Агрегатные состояния

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА В г. ТАГАНРОГЕ

РЕФЕРАТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ КОНЦЕПЦИИ  СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

«СИММЕТРИЯ В НЕЖИВОЙ  И ЖИВОЙ ПРИРОДЕ»

«АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ»

Выполнила студентка Жмак П.С

Группы М-129

Проверил Клопченко В.С

ТАГАНРОГ

2009

Введение. Агрегатные состояния.

Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом  упорядочены молекулы и как они  взаимодействуют между собой. В  обычной жизни наблюдаются три агрегатных состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное, переходы между которыми сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии вещества, энтропии, плотности и других физических характеристик. Имеется, однако, и четвертое состояние, которые физики склонны относить к числу агрегатных. Это плазменное состояние.

Агрегатные состояния (от лат. aggrego - присоединяю) - состояния одного и того же вещества в различных интервалах температур и давлений. С увеличением температуры газов при фиксированном давлении они переходят в состояние частично, а затем полностью ионизированной плазмы. С увеличением давления (в звездах) вещество переходит в состояние вырожденной плазмы, нейтронной жидкости и т. д.

Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено  различиями в тепловом движении его  молекул/атомов и в их взаимодействии.

Но понятие агрегатного  состояния не является точно определенным. Более точным является понятие фазы.

Выделяют следующие разновидности фаз:

1. переход из твёрдого в жидкое — плавление;
2. переход из жидкого в газообразное — испарение и кипение;
3. переход из твёрдого в газообразное — сублимация;
4. переход из газообразного в жидкое или твёрдое — конденсация.

Плавле́ние — переход тела из кристаллического твёрдого состояния в жидкое. Плавление происходит с поглощением удельной теплоты плавления и является фазовым переходом первого рода. Многие вещества при нормальном давлении не имеют жидкой фазы. При нагревании они путем сублимации сразу переходят в газообразное состояние.

Испаре́ние — физический процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар) с поверхности жидкости. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое).

Кипе́ние — процесс парообразования по всему объёму жидкости (переход вещества из жидкого в газообразное состояние).

Возго́нка (сублимация) — переход вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое.

Конденса́ция паров (лат. condense — уплотняю, сгущаю) — переход вещества в жидкое или твёрдое состояние из газообразного. Температура, ниже которой происходит конденсация, называется критической.

Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы  перехода к плазменному состоянию.

Твёрдые и жидкие состояния  вещества относятся к конденсированным состояниям — атомы или молекулы вещества в них находятся настолько  близко друг к другу, что неспособны свободно двигаться.

Твёрдое тело

Твёрдое тело - агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания около положений равновесия.

Различают кристаллические  и аморфные твердые тела.

Кристаллы - твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку.

Симметрия кристаллов, свойство кристаллов совмещаться с собой  в различных положениях путём  поворотов, отражений, параллельных переносов  либо части или комбинации этих операций. Симметрия внешней формы (огранки) кристалла определяется симметрией его атомного строения, которая обусловливает  также и симметрию физических свойств кристалла.

Виды кристаллов

• Идеальный кристалл

Является, по сути, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно  ровные гладкие грани и т. д.

• Реальный кристалл

Всегда содержит различные  дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию  многогранника вследствие специфики  условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

Основной отличительный  признак кристаллов

Анизотропия (от греч. ánisos — неравный и tróроs — направление), зависимость физических свойств вещества (механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических) от направления (в противоположность изотропии — независимости свойств от направления). Примеры анизотропии: пластинка слюды легко расщепляется на тонкие листочки только вдоль определённой плоскости (параллельно этой плоскости силы сцепления между частицами слюды наименьшие); мясо легче режется вдоль волокон, хлопчатобумажная ткань легко разрывается вдоль нитки (в этих направлениях прочность ткани наименьшая).

