Polymers im viskosen Fließzustand ist irreversibel. Ein amorphes Polymer mit räumlicher (Netzwerk-, vernetzter) Struktur weist keinen viskosen Fließzustand auf; der Temperaturbereich des hochelastischen Zustands dehnt sich bis zur Temperatur der Polymerzersetzung aus T R. Dieses Verhalten ist typisch für Materialien wie Gummi.
Die Temperatur eines Stoffes in jedem Aggregatzustand charakterisiert die durchschnittliche kinetische Energie seiner Teilchen (Atome und Moleküle). Diese Teilchen in Körpern besitzen hauptsächlich die kinetische Energie von Schwingungsbewegungen relativ zum Gleichgewichtszentrum, wo die Energie minimal ist. Bei Erreichen einer bestimmten kritischen Temperatur verliert der Feststoff seine Festigkeit (Stabilität) und schmilzt, die Flüssigkeit verwandelt sich in Dampf: Sie siedet und verdampft. Diese kritischen Temperaturen sind die Schmelz- und Siedepunkte.
Wenn ein kristallines Material auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, bewegen sich die Moleküle so energisch, dass die starren Bindungen im Polymer aufgebrochen werden und die Kristalle zerstört werden – sie gehen in einen flüssigen Zustand über. Die Temperatur, bei der sich Kristalle und Flüssigkeit im Gleichgewicht befinden, wird Schmelzpunkt des Kristalls oder Erstarrungspunkt der Flüssigkeit genannt. Für Jod beträgt diese Temperatur 114 o C.
Jedes chemische Element hat einen individuellen Schmelzpunkt T pl, trennt die Existenz eines Feststoffs und einer Flüssigkeit und den Siedepunkt T Kip, entsprechend dem Übergang von Flüssigkeit in Gas. Bei diesen Temperaturen befinden sich Stoffe im thermodynamischen Gleichgewicht. Eine Änderung des Aggregatzustands kann mit einer abrupten Änderung der freien Energie, der Entropie, der Dichte und anderen einhergehen physikalische Quantitäten.
Um die verschiedenen Zustände in zu beschreiben Die Physik verwendet einen umfassenderen Begriff thermodynamische Phase. Phänomene, die Übergänge von einer Phase in eine andere beschreiben, werden als kritisch bezeichnet.
Beim Erhitzen durchlaufen Stoffe Phasenumwandlungen. Wenn Kupfer schmilzt (1083 °C), wird es zu einer Flüssigkeit, in der die Atome nur eine Nahordnung aufweisen. Bei einem Druck von 1 atm siedet Kupfer bei 2310 °C und verwandelt sich in gasförmiges Kupfer mit zufällig angeordneten Kupferatomen. Am Schmelzpunkt sind die Sättigungsdampfdrücke des Kristalls und der Flüssigkeit gleich.
Das Material als Ganzes ist ein System.
System- eine Gruppe von Stoffen zusammen körperlich, chemische oder mechanische Wechselwirkungen. Phase wird als homogener Teil eines Systems bezeichnet, der von anderen Teilen getrennt ist physikalische Grenzflächengrenzen (in Gusseisen: Graphit + Eisenkörner; in Wasser mit Eis: Eis + Wasser).Komponenten Systeme sind die verschiedenen Phasen, aus denen ein bestimmtes System besteht. Systemkomponenten- Dies sind die Substanzen, die alle Phasen (Komponenten) eines bestimmten Systems bilden.
Materialien, die aus zwei oder mehr Phasen bestehen, sind zerstreut Systeme Dispergierte Systeme werden in Sole, deren Verhalten dem Verhalten von Flüssigkeiten ähnelt, und Gele mit den charakteristischen Eigenschaften von Feststoffen unterteilt. Bei Solen ist das Dispersionsmedium, in dem die Substanz verteilt ist, flüssig; bei Gelen überwiegt die feste Phase. Gele sind teilkristallines Metall, Beton, eine Lösung von Gelatine in Wasser bei niedrigen Temperaturen (bei hohen Temperaturen verwandelt sich Gelatine in ein Sol). Ein Hydrosol ist eine Dispersion in Wasser, ein Aerosol ist eine Dispersion in Luft.
Statusdiagramme.
In einem thermodynamischen System wird jede Phase durch Parameter wie die Temperatur charakterisiert T, Konzentration Mit und Druck R. Um Phasenumwandlungen zu beschreiben, wird ein einziges Energiemerkmal verwendet – die freie Gibbs-Energie ΔG(thermodynamisches Potential).
Die Thermodynamik beschränkt sich bei der Beschreibung von Transformationen auf die Betrachtung des Gleichgewichtszustands. Gleichgewichtszustand Das thermodynamische System ist durch die Invarianz der thermodynamischen Parameter (Temperatur und Konzentration, da in technologischen Behandlungen) gekennzeichnet R= const) in der Zeit und das Fehlen von Energie- und Materieflüssen darin - bei konstanten äußeren Bedingungen. Phasengleichgewicht- der Gleichgewichtszustand eines thermodynamischen Systems, das aus zwei oder mehr Phasen besteht.
Um die Gleichgewichtsbedingungen eines Systems mathematisch zu beschreiben, gibt es Phasenregel, abgeleitet von Gibbs. Sie verknüpft die Anzahl der Phasen (F) und Komponenten (K) in einem Gleichgewichtssystem mit der Variabilität des Systems, also der Anzahl der thermodynamischen Freiheitsgrade (C).
Die Anzahl der thermodynamischen Freiheitsgrade (Varianz) eines Systems ist die Anzahl unabhängiger Variablen, sowohl interne (chemische Zusammensetzung der Phasen) als auch externe (Temperatur), denen verschiedene beliebige (in einem bestimmten Bereich) Werte gegeben werden können damit keine neuen Phasen entstehen und alte Phasen nicht verschwinden.
Gleichung der Gibbs-Phasenregel:
C = K - F + 1.
Nach dieser Regel sind in einem System aus zwei Komponenten (K = 2) folgende Freiheitsgrade möglich:
Für einen einphasigen Zustand (F = 1) ist C = 2, d. h. Sie können Temperatur und Konzentration ändern;
Für einen zweiphasigen Zustand (F = 2) ist C = 1, d. h. es kann nur ein externer Parameter geändert werden (z. B. Temperatur);
Für einen dreiphasigen Zustand beträgt die Anzahl der Freiheitsgrade Null, d. h. die Temperatur kann nicht geändert werden, ohne das Gleichgewicht im System zu stören (das System ist invariant).
Beispielsweise ist für ein reines Metall (K = 1) während der Kristallisation, wenn es zwei Phasen (F = 2) gibt, die Anzahl der Freiheitsgrade Null. Dies bedeutet, dass die Kristallisationstemperatur nicht geändert werden kann, bis der Prozess abgeschlossen ist und eine Phase übrig bleibt – der feste Kristall. Nach dem Ende der Kristallisation (Ф = 1) beträgt die Anzahl der Freiheitsgrade 1, sodass Sie die Temperatur ändern, also den Feststoff abkühlen können, ohne das Gleichgewicht zu stören.
Das Verhalten von Systemen in Abhängigkeit von Temperatur und Konzentration wird durch ein Phasendiagramm beschrieben. Das Phasendiagramm von Wasser ist ein System mit einer Komponente H 2 O, daher beträgt die größte Anzahl von Phasen, die gleichzeitig im Gleichgewicht sein können, drei (Abb. 10). Diese drei Phasen sind Flüssigkeit, Eis, Dampf. Die Anzahl der Freiheitsgrade beträgt in diesem Fall Null, d.h. Weder der Druck noch die Temperatur können verändert werden, ohne dass eine der Phasen verschwindet. Gewöhnliches Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf können nur bei einem Druck von 0,61 kPa und einer Temperatur von 0,0075 °C gleichzeitig im Gleichgewicht existieren. Der Punkt, an dem drei Phasen nebeneinander existieren, wird Tripelpunkt genannt ( Ö).
Kurve Betriebssystem trennt den Dampf- und Flüssigkeitsbereich und stellt die Abhängigkeit des gesättigten Wasserdampfdrucks von der Temperatur dar. Die OS-Kurve zeigt die miteinander verbundenen Werte von Temperatur und Druck, bei denen flüssiges Wasser und Wasserdampf miteinander im Gleichgewicht sind. Daher wird sie als Flüssigkeits-Dampf-Gleichgewichtskurve oder Siedekurve bezeichnet.
Abb. 10 Diagramm des Wasserzustands
Kurve OB trennt den Flüssigkeitsbereich vom Eisbereich. Es handelt sich um die Fest-Flüssigkeits-Gleichgewichtskurve und wird Schmelzkurve genannt. Diese Kurve zeigt jene miteinander verbundenen Wertepaare von Temperatur und Druck, bei denen Eis und flüssiges Wasser im Gleichgewicht sind.
Kurve O.A. wird Sublimationskurve genannt und zeigt die zusammenhängenden Druck- und Temperaturwertepaare, bei denen Eis und Wasserdampf im Gleichgewicht sind.
Ein Phasendiagramm ist eine visuelle Möglichkeit, die Existenzbereiche verschiedener Phasen in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen wie Druck und Temperatur darzustellen. Zustandsdiagramme werden in der Materialwissenschaft in verschiedenen technologischen Phasen der Produktherstellung aktiv eingesetzt.
Eine Flüssigkeit unterscheidet sich von einem kristallinen Feststoff durch niedrige Viskositätswerte (innere Reibung der Moleküle) und hohe Fließfähigkeitswerte (der Kehrwert der Viskosität). Eine Flüssigkeit besteht aus vielen Aggregaten von Molekülen, in denen die Teilchen in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind, ähnlich der Reihenfolge in Kristallen. Die Art der Struktureinheiten und die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen bestimmen die Eigenschaften der Flüssigkeit. Es gibt Flüssigkeiten: monoatomar (verflüssigte Edelgase), molekular (Wasser), ionisch (geschmolzene Salze), metallisch (geschmolzene Metalle), flüssige Halbleiter. Flüssigkeit ist in den meisten Fällen nicht nur ein Aggregatzustand, sondern auch eine thermodynamische (flüssige) Phase.
Flüssige Substanzen sind meist Lösungen. Lösung homogener, aber chemisch nicht reiner Stoff, besteht aus einem gelösten Stoff und einem Lösungsmittel (Beispiele für ein Lösungsmittel sind Wasser oder organische Lösungsmittel: Dichlorethan, Alkohol, Tetrachlorkohlenstoff usw.), es handelt sich also um ein Stoffgemisch. Ein Beispiel ist eine Lösung von Alkohol in Wasser. Lösungen sind aber auch Gemische aus gasförmigen (z. B. Luft) oder festen (Metalllegierungen) Stoffen.
Beim Abkühlen unter Bedingungen einer geringen Bildung von Kristallisationszentren und einem starken Anstieg der Viskosität kann ein glasiger Zustand auftreten. Gläser sind isotrope Feststoffe, die durch Unterkühlung geschmolzener anorganischer und organischer Verbindungen gewonnen werden.
Es sind viele Substanzen bekannt, deren Übergang von einem kristallinen Zustand zu einer isotropen Flüssigkeit über einen flüssigkristallinen Zwischenzustand erfolgt. Es ist typisch für Stoffe, deren Moleküle die Form langer Stäbchen (Stäbchen) mit asymmetrischer Struktur haben. Solche Phasenübergänge, begleitet von thermischen Effekten, führen zu abrupten Änderungen der mechanischen, optischen, dielektrischen und anderen Eigenschaften.
Flüssigkristalle, wie eine Flüssigkeit, können die Form eines länglichen Tropfens oder die Form eines Gefäßes annehmen, eine hohe Fließfähigkeit aufweisen und in der Lage sein, zu verschmelzen. Sie werden in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technologie häufig eingesetzt. Ihre optischen Eigenschaften hängen stark von kleinen Änderungen der äußeren Bedingungen ab. Diese Funktion wird in elektrooptischen Geräten verwendet. Flüssigkristalle werden insbesondere bei der Herstellung von elektronischen Armbanduhren, Sehgeräten usw. verwendet.
Zu den wichtigsten Aggregatzuständen gehören Plasma- teilweise oder vollständig ionisiertes Gas. Basierend auf der Art der Bildung werden zwei Arten von Plasma unterschieden: thermisch, das entsteht, wenn Gas auf hohe Temperaturen erhitzt wird, und gasförmig, das bei elektrischen Entladungen in einer gasförmigen Umgebung entsteht.
Plasmachemische Prozesse haben in einer Reihe von Technologiezweigen einen festen Platz eingenommen. Sie werden zum Schneiden und Schweißen von hochschmelzenden Metallen, zur Synthese verschiedener Substanzen verwendet, Plasmalichtquellen sind weit verbreitet, der Einsatz von Plasma in thermonuklearen Kraftwerken ist vielversprechend usw.
Definition
Aggregatzustände der Materie (von lateinisch aggrego – ich füge hinzu, verbinde) sind Zustände derselben Substanz – fest, flüssig, gasförmig.
Beim Übergang von einem Zustand in einen anderen kommt es zu einer abrupten Änderung der Energie, Entropie, Dichte und anderer Eigenschaften der Substanz.
Feststoffe und Flüssigkeiten
Definition
Festkörper sind Körper, die eine konstante Form und ein konstantes Volumen haben.
In ihnen sind die intermolekularen Abstände klein und die potentielle Energie der Moleküle ist vergleichbar mit der kinetischen Energie. Feststoffe werden in zwei Typen unterteilt: kristallin und amorph. Nur kristalline Körper befinden sich im thermodynamischen Gleichgewicht. Amorphe Körper stellen im Wesentlichen metastabile Zustände dar, die in ihrer Struktur ungleichgewichtigen, langsam kristallisierenden Flüssigkeiten ähneln. In einem amorphen Körper findet ein sehr langsamer Kristallisationsprozess statt, der Prozess des allmählichen Übergangs einer Substanz in die kristalline Phase. Der Unterschied zwischen einem Kristall und einem amorphen Feststoff liegt hauptsächlich in der Anisotropie seiner Eigenschaften. Die Eigenschaften eines kristallinen Körpers hängen von der Richtung im Raum ab. Verschiedene Prozesse wie Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Licht, Schall breiten sich auf unterschiedliche Weise in verschiedene Richtungen eines Festkörpers aus. Amorphe Körper (Glas, Harze, Kunststoffe) sind wie Flüssigkeiten isotrop. Der einzige Unterschied zwischen amorphen Körpern und Flüssigkeiten besteht darin, dass letztere flüssig sind und statische Scherverformungen in ihnen unmöglich sind.
Kristalline Körper haben eine regelmäßige Molekülstruktur. Die Anisotropie seiner Eigenschaften ist auf die korrekte Struktur des Kristalls zurückzuführen. Die richtige Anordnung der Atome in einem Kristall bildet das sogenannte Kristallgitter. In verschiedenen Richtungen ist die Anordnung der Atome im Gitter unterschiedlich, was zu Anisotropie führt. Atome (oder Ionen oder ganze Moleküle) in einem Kristallgitter unterliegen einer zufälligen Schwingungsbewegung um Durchschnittspositionen, die als Knoten des Kristallgitters betrachtet werden. Je höher die Temperatur, desto größer ist die Schwingungsenergie und damit die durchschnittliche Schwingungsamplitude. Die Größe des Kristalls hängt von der Amplitude der Schwingungen ab. Eine Vergrößerung der Schwingungsamplitude führt zu einer Vergrößerung der Körpergröße. Dies erklärt die thermische Ausdehnung von Festkörpern.
Definition
Flüssigkeiten sind Körper, die ein bestimmtes Volumen, aber keine Formelastizität aufweisen.
Flüssigkeiten zeichnen sich durch starke intermolekulare Wechselwirkungen und geringe Kompressibilität aus. Eine Flüssigkeit nimmt eine Zwischenstellung zwischen einem Feststoff und einem Gas ein. Flüssigkeiten sind wie Gase isotrop. Darüber hinaus ist die Flüssigkeit flüssig. In ihm gibt es wie in Gasen keine Tangentialspannungen (Scherspannungen) von Körpern. Flüssigkeiten sind schwer, d.h. ihre spezifischen Gewichte sind mit den spezifischen Gewichten von Festkörpern vergleichbar. Nahe der Kristallisationstemperatur ähneln ihre Wärmekapazitäten und andere thermische Eigenschaften den entsprechenden Eigenschaften von Feststoffen. In Flüssigkeiten gibt es eine gewisse regelmäßige Anordnung der Atome, allerdings nur in kleinen Bereichen. Auch hier bewegen sich die Atome in der Nähe der Knoten der quasikristallinen Zelle oszillierend, springen aber im Gegensatz zu Atomen in einem Festkörper von Zeit zu Zeit von einem Knoten zum anderen. Infolgedessen wird die Bewegung der Atome sehr komplex sein: Sie ist oszillierend, aber gleichzeitig bewegt sich das Schwingungszentrum im Raum.
