АГРЕГАТНЕ СТАН РЕЧОВИН

1. Діаграми стану.

Агрегатний стан - це стан речовини в певному інтервалі температур і тисків, характеризується властивостями: здатністю (тверде тіло) або нездатністю (рідина, газ) зберігати обсяг і форму; наявністю або відсутністю далекого (тверде тіло) або близького (рідина) порядку і іншими властивостями.

Речовина може перебувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому або газоподібному, в даний час виділяють додатково полум'яне (іонну) стан.

У газоподібному стані відстань між атомами і молекулами речовини велике, сили взаємодії малі і частки, хаотично переміщуючись в просторі, мають великий кінетичної енергією , Що перевищує потенційну енергію. Матеріал в газоподібному стані не має ні своєї форми, ні об'єму. Газ заповнює весь доступний простір. Цей стан властиво для речовин з малою щільністю.

У рідкому стані зберігається лише ближній порядок атомів або молекул , Коли в обсязі речовини періодично виникають окремі ділянки з упорядкованим розташуванням атомів, однак взаємна орієнтація цих ділянок також відсутня. Близький порядок нестійкий і під дією теплових коливань атомів може або зникати, або виникати знову. Молекули рідини не мають певного положення, і в той же час їм недоступна повна свобода переміщення. Матеріал в рідкому стані своєї форми не має, зберігає лише обсяг. Рідина може займати тільки частину обсягу судини, але вільно перетікати по всій поверхні посудини. Рідкий стан зазвичай вважають проміжним між твердим тілом і газом.

У твердому речовині порядок розташування атомів стає строго певним, закономірно впорядкованим, сили взаємодії частинок взаємно врівноважені, тому тіла зберігають свою форму і об'єм. Закономірно впорядковане розташування атомів в просторі характеризує кристалічний стан, атоми утворюють кристалічну решітку.

Тверді тіла мають аморфну ​​або кристалічну будову. Для аморфних тіл характерний тільки ближній порядок в розташуванні атомів або молекул, хаотичне розташування атомів, молекул або іонів в просторі. Прикладами аморфних тіл є скло, пек, вар, зовні що знаходяться в твердому стані, хоча насправді вони повільно течуть, подібно рідини. Певної температури плавлення у аморфних тіл, на відміну від кристалічних, немає. аморфні тіла займають проміжне положення між кристалічними твердими тілами і рідинами.

Більшість твердих тіл має кристалічну будову, яке відрізняється впорядкованим розташуванням атомів або молекул в просторі. Для кристалічної структури властивий дальній порядок, коли елементи структури періодично повторюються; при ближньому порядку таке правильне повторення відсутній. Характерною особливістю кристалічного тіла є здатність зберігати форму. Ознакою ідеального кристала, моделлю якого служить просторова решітка, є властивість симетрії. Під симетрією розуміється теоретична здатність кристалічної решітки твердого тіла поєднуватися самої з собою при дзеркальному відображенні її точок від деякої площини, яку називають площиною симетрії. Симетрія зовнішньої форми відображає симетрію внутрішньої структури кристала. Кристалічну структуру мають, наприклад, всі метали, для яких характерні два типи симетрії: кубічна і гексагональна.

В аморфних структурах з неврегульованим розподілом атомів властивості речовини в різних напрямках однакові, т. Е стеклообразниє (аморфні) речовини ізотропні.

Для всіх кристалів характерна анізотропія . У кристалах відстані між атомами впорядковані, але в різних напрямках ступінь впорядкованості може бути неоднаковою, що призводить до відмінності властивостей речовини кристала в різних напрямках. Залежність властивостей речовини кристала від напряму в його решітці називають анізотропією властивостей. Анізотропія проявляється при вимірюванні як фізичних, так і механічних та інших характеристик. Існують властивості (щільність, теплоємність), які не залежать від напрямку в кристалі. Більшість же характеристик залежить від вибору напрямку.

Виміряти властивості можливо у об'єктів, що мають певний матеріальний об'єм: розміри - від декількох міліметрів до десятків сантиметрів. Ці об'єкти з будовою, ідентичним кристалічної осередку, називаються монокристалами.

Анізотропія властивостей проявляється в монокристалах і практично відсутній в поликристаллическом речовині, що складається з безлічі дрібних хаотично орієнтованих кристалів. Тому полікристалічні речовини називають квазіізотропнимі.

Кристалізація полімерів, молекули яких можуть розташовуватися впорядковано з утворенням надмолекулярних структур у вигляді пачок, клубків (глобул), фібрил і ін., Відбувається в певному інтервалі температур. Складну будову молекул і їх агрегатів визначає специфіку поведінки полімерів при нагріванні. Вони не можуть перейти в рідкий стан з низькою в'язкістю, не мають газового стану. У твердому вигляді полімери можуть знаходитися в склоподібного, високоеластіческом і вязкотекучем станах. Полімери з лінійними або розгалуженими молекулами при зміні температури можуть переходити з одного стану в інший, що проявляється в процесі деформації полімеру. На рис. 9 приведена залежність деформації від температури.