Естественная анизотропия — наиболее характерная особенность кристаллов. Именно потому, что скорости роста кристаллов в разных направлениях различны, кристаллы вырастают в виде правильных многогранников: шестиугольные призмы кварца, кубики каменной соли, восьмиугольные кристаллы алмаза, разнообразные, но всегда шестиугольные звёздочки снежинок. Анизотропны, однако, не все свойства кристаллов. Плотность и удельная теплоёмкость у всех кристаллов не зависят от направления. Анизотропность остальных физических свойств кристаллов тесно связана с их симметрией и проявляется тем сильнее, чем ниже симметрия кристаллов.

Аморфные вещества (от др. греч. ἀ «не-» и μορφή «вид, форма») не имеют кристаллической структуры и в отличие от кристаллов не расщепляются с образованием кристаллических граней, как правило — изотропны, то есть не обнаруживают различных свойств в разных направлениях, не имеют определённой точки плавления. К аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы, клеи и др. Стекло — твердотельное состояние аморфных веществ. Аморфные вещества могут находиться либо в стеклообразном состоянии (при низких температурах), либо в состоянии расплава (при высоких температурах). Аморфные вещества переходят в стеклообразное состояние при температурах ниже температуры стеклования. При температурах свыше температуры стеклования, аморфные вещества ведут себя как расплавы, то есть находятся в расплавленном состоянии. Вязкость аморфных материалов — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества.

Изотропия (из др. греч. ί̓σος «равный, одинаковый, подобный» + τρόπος «оборот, поворот; характер») — одинаковость физических свойств во всех направлениях, инвариантность, симметрия по отношению к выбору направления (в противоположность анизотропии).

Все газы, жидкости и твёрдые  тела в аморфном состоянии изотропны  по всем физическим свойствам. У кристаллов большинство физических свойств  анизотропно. Однако чем выше симметрия кристалла, тем более изотропны его свойства. Так, у высокосимметричных кристаллов (алмаз, германий, каменная соль) упругость, прочность, электрооптические свойства анизотропны, но показатель преломления света, электропроводность, коэффициент теплового расширения и т. д. — изотропны (в менее симметричных кристаллах эти свойства также анизотропны).

Свойства

• Атомы и молекулы, составляющие твёрдое тело, плотно упакованы вместе. Другими словами, молекулы твёрдого тела практически сохраняют своё взаимное положение относительно других молекул и удерживаются между собой межмолекулярным взаимодействием.
• Многие твёрдые тела содержат в себе кристаллические структуры. В минералогии и кристаллографии под кристаллической структурой подразумевается определённый порядок атомов в кристалле. Кристаллическая структура состоит из элементарных ячеек, набора атомов расположенных в особенном порядке, который периодически повторяется во всех направлениях пространственной решётки. Расстояния между элементами этой решётки в различных направлениях называют параметром этой решётки. Кристаллическая структура и симметричность играют роль в определении множества свойств, такие как спайность кристалла, электронная зонная структура и оптические свойства.
• При применении достаточной силы любое из этих свойств может быть нарушено, вызывая остаточную деформацию.
• Твёрдые тела обладают тепловой энергией, следовательно, их атомы совершают колебательное движение. Тем не менее, это движение незначительно и не может наблюдаться или быть почувствованным при нормальных условиях.

Классификация твёрдых тел

По виду зонной структуры  твёрдые тела классифицируют на проводники, полупроводники и диэлектрики.

• проводники - зона проводимости и валентная зона перекрываются, таким образом электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твердому телу разности потенциалов, электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы.
• полупроводники - зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет менее 4эВ. Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток.
• диэлектрики - зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 4эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.

Легчайшим известным твёрдым  материалом является аэрогель. Некоторые виды аэрогеля имеют плотность 1.9 мг/см³ или 1.9 кг/м³ (1/530 плотности воды).

Аэрогель – весьма необычное творение человеческих рук.

Название «аэрогель» произошло от двух латинских слов aer — воздух и gelatus — замороженный. Поэтому аэрогель часто называют «замороженным дымом». Впрочем, по внешнему виду аэрогель действительно напоминает застывший дым.

 Аэрогель представляет собой необычный гель, в котором отсутствует жидкая фаза, полностью замещенная газообразной, вследствие чего вещество обладает рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью и т.д. Аэрогель удивителен еще и тем, что на 99.8% состоит из воздуха.

История появления аэрогеля до сих