Gas, Verdampfung, Kondensation und Schmelzen
Definition
Gas ist ein Materiezustand, in dem die Abstände zwischen den Molekülen groß sind.
Die Wechselwirkungskräfte zwischen Molekülen bei niedrigen Drücken können vernachlässigt werden. Gaspartikel füllen das gesamte dem Gas zur Verfügung gestellte Volumen. Gase können als stark überhitzte oder ungesättigte Dämpfe betrachtet werden. Eine besondere Art von Gas ist Plasma – es ist ein teilweise oder vollständig ionisiertes Gas, in dem die Dichten positiver und negativer Ladungen nahezu identisch sind. Plasma ist ein Gas geladener Teilchen, die über große Entfernungen durch elektrische Kräfte miteinander interagieren, jedoch keine Nah- und Fernanordnung der Teilchen aufweisen.
Stoffe können von einem Aggregatzustand in einen anderen wechseln.
Definition
Verdunstung ist ein Prozess der Änderung des Aggregatzustands einer Substanz, bei dem Moleküle von der Oberfläche einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs herausfliegen, deren kinetische Energie die potentielle Energie der Wechselwirkung von Molekülen übersteigt.
Verdunstung ist ein Phasenübergang. Beim Verdampfen verwandelt sich ein Teil einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs in Dampf. Ein Stoff im gasförmigen Zustand, der mit einer Flüssigkeit im dynamischen Gleichgewicht steht, wird als gesättigter Dampf bezeichnet. In diesem Fall ist die Veränderung der inneren Energie des Körpers:
\[\triangle \U=\pm mr\ \left(1\right),\]
Dabei ist m die Körpermasse und r die spezifische Verdampfungswärme (J/kg).
Definition
Kondensation ist der umgekehrte Prozess der Verdunstung.
Die Änderung der inneren Energie wird nach Formel (1) berechnet.
Definition
Schmelzen ist der Vorgang des Übergangs eines Stoffes vom festen in den flüssigen Zustand, der Vorgang der Änderung des Aggregatzustandes eines Stoffes.
Wenn ein Stoff erhitzt wird, erhöht sich seine innere Energie und damit auch die Geschwindigkeit der thermischen Bewegung von Molekülen. Wird die Schmelztemperatur eines Stoffes erreicht, beginnt das Kristallgitter des Feststoffes zu kollabieren. Die Bindungen zwischen den Teilchen werden zerstört und die Energie der Wechselwirkung zwischen den Teilchen nimmt zu. Die auf den Körper übertragene Wärme erhöht die innere Energie dieses Körpers, und ein Teil der Energie wird dazu verwendet, das Volumen des Körpers zu verändern, wenn er schmilzt. Bei den meisten kristallinen Körpern nimmt das Volumen beim Schmelzen zu, es gibt jedoch Ausnahmen, zum Beispiel Eis, Gusseisen. Amorphe Körper haben keinen bestimmten Schmelzpunkt. Beim Schmelzen handelt es sich um einen Phasenübergang, der mit einer abrupten Änderung der Wärmekapazität bei der Schmelztemperatur einhergeht. Der Schmelzpunkt ist stoffabhängig und ändert sich während des Prozesses nicht. In diesem Fall ist die Veränderung der inneren Energie des Körpers:
\[\triangle U=\pm m\lambda \left(2\right),\]
wobei $\lambda$ die spezifische Schmelzwärme (J/kg) ist.
Der umgekehrte Vorgang zum Schmelzen ist die Kristallisation. Die Änderung der inneren Energie wird nach Formel (2) berechnet.
Die Änderung der inneren Energie jedes Körpers des Systems beim Heizen oder Kühlen kann mit der Formel berechnet werden:
\[\Triangle U=mc\Triangle T\left(3\right),\]
Dabei ist c die spezifische Wärmekapazität der Substanz, J/(kgK), $\triangle T$ die Änderung der Körpertemperatur.
Bei der Untersuchung der Übergänge von Stoffen von einem Aggregatzustand in einen anderen kommt man nicht ohne die sogenannte Wärmebilanzgleichung aus, die besagt: Die Gesamtwärmemenge, die in einem wärmegedämmten System freigesetzt wird, ist gleich der Menge an Wärme (gesamt), die in diesem System aufgenommen wird.
Die Wärmebilanzgleichung ist in ihrer Bedeutung der Energieerhaltungssatz für Wärmeübertragungsprozesse in wärmegedämmten Systemen.
Beispiel 1
Aufgabe: Ein wärmeisoliertes Gefäß enthält Wasser und Eis mit einer Temperatur $t_i= 0^oС$. Die Masse von Wasser ($m_(v\ ))$ und Eis ($m_(i\ ))$ beträgt 0,5 kg bzw. 60 g. Wasserdampf mit einer Masse von $m_(p\ )=$10 g wird in das Wasser eingeleitet. bei der Temperatur $t_p= 100^oС$. Wie hoch wird die Temperatur des Wassers im Gefäß sein, nachdem das thermische Gleichgewicht hergestellt ist? Ignorieren Sie die Wärmekapazität des Gefäßes.
Lösung: Lassen Sie uns feststellen, welche Prozesse im System ablaufen, welche Materiezustände wir hatten und was wir erhalten haben.
Wasserdampf kondensiert und gibt dabei Wärme ab.
Diese Wärme wird zum Schmelzen des Eises und möglicherweise zum Erhitzen des vorhandenen Wassers und des aus dem Eis gewonnenen Wassers verwendet.
Schauen wir uns zunächst an, wie viel Wärme freigesetzt wird, wenn die vorhandene Dampfmasse kondensiert:
hier aus Referenzmaterialien haben wir $r=2,26 10^6\frac(J)(kg)$ - spezifische Verdampfungswärme (gilt auch für Kondensation).
Zum Schmelzen von Eis erforderliche Wärme:
hier aus Referenzmaterialien haben wir $\lambda =3,3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$- spezifische Schmelzwärme von Eis.
Wir stellen fest, dass der Dampf mehr Wärme abgibt, als nur zum Schmelzen des vorhandenen Eises erforderlich ist. Daher schreiben wir die Wärmebilanzgleichung in der Form:
Bei der Kondensation von Dampf mit der Masse $m_(p\ )$ und der Abkühlung von Wasser, das aus Dampf entsteht, wird Wärme von der Temperatur $T_p$ auf die gewünschte T freigesetzt. Beim Schmelzen von Eis mit der Masse $m_(i\ wird Wärme absorbiert. )$ und Erhitzen von Wasser mit der Masse $m_v+ m_i$ von der Temperatur $T_i$ auf $T.\ $ Bezeichnen wir $T-T_i=\triangle T$, für die Differenz $T_p-T$ erhalten wir:
Die Wärmebilanzgleichung hat die Form:
\ \ \[\triangle T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\left(m_v+m_i+m_(p\ )\right))\left (1.6\rechts)\]
Führen wir die Berechnungen durch und berücksichtigen dabei, dass die Wärmekapazität von Wasser tabelliert ist: $c=4,2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273K$:
$\triangle T=\frac(2.26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4.2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2) \cdot 3,3\cdot 10^5)(4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^(-1))\ungefähr 3\left(K\right)$dann T=273+3=276 (K)
Antwort: Die Temperatur des Wassers im Gefäß beträgt nach Herstellung des thermischen Gleichgewichts 276 K.
Beispiel 2
Aufgabe: Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus der Isotherme, die dem Übergang eines Stoffes vom kristallinen in den flüssigen Zustand entspricht. Was entspricht diesem Bereich im p,T-Diagramm?
Der gesamte Zustandssatz, der im p,V-Diagramm durch ein horizontales Liniensegment im p,T-Diagramm dargestellt wird, wird durch einen Punkt dargestellt, der die Werte von p und T bestimmt, bei denen der Übergang von einem Aggregatzustand in einen anderen erfolgt .
Definition 1
Aggregatzustände der Materie(vom lateinischen „aggrego“ bedeutet „ich füge hinzu“, „ich verbinde“) – das sind Zustände desselben Stoffes in fester, flüssiger und gasförmiger Form.
Beim Übergang von einem Zustand in einen anderen wird eine abrupte Änderung der Energie, Entropie, Dichte und anderer Eigenschaften des Stoffes beobachtet.
Feststoffe und Flüssigkeiten
Definition 2Feststoffe- das sind Körper, die sich durch die Konstanz ihrer Form und ihres Volumens auszeichnen.
In Festkörpern sind die intermolekularen Abstände klein und die potentielle Energie von Molekülen kann mit der kinetischen Energie verglichen werden.
Feststoffe werden in zwei Typen unterteilt:
- Kristallin;
- Amorph.
Nur kristalline Körper befinden sich im thermodynamischen Gleichgewicht. Amorphe Körper sind in der Tat metastabile Zustände, die in ihrer Struktur langsam kristallisierenden Flüssigkeiten im Ungleichgewicht ähneln. In einem amorphen Körper findet ein äußerst langsamer Kristallisationsprozess statt, ein Prozess der allmählichen Umwandlung der Substanz in die kristalline Phase. Der Unterschied zwischen einem Kristall und einem amorphen Feststoff liegt zunächst in der Anisotropie seiner Eigenschaften. Die Eigenschaften eines kristallinen Körpers werden abhängig von der Richtung im Raum bestimmt. Verschiedene Prozesse (z. B. Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Licht, Schall) breiten sich auf unterschiedliche Weise in verschiedene Richtungen eines Festkörpers aus. Aber amorphe Körper (z. B. Glas, Harze, Kunststoffe) sind wie Flüssigkeiten isotrop. Der einzige Unterschied zwischen amorphen Körpern und Flüssigkeiten besteht darin, dass letztere flüssig sind und in ihnen keine statischen Scherverformungen auftreten.
Kristalline Körper haben eine regelmäßige Molekülstruktur. Aufgrund der richtigen Struktur weist der Kristall anisotrope Eigenschaften auf. Durch die richtige Anordnung der Atome in einem Kristall entsteht ein sogenanntes Kristallgitter. In verschiedenen Richtungen ist die Lage der Atome im Gitter unterschiedlich, was zu Anisotropie führt. Atome (Ionen oder ganze Moleküle) in einem Kristallgitter unterliegen einer zufälligen Schwingungsbewegung in der Nähe von Durchschnittspositionen, die als Knoten des Kristallgitters betrachtet werden. Je höher die Temperatur, desto höher ist die Schwingungsenergie und damit die durchschnittliche Schwingungsamplitude. Abhängig von der Amplitude der Schwingungen wird die Größe des Kristalls bestimmt. Eine Erhöhung der Schwingungsamplitude führt zu einer Vergrößerung der Körpergröße. Dies erklärt die thermische Ausdehnung von Festkörpern.
Definition 3
Flüssige Körper- das sind Körper, die ein bestimmtes Volumen haben, aber keine elastische Form haben.
Ein Stoff im flüssigen Zustand zeichnet sich durch starke intermolekulare Wechselwirkungen und geringe Kompressibilität aus. Eine Flüssigkeit nimmt eine Zwischenstellung zwischen einem Feststoff und einem Gas ein. Flüssigkeiten haben wie Gase isotrope Eigenschaften. Darüber hinaus hat die Flüssigkeit die Eigenschaft der Fließfähigkeit. In ihm gibt es wie in Gasen keine Tangentialspannung (Scherspannung) von Körpern. Flüssigkeiten sind schwer, das heißt, ihr spezifisches Gewicht kann mit dem spezifischen Gewicht von Festkörpern verglichen werden. Nahe der Kristallisationstemperatur ähneln ihre Wärmekapazitäten und andere thermische Eigenschaften den entsprechenden Eigenschaften von Festkörpern. In Flüssigkeiten ist die Anordnung der Atome bis zu einem gewissen Grad zu beobachten, jedoch nur in kleinen Bereichen. Auch hier unterliegen die Atome in der Nähe der Knoten der quasikristallinen Zelle einer Schwingungsbewegung, springen aber im Gegensatz zu Atomen in einem Festkörper periodisch von einem Knoten zum anderen. Infolgedessen wird die Bewegung der Atome sehr komplex sein: oszillierend, aber gleichzeitig bewegt sich das Schwingungszentrum im Raum.
Definition 4Gas- Dies ist ein Zustand der Materie, in dem die Abstände zwischen den Molekülen enorm sind.
Die Wechselwirkungskräfte zwischen Molekülen bei niedrigen Drücken können vernachlässigt werden. Gaspartikel füllen das gesamte für Gas vorgesehene Volumen. Als Gase gelten stark überhitzte oder ungesättigte Dämpfe. Eine besondere Art von Gas ist Plasma (ein teilweise oder vollständig ionisiertes Gas, in dem die Dichten positiver und negativer Ladungen nahezu gleich sind). Das heißt, Plasma ist ein Gas aus geladenen Teilchen, die über große Entfernungen durch elektrische Kräfte miteinander interagieren, aber keine Teilchen in der Nähe und in der Ferne haben.
Stoffe sind bekanntermaßen in der Lage, von einem Aggregatzustand in einen anderen überzugehen.
Definition 5
Verdunstung ist ein Prozess der Änderung des Aggregatzustands einer Substanz, bei dem Moleküle von der Oberfläche einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs herausfliegen, deren kinetische Energie die potentielle Energie der Wechselwirkung von Molekülen umwandelt.
Verdunstung ist ein Phasenübergang. Durch die Verdunstung wird ein Teil einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs in Dampf umgewandelt.
Definition 6
Ein Stoff im gasförmigen Zustand, der mit einer Flüssigkeit im dynamischen Gleichgewicht steht, wird als gesättigt bezeichnet Fähre. In diesem Fall ist die Änderung der inneren Energie des Körpers gleich:
∆ U = ± m r (1) ,
wobei m die Masse des Körpers und r die spezifische Verdampfungswärme (J l / kg) ist.
Definition 7
Kondensation ist ein zur Verdampfung umgekehrter Prozess.
Die Änderung der inneren Energie wird nach Formel (1) berechnet.
Definition 8
Schmelzen ist der Prozess der Umwandlung eines Stoffes von einem festen in einen flüssigen Zustand, der Prozess der Änderung des Aggregatzustandes eines Stoffes.
Wenn ein Stoff erhitzt wird, erhöht sich seine innere Energie, wodurch die Geschwindigkeit der thermischen Bewegung von Molekülen zunimmt. Wenn ein Stoff seinen Schmelzpunkt erreicht, wird das Kristallgitter des Feststoffs zerstört. Auch die Bindungen zwischen den Teilchen werden zerstört und die Energie der Wechselwirkung zwischen den Teilchen nimmt zu. Die auf den Körper übertragene Wärme erhöht die innere Energie dieses Körpers, und ein Teil der Energie wird für die Veränderung des Volumens des Körpers beim Schmelzen aufgewendet. Bei vielen kristallinen Körpern nimmt das Volumen beim Schmelzen zu, es gibt jedoch Ausnahmen (z. B. Eis, Gusseisen). Amorphe Körper haben keinen bestimmten Schmelzpunkt. Beim Schmelzen handelt es sich um einen Phasenübergang, der durch eine abrupte Änderung der Wärmekapazität bei der Schmelztemperatur gekennzeichnet ist. Der Schmelzpunkt ist stoffabhängig und bleibt während des gesamten Prozesses konstant. Dann ist die Änderung der inneren Energie des Körpers gleich:
∆ U = ± m λ (2) ,
wobei λ die spezifische Schmelzwärme (J l/k g) ist.
Definition 9
Kristallisation ist der umgekehrte Vorgang des Schmelzens.
Die Änderung der inneren Energie wird nach Formel (2) berechnet.
Die Änderung der inneren Energie jedes Körpers des Systems beim Erhitzen oder Abkühlen wird nach folgender Formel berechnet:
∆ U = m c ∆ T (3) ,
Dabei ist c die spezifische Wärmekapazität des Stoffes, J k g K, △ T die Änderung der Körpertemperatur.
Definition 10
Wenn man die Umwandlungen von Stoffen von einem Aggregatzustand in einen anderen betrachtet, kann man auf das sogenannte nicht verzichten Wärmebilanzgleichungen: Die Gesamtwärmemenge, die in einem wärmegedämmten System abgegeben wird, ist gleich der Wärmemenge (insgesamt), die in diesem System absorbiert wird.
Q 1 + Q 2 + Q 3 + . . . + Q n = Q " 1 + Q " 2 + Q " 3 +... + Q " k.
Im Wesentlichen ist die Wärmebilanzgleichung der Energieerhaltungssatz für Wärmeübertragungsprozesse in wärmeisolierten Systemen.
Beispiel 1
Ein wärmeisoliertes Gefäß enthält Wasser und Eis mit einer Temperatur t i = 0 °C. Die Masse von Wasser m υ und Eis m i beträgt jeweils 0, 5 kg und 60 g. Wasserdampf mit einer Masse m p = 10 g wird bei einer Temperatur t p = 100 °C in das Wasser eingeleitet. Wie hoch wird die Temperatur des Wassers im Gefäß sein, nachdem das thermische Gleichgewicht hergestellt ist? In diesem Fall muss die Wärmekapazität des Behälters nicht berücksichtigt werden.
Bild 1
Lösung
Lassen Sie uns feststellen, welche Prozesse im System ablaufen, welche Materiezustände wir beobachtet und was wir erhalten haben.
Wasserdampf kondensiert und gibt dabei Wärme ab.
Wärmeenergie wird verwendet, um das Eis zu schmelzen und möglicherweise das vorhandene Wasser und das aus dem Eis gewonnene Wasser zu erhitzen.
Schauen wir uns zunächst einmal an, wie viel Wärme freigesetzt wird, wenn die vorhandene Dampfmasse kondensiert:
Q p = - r m p ; Q p = 2,26 10 6 10 - 2 = 2,26 10 4 (D w),
hier aus Referenzmaterialien haben wir r = 2,26 · 10 6 J·kg – die spezifische Verdampfungswärme (wird auch für die Kondensation verwendet).
Um Eis zu schmelzen, benötigen Sie folgende Wärmemenge:
Q i = λ m i Q i = 6 10 - 2 3, 3 10 5 ≈ 2 10 4 (D g),
hier aus Referenzmaterialien haben wir λ = 3, 3 · 10 5 J k g – die spezifische Schmelzwärme von Eis.
Es stellt sich heraus, dass der Dampf mehr Wärme abgibt, als allein zum Schmelzen des vorhandenen Eises nötig ist, was bedeutet, dass wir die Wärmebilanzgleichung wie folgt schreiben:
r m p + c m p (T p - T) = λ m i + c (m υ + m i) (T - T i) .
Wärme wird freigesetzt, wenn Dampf mit der Masse m p kondensiert und aus Dampf gebildetes Wasser von der Temperatur T p auf die gewünschte T abkühlt. Wärme wird absorbiert, indem Eis mit der Masse m i schmilzt und Wasser mit der Masse m υ + m i von der Temperatur T i auf T erhitzt wird. Bezeichnen wir T - T i = ∆ T für die Differenz T p - T erhalten wir:
T p - T = T p - T i - ∆ T = 100 - ∆ T .
Die Wärmebilanzgleichung sieht folgendermaßen aus:
r m p + c m p (100 - ∆ T) = λ m i + c (m υ + m i) ∆ T ; c (m υ + m i + m p) ∆ T = r m p + c m p 100 - λ m i ; ∆ T = r m p + c m p 100 - λ m i c m υ + m i + m p .
Lassen Sie uns die Berechnungen unter Berücksichtigung der Tatsache durchführen, dass die Wärmekapazität von Wasser tabellarisch aufgeführt ist
c = 4, 2 10 3 J k g K, T p = t p + 273 = 373 K, T i = t i + 273 = 273 K: ∆ T = 2, 26 10 6 10 - 2 + 4, 2 10 3 10 - 2 10 2 - 6 10 - 2 3, 3 10 5 4, 2 10 3 5, 7 10 - 1 ≈ 3 (K),
dann ist T = 273 + 3 = 276 K
Antwort: Die Temperatur des Wassers im Gefäß beträgt nach Herstellung des thermischen Gleichgewichts 276 K.
Beispiel 2
Abbildung 2 zeigt einen Ausschnitt der Isotherme, die dem Übergang eines Stoffes vom kristallinen in den flüssigen Zustand entspricht. Was entspricht dieser Fläche im Diagramm p, T?
Zeichnung 2
Antwort: Die gesamte Menge von Zuständen, die im Diagramm p, V durch ein horizontales Liniensegment im Diagramm p, T dargestellt werden, wird durch einen Punkt dargestellt, der die Werte von p und T bestimmt, bei denen die Transformation von einem Aggregatzustand erfolgt zu einem anderen geschieht.
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In der alltäglichen Praxis haben wir es nicht isoliert mit einzelnen Atomen, Molekülen und Ionen zu tun, sondern mit realen Stoffen – einer Ansammlung einer Vielzahl von Teilchen. Abhängig von der Art ihrer Wechselwirkung werden vier Arten von Aggregatzuständen unterschieden: fest, flüssig, gasförmig und Plasma. Durch einen geeigneten Phasenübergang kann ein Stoff von einem Aggregatzustand in einen anderen übergehen.
Das Vorhandensein einer Substanz in dem einen oder anderen Aggregatzustand wird durch die zwischen den Partikeln wirkenden Kräfte, den Abstand zwischen ihnen und die Eigenschaften ihrer Bewegung bestimmt. Jeder Aggregatzustand ist durch eine Reihe bestimmter Eigenschaften gekennzeichnet.
Eigenschaften von Stoffen in Abhängigkeit von ihrem Aggregatzustand:
| Zustand | Eigentum |
| gasförmig |
|
| flüssig |
|
| hart |
|
Entsprechend dem Grad der Ordnung im System ist jeder Aggregatzustand durch einen eigenen Zusammenhang zwischen der kinetischen und potentiellen Energie der Teilchen gekennzeichnet. In Festkörpern hat das Potential Vorrang vor der Kinetik, da die Teilchen bestimmte Positionen einnehmen und nur um diese herum schwingen. Bei Gasen besteht ein umgekehrter Zusammenhang zwischen potentieller und kinetischer Energie, da sich Gasmoleküle immer chaotisch bewegen und kaum Kohäsionskräfte zwischen ihnen bestehen, sodass das Gas das gesamte Volumen einnimmt. Bei Flüssigkeiten sind die kinetische und potentielle Energie der Teilchen ungefähr gleich, es besteht eine nicht starre Verbindung zwischen den Teilchen, daher zeichnen sich Flüssigkeiten durch Fließfähigkeit und ein konstantes Volumen aus.
Wenn die Partikel einer Substanz eine regelmäßige geometrische Struktur bilden und die Energie der Bindungen zwischen ihnen größer ist als die Energie thermischer Schwingungen, was die Zerstörung der bestehenden Struktur verhindert, bedeutet dies, dass sich die Substanz in einem festen Zustand befindet. Ab einer bestimmten Temperatur übersteigt die Energie thermischer Schwingungen jedoch die Energie der Bindungen zwischen Teilchen. In diesem Fall bewegen sich die Partikel, obwohl sie in Kontakt bleiben, relativ zueinander. Dadurch wird die geometrische Struktur gestört und der Stoff geht in einen flüssigen Zustand über. Steigern die thermischen Schwingungen so stark, dass die Verbindung zwischen den Teilchen praktisch verloren geht, geht der Stoff in einen gasförmigen Zustand über. In einem „idealen“ Gas bewegen sich die Teilchen frei in alle Richtungen.
Mit steigender Temperatur geht ein Stoff von einem geordneten Zustand (fest) in einen ungeordneten Zustand (gasförmig) über; der flüssige Zustand liegt in der Reihenfolge der Teilchen dazwischen.
