Агрегатные состояния вещества

Разновидности упорядоченности

(на примерах воды и льда)

В газе (паре) расположение молекул неупорядочено.

В жидкости расположение молекул не беспорядочно: в большинстве жидкостей есть ближний порядок а в некоторых – даже дальний.

Каждую молекулу воды окружают 5 – 6 соседних, расположенных в основном в вершинах неправильного пятиугольника. Вблизи другой молекулы соседние молекулы тоже образуют пятиугольник, но иной формы.

Порядок в расположении молекул вещества, соблюдающийся только вблизи данной молекулы, - ближний порядок.

В твердых телах (монокристаллах) упорядоченность – в пределах всего вещества, т.е. дальний порядок.

Испарение жидкостей и конденсация пара

Испарение – парообразование со свободной поверхности жидкости, конденсация – обратный процесс, т.е. образование жидкости из пара. (Образование инея, снега – тоже конденсация). Если испарение преобладает над конденсацией, пар ненасыщенный. При взаимном уравновешивании этих процессов пар насыщенный.

Чем больше , тем больше .

Если жидкость испаряется в замкнутом пространстве, можно измерять манометром. Давление водяного пара, содержащегося в воздухе, измерить нельзя. Это давление (парциальное давление, от «part») составляет часть измеряемого барометром давления.

Кипение

- - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Это парообразование внутри жидкости. В этом процессе участвуют находящиеся в жидкости газовые пузырьки. Кипение жидкости при неизменном давлении происходит при строго определенной неизменной температуре. Чем больше давление над жидкостью, тем больше температура кипения.

Влажность воздуха. Точка росы

Абсолютная влажность – это парциальное давление пара в воздухе или плотность этого пара.

Относительная влажность :

-

это отношение парциального давления пара (или плотности пара) к давлению (или плотности) насыщенного пара при данной температуре.

Точка росы – это температура, при которой находящийся в воздухе пар становится насыщенным.

Смачивание. Капиллярные явления

= = = = = =

= = = = =

= = = = = = = = = = = = =

= = = = = = = = = = =

= = = = = = = = = = = =

= = = = = = = = = = = = = = =

а) б)

Смачивая стеклянные стенки капилляра, жидкость поднимается в капилляре на высоту , образуя вогнутый мениск, и приподнимается около внешних стенок (а). Несмачивающая жидкость опускается в капилляр и отходит от внешних стенок, мениск при этом выпуклый (б). Из условия : высота поднятия жидкости в капилляре

,

где - поверхностное натяжение жидкости, - ее плотность, - радиус капилляра. Капиллярность очень важна в живом мире (движение влаги в почве, движение питательных соков в растениях) и в технике (подъем спирта или керосина в фитиле, окрашивание тканей и кожи).

Твердые тела

Истинно твердые тела – кристаллы. В пределах всего тела дальний порядок сохраняется только в монокристаллах (условное строение монокристалла – кубики, сложенные в один большой куб). В природе монокристаллы редки, чаще встречаются поликристаллы. Они состоят из множества маленьких монокристаллов (кристаллов, зерен), расположенных неупорядочено друг относительно друга (модель поликристалла – не сложенные, а насыпанные кубики).

Кристаллическая решетка. Элементарная ячейка

Кубическая Гексагональная

ячейка ячейка

Условное изображение дальнего порядка в монокристалле – решетка, в узлах которой - атомы. Наименьшее образование, многократным повторением которого можно получить монокристалл, - элементарная ячейка. Наиболее распространенными в природе являются кубическая (у железа, алюминия, каменной соли) и гексагональная (у цинка, магния, кадмия).

Анизотропия

Это неодинаковость большинства физических свойств вещества (за исключением теплоемкости и плотности) в различных направлениях. Если провести по две прямые через центры ближайших атомов в различных направлениях (1, 2, 3, 4), то расстояния между каждой парой прямых (а, значит, и между соответствующими атомными плоскостями) окажутся различными: и -максимальны, - минимально. Следовательно, прочность монокристалла (связь между молекулами) была бы минимальной при воздействии на него в направлениях 1 и 2. Поликристаллы, в отличие от монокристаллов, изотропны (каждый кристаллит анизотропен, но располагаются кристаллиты неупорядоченно).

2

4 3

Жидкие кристаллы

Это жидкости с дальним порядком в расположении молекул.

В отличие от твердых кристаллов, в жидких кристаллах дальний порядок наблюдается только в одном направлении.

Известно более 3 000 различных жидких кристаллов, многие из них биологического происхождения.

Примечание: цифровая индикация (в том числе и часах), преобразование инфракрасного излучения в видимое; получение плоских экранов мониторов; термоиндикация; ультразвуковая медицинская диагностика вместо рентгеновской.

Аморфные тела

Так называют многие вещества (различные смолы, воск, стекло, пластмассы), обладающие ближним порядком. По структуре такие вещества – жидкости (очень вязкие).

Плавление

При нагревании кристаллического вещества увеличивается амплитуда колебаний его молекул, растет хаотичность их движения, и при достаточно высокой температуре исчезает дальний порядок (вещество плавится). Химически простые кристаллы плавятся при строго определенной температуре (точка плавления). Обратный процесс – кристаллизация.

Рассмотрим нагрев кристаллического вещества. Интервал - нагрев тела; - плавление тела ; - нагрев расплава; - кипение расплава .

0

У сплавов существует интервал температур, в котором происходит плавлении е. Аморфные тела не плавятся, а размягчаются (уменьшается их вязкость), они не имеют .

Теплофизические характеристики вещества

1. Удельная теплоемкость

Чем больше масса нагреваемого вещества и чем большего изменения температуры нужно достичь, тем большего времени требуется, и чем большее количество теплоты нужно подвести к веществу:

.

Для различных веществ одинаковой массы для достижения одинаковых изменений температур требуется различное количество теплоты :

.

Коэффициент (от «capacity» - емкость) – удельная теплоемкость.

.

Эта величина численно равна количеству теплоты, которое получает или отдает 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 К.

2. Удельная теплота плавления

Чем больше масса расплавляемого вещества, тем большее количество теплоты требуется, чтобы его расплавить:

.

Удельная теплота плавления численно равна количеству теплоты, которое необходимо передать одному килограмму кристаллического вещества, нагретого до температуры плавления, чтобы превратить его в жидкость той же температуры.

Для процесса кристаллизации

,

в этом случае - удельная теплота кристаллизации.

3. Удельная теплота парообразования

Как и в предыдущем случае, (чем жидкости больше, тем дольше ее испарять, тем большее количество теплоты требуется).

.

Удельная теплота парообразования численно равна количеству теплоты, необходимому, чтобы при постоянной температуре 1 кг жидкости превратить в пар.

Для процесса конденсации

,

в этом случае - удельная теплота конденсации.

4. Удельная теплота сгорания (теплотворная способность).

Чем больше сгорает топлива, тем больше тепловыделение: . Различные вещества выделяют различное количество теплоты :

.

Удельная теплота сгорания численно равна количеству теплоты, выделяющемуся при сгорании 1кг вещества.

Уравнение теплового баланса

Оно выражает закон сохранения энергии в процессах теплообмена.

Для тел, находящихся в тепловом контакте:

.

( для тел, получающих тепло, для тел, отдающих тепло).

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Раздел физики, изучающий покоящиеся заряженные тела (или частицы) и их взаимодействие.