Агрегатные состояния вещества

Агрегатные состояния вещества (от латинского aggrego — присоединяю, связываю) — это состояния одного и того же вещества, переходам между которыми соответствуют скачкообразные изменения свободной энергии, энтропии, плотности и других физических параметров вещества.
Газ (французское gaz, происшедшее от греческого chaos — хаос) — это агрегатное состояние вещества, в котором силы взаимодействия его частиц, заполняющих весь предоставленный им объем, пренебрежимо малы. В газах межмолекулярные расстояния велики и молекулы движутся практически свободно.

Газы можно рассматривать как значительно перегретые или малонасыщенные пары. Над поверхностью каждой жидкости вследствие испарения находится пар. При повышении давления пара до определенного предела, называемого давлением насыщенного пара, испарение жидкости прекращается, так как давление пара и жидкости становится одинаковым. Уменьшение объема насыщенного пара вызывает конденсацию части пара, а не повышение давления. Поэтому давление пара не может быть выше давления насыщенного пара. Состояние насыщения характеризуется массой насыщения, содержащейся в 1м массой насыщенного пара, которая зависит от температуры. Насыщенный пар может стать ненасыщенным, если увеличивать его объем или повышать температуру. Если температура пара много выше точки кипения, соответствующей данному давлению, пар называется перегретым.

Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Солнце, звезды, облака межзвездного вещества состоят из газов — нейтральных или ионизованных (плазмы). В отличие от других агрегатных состояний плазма представляет собой газ заряженных частиц (ионов, электронов), которые электрически взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях, но не обладают ни ближним, ни дальним порядками в расположении частиц.

Жидкость- это агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Жидкостям присущи некоторые черты твердого вещества (сохраняет свой объем, образует поверхность, обладает определенной прочностью на разрыв) и газа (принимает форму сосуда, в котором находится). Тепловое движение молекул (атомов) жидкости представляет собой сочетание малых колебаний около положений равновесия и частых перескоков из одного положения равновесия в другое. Одновременно происходят медленные перемещения молекул и их колебания внутри малых объемов, частые перескоки молекул нарушают дальний порядок в расположении частиц и обусловливают текучесть жидкостей, а малые колебания около положений равновесия обусловливают существование в жидкостях ближнего порядка.

Жидкости и твердые вещества, в отличие от газов, можно рассматривать как высоко конденсированные среды. В них молекулы (атомы) расположены значительно ближе друг к другу и силы взаимодействия на несколько порядков больше, чем в газах. Поэтому жидкости и твердые вещества имеют существенно ограниченные возможности для расширения, заведомо не могут занять произвольный объем, а при постоянных давлении и температуре сохраняют свой объем, в каком бы объеме их не размещали. Переходы из более упорядоченного по структуре агрегатного состояния в менее упорядоченное могут происходить и непрерывно. В связи с этим вместо понятия агрегатного состояния целесообразно пользоваться более широким понятием — понятием фазы.

Фазой называется совокупность всех частей системы, обладающих одинаковым химическим составом и находящихся в одинаковом состоянии. Это оправдано одновременным существованием термодинамически равновесных фаз в многофазной системе: жидкости со своим насыщенным паром; воды и льда при температуре плавления; двух несмешивающихся жидкостей (смесь воды с триэтиламином), отличающихся концентрациями; существованием аморфных твердых веществ, сохраняющих структуру жидкости (аморфное состояние).

Аморфное твердое состояние вещества является разновидностью переохлажденного состояния жидкости и отличается от обычных жидкостей существенно большей вязкостью и численными значениями кинетических характеристик.
Кристаллическое твердое состояние вещества — это агрегатное состояние, которое характеризуется большими силами взаимодействия между частицами вещества (атомами, молекулами, ионами). Частицы твердых тел совершают колебания около средних равновесных положений, называемых узлами кристаллической решетки; структура этих веществ характеризуется высокой степенью упорядоченности (дальним и ближним порядком) — упорядоченностью в расположении (координационный порядок), в ориентации (ориентационный порядок) структурных частиц, или упорядоченностью физических свойств (например, в ориентации магнитных моментов или электрических дипольных моментов). Область существования нормальной жидкой фазы для чистых жидкостей, жидкого и жидких кристаллов ограничена со стороны низких температур фазовыми переходами соответственно в твердое (кристаллизацией), сверхтекучее и жидко-анизотропное состояние

Кипение

Кипение — это процесс интенсивного испарения, который происходит при давлении пара жидкости, равном давлению окружающей среды. Для подъема давления пара до этого уровня необходимо передать жидкости большое количество энергии. Энергия увеличивает температуру жидкости до температуры насыщения. При повышении температуры жидкости увеличивается кинетическая энергия и количество молекул, отделяющихся от жидкости, давление пара у поверхности жидкости также повышается. Молекулы, обладающие высокой энергией у поверхности жидкости, нарушают связи и преодолевают силу притяжения. При подъеме над поверхностью жидкости их масса увеличивается, и давление, действующее на поверхность жидкости, повышает давление пара. Как,только давление пара сравняется с окружающим атмосферным давлением, атмосфера больше не может препятствовать отделению молекул от жидкости, и начинается кипение. Например, чтобы поднять давление пара воды комнатной температуры до атмосферного, температуру жидкости необходимо поднять до 100°С. Такое увеличение температуры поставляет кинетическую энергию, которая отделяет достаточное количество молекул от поверхности жидкости, и их общая масса вызывает давление пара 101,3 кПа. Кипение происходит, когда температура и давление пара жидкости пересекаются с температурой насыщения.

Для процесса кипения необходимо непрерывно поставлять дополнительную энергию для поддержания давления пара. Энергия производит необходимое преобразование потенциальной энергии молекул для изменения фазы скрытой теплоты.

Кипение характеризуется значительным движением и быстрым возникновением пузырей пара во всем объеме жидкости. Пузыри расширяются и поднимаются к поверхности жидкости в результате разницы плотности жидкости и пара. Пузыри разрушаются у поверхности и выпускают пар в окружающую среду. При разрушении пузырей пара у поверхности жидкости в атмосферу попадают крошечные капельки жидкости. Именно данные капли воды делают пар видимымнад сосудом.

Конденсация

Конденсация — это процесс с участием скрытой теплоты, в результате которого пар переходит в жидкую фазу. Это происходит всякий раз, когда насыщенный пар подвергается температуре ниже температуры насыщения. Так как насыщенный пар существует в точке кипения жидкости, он находится в самой низкой температуре, которая возможна для сохранения свойств пара. Следовательно, минимальное понижение температуры заставляет пар конденсироваться. Когда насыщенный пар охлаждается, его молекулы попадают под действие сил жидкой молекулярной структуры и возвращаются в жидкое состояние.

Если конденсация происходит в закрытом сосуде, плотность (кг/м3) и давление пара уменьшаются. В результате происходит соответствующее уменьшение температуры насыщения жидкости. Для поддержания процесса конденсации при таких условиях температура жидкости должна непрерывно уменьшаться, чтобы соответствовать уменьшению давления насыщения. И наоборот, если пар непрерывно подается в сосуд для замещения массы пара, который конденсируется и отводится из сосуда, его плотность, давление и температура насыщения будут постоянными. Такой способ конденсации используется в системах машинного охлаждения и продолжается до полного извлечения теплоты из пара.