Агрегатные состояния вещества

Выделяют четыре основных агрегатных состояния вещества: твёрдое,жидкое, газообразное и плазма. Плазма – частично или полностью ионизированный газ (пар) при условии соблюдения электрической квазинейтральности. В данном курсе лекций по общей физике не рассматривается плазменное состояние вещества.

В газах и жидкостях частицы совершают хаотическое поступательное движение, а в твёрдых веществах – колебательное движение вокруг положения равновесия.

Тепловое движение молекул жидкости затруднено по сравнению с движением молекул газа, так как в жидкостях расстояние между молекулами сравнимо с их размерами и поэтому потенциальная энергия взаимодействия молекул соизмерима с энергией их теплового движения.

Потенциальной энергии взаимодействия молекул жидкости недостаточно для сохранения устойчивой межмолекулярной структуры, как в кристаллических твёрдых телах. Жидкость легко принимает форму сосуда, в который она налита.

Промежуточное положение между кристаллическими твёрдыми телами и жидкостями занимают аморфные тела, для которых характерно долговременное сохранение формы при отсутствии упорядоченной кристаллической решётки.

Среди жидкостей выделяют особый класс – жидкие кристаллы, механические свойства которых близки к свойствам жидкости, но при этом для них, как и для твёрдых кристаллических тел, характерно наличие анизотропии свойств, что позволяет использовать их в дисплеях компьютеров и телевизоров.

Условия равновесия фаз

Фазой называют макроскопическую часть вещества, имеющую однородный физико-химический состав.

Если черезграницы раздела фаз не происходит макроскопический перенос, а сами фазы находятся в состоянии термодинамического равновесия, то такая система, состоящая из разных фаз, будет находиться в состоянии термодинамического равновесия.

Для теплового равновесия фаз должно выполняться равенство температур с разных сторон границы раздела фаз: .

Для механического равновесия фаз должно выполняться условие

, где

– дополнительное давление на первую фазу, создаваемое границей её раздела со второй фазой.

Если в качестве многофазной системы выступает система, состоящая из фаз одного и того же вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях (вода, лёд, пар) то возможны фазовые превращения т.е. процессы превращения вещества из одного агрегатного состояния в другое. Для устойчивого равновесия системы, состоящей из находящихся в различных агрегатных состояниях фаз одного и того же вещества необходимо равенство их удельных термодинамических потенциалов:

.

Удельным термодинамическим потенциалом называют отношение термодинамического потенциала (потенциала Гиббса) данной фазы термодинамической системы к массе этой фазы.

Термодинамическим потенциалом Гиббса (энергией Гиббса) называют функцию состояния

В отличие от удельных термодинамических потенциалов, имеющих одинаковые значения на границе раздела фаз, при фазовых превращениях производные этих потенциалов в различных фазах могут отличаться. Если первые производные удельных термодинамических потенциалов для различных фаз не равны между собой:

,

то такое фазовое превращение называют фазовым переходом первого рода. Характерной особенностью таких переходов является поглощение или выделение теплоты при их осуществлении. К фазовым переходам первого рода относятся превращения при испарении, конденсации, плавлении и кристаллизации вещества.

Если при фазовом превращении первые производные удельных термодинамических потенциалов φ₁и φ₂ для различных фаз одинаковы, а вторые производные различны, то такие превращения называют фазовыми переходами второго рода. При таких переходах теплота не выделяется и не поглощается, но для них характерны скачкообразные изменения теплоёмкости, температурного коэффициента расширения и сжимаемости вещества. Примерами фазовых переходов второго рода являются превращения магнитного сплава из ферромагнитного состояния в парамагнитное, переход вещества в сверхпроводящее состояние и переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние.