Концепцията за алкохоли. Open Library - отворена библиотека с образователна информация Какво е агрегатно състояние

Най-често се знае за три агрегатни състояния: течно, твърдо, газообразно; понякога си спомнят плазма, по-рядко течни кристали. Наскоро в интернет се разпространи списък от 17 фази на материята, взет от известния () Стивън Фрай. Затова ще ви разкажем по-подробно за тях, защото... трябва да знаете малко повече за материята, макар и само за да разберете по-добре процесите, протичащи във Вселената.

Списъкът с агрегатни състояния на материята, даден по-долу, се увеличава от най-студените състояния до най-горещите и т.н. може да бъде продължено. В същото време трябва да се разбере, че от газообразното състояние (№ 11), най-„некомпресираното“, от двете страни на списъка, степента на компресия на веществото и неговото налягане (с някои резерви за такива неизучени хипотетични състояния като квантови, лъчеви или слабо симетрични) нарастват След текста е показана визуална графика на фазовите преходи на материята.

1. Квантов- състояние на агрегиране на материята, което се постига при спадане на температурата до абсолютната нула, в резултат на което вътрешните връзки изчезват и материята се разпада на свободни кварки.

2. Кондензат на Бозе-Айнщайн- състояние на агрегация на материята, чиято основа са бозони, охладени до температури, близки до абсолютната нула (по-малко от една милионна от градуса над абсолютната нула). В такова силно охладено състояние достатъчно голям брой атоми се оказват в своите минимални възможни квантови състояния и квантовите ефекти започват да се проявяват на макроскопично ниво. Кондензатът на Бозе-Айнщайн (често наричан кондензат на Бозе или просто „бек“) възниква, когато охладите химичен елемент до изключително ниски температури (обикновено точно над абсолютната нула, минус 273 градуса по Целзий). , е теоретичната температура, при която всичко спира да се движи).
Тук започват да се случват напълно странни неща с веществото. Процесите, които обикновено се наблюдават само на атомно ниво, сега се случват в мащаби, достатъчно големи, за да бъдат наблюдавани с просто око. Например, ако поставите „обратно“ в лабораторна чаша и осигурите желаната температура, веществото ще започне да пълзи по стената и в крайна сметка ще излезе само.
Очевидно тук имаме работа с безполезен опит на субстанция да намали собствената си енергия (която вече е на най-ниското от всички възможни нива).
Забавянето на атоми с помощта на охлаждащо оборудване създава уникално квантово състояние, известно като Бозе или Бозе-Айнщайн кондензат. Това явление е предсказано през 1925 г. от А. Айнщайн в резултат на обобщение на работата на С. Бозе, където е построена статистическа механика за частици, вариращи от безмасови фотони до носещи маса атоми (ръкописът на Айнщайн, считан за изгубен, е открит в библиотеката на Лайденския университет през 2005 г.). Резултатът от усилията на Бозе и Айнщайн е концепцията на Бозе за газ, обект на статистиката на Бозе-Айнщайн, която описва статистическото разпределение на идентични частици с цяло числово въртене, наречени бозони. Бозоните, които са например отделни елементарни частици - фотони, и цели атоми, могат да бъдат в едни и същи квантови състояния помежду си. Айнщайн предположи, че охлаждането на бозонните атоми до много ниски температури ще ги накара да се трансформират (или, с други думи, кондензират) в най-ниското възможно квантово състояние. Резултатът от такава кондензация ще бъде появата на нова форма на материята.
Този преход се случва под критичната температура, която е за хомогенен триизмерен газ, състоящ се от невзаимодействащи си частици без никакви вътрешни степени на свобода.

3. Фермионен кондензат- агрегатно състояние на вещество, подобно на основата, но различно по структура. Докато се приближават до абсолютната нула, атомите се държат различно в зависимост от големината на техния собствен ъглов момент (спин). Бозоните имат цели числа, докато фермионите имат спинове, кратни на 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Фермионите се подчиняват на принципа на изключване на Паули, който гласи, че няма два фермиона, които да имат едно и също квантово състояние. Няма такава забрана за бозоните и следователно те имат възможност да съществуват в едно квантово състояние и по този начин да образуват така наречения Бозе-Айнщайнов кондензат. Процесът на образуване на този кондензат е отговорен за прехода към свръхпроводящо състояние.
Електроните имат спин 1/2 и следователно се класифицират като фермиони. Те се комбинират в двойки (наречени двойки на Купър), които след това образуват Бозе кондензат.
Американски учени се опитаха да получат вид молекули от фермионни атоми чрез дълбоко охлаждане. Разликата от истинските молекули беше, че нямаше химическа връзка между атомите - те просто се движеха заедно по корелиран начин. Връзката между атомите се оказва дори по-силна, отколкото между електроните в двойките на Купър. Получените двойки фермиони имат общо въртене, което вече не е кратно на 1/2, следователно те вече се държат като бозони и могат да образуват Бозе кондензат с едно квантово състояние. По време на експеримента газ от атоми калий-40 беше охладен до 300 нанокелвина, докато газът беше затворен в така наречения оптичен капан. Тогава беше приложено външно магнитно поле, с помощта на което беше възможно да се промени характерът на взаимодействията между атомите - вместо силно отблъскване започна да се наблюдава силно привличане. Когато се анализира влиянието на магнитното поле, беше възможно да се намери стойност, при която атомите започнаха да се държат като двойки електрони на Купър. На следващия етап от експеримента учените очакват да получат ефекти на свръхпроводимост за фермионния кондензат.