Der vierte Aggregatzustand wird Plasma genannt – ein Gas, das aus einer Mischung neutraler und ionisierter Teilchen und Elektronen besteht. Plasma wird bei ultrahohen Temperaturen (10 5 -10 7 0 C) aufgrund der erheblichen Kollisionsenergie von Partikeln gebildet, die eine maximale Bewegungsstörung aufweisen. Ein zwingendes Merkmal von Plasma ist, wie auch bei anderen Materiezuständen, seine elektrische Neutralität. Durch die ungeordnete Bewegung der Teilchen im Plasma können jedoch einzelne geladene Mikrozonen entstehen, wodurch es zu einer Quelle elektromagnetischer Strahlung wird. Im Plasmazustand existiert Materie auf Sternen und anderen Weltraumobjekten sowie bei thermonuklearen Prozessen.
Jeder Aggregatzustand wird zunächst durch den Temperatur- und Druckbereich bestimmt, daher wird für eine visuelle quantitative Charakteristik ein Phasendiagramm eines Stoffes verwendet, das die Abhängigkeit des Aggregatzustandes von Druck und Temperatur zeigt.
Zustandsdiagramm eines Stoffes mit Phasenübergangskurven: 1 – Schmelzkristallisation, 2 – Siedekondensation, 3 – Sublimation-Desublimation
Das Phasendiagramm besteht aus drei Hauptbereichen, die dem kristallinen, flüssigen und gasförmigen Zustand entsprechen. Einzelne Bereiche werden durch Kurven getrennt, die Phasenübergänge widerspiegeln:
- fester Zustand in flüssig und umgekehrt flüssig in fest (Schmelz-Kristallisations-Kurve - gepunktete grüne Grafik)
- Flüssigkeit zu Gas und umgekehrte Umwandlung von Gas zu Flüssigkeit (Siede-Kondensations-Kurve – blaue Grafik)
- von fest zu gasförmig und von gasförmig zu fest (Sublimations-Desublimationskurve – rote Grafik).
Die Schnittkoordinaten dieser Kurven werden als Tripelpunkt bezeichnet, in dem ein Stoff unter Bedingungen eines bestimmten Drucks P = P in und einer bestimmten Temperatur T = T in gleichzeitig in drei Aggregatzuständen mit der Flüssigkeit koexistieren kann und Festkörper mit gleichem Dampfdruck. Die Koordinaten P in und T in sind die einzigen Druck- und Temperaturwerte, bei denen alle drei Phasen gleichzeitig koexistieren können.
Punkt K im Phasendiagramm des Zustands entspricht der Temperatur Tk – der sogenannten kritischen Temperatur, bei der die kinetische Energie der Teilchen die Energie ihrer Wechselwirkung übersteigt und daher die Trennlinie zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase gelöscht wird, und die Stoff liegt bei jedem Druck in gasförmigem Zustand vor.
Aus der Analyse des Phasendiagramms folgt, dass bei einem hohen Druck größer als am Tripelpunkt (P in) die Erwärmung eines festen Stoffes mit seinem Schmelzen endet, beispielsweise bei P 1 kommt es am Punkt zum Schmelzen D. Ein weiterer Temperaturanstieg von Td auf Te führt zum Sieden des Stoffes bei einem gegebenen Druck P1. Bei einem Druck P 2 kleiner als der Druck am Tripelpunkt P in führt die Erwärmung des Stoffes zu seinem direkten Übergang vom kristallinen in den gasförmigen Zustand (Punkt Q), also zur Sublimation. Bei den meisten Stoffen ist der Druck am Tripelpunkt niedriger als der Sättigungsdampfdruck (P in).
P ist gesättigter Dampf, daher schmelzen Kristalle solcher Substanzen beim Erhitzen nicht, sondern verdampfen, das heißt, sie unterliegen einer Sublimation. So verhalten sich beispielsweise Jodkristalle oder „Trockeneis“ (festes CO 2).
Analyse des Phasendiagramms der Materie Gaszustand
Unter normalen Bedingungen (273 K, 101325 Pa) können sowohl einfache Stoffe, deren Moleküle aus einem (He, Ne, Ar) oder mehreren einfachen Atomen (H 2, N 2, O 2) bestehen, als auch komplexe Stoffe in der Gasform vorliegen Zustandsstoffe mit geringer Molmasse (CH 4, HCl, C 2 H 6).
Da die kinetische Energie von Gasteilchen ihre potentielle Energie übersteigt, bewegen sich die Moleküle im gasförmigen Zustand ständig zufällig. Aufgrund der großen Abstände zwischen den Teilchen sind die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung in Gasen so unbedeutend, dass sie nicht ausreichen, um Teilchen zueinander anzuziehen und zusammenzuhalten. Aus diesem Grund haben Gase keine eigene Form und zeichnen sich durch eine geringe Dichte und ein hohes Kompressions- und Expansionsvermögen aus. Daher drückt das Gas ständig und gleichmäßig in alle Richtungen auf die Wände des Gefäßes, in dem es sich befindet.
Um den Zusammenhang zwischen den wichtigsten Parametern eines Gases (Druck P, Temperatur T, Stoffmenge n, Molmasse M, Masse m) zu untersuchen, wird das einfachste Modell des gasförmigen Zustands eines Stoffes verwendet – ideales Gas, die auf folgenden Annahmen basiert:
- die Wechselwirkung zwischen Gasteilchen kann vernachlässigt werden;
- die Teilchen selbst sind materielle Punkte, die keine eigene Größe haben.
Die allgemeinste Gleichung, die das ideale Gasmodell beschreibt, wird als Gleichung angesehen Mendelejew-Clapeyron für ein Mol Substanz:
Allerdings unterscheidet sich das Verhalten eines realen Gases in der Regel von einem idealen. Dies erklärt sich zum einen dadurch, dass zwischen den Molekülen eines realen Gases noch unbedeutende gegenseitige Anziehungskräfte bestehen, die das Gas bis zu einem gewissen Grad komprimieren. Unter Berücksichtigung dessen erhöht sich der Gesamtgasdruck um den Betrag A/V 2, was den zusätzlichen Innendruck berücksichtigt, der durch die gegenseitige Anziehung von Molekülen entsteht. Dadurch wird der Gesamtgasdruck durch die Summe ausgedrückt P+ A/V 2. Zweitens haben die Moleküle eines echten Gases, obwohl sie klein sind, ein genau definiertes Volumen B , daher beträgt das tatsächliche Volumen aller Gase im Weltraum V— B . Wenn wir die betrachteten Werte in die Mendeleev-Clapeyron-Gleichung einsetzen, erhalten wir die Zustandsgleichung eines realen Gases, die heißt Van-der-Waals-Gleichung:
Wo A Und B — empirische Koeffizienten, die in der Praxis für jedes reale Gas ermittelt werden. Es wurde festgestellt, dass der Koeffizient A hat einen größeren Wert für leicht verflüssigbare Gase (z. B. CO 2, NH 3) und den Koeffizienten B - im Gegenteil, je höher die Größe, desto größer sind die Gasmoleküle (z. B. gasförmige Kohlenwasserstoffe).
Die Van-der-Waals-Gleichung beschreibt das Verhalten eines realen Gases viel genauer als die Mendeleev-Clapeyron-Gleichung, die jedoch aufgrund ihrer klaren physikalischen Bedeutung in praktischen Berechnungen häufig verwendet wird. Obwohl der ideale Zustand eines Gases ein limitierter, imaginärer Fall ist, ist das ideale Gasmodell aufgrund der Einfachheit der ihm entsprechenden Gesetze und der Möglichkeit ihrer Anwendung zur Beschreibung der Eigenschaften vieler Gase unter Bedingungen niedrigen Drucks und hoher Temperaturen sehr wichtig komfortabel.
Flüssiger Aggregatzustand
Der flüssige Zustand eines bestimmten Stoffes ist in einem bestimmten Temperatur- und Druckbereich, der für die Natur (Zusammensetzung) dieses Stoffes charakteristisch ist, thermodynamisch stabil. Die obere Temperaturgrenze des flüssigen Zustands ist der Siedepunkt, oberhalb dessen sich ein Stoff unter stabilen Druckbedingungen im gasförmigen Zustand befindet. Die untere Grenze des stabilen Existenzzustands einer Flüssigkeit ist die Kristallisationstemperatur (Erstarrungstemperatur). Die bei einem Druck von 101,3 kPa gemessenen Siede- und Kristallisationstemperaturen werden als normal bezeichnet.
Gewöhnliche Flüssigkeiten zeichnen sich durch Isotropie aus – Gleichmäßigkeit der physikalischen Eigenschaften in alle Richtungen innerhalb einer Substanz. Manchmal werden für Isotropie auch andere Begriffe verwendet: Invarianz, Symmetrie bezüglich der Richtungswahl.
Bei der Bildung von Ansichten über die Natur des flüssigen Zustands ist die Idee eines kritischen Zustands wichtig, die von Mendelejew (1860) entdeckt wurde:
Ein kritischer Zustand ist ein Gleichgewichtszustand, in dem die Trenngrenze zwischen einer Flüssigkeit und ihrem Dampf verschwindet, weil die Flüssigkeit und ihr gesättigter Dampf die gleichen physikalischen Eigenschaften annehmen.
In einem kritischen Zustand werden die Werte sowohl der Dichte als auch des spezifischen Volumens der Flüssigkeit und ihres gesättigten Dampfes gleich.
Der flüssige Zustand eines Stoffes liegt zwischen gasförmig und fest. Einige Eigenschaften bringen den flüssigen Zustand näher an den festen Zustand heran. Wenn Feststoffe durch eine starre Ordnung der Teilchen gekennzeichnet sind, die sich über Entfernungen von bis zu Hunderttausenden interatomaren oder intermolekularen Radien erstreckt, werden im flüssigen Zustand in der Regel nicht mehr als mehrere zehn geordnete Teilchen beobachtet. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass Ordnung zwischen Partikeln an verschiedenen Orten einer flüssigen Substanz schnell entsteht und ebenso schnell durch thermische Schwingungen der Partikel wieder „erodiert“ wird. Gleichzeitig unterscheidet sich die Gesamtdichte der „Packung“ der Partikel kaum von der eines Feststoffs, sodass sich die Dichte von Flüssigkeiten kaum von der Dichte der meisten Feststoffe unterscheidet. Darüber hinaus ist die Komprimierungsfähigkeit von Flüssigkeiten fast so gering wie die von Feststoffen (etwa 20.000 Mal geringer als die von Gasen).
Strukturanalysen bestätigten, dass Flüssigkeiten das sogenannte aufweisen Ordnung schließen, was bedeutet, dass die Anzahl der nächsten „Nachbarn“ jedes Moleküls und ihre relativen Positionen im gesamten Volumen ungefähr gleich sind.
Dabei handelt es sich um eine relativ kleine Anzahl von Teilchen unterschiedlicher Zusammensetzung, die durch intermolekulare Wechselwirkungskräfte verbunden sind Cluster . Sind alle Teilchen in einer Flüssigkeit identisch, so nennt man einen solchen Cluster assoziieren . In Clustern und Assoziierten wird eine Nahordnung beobachtet.
Der Ordnungsgrad verschiedener Flüssigkeiten hängt von der Temperatur ab. Bei niedrigen Temperaturen, knapp über dem Schmelzpunkt, ist der Grad der Ordnungsmäßigkeit bei der Anordnung der Partikel sehr hoch. Mit steigender Temperatur nimmt sie ab und mit zunehmender Erwärmung ähneln die Eigenschaften der Flüssigkeit immer mehr den Eigenschaften von Gasen, und bei Erreichen der kritischen Temperatur verschwindet der Unterschied zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand.
Die Nähe des flüssigen Zustands zum festen Zustand wird durch die Werte der Standardverdampfungsenthalpien DН 0 Verdampfung und Schmelzen DН 0 Schmelzen bestätigt. Erinnern wir uns daran, dass der Wert der DH 0-Verdampfung die Wärmemenge angibt, die benötigt wird, um 1 Mol Flüssigkeit bei 101,3 kPa in Dampf umzuwandeln; Die gleiche Wärmemenge wird für die Kondensation von 1 Mol Dampf zu Flüssigkeit unter den gleichen Bedingungen aufgewendet (d. h. DH 0-Verdampfung = DH 0-Kondensation). Die Wärmemenge, die aufgewendet wird, um 1 Mol eines Feststoffs bei 101,3 kPa in eine Flüssigkeit umzuwandeln, wird genannt Standard-Schmelzenthalpie; Die gleiche Wärmemenge wird bei der Kristallisation von 1 Mol Flüssigkeit unter Normaldruckbedingungen freigesetzt (DH 0-Schmelzen = DH 0-Kristallisation). Es ist bekannt, dass DH 0 verdunstet<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.
Andere wichtige Eigenschaften von Flüssigkeiten ähneln jedoch eher denen von Gasen. Flüssigkeiten können also wie Gase fließen – diese Eigenschaft nennt man Flüssigkeit . Sie können dem Fluss widerstehen, das heißt, sie haben eine inhärente Kraft Viskosität . Diese Eigenschaften werden durch die Anziehungskräfte zwischen Molekülen, das Molekulargewicht der flüssigen Substanz und andere Faktoren beeinflusst. Die Viskosität von Flüssigkeiten ist etwa 100-mal höher als die von Gasen. Genau wie Gase können Flüssigkeiten diffundieren, jedoch viel langsamer, da Flüssigkeitspartikel dichter aneinander gepackt sind als Gaspartikel.
Eine der interessantesten Eigenschaften des flüssigen Zustands, die weder für Gase noch für Feststoffe charakteristisch ist, ist Oberflächenspannung .
Diagramm der Flüssigkeitsoberflächenspannung Auf ein in einem Flüssigkeitsvolumen befindliches Molekül wirken intermolekulare Kräfte von allen Seiten gleichmäßig ein. An der Oberfläche der Flüssigkeit ist jedoch das Gleichgewicht dieser Kräfte gestört, wodurch die Oberflächenmoleküle unter dem Einfluss einer resultierenden Kraft stehen, die in das Flüssigkeitsinnere gerichtet ist. Aus diesem Grund steht die Oberfläche der Flüssigkeit unter Spannung. Die Oberflächenspannung ist die minimale Kraft, die Flüssigkeitspartikel im Inneren hält und dadurch verhindert, dass sich die Flüssigkeitsoberfläche zusammenzieht.
Struktur und Eigenschaften von Festkörpern
Die meisten bekannten Substanzen, sowohl natürliche als auch künstliche, liegen unter normalen Bedingungen in einem festen Zustand vor. Etwa 95 % aller heute bekannten Verbindungen sind Feststoffe, die deshalb an Bedeutung gewonnen haben, weil sie nicht nur die Grundlage struktureller, sondern auch funktioneller Materialien bilden.
- Baustoffe sind feste Stoffe oder deren Zusammensetzungen, die zur Herstellung von Werkzeugen, Haushaltsgegenständen und verschiedenen anderen Bauwerken verwendet werden.
- Funktionsmaterialien sind feste Stoffe, deren Verwendung durch das Vorhandensein bestimmter vorteilhafter Eigenschaften bestimmt wird.
Beispielsweise gehören Stahl, Aluminium, Beton und Keramik zu den Strukturmaterialien, während Halbleiter und Leuchtstoffe zu den Funktionsmaterialien gehören.
Im festen Zustand sind die Abstände zwischen den Teilchen des Stoffes klein und liegen in der gleichen Größenordnung wie die Teilchen selbst. Die Wechselwirkungsenergien zwischen ihnen sind recht hoch, was die freie Bewegung der Teilchen verhindert – sie können nur um bestimmte Gleichgewichtspositionen schwingen, beispielsweise um die Knoten eines Kristallgitters. Die Unfähigkeit von Partikeln, sich frei zu bewegen, führt zu einem der charakteristischsten Merkmale von Festkörpern – dem Vorhandensein einer eigenen Form und eines eigenen Volumens. Die Kompressibilität von Feststoffen ist sehr gering, die Dichte hoch und kaum von Temperaturänderungen abhängig. Alle in fester Materie ablaufenden Prozesse laufen langsam ab. Die Gesetze der Stöchiometrie haben für feste Stoffe eine andere und in der Regel umfassendere Bedeutung als für gasförmige und flüssige Stoffe.
Eine detaillierte Beschreibung von Feststoffen ist für dieses Material zu umfangreich und wird daher in separaten Artikeln behandelt: und.
Alle Materie kann in einer von vier Formen existieren. Jeder von ihnen ist ein spezifischer Aggregatzustand eines Stoffes. In der Natur der Erde ist nur einer in drei von ihnen gleichzeitig vertreten. Das ist Wasser. Es ist leicht zu erkennen, dass sowohl verdampft als auch geschmolzen und ausgehärtet ist. Das heißt, Dampf, Wasser und Eis. Wissenschaftler haben gelernt, die Aggregatzustände der Materie zu verändern. Die größte Schwierigkeit für sie ist nur Plasma. Dieser Zustand erfordert besondere Bedingungen.
Was ist das, wovon hängt es ab und wie zeichnet es sich aus?
Wenn ein Körper in einen anderen Aggregatzustand übergegangen ist, bedeutet das nicht, dass etwas anderes entstanden ist. Die Substanz bleibt gleich. Wenn die Flüssigkeit Wassermoleküle hätte, hätten Eis und Dampf die gleichen Moleküle. Nur ihr Standort, ihre Bewegungsgeschwindigkeit und ihre Wechselwirkungskräfte untereinander werden sich ändern.
Beim Studium des Themas „Aggregatzustände (Klasse 8)“ werden nur drei davon berücksichtigt. Dies sind Flüssigkeiten, Gase und Feststoffe. Ihre Erscheinungsformen hängen von den physikalischen Bedingungen der Umgebung ab. Die Merkmale dieser Bedingungen sind in der Tabelle dargestellt.
| Name des Aggregatzustands | solide | flüssig | Gas |
| Seine Eigenschaften | Behält seine Form mit Volumen | hat ein konstantes Volumen, nimmt die Form eines Gefäßes an | hat kein konstantes Volumen und keine konstante Form |
| Molekulare Anordnung | an den Knotenpunkten des Kristallgitters | ungeordnet | chaotisch |
| Abstand zwischen ihnen | vergleichbar mit der Größe von Molekülen | ungefähr gleich der Größe von Molekülen | deutlich größer als ihre Größe |
| Wie sich Moleküle bewegen | um einen Gitterknoten schwingen | Bewegen Sie sich nicht vom Gleichgewichtspunkt, sondern machen Sie manchmal große Sprünge | unregelmäßig mit gelegentlichen Kollisionen |
| Wie interagieren sie? | werden stark angezogen | fühlen sich stark zueinander hingezogen | ziehen sich nicht an, bei Stößen treten abstoßende Kräfte auf |
Erster Zustand: fest
Der grundlegende Unterschied zu anderen besteht darin, dass die Moleküle einen genau definierten Platz haben. Wenn man von einem festen Aggregatzustand spricht, meint man meist Kristalle. Ihre Gitterstruktur ist symmetrisch und streng periodisch. Daher bleibt es immer bestehen, egal wie weit sich der Körper ausbreitet. Die Schwingungsbewegung der Moleküle eines Stoffes reicht nicht aus, um dieses Gitter zu zerstören.
Es gibt aber auch amorphe Körper. Ihnen fehlt eine strenge Struktur in der Anordnung der Atome. Sie könnten überall sein. Aber dieser Ort ist genauso stabil wie im kristallinen Körper. Der Unterschied zwischen amorphen Stoffen und kristallinen Stoffen besteht darin, dass sie keine bestimmte Schmelztemperatur (Erstarrungstemperatur) haben und sich durch Fließfähigkeit auszeichnen. Anschauliche Beispiele für solche Stoffe: Glas und Kunststoff.
Zweiter Zustand: flüssig
Dieser Materiezustand ist eine Kreuzung zwischen einem Feststoff und einem Gas. Daher kombiniert es einige Eigenschaften aus dem ersten und dem zweiten. Somit ist der Abstand zwischen den Teilchen und ihre Wechselwirkung ähnlich wie bei Kristallen. Aber der Ort und die Bewegung liegen näher am Gas. Daher behält die Flüssigkeit nicht ihre Form, sondern verteilt sich im gesamten Gefäß, in das sie gegossen wird.
Dritter Zustand: Gas
Für die Wissenschaft namens „Physik“ steht der Aggregatzustand in Form von Gas nicht an letzter Stelle. Schließlich studiert sie die Welt um sich herum und die Luft darin ist sehr gewöhnlich.
Die Besonderheit dieses Zustands besteht darin, dass es praktisch keine Wechselwirkungskräfte zwischen Molekülen gibt. Dies erklärt ihre Freizügigkeit. Dadurch füllt der gasförmige Stoff das gesamte ihm zur Verfügung gestellte Volumen aus. Darüber hinaus kann alles in diesen Zustand überführt werden; Sie müssen lediglich die Temperatur um den erforderlichen Betrag erhöhen.
Vierter Zustand: Plasma
Dieser Aggregatzustand eines Stoffes ist ein Gas, das ganz oder teilweise ionisiert ist. Das bedeutet, dass die Anzahl der negativ und positiv geladenen Teilchen darin nahezu gleich ist. Diese Situation tritt auf, wenn Gas erhitzt wird. Dann kommt es zu einer starken Beschleunigung des Prozesses der thermischen Ionisation. Es besteht darin, dass Moleküle in Atome unterteilt werden. Letztere wandeln sich dann in Ionen um.
Im Universum kommt dieser Zustand sehr häufig vor. Weil es alle Sterne und das Medium zwischen ihnen enthält. Es kommt äußerst selten innerhalb der Grenzen der Erdoberfläche vor. Abgesehen von der Ionosphäre und dem Sonnenwind ist Plasma nur während eines Gewitters möglich. Bei Blitzen werden Bedingungen geschaffen, bei denen atmosphärische Gase in den vierten Aggregatzustand übergehen.
Das heißt aber nicht, dass das Plasma nicht im Labor entstanden ist. Das erste, was wir reproduzieren konnten, war eine Gasentladung. Plasma füllt heute Leuchtstofflampen und Neonreklamen.
Wie gelingt der Übergang zwischen den Staaten?
Dazu müssen Sie bestimmte Bedingungen schaffen: konstanten Druck und eine bestimmte Temperatur. Dabei geht eine Änderung des Aggregatzustandes eines Stoffes mit der Freisetzung oder Aufnahme von Energie einher. Zudem erfolgt dieser Übergang nicht blitzschnell, sondern benötigt eine gewisse Zeit. Während dieser gesamten Zeit müssen die Bedingungen unverändert bleiben. Der Übergang erfolgt bei gleichzeitiger Existenz eines Stoffes in zwei Formen, die das thermische Gleichgewicht aufrechterhalten.
Die ersten drei Aggregatzustände können sich gegenseitig ineinander umwandeln. Es gibt direkte und umgekehrte Prozesse. Sie haben folgende Namen:
- schmelzen(fest zu flüssig) und Kristallisation, zum Beispiel schmelzendes Eis und erstarrendes Wasser;
- Verdampfung(von flüssig zu gasförmig) und Kondensation Ein Beispiel ist die Verdunstung von Wasser und seine Herstellung aus Dampf;
- Sublimation(von fest zu gasförmig) und Desublimation, zum Beispiel die Verdunstung des trockenen Aromas beim ersten und frostige Muster auf dem Glas beim zweiten.
Physik des Schmelzens und Kristallisierens
Wenn ein Feststoff erhitzt wird, dann auf eine bestimmte Temperatur, genannt Schmelzpunkt Bei einem bestimmten Stoff kommt es zu einer Änderung des Aggregatzustands, die als Schmelzen bezeichnet wird. Dieser Prozess beinhaltet die Absorption von Energie, die man nennt Wärmemenge und wird durch den Buchstaben bezeichnet Q. Um es zu berechnen, müssen Sie es wissen spezifische Schmelzwärme, was bezeichnet wird λ . Und die Formel nimmt den folgenden Ausdruck an:
Q = λ * m, wobei m die Masse des Stoffes ist, der am Schmelzen beteiligt ist.
Tritt der umgekehrte Vorgang ein, also die Kristallisation der Flüssigkeit, wiederholen sich die Bedingungen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass Energie freigesetzt wird und in der Formel ein Minuszeichen erscheint.
Physik der Verdampfung und Kondensation
Während die Substanz weiter erhitzt wird, nähert sie sich allmählich der Temperatur, bei der ihre intensive Verdampfung beginnt. Dieser Vorgang wird Verdampfung genannt. Es ist wiederum durch die Absorption von Energie gekennzeichnet. Nur um es zu berechnen, müssen Sie es wissen spezifische Verdampfungswärme R. Und die Formel wird so aussehen:
Q = r * m.
Der umgekehrte Vorgang bzw. die Kondensation erfolgt unter Freisetzung der gleichen Wärmemenge. Daher erscheint in der Formel erneut ein Minus.
