Существует три основные состояния вещества — газообразное, жидкое и твердое. В физике эти состояния называют агрегатными. Итак, агрегатное состояние вещества называют физическое состояние, которое напрямую зависит от таких основных характеристик как давление и температура.
Пребывая в том или ином состоянии, веществам свойственны разнообразные структуры. Кроме перечисленных трех основных агрегатных состояний существуют и другие, но мы в рамках статьи не будем в них углубляться.
- Влияние энергии движения частиц на свойства агрегатных состояний веществ
- Твердое агрегатное состояние
- Жидкое агрегатное состояние
- Газообразное агрегатное состояние
- Точка плавления
- Точка кипения
- Влияние давления и различных примесей на кипение или плавление
Влияние энергии движения частиц на свойства агрегатных состояний веществ
Как известно, любое вещество состоит из молекул, которые в свою очередь делятся на атомы. В качестве частиц кроме молекул могут рассматриваться и ионы, в которые превращаются атомы или их группы. На самом деле, ионы или молекулы имеют сложную форму построения, но для упрощения их построения и создания визуальной наглядности их представляют в сферическом виде.
Абсолютно во всех веществах сила взаимного притяжения между их частицами препятствуют их передвижению друг относительно друга. Однако с ростом температуры кинетическая энергия частиц начинает расти и тем создавая все большее противодействие силе притяжения между частицами. Агрегатное состояние вещества зависит от отношения приобретенной кинетической энергии частицы к силе их взаимного притяжения.
Проще говоря, от того, насколько свободно и дальше может «гулять» молекулы относительно других и зависит текущее физическое состояние вещества. Изменяя показатели температуры и давления можно наблюдать переход из одного состояния в другое.
Самый распространенный пример перехода из одного состояния в другое в жизни можно наблюдать на примере трех состояний молекулы воды: твердом в качестве льда при температуре ниже 0 0С, жидком при температуре выше 00С и газообразном паре, который образуется после закипания воды при температуре 100 0С и выше.
На этом графике показано, как изменяется энергия частиц вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях. Чем больше энергия, тем быстрее частицы движутся или колеблются. Небольшая доля частиц обладает очень низкой или очень высокой энергией.
Твердое агрегатное состояние
В твердых веществах за счет сильного взаимного притяжения у частиц нет возможности развивать необходимую кинетическую энергию и тем самым передвигаться свободно от заданной позиции при условии сохранения текущей температуры и давления. Частицы твердых веществ располагаются тесно друг от друга и образуют определенную структуру, которую называют кристаллической решеткой.
Эталонным примером регулярной кристаллической решетки является кристалл.
Жидкое агрегатное состояние
Отличительным свойством жидкости является их текучесть, вследствие чего они способны менять свою форму. Жидкость, налитая в сосуд, моментально принимает его форму и под воздействием гравитационной силы Земли располагается на его дне. Граница верхней поверхности жидкости при этом образует гладкую плоскость. Кинетическая энергия движения молекул воды превосходит их взаимное притяжение, которое не способно в свою очередь удержать их не месте. Молекула воды словно перекатывается от одной к другой создавая видимую нашим глазом текучесть.
Жидкость, в отличие от твердых тел, не имеет кристаллической решетки.
Газообразное агрегатное состояние
Газообразное вещество как и жидкость заполняет сосуд, только в отличии от жидкости — весь его объем. Прощу говоря, наполовину налитая жидкость в сосуд не может заполнить весь ее объем, а газ может. Это достигается благодаря очень высокой кинетической энергии молекул газа, которая в разы превосходит энергию их взаимного притяжения, а также гравитационную силу. Поэтому газ не скатывается как жидкость на дно сосуда. Газ, как и жидкость не имеет кристаллической решетки в отличии от твердого тела.
Взаимное расположения между молекулами газа свободно изменяется, что позволяет различным телам проходить сквозь его молекулы.
Точка плавления
Физические агрегатные состояния веществ способны переходить с одного вида в другие — из твердых в жидкие, из жидких в газообразные при изменении их температуры. Изменение температуры ведет к увеличению или к уменьшению кинетической энергии. Переход твердого вещества в жидкое называют плавлением.
Границу перехода из твердого состояния в жидкое задает так называемая точка плавления с температурой, способной возбудить кинетическую энергию в частице, которой будет достаточно, чтобы отделиться от своего стационарного положения кристаллической решетки. Чем больше температура, тем больше передаваемая кинетическая энергия частицам элемента. Чем сильнее сила притяжения между частицами, тем больше необходимо создать кинетической энергии для высвобождения частиц из кристаллической решетки.
Во время литья расплавленное (раскаленное добела) железо выливается в приготовленную форму.
При температуре ниже 1535 0С железо затвердевает, принимая вид литейной формы.
Температура плавления вещества зависит от сил притяжения составляющих его частиц.
Для гелия эти силы настолько малы, что он становится твердым при давлении по крайней мере в 25 раз выше атмосферного.
Точка кипения
Пожалуй, самое распространенное явление перехода жидкого состояния в газообразное в быту — это кипение воды. Заваривая чай каждый из нас мог наблюдать рождение процесса кипения воды. Маленькие пузырьки пара в толще подогревающейся воды постепенно растут и достигая критических размеров начинают подниматься на поверхность, где лопаясь превращаются в газообразное состояние — пар.
Как и в случае с плавлением существует граничная температура, называемая точкой кипения, при которой кинетическая энергия становится достаточной для того, чтобы преодолеть силы взаимного притяжения частиц, не дающие оторваться друг от друга и покинуть занимаемый объем. Любой элемент таблицы Менделеева или вещество из нескольких элементов имеет свою точку кипения. Чистая дистиллированная вода (H2O) имеет температуру кипения 100 0С, этиловый спирт — (-79 0С), а высококонцентрированная серная кислота кипит при температуре 338 0С.
Температура кипения также зависит от давления и сил притяжения между частицами.
Однако, существуют исключения, при котором вещества могут миновать при переходе из одного агрегатного состояния в другую целую фазу превращения — переходя из твердого сразу в газообразную. Этот эффект называют сублимацией или возгонкой.
Видео подборки опытов с сухим льдом
В качестве примера можно привести превращение сухого льда (диоксид углерода в твердом виде сразу в газообразное при температуре -78,5 0С.
Влияние давления и различных примесей на кипение или плавление
Вторым фактором, влияющим на агрегатное состояние вещества это давление. Повышая давление сила прижатия одной частицы вещества к другой растет, и таким образом необходимо для перехода из одного состояния в другое приложить большую кинетическую энергию (температуру). Образуется следующая взаимосвязь: температура кипения и плавления растет при повышении давления.
Примеси в частицах вещества также влияют на фактическую температуру плавления или кипения за чтоб того, что они влияют на существующие силы притяжения между частицами. Одним из ярких примеров влияние примесей — рассыпанные кристаллы соли на льду, которые заставляют лед превращаться в жидкость при температуре окружающей среды ниже нуля.
А что на счет такого агрегатного состояния вещества как «плазма». Почему нет в списке? Или вы не считаете это состояние каноничным в физическом смысле?