4. Свръхтечно вещество- състояние, при което веществото практически няма вискозитет и по време на потока не изпитва триене с твърда повърхност. Последствието от това е например такъв интересен ефект като пълното спонтанно „изпълзяване“ на свръхфлуидния хелий от съда по стените му срещу силата на гравитацията. Разбира се, тук няма нарушение на закона за запазване на енергията. При липса на сили на триене хелият се въздейства само от силите на гравитацията, силите на междуатомно взаимодействие между хелия и стените на съда и между атомите на хелия. Така че силите на междуатомното взаимодействие надвишават всички останали сили, взети заедно. В резултат на това хелият се стреми да се разпространи възможно най-много върху всички възможни повърхности и следователно „пътува“ по стените на съда. През 1938 г. съветският учен Пьотр Капица доказва, че хелият може да съществува в свръхтечно състояние.
Струва си да се отбележи, че много от необичайните свойства на хелия са известни от доста време. През последните години обаче този химичен елемент ни глези с интересни и неочаквани ефекти. И така, през 2004 г. Моузес Чан и Юн-Сионг Ким от университета в Пенсилвания заинтригуваха научния свят с съобщението, че са успели да получат напълно ново състояние на хелий - свръхфлуидно твърдо вещество. В това състояние някои хелиеви атоми в кристалната решетка могат да текат около други и по този начин хелият може да тече през себе си. Ефектът на "свръхтвърдостта" е теоретично предсказан през 1969 г. И тогава през 2004 г. изглежда имаше експериментално потвърждение. По-късни и много интересни експерименти обаче показаха, че не всичко е толкова просто и може би това тълкуване на явлението, което преди беше прието като свръхтечност на твърдия хелий, е неправилно.
Експериментът на учените, ръководени от Хъмфри Марис от университета Браун в САЩ, беше прост и елегантен. Учените поставиха обърната епруветка в затворен резервоар, съдържащ течен хелий. Те замразиха част от хелия в епруветката и в резервоара по такъв начин, че границата между течност и твърдо вещество вътре в епруветката беше по-висока, отколкото в резервоара. С други думи, в горната част на епруветката имаше течен хелий, в долната част имаше твърд хелий, той плавно премина в твърдата фаза на резервоара, над който се изля малко течен хелий - по-ниско от течния ниво в епруветката. Ако течният хелий започне да изтича през твърд хелий, тогава разликата в нивата ще намалее и тогава можем да говорим за твърд свръхфлуиден хелий. И по принцип в три от 13-те експеримента разликата в нивата действително намалява.

5. Свръхтвърдо вещество- агрегатно състояние, при което материята е прозрачна и може да "тече" като течност, но всъщност е лишена от вискозитет. Такива течности са известни от много години, те се наричат ​​суперфлуиди. Факт е, че ако свръхтечността се разбърква, тя ще циркулира почти вечно, докато нормалната течност в крайна сметка ще се успокои. Първите два суперфлуида са създадени от изследователи, използващи хелий-4 и хелий-3. Те бяха охладени почти до абсолютната нула - минус 273 градуса по Целзий. А от хелий-4 американските учени успяха да получат свръхтвърдо тяло. Те компресираха замръзнал хелий с повече от 60 пъти по-голямо налягане и след това поставиха чашата, пълна с веществото, върху въртящ се диск. При температура от 0,175 градуса по Целзий дискът изведнъж започна да се върти по-свободно, което според учените показва, че хелият се е превърнал в супертяло.

6. Твърди- състояние на агрегиране на вещество, характеризиращо се със стабилност на формата и характера на топлинното движение на атомите, които извършват малки вибрации около равновесни позиции. Стабилното състояние на твърдите тела е кристално. Има твърди тела с йонни, ковалентни, метални и други видове връзки между атомите, което определя разнообразието на техните физични свойства. Електрическите и някои други свойства на твърдите тела се определят главно от естеството на движението на външните електрони на неговите атоми. Въз основа на техните електрически свойства твърдите тела се разделят на диелектрици, полупроводници и метали, а въз основа на техните магнитни свойства - на диамагнитни, парамагнитни и тела с подредена магнитна структура. Изследванията на свойствата на твърдите тела се обединяват в голяма област - физика на твърдото тяло, чието развитие се стимулира от нуждите на технологиите.

7. Аморфно твърдо вещество- кондензирано агрегатно състояние на вещество, характеризиращо се с изотропия на физичните свойства поради неподреденото разположение на атомите и молекулите. В аморфните твърди тела атомите вибрират около произволно разположени точки. За разлика от кристалното състояние, преходът от твърдо аморфно към течно състояние става постепенно. В аморфно състояние са различни вещества: стъкло, смоли, пластмаси и др.

8. Течен кристале специфично агрегатно състояние на вещество, при което то едновременно проявява свойствата на кристал и течност. Веднага трябва да се отбележи, че не всички вещества могат да бъдат в течнокристално състояние. Въпреки това, някои органични вещества със сложни молекули могат да образуват специфично агрегатно състояние - течни кристали. Това състояние възниква, когато кристалите на определени вещества се стопят. При стопяването им се образува течнокристална фаза, която се различава от обикновените течности. Тази фаза съществува в диапазона от температурата на топене на кристала до някаква по-висока температура, при нагряване до която течният кристал се превръща в обикновена течност.
По какво течният кристал се различава от течния и обикновения кристал и по какво си прилича с тях? Подобно на обикновената течност, течният кристал има течливост и приема формата на съда, в който е поставен. По това се различава от познатите на всички кристали. Но въпреки това свойство, което го обединява с течност, той има свойство, характерно за кристалите. Това е подреждането в пространството на молекулите, които образуват кристала. Наистина, това подреждане не е толкова пълно, колкото при обикновените кристали, но въпреки това значително влияе върху свойствата на течните кристали, което ги отличава от обикновените течности. Непълното пространствено подреждане на молекулите, образуващи течен кристал, се проявява във факта, че в течните кристали няма пълен ред в пространственото разположение на центровете на тежестта на молекулите, въпреки че може да има частичен ред. Това означава, че те нямат твърда кристална решетка. Следователно течните кристали, както и обикновените течности, имат свойството течливост.
Задължително свойство на течните кристали, което ги доближава до обикновените кристали, е наличието на ред на пространствена ориентация на молекулите. Този ред в ориентацията може да се прояви, например, във факта, че всички дълги оси на молекулите в течнокристална проба са ориентирани по един и същи начин. Тези молекули трябва да имат продълговата форма. В допълнение към най-простото наименувано подреждане на молекулните оси, в течен кристал може да възникне по-сложен ориентационен ред на молекулите.
В зависимост от вида на подреждането на молекулярните оси течните кристали се разделят на три вида: нематични, смектични и холестерични.
Изследванията върху физиката на течните кристали и техните приложения в момента се извършват на широк фронт във всички най-развити страни на света. Вътрешните изследвания са съсредоточени както в академични, така и в индустриални изследователски институции и имат дълга традиция. Творбите на В.К., завършени през тридесетте години в Ленинград, стават широко известни и признати. Фредерикс към V.N. Цветкова. През последните години бързото изследване на течните кристали доведе до това, че местните изследователи също дадоха значителен принос за развитието на изследването на течните кристали като цяло и по-специално на оптиката на течните кристали. Така произведенията на I.G. Чистякова, А.П. Капустина, С.А. Бразовски, С.А. Пикина, Л.М. Блинов и много други съветски изследователи са широко известни на научната общност и служат като основа за редица ефективни технически приложения на течните кристали.
Съществуването на течните кристали е установено отдавна, а именно през 1888 г., тоест преди почти век. Въпреки че учените са се натъкнали на това състояние на материята преди 1888 г., то е официално открито по-късно.
Първият, който открива течните кристали, е австрийският ботаник Райницер. Докато изучава синтезираното от него ново вещество холестерил бензоат, той открива, че при температура от 145°C кристалите на това вещество се топят, образувайки мътна течност, която силно разсейва светлината. Тъй като нагряването продължава, при достигане на температура от 179°C, течността става бистра, т.е. започва да се държи оптически като обикновена течност, например вода. Холестерил бензоатът показа неочаквани свойства в мътната фаза. Изследвайки тази фаза под поляризационен микроскоп, Reinitzer открива, че тя проявява двойно пречупване. Това означава, че индексът на пречупване на светлината, т.е. скоростта на светлината в тази фаза, зависи от поляризацията.

9. Течност- състояние на агрегиране на вещество, съчетаващо характеристиките на твърдо състояние (запазване на обема, определена якост на опън) и газообразно състояние (променливост на формата). Течностите се характеризират с малък ред в подреждането на частиците (молекули, атоми) и малка разлика в кинетичната енергия на топлинното движение на молекулите и тяхната потенциална енергия на взаимодействие. Топлинното движение на течните молекули се състои от колебания около равновесни позиции и сравнително редки скокове от едно равновесно положение в друго; течливостта на течността е свързана с това.

10. Суперкритична течност(SCF) е състояние на агрегиране на вещество, при което разликата между течната и газовата фаза изчезва. Всяко вещество при температура и налягане над неговата критична точка е суперкритична течност. Свойствата на веществото в свръхкритично състояние са междинни между свойствата му в газова и течна фаза. По този начин SCF има висока плътност, близка до течност, и нисък вискозитет, като газовете. Коефициентът на дифузия в този случай има междинна стойност между течност и газ. Вещества в свръхкритично състояние могат да се използват като заместители на органични разтворители в лабораторни и промишлени процеси. Суперкритичната вода и суперкритичният въглероден диоксид са получили най-голям интерес и разпространение поради определени свойства.
Едно от най-важните свойства на свръхкритичното състояние е способността за разтваряне на вещества. Чрез промяна на температурата или налягането на течността можете да промените нейните свойства в широк диапазон. По този начин е възможно да се получи течност, чиито свойства са близки или до течност, или до газ. По този начин способността за разтваряне на течност се увеличава с увеличаване на плътността (при постоянна температура). Тъй като плътността се увеличава с увеличаване на налягането, промяната на налягането може да повлияе на способността за разтваряне на течността (при постоянна температура). В случай на температура, зависимостта на свойствата на течността е малко по-сложна - при постоянна плътност способността за разтваряне на течността също се увеличава, но близо до критичната точка леко повишаване на температурата може да доведе до рязък спад в плътността и съответно способността за разтваряне. Суперкритичните течности се смесват помежду си без ограничение, така че когато се достигне критичната точка на сместа, системата винаги ще бъде еднофазна. Приблизителната критична температура на бинарна смес може да се изчисли като средноаритметична стойност на критичните параметри на веществата Tc(смес) = (моларна фракция A) x TcA + (моларна фракция B) x TcB.

11. Газообразен- (френски газ, от гръцки хаос - хаос), състояние на агрегация на вещество, при което кинетичната енергия на топлинното движение на неговите частици (молекули, атоми, йони) значително надвишава потенциалната енергия на взаимодействията между тях и следователно частиците се движат свободно, равномерно запълвайки в отсъствието на външни полета целия предоставен му обем.

12. Плазма- (от гръцки плазма - изваян, оформен), състояние на материята, което е йонизиран газ, в който концентрациите на положителни и отрицателни заряди са равни (квазинеутралност). По-голямата част от материята във Вселената е в състояние на плазма: звезди, галактически мъглявини и междузвездна среда. В близост до Земята плазмата съществува под формата на слънчев вятър, магнитосфера и йоносфера. Изследва се високотемпературна плазма (T ~ 106 - 108K) от смес от деутерий и тритий с цел осъществяване на контролиран термоядрен синтез. Нискотемпературната плазма (T Ј 105K) се използва в различни газоразрядни устройства (газови лазери, йонни устройства, MHD генератори, плазматрони, плазмени двигатели и др.), Както и в технологиите (вижте Плазмена металургия, Плазмено пробиване, Плазма технология).

13. Изродена материя— е междинен етап между плазмата и неутрония. Наблюдава се при белите джуджета и играе важна роля в еволюцията на звездите. Когато атомите са подложени на изключително високи температури и налягания, те губят своите електрони (те стават електронен газ). С други думи, те са напълно йонизирани (плазма). Налягането на такъв газ (плазма) се определя от налягането на електроните. Ако плътността е много висока, всички частици се притискат по-близо една до друга. Електроните могат да съществуват в състояния със специфични енергии и няма два електрона, които да имат еднаква енергия (освен ако спиновете им не са противоположни). Така в плътен газ всички по-ниски енергийни нива са запълнени с електрони. Такъв газ се нарича изроден. В това състояние електроните проявяват изродено електронно налягане, което противодейства на силите на гравитацията.

14. Неутроний- състояние на агрегиране, в което материята преминава при свръхвисоко налягане, което все още е непостижимо в лабораторията, но съществува вътре в неутронните звезди. При прехода към неутронно състояние електроните на веществото взаимодействат с протоните и се превръщат в неутрони. В резултат на това материята в неутронно състояние се състои изцяло от неутрони и има плътност от порядъка на ядрената. Температурата на веществото не трябва да бъде твърде висока (в енергиен еквивалент не повече от сто MeV).
При силно повишаване на температурата (стотици MeV и повече) различни мезони започват да се раждат и анихилират в неутронно състояние. При по-нататъшно повишаване на температурата настъпва деконфайнмент и веществото преминава в състояние на кварк-глюонна плазма. Тя вече не се състои от адрони, а от постоянно раждащи се и изчезващи кварки и глуони.

15. Кварк-глюонна плазма(хромоплазма) - състояние на агрегиране на материята във физиката на високите енергии и физиката на елементарните частици, при което адронната материя преминава в състояние, подобно на състоянието, в което се намират електрони и йони в обикновената плазма.
Обикновено материята в адроните е в така нареченото безцветно („бяло“) състояние. Тоест кварките с различни цветове взаимно се компенсират. Подобно състояние съществува в обикновената материя - когато всички атоми са електрически неутрални, т.е.
положителните заряди в тях се компенсират от отрицателните. При високи температури може да настъпи йонизация на атомите, при което зарядите се разделят и веществото става, както се казва, „квазинеутрално“. Тоест, целият облак материя като цяло остава неутрален, но отделните му частици престават да бъдат неутрални. Същото нещо, очевидно, може да се случи с адронната материя - при много високи енергии се освобождава цвят и прави субстанцията "квази-безцветна".
Предполага се, че материята на Вселената е била в състояние на кварк-глуонна плазма в първите моменти след Големия взрив. Сега кварк-глюонна плазма може да се образува за кратко време по време на сблъсъци на частици с много високи енергии.
Кварк-глюонната плазма е произведена експериментално в ускорителя RHIC в Националната лаборатория Брукхейвън през 2005 г. Максималната температура на плазмата от 4 трилиона градуса по Целзий е получена там през февруари 2010 г.

16. Странно вещество- състояние на агрегиране, при което материята се компресира до максимални стойности на плътност; може да съществува под формата на „супа от кварк“. Един кубичен сантиметър материя в това състояние ще тежи милиарди тонове; в допълнение, той ще трансформира всяко нормално вещество, с което влезе в контакт, в същата „странна“ форма с освобождаване на значително количество енергия.
Енергията, която може да бъде освободена, когато ядрото на звездата се превърне в "странна материя", ще доведе до свръхмощна експлозия на "кваркова нова" - и, според Лийхи и Уйед, точно това са наблюдавали астрономите през септември 2006 г.
Процесът на образуване на това вещество започна с обикновена свръхнова, в която се превърна масивна звезда. В резултат на първата експлозия се образува неутронна звезда. Но, според Лейхи и Уйед, то не е продължило много дълго - тъй като въртенето му изглежда е забавено от собственото му магнитно поле, то започва да се свива още повече, образувайки бучка от „странна материя“, което води до равномерно по-мощен по време на обикновена експлозия на свръхнова, освобождаването на енергия - и външните слоеве на материята на бившата неутронна звезда, летящи в околното пространство със скорост, близка до скоростта на светлината.

17. Силно симетрично вещество- това е вещество, компресирано до такава степен, че микрочастиците вътре в него се наслояват една върху друга, а самото тяло колабира в черна дупка. Терминът "симетрия" се обяснява по следния начин: Да вземем познатите на всички от училище агрегатни състояния на материята - твърдо, течно, газообразно. За определеност нека разгледаме идеален безкраен кристал като твърдо тяло. Съществува определена, така наречената дискретна симетрия по отношение на трансфера. Това означава, че ако преместите кристалната решетка на разстояние, равно на интервала между два атома, нищо няма да се промени в нея - кристалът ще съвпадне със себе си. Ако кристалът се разтопи, тогава симетрията на получената течност ще бъде различна: тя ще се увеличи. В кристал само точки, отдалечени една от друга на определени разстояния, така наречените възли на кристалната решетка, в които са разположени идентични атоми, са еквивалентни.
Течността е хомогенна по целия си обем, всичките й точки са неразличими една от друга. Това означава, че течностите могат да бъдат изместени на всякакви произволни разстояния (а не само на някакви дискретни, както е в кристала) или завъртени на произволни ъгли (което изобщо не може да се направи в кристалите) и това ще съвпадне със себе си. Степента му на симетрия е по-висока. Газът е още по-симетричен: течността заема определен обем в съда и има асиметрия вътре в съда, където има течност и точки, където няма. Газът заема целия предоставен му обем и в този смисъл всички негови точки са неразличими една от друга. Все пак тук би било по-правилно да говорим не за точки, а за малки, но макроскопични елементи, тъй като на микроскопично ниво все още има разлики. В някои моменти в даден момент има атоми или молекули, докато в други ги няма. Симетрия се наблюдава само средно, или върху някои макроскопични параметри на обема, или във времето.
Но все още няма моментална симетрия на микроскопично ниво. Ако дадено вещество се компресира много силно, до налягания, които са неприемливи в ежедневието, компресира се така, че атомите се смачкват, черупките им проникват една в друга и ядрата започват да се докосват, възниква симетрия на микроскопично ниво. Всички ядра са идентични и притиснати едно към друго, има не само междуатомни, но и междуядрени разстояния и веществото става хомогенно (странно вещество).
Но има и субмикроскопично ниво. Ядрата са съставени от протони и неутрони, които се движат вътре в ядрото. Между тях също има известно пространство. Ако продължите да компресирате, така че ядрата да бъдат смачкани, нуклоните ще се притиснат плътно един към друг. Тогава на субмикроскопично ниво ще се появи симетрия, която не съществува дори в обикновените ядра.
От казаното може да се различи една съвсем определена тенденция: колкото по-висока е температурата и колкото по-голямо е налягането, толкова по-симетрично става веществото. Въз основа на тези съображения веществото, компресирано до своя максимум, се нарича силно симетрично.

18. Слабо симетрична материя- състояние, противоположно на силно симетричната материя по своите свойства, присъстващо в много ранната Вселена при температура, близка до тази на Планк, може би 10-12 секунди след Големия взрив, когато силните, слабите и електромагнитните сили представляват една суперсила. В това състояние веществото се компресира до такава степен, че масата му се превръща в енергия, която започва да се надува, тоест да се разширява безкрайно. Все още не е възможно да се постигнат енергиите за експериментално получаване на свръхмощност и прехвърляне на материя в тази фаза при земни условия, въпреки че такива опити бяха направени в Големия адронен колайдер за изследване на ранната Вселена. Поради липсата на гравитационно взаимодействие в суперсилата, която образува това вещество, суперсилата не е достатъчно симетрична в сравнение със суперсиметричната сила, съдържаща всичките 4 типа взаимодействия. Следователно това агрегатно състояние получи такова име.

19. Лъчево вещество- това всъщност вече изобщо не е материя, а енергия в нейния чист вид. Но точно това хипотетично агрегатно състояние ще приеме тяло, достигнало скоростта на светлината. Може да се получи и чрез нагряване на тялото до температурата на Планк (1032K), тоест ускоряване на молекулите на веществото до скоростта на светлината. Както следва от теорията на относителността, когато скоростта достигне повече от 0,99 s, масата на тялото започва да расте много по-бързо, отколкото при „нормалното“ ускорение; освен това тялото се удължава, загрява, т.е. излъчват в инфрачервения спектър. При преминаване на прага от 0,999 s тялото се променя радикално и започва бърз фазов преход до състояние на лъч. Както следва от формулата на Айнщайн, взета в нейната цялост, нарастващата маса на крайното вещество се състои от маси, отделени от тялото под формата на топлинно, рентгеново, оптично и друго излъчване, енергията на всяко от които се описва от следващия член във формулата. По този начин тяло, което се доближава до скоростта на светлината, ще започне да излъчва във всички спектри, ще расте на дължина и ще се забавя във времето, изтънявайки до дължината на Планк, тоест при достигане на скорост c тялото ще се превърне в безкрайно дълго и тънък лъч, движещ се със скоростта на светлината и състоящ се от фотони, които нямат дължина, а безкрайната му маса ще бъде напълно преобразувана в енергия. Следователно такова вещество се нарича лъч.

Въпросите за това какво е агрегатно състояние, какви характеристики и свойства имат твърдите вещества, течностите и газовете, се обсъждат в няколко курса за обучение. Има три класически състояния на материята със свои собствени характерни структурни характеристики. Тяхното разбиране е важен момент в разбирането на науките за Земята, живите организми и индустриалните дейности. Тези въпроси се изучават от физиката, химията, географията, геологията, физикохимията и други научни дисциплини. Веществата, които при определени условия са в един от трите основни вида състояние, могат да се променят с повишаване или намаляване на температурата и налягането. Нека разгледаме възможните преходи от едно състояние на агрегиране в друго, както се случват в природата, технологиите и ежедневието.

Какво е агрегатно състояние?

Думата от латински произход "aggrego", преведена на руски означава "присъединяване". Научният термин се отнася до състоянието на същото тяло, субстанция. Съществуването на твърди вещества, газове и течности при определени температури и различно налягане е характерно за всички обвивки на Земята. Освен трите основни агрегатни състояния има и четвърто. При повишена температура и постоянно налягане газът се превръща в плазма. За да разберем по-добре какво е агрегатно състояние, е необходимо да запомним най-малките частици, които изграждат веществата и телата.

Диаграмата по-горе показва: а - газ; b—течност; c е твърдо тяло. В такива снимки кръговете показват структурните елементи на веществата. Това е символ; всъщност атомите, молекулите и йоните не са твърди топки. Атомите се състоят от положително заредено ядро, около което отрицателно заредените електрони се движат с висока скорост. Знанието за микроскопичната структура на материята помага за по-доброто разбиране на разликите, които съществуват между различните агрегатни форми.

Представи за микрокосмоса: от Древна Гърция до 17 век

Първите сведения за частиците, изграждащи физическите тела, се появяват в Древна Гърция. Мислителите Демокрит и Епикур въведоха такова понятие като атом. Те вярвали, че тези най-малки неделими частици от различни вещества имат форма, определени размери и са способни на движение и взаимодействие помежду си. Атомизмът става най-напредналото учение на древна Гърция за времето си. Но развитието му се забавя през Средновековието. Оттогава учените са преследвани от инквизицията на Римокатолическата църква. Следователно до съвремието не е имало ясна концепция за това какво е състоянието на материята. Едва след 17-ти век учените Р. Бойл, М. Ломоносов, Д. Далтон, А. Лавоазие формулират разпоредбите на атомно-молекулярната теория, които не са загубили своето значение и днес.

Атоми, молекули, йони - микроскопични частици от структурата на материята

Значителен пробив в разбирането на микросвета настъпва през 20 век, когато е изобретен електронният микроскоп. Като се вземат предвид откритията, направени от учените по-рано, беше възможно да се състави последователна картина на микросвета. Теориите, които описват състоянието и поведението на най-малките частици материя, са доста сложни; те се отнасят до областта на За да разберем характеристиките на различните агрегатни състояния на материята, е достатъчно да знаем имената и характеристиките на основните структурни частици, които образуват различни вещества.

1. Атомите са химически неделими частици. Те се запазват при химични реакции, но се унищожават при ядрени реакции. Металите и много други вещества с атомна структура имат твърдо агрегатно състояние при нормални условия.
2. Молекулите са частици, които се разграждат и образуват при химични реакции. кислород, вода, въглероден диоксид, сяра. Агрегатното състояние на кислород, азот, серен диоксид, въглерод, кислород при нормални условия е газообразно.
3. Йоните са заредените частици, в които се превръщат атомите и молекулите, когато получават или губят електрони - микроскопични отрицателно заредени частици. Много соли имат йонна структура, например готварска сол, железен сулфат и меден сулфат.

Има вещества, чиито частици са разположени в пространството по определен начин. Подреденото взаимно разположение на атомите, йоните и молекулите се нарича кристална решетка. Обикновено йонните и атомните кристални решетки са характерни за твърди тела, молекулярни - за течности и газове. Диамантът се отличава с висока твърдост. Неговата атомна кристална решетка се формира от въглеродни атоми. Но мекият графит също се състои от атоми на този химичен елемент. Само те са разположени различно в пространството. Обичайното агрегатно състояние на сярата е твърдо, но при високи температури веществото се превръща в течност и аморфна маса.

Вещества в твърдо агрегатно състояние

Твърдите вещества при нормални условия запазват своя обем и форма. Например песъчинка, захар, сол, парче скала или метал. Ако загреете захарта, веществото започва да се топи, превръщайки се в вискозна кафява течност. Да спрем отоплението и пак ще получим твърдо. Това означава, че едно от основните условия за преминаване на твърдо вещество в течност е неговото нагряване или увеличаване на вътрешната енергия на частиците на веществото. Твърдото агрегатно състояние на солта, която се използва за храна, също може да бъде променена. Но за да се разтопи трапезната сол, е необходима по-висока температура, отколкото при нагряване на захар. Факт е, че захарта се състои от молекули, а трапезната сол се състои от заредени йони, които са по-силно привлечени един към друг. Твърдите вещества в течна форма не запазват формата си, тъй като кристалните решетки се разрушават.

Течното агрегатно състояние на солта при топене се обяснява с разкъсването на връзките между йоните в кристалите. Освобождават се заредени частици, които могат да носят електрически заряди. Разтопените соли провеждат електричество и са проводници. В химическата, металургичната и инженерната промишленост твърдите вещества се превръщат в течности, за да се получат нови съединения или да им се придадат различни форми. Металните сплави са широко разпространени. Има няколко начина за тяхното получаване, свързани с промени в агрегатното състояние на твърдите суровини.

Течността е едно от основните агрегатни състояния

Ако налеете 50 ml вода в колба с кръгло дъно, ще забележите, че веществото веднага ще придобие формата на химически съд. Но веднага щом излеем водата от колбата, течността веднага ще се разтече по повърхността на масата. Обемът на водата ще остане същият - 50 ml, но формата й ще се промени. Изброените особености са характерни за течната форма на съществуване на материята. Много органични вещества са течности: алкохоли, растителни масла, киселини.

Млякото е емулсия, т.е. течност, съдържаща капчици мазнина. Полезен течен ресурс е петролът. Извлича се от кладенци с помощта на сондажни платформи на сушата и в океана. Морската вода също е суровина за индустрията. Разликата му от сладката вода в реките и езерата се състои в съдържанието на разтворени вещества, главно соли. При изпаряване от повърхността на резервоарите само молекулите на H 2 O преминават в състояние на пара, остават разтворени вещества. На това свойство се основават методите за получаване на полезни вещества от морската вода и методите за нейното пречистване.

При пълно отстраняване на солите се получава дестилирана вода. Кипи при 100°C и замръзва при 0°C. Саламура кипи и се превръща в лед при други температури. Например водата в Северния ледовит океан замръзва при повърхностна температура от 2 °C.

Агрегатното състояние на живака при нормални условия е течно. Този сребристосив метал обикновено се използва за пълнене на медицински термометри. При нагряване живачният стълб се издига върху скалата и веществото се разширява. Защо се използва алкохол, тониран с червена боя, а не с живак? Това се обяснява със свойствата на течния метал. При 30-градусови студове състоянието на агрегация на живака се променя, веществото става твърдо.

Ако медицинският термометър се счупи и живакът се разлее, тогава събирането на сребърните топки с ръце е опасно. Вдишването на живачни пари е вредно, това вещество е много токсично. В такива случаи децата трябва да се обърнат за помощ към своите родители и възрастни.

Газообразно състояние

Газовете не могат да запазят нито обема, нито формата си. Нека напълним колбата до горе с кислород (химичната му формула е O2). Веднага след като отворим колбата, молекулите на веществото ще започнат да се смесват с въздуха в стаята. Това се случва поради брауновото движение. Още древногръцкият учен Демокрит вярва, че частиците материя са в постоянно движение. В твърдите вещества при нормални условия атомите, молекулите и йоните нямат възможност да напуснат кристалната решетка или да се освободят от връзки с други частици. Това е възможно само когато голямо количество енергия се доставя отвън.

В течностите разстоянието между частиците е малко по-голямо, отколкото в твърдите вещества; те изискват по-малко енергия за разрушаване на междумолекулните връзки. Например течното състояние на кислорода се наблюдава само когато температурата на газа се понижи до −183 °C. При −223 °C молекулите O 2 образуват твърдо вещество. Когато температурата се повиши над тези стойности, кислородът се превръща в газ. Именно в тази форма се среща при нормални условия. Промишлените предприятия работят със специални инсталации за отделяне на атмосферния въздух и получаване на азот и кислород от него. Първо въздухът се охлажда и втечнява, след което температурата постепенно се повишава. Азотът и кислородът се превръщат в газове при различни условия.

Атмосферата на Земята съдържа 21 обемни процента кислород и 78 процента азот. Тези вещества не се намират в течна форма в газовата обвивка на планетата. Течният кислород е светлосин на цвят и се използва за пълнене на бутилки при високо налягане за използване в медицински условия. В промишлеността и строителството втечнените газове са необходими за извършване на много процеси. Кислородът е необходим за газово заваряване и рязане на метали, а в химията за окислителни реакции на неорганични и органични вещества. Ако отворите вентила на кислородна бутилка, налягането намалява и течността се превръща в газ.

Втечненият пропан, метан и бутан намират широко приложение в енергетиката, транспорта, индустрията и бита. Тези вещества се получават от природен газ или по време на крекинг (разцепване) на петролна суровина. Въглеродните течни и газообразни смеси играят важна роля в икономиките на много страни. Но запасите от нефт и природен газ са силно изчерпани. Според учените тази суровина ще издържи 100-120 години. Алтернативен източник на енергия е въздушният поток (вятър). Бързо течащите реки и приливите по бреговете на морета и океани се използват за работа на електроцентрали.

Кислородът, подобно на други газове, може да бъде в четвърто състояние на агрегация, представляващо плазма. Необичайният преход от твърдо към газообразно състояние е характерна черта на кристалния йод. Тъмно лилавото вещество претърпява сублимация - превръща се в газ, заобикаляйки течното състояние.

Как се извършват преходите от една агрегатна форма на материята към друга?

Промените в агрегатното състояние на веществата не са свързани с химични трансформации, това са физически явления. С повишаването на температурата много твърди вещества се топят и се превръщат в течности. По-нататъшното повишаване на температурата може да доведе до изпаряване, тоест до газообразно състояние на веществото. В природата и икономиката такива преходи са характерни за едно от основните вещества на Земята. Лед, течност, пара са състояния на водата при различни външни условия. Съединението е същото, формулата му е H 2 O. При температура от 0 ° C и под тази стойност водата кристализира, т.е. се превръща в лед. С повишаване на температурата, получените кристали се разрушават - ледът се топи и отново се получава течна вода. Когато се нагрява, се образува изпарение - превръщането на водата в газ - дори при ниски температури. Например, замръзналите локви постепенно изчезват, защото водата се изпарява. Дори при мразовито време мокрото пране изсъхва, но този процес отнема повече време, отколкото в горещ ден.

Всички изброени преходи на водата от едно състояние в друго са от голямо значение за природата на Земята. Атмосферните явления, климатът и времето са свързани с изпаряването на водата от повърхността на Световния океан, преноса на влага под формата на облаци и мъгла към сушата и валежите (дъжд, сняг, градушка). Тези явления формират основата на световния воден цикъл в природата.

Как се променят агрегатните състояния на сярата?

При нормални условия сярата е ярки блестящи кристали или светложълт прах, т.е. тя е твърдо вещество. Агрегатното състояние на сярата се променя при нагряване. Първо, когато температурата се повиши до 190 °C, жълтото вещество се топи, превръщайки се в подвижна течност.

Ако бързо излеете течна сяра в студена вода, ще получите кафява аморфна маса. При по-нататъшно нагряване на сярната стопилка тя става все по-вискозна и потъмнява. При температури над 300 °C агрегатното състояние на сярата отново се променя, веществото придобива свойствата на течност и става подвижно. Тези преходи възникват поради способността на атомите на даден елемент да образуват вериги с различна дължина.

Защо веществата могат да бъдат в различни агрегатни състояния?

Състоянието на агрегиране на сярата, просто вещество, е твърдо при обикновени условия. Серният диоксид е газ, сярната киселина е мазна течност, по-тежка от водата. За разлика от солната и азотната киселина, той не е летлив, молекулите не се изпаряват от повърхността му. Какво агрегатно състояние има пластмасовата сяра, която се получава чрез нагряване на кристали?

В аморфната си форма веществото има структура на течност, с незначителна течливост. Но пластмасовата сяра едновременно запазва формата си (като твърдо вещество). Има течни кристали, които имат редица характерни свойства на твърдите тела. По този начин състоянието на дадено вещество при различни условия зависи от неговата природа, температура, налягане и други външни условия.

Какви характеристики съществуват в структурата на твърдите тела?

Съществуващите различия между основните агрегатни състояния на материята се обясняват с взаимодействието между атомите, йоните и молекулите. Например, защо твърдото състояние на материята води до способността на телата да поддържат обем и форма? В кристалната решетка на метал или сол структурните частици се привличат една към друга. В металите положително заредените йони взаимодействат с това, което се нарича „електронен газ“, колекция от свободни електрони в парче метал. Кристалите на солта възникват поради привличането на противоположно заредени частици - йони. Разстоянието между горните структурни единици на твърдите вещества е много по-малко от размерите на самите частици. В този случай действа електростатично привличане, което придава сила, но отблъскването не е достатъчно силно.

За да се разруши твърдото агрегатно състояние на дадено вещество, трябва да се положат усилия. Метали, соли и атомни кристали се топят при много високи температури. Например желязото става течно при температури над 1538 °C. Волфрамът е огнеупорен и се използва за направата на нишки с нажежаема жичка за електрически крушки. Има сплави, които стават течни при температури над 3000 °C. Много от тях на Земята са в твърдо състояние. Тези суровини се добиват по технология в мини и кариери.

За да се отдели дори един йон от кристал, трябва да се изразходва голямо количество енергия. Но е достатъчно да разтворите сол във вода, за да се разпадне кристалната решетка! Това явление се обяснява с удивителните свойства на водата като полярен разтворител. Молекулите на H 2 O взаимодействат с йоните на солта, разрушавайки химичната връзка между тях. По този начин разтварянето не е просто смесване на различни вещества, а физикохимично взаимодействие между тях.

Как взаимодействат течните молекули?

Водата може да бъде течност, твърдо вещество и газ (пара). Това са неговите основни агрегатни състояния при нормални условия. Водните молекули се състоят от един кислороден атом, към който са свързани два водородни атома. Получава се поляризация на химичната връзка в молекулата и се появява частичен отрицателен заряд на кислородните атоми. Водородът става положителният полюс в молекулата, привлечен от кислородния атом на друга молекула. Това се нарича "водородно свързване".

Течното агрегатно състояние се характеризира с разстояния между структурните частици, сравними с техните размери. Привличането съществува, но е слабо, така че водата не запазва формата си. Изпаряването възниква поради разрушаването на връзките, което се случва на повърхността на течността дори при стайна температура.

Съществуват ли междумолекулни взаимодействия в газовете?

Газообразното състояние на веществото се различава от течното и твърдото състояние по редица параметри. Между структурните частици на газовете има големи празнини, много по-големи от размерите на молекулите. В този случай силите на привличане изобщо не действат. Газообразното агрегатно състояние е характерно за веществата, присъстващи във въздуха: азот, кислород, въглероден диоксид. На снимката по-долу първият куб е пълен с газ, вторият с течност, а третият с твърдо вещество.

Много течности са летливи; молекулите на веществото се откъсват от повърхността им и отиват във въздуха. Например, ако донесете памучен тампон, потопен в амоняк, до отвора на отворена бутилка солна киселина, се появява бял дим. Химическата реакция между солна киселина и амоняк протича направо във въздуха, произвеждайки амониев хлорид. В какво агрегатно състояние е това вещество? Неговите частици, които образуват бял дим, са малки твърди кристали сол. Този експеримент трябва да се проведе под капак; веществата са токсични.

Заключение

Агрегационното състояние на газа е изследвано от много изключителни физици и химици: Авогадро, Бойл, Гей-Лусак, Клайперон, Менделеев, Льо Шателие. Учените са формулирали закони, които обясняват поведението на газообразните вещества в химичните реакции при промяна на външните условия. Отворените модели не бяха включени само в училищните и университетските учебници по физика и химия. Много химически индустрии се основават на знания за поведението и свойствата на веществата в различни агрегатни състояния.

Лекция 4. Агрегатни състояния на материята

1. Твърдо агрегатно състояние.

2. Течно агрегатно състояние.

3. Газообразно агрегатно състояние.

Веществата могат да бъдат в три агрегатни състояния: твърдо, течно и газообразно. При много високи температури се появява вид газообразно състояние - плазма (плазмено състояние).

1. Твърдото състояние на материята се характеризира с това, че енергията на взаимодействие между частиците е по-висока от кинетичната енергия на тяхното движение. Повечето вещества в твърдо състояние имат кристална структура. Всяко вещество образува кристали с определена форма. Например, натриевият хлорид има кристали под формата на кубчета, стипцата е под формата на октаедри, а натриевият нитрат е под формата на призми.

Кристалната форма на веществото е най-стабилна. Подреждането на частиците в твърдо тяло е изобразено под формата на решетка, в чиито възли има определени частици, свързани с въображаеми линии. Има четири основни вида кристални решетки: атомни, молекулярни, йонни и метални.

Атомна кристална решеткаобразувани от неутрални атоми, които са свързани с ковалентни връзки (диамант, графит, силиций). Молекулярна кристална решеткаимат нафталин, захароза, глюкоза. Структурните елементи на тази решетка са полярни и неполярни молекули. Йонна кристална решеткаобразувани от положително и отрицателно заредени йони (натриев хлорид, калиев хлорид), редовно редуващи се в пространството. Всички метали имат метална кристална решетка. Възлите му съдържат положително заредени йони, между които има електрони в свободно състояние.

Кристалните вещества имат редица характеристики. Една от тях е анизотропията - несходството на физичните свойства на кристала в различни посоки вътре в кристала.

2. В течното състояние на веществото енергията на междумолекулното взаимодействие на частиците е съизмерима с кинетичната енергия на тяхното движение. Това състояние е междинно между газообразно и кристално. За разлика от газовете, между течните молекули действат големи сили на взаимно привличане, което определя естеството на молекулярното движение. Топлинното движение на течна молекула включва вибрационно и транслационно. Всяка молекула се колебае около определена равновесна точка за известно време, след което се движи и отново заема равновесно положение. Това определя неговата течливост. Силите на междумолекулно привличане пречат на молекулите да се отдалечат една от друга, когато се движат.

Свойствата на течностите също зависят от обема на молекулите и формата на тяхната повърхност. Ако молекулите на течността са полярни, тогава те се комбинират (асоциират) в сложен комплекс. Такива течности се наричат ​​свързани (вода, ацетон, алкохол). Οʜᴎ имат по-висок t kip, имат по-ниска летливост и по-висока диелектрична константа.

Както знаете, течностите имат повърхностно напрежение. Повърхностно напрежение- ϶ᴛᴏ повърхностна енергия на единица повърхност: ϭ = E/S, където ϭ е повърхностно напрежение; E – повърхностна енергия; S – площ на повърхността. Колкото по-силни са междумолекулните връзки в течността, толкова по-голямо е нейното повърхностно напрежение. Веществата, които намаляват повърхностното напрежение, се наричат ​​повърхностно активни вещества.

Друго свойство на течностите е вискозитетът. Вискозитетът е съпротивлението, което възниква, когато някои слоеве на течност се движат спрямо други, когато се движи. Някои течности имат висок вискозитет (мед, мала), докато други имат нисък вискозитет (вода, етилов алкохол).

3. В газообразно състояние на веществото енергията на междумолекулното взаимодействие на частиците е по-малка от тяхната кинетична енергия. Поради тази причина газовите молекули не се задържат заедно, а се движат свободно в обема. Газовете се характеризират със следните свойства: 1) равномерно разпределение в целия обем на съда, в който се намират; 2) ниска плътност в сравнение с течности и твърди вещества; 3) лесна свиваемост.

В газ молекулите са разположени на много голямо разстояние една от друга, силите на привличане между тях са малки. При големи разстояния между молекулите тези сили практически липсват. Газ в това състояние обикновено се нарича идеален. Реалните газове при високи налягания и ниски температури не се подчиняват на уравнението на състоянието на идеален газ (уравнение на Менделеев-Клапейрон), тъй като при тези условия започват да се появяват сили на взаимодействие между молекулите.