Мал. 9 Термомеханічна крива аморфного полімеру : T c, t т, t р - температури склування, плинності і почала хімічного розкладання відповідно; I - III - зони стеклообразного, високоеластичного і вязкотекучего стану відповідно; Δ l - деформація.

Просторова структура розташування молекул визначає тільки склоподібного стану полімеру. При низьких температурах всі полімери деформуються пружно (рис. 9, зона I). Вище температури склування t c аморфний полімер з лінійною структурою переходить у високоеластичний стан (зона II), і його деформація в склоподібного і високоеластіческом станах оборотна. Нагрівання вище температури текучості t т переводить полімер в в'язкотекучий стан (зона III). Деформація полімеру в в'язкотекучий стані необоротна. Аморфний полімер з просторовою (сітчастої, зшитою) структурою не має вязкотекучего стану, температурна область високоеластичного стану розширюється до температури розкладання полімеру t р. Така поведінка характерна для матеріалів типу гуми.

Температура речовини в будь-якому агрегатному стані характеризує середню кінетичну енергію його частинок (атомів і молекул). Ці частинки в тілах мають в основному кінетичної енергією коливання щодо центру рівноваги, де енергія мінімальна. При досягненні певної критичної температури твердий матеріал втрачає свою міцність (стійкість) і розплавляється, а рідина перетворюється на пару: кипить і випаровується. Цими критичними температурами є температури плавлення і кипіння.

При нагріванні кристалічного матеріалу при певній температурі молекули рухаються настільки енергійно, що жорсткі зв'язку в полімері порушуються і кристали руйнуються - переходять в рідкий стан. Температура, при якій кристали і рідина знаходяться в рівновазі, називається точкою плавлення кристала, або точкою затвердіння рідини. Для йоду ця температура дорівнює 114оС.

Кожен хімічний елемент має індивідуальної температурою плавлення t пл, що розділяє існування твердого тіла і рідини, і температурою кипіння t кип, відповідної переходу рідини в газ. При цих температурах речовини знаходяться в термодинамічній рівновазі. Зміна агрегатного стану може супроводжуватися стрибкоподібним зміною вільної енергії, ентропії, густини і інших фізичних величин.

Для опису різних станів у фізиці використовується більш широке поняття термодинамічної фази. Явища, що описують переходи з однієї фази в іншу, називають критичними.

При нагріванні речовини зазнають фазові перетворення. Мідь при плавленні (1083оС) перетворюється в рідину, в якій атоми мають тільки ближній порядок. При тиску 1 атм мідь кипить при 2310оС і перетворюється в газоподібну мідь з безладно розташованими атомами міді. У точці плавлення тиску насиченої пари кристала і рідини рівні.

Матеріал в цілому являє собою систему.

Система - група речовин, об'єднаних фізичними, хімічними або механічними взаємодіями. Фазою називають однорідну частину системи, відділену від інших частин фізичними межами розділу (в чавуні: графіт + зерна заліза; в воді з льодом: лід + вода). Складові частини системи - це різні фази, що утворюють дану систему. Компоненти системи - це речовини, що утворюють всі фази (складові частини) даної системи.

Матеріали, що складаються з двох і більше фаз, є дисперсні системи . Дісперсниесістеми поділяють на золі, поведінка яких нагадує поведінку рідин, і гелі з характерними властивостями твердих тіл. У золях дисперсійним середовищем, в якій розподілено речовина, є рідина, в гелях переважає тверда фаза. Гелями є напівкристалічних метал, бетон, розчин желатину у воді при низькій температурі (при високій температурі желатин переходить в золь). Гидрозолей називають дисперсію в воді, аерозолем - дисперсію в повітрі.

Діаграми стану.

В термодинамічній системі кожна фаза характеризується такими параметрами, як температура Т, концентрація з і тиск Р. Для опису фазових перетворень використовується єдина енергетична характеристика - вільна енергія Гіббса ΔG (термодинамічний потенціал).

Термодинаміка при описі перетворень обмежується розглядом стану рівноваги. Рівноважний стан термодинамічної системи характеризується незмінністю термодинамічних параметрів (температури і концентрації, так як в технологічних обробках Р = const) в часі і відсутністю в ній потоків енергії і речовини - при сталості зовнішніх умов. Фазовий рівновагу - рівноважний стан термодинамічної системи, що складається з двох або більшого числа фаз.

Для математичного опису умов рівноваги системи існує правило фаз, виведене Гиббсом. Воно пов'язує число фаз (Ф) і компонентів (К) в рівноважної системі з вариантностью системи, т. Е. Числом термодинамічних ступенів свободи (С).

Число термодинамічних ступенів свободи (варіантність) системи - це число незалежних змінних як внутрішніх (хімічний склад фаз), так і зовнішніх (температура), яким можна надавати різні довільні (в деякому інтервалі) значення так, щоб не з'явилися нові і не зникли старі фази .

Рівняння правила фаз Гіббса:

С = К - Ф + 1.

Відповідно до цього правила в системі з двох компонентів (К = 2) можливі наступні варіанти ступенів свободи:

- для однофазного стану (Ф = 1) З = 2, т. Е. Можна змінювати температуру і концентрацію;

- для двофазного стану (Ф = 2) С = 1, т. Е. Можна змінювати тільки один зовнішній параметр (наприклад, температуру);

- для трифазного стану число ступенів свободи дорівнює нулю, т. Е. Не можна міняти температуру без порушення рівноваги в системі (система нонваріантна).

Наприклад, для чистого металу (К = 1) під час кристалізації, коли є дві фази (Ф = 2), число ступенів свободи дорівнює нулю. Це означає, що температура кристалізації не може бути змінена, поки не закінчиться процес і не залишиться одна фаза - твердий кристал. Після закінчення кристалізації (Ф = 1) число ступенів свободи дорівнює 1, тому можна міняти температуру, т. Е. Охолоджувати тверда речовина, не порушуючи рівноваги.

Поведінка систем в залежності від температури і концентрації описується діаграмою стану. Діаграма стану води - система з одним компонентом H2O, тому найбільше число фаз, які одночасно можуть перебувати в рівновазі, дорівнює трьом (рис. 10). Ці три фази - рідина, лід, пар. Число ступенів свободи в цьому випадку дорівнює нулю, тобто не можна змінити ні тиск, ні температуру, щоб не зникла жодна з фаз. Звичайний лід, рідка вода і водяна пара можуть існувати в рівновазі одночасно тільки при тиску 0,61 кПа і температурі 0,0075 ° С. Точка співіснування трьох фаз називається потрійною точкою (O).

Крива ОС розділяє області пара і рідини і являє собою залежність тиску насиченої водяної пари від температури. Крива ОС показує ті взаємопов'язані значення температури і тиску, при яких рідка вода і водяна пара знаходяться в рівновазі один з одним, тому вона називається кривою рівноваги рідина - пар або кривої кипіння.

Рис 10 Діаграма стану води

Крива ОВ відокремлює область рідини від області льоду. Вона є кривою рівноваги твердий стан - рідина і називається кривою плавлення. Ця крива показує ті взаємопов'язані пари значень температури і тиску, при яких лід і рідка вода знаходяться в рівновазі.

Крива OA називається кривою сублімації і показує взаємопов'язані пари значень тиску і температури, при яких в рівновазі знаходяться лід і водяну пару.

Діаграма стану - наочний спосіб представлення областей існування різних фаз в залежності від зовнішніх умов, наприклад від тиску і температури. Діаграми стану активно використовуються в матеріалознавстві на різних технологічних етапах отримання вироби.

Рідина відрізняється від твердого кристалічного тіла малими значеннями в'язкості (внутрішнього тертя молекул) і високими значеннями плинності (величина, зворотна в'язкості). Рідина складається з безлічі агрегатів молекул, всередині яких частинки розташовані в певному порядку, подібно порядку в кристалах. Природа структурних одиниць і межчастичного взаємодії визначає властивості рідини. Розрізняють рідини: моноатомной (зріджені благородні гази), молекулярні (вода), іонні (розплавлені солі), металеві (розплавлені метали), рідкі напівпровідники. У більшості випадків рідина є не тільки агрегатним станом, але і термодинамічної (рідкої) фазою.

Рідкі речовини найчастіше представляє собою розчини. Розчин однорідний, але не є хімічно чистою речовиною, складається з розчиненої речовини і розчинника (приклади розчинника - вода або органічні розчинники: дихлоретан, спирт, чотирихлористий вуглець та ін.), Тому є сумішшю речовин. Приклад - розчин спирту в воді. Однак розчинами також є суміші газоподібних (наприклад, повітря) або твердих (сплави металів) речовин.

При охолодженні в умовах малої швидкості утворення центрів кристалізації і сильного збільшення в'язкості може виникнути склоподібний стан. Скло - це ізотропні тверді матеріали, одержувані переохолодженням розплавлених неорганічних і органічних сполук.

Відомо багато речовин, перехід яких з кристалічного стану в ізотропне рідке здійснюється через проміжне рідкокристалічний стан. Воно характерно для речовин, молекули яких мають форму довгих стрижнів (паличок) з асиметричною будовою. Такі фазові переходи, супроводжувані тепловими ефектами, викликають стрибкоподібне зміна механічних, оптичних, діелектричних та інших властивостей.

Рідкі кристали, подібно рідини, можуть приймати форму подовженої краплі або форму судини, мають високу плинністю, здатні до злиття. Вони отримали широке застосування в різних областях науки і техніки. Їх оптичні властивості сильно залежать від невеликих змін зовнішніх умов. Ця особливість використовується в електрооптичних пристроях. Зокрема, рідкі кристали застосовують при виготовленні електронних наручних годинників, візуальної апаратури та ін.

До числа основних агрегатних станів відноситься плазма - частково або повністю іонізований газ. За способом утворення розрізняють два види плазми: термічну, що виникає при нагріванні газу до високих температур, і газоподібну, що утворюється при електричних розрядах в газовому середовищі.

Плазмохімічні процеси зайняли міцне місце в ряді галузей техніки. Вони застосовуються для різання та зварювання тугоплавких металів, синтезу різних речовин, широко використовують плазмові джерела світла, перспективно застосування плазми в термоядерних енергетичних установках та ін.

Не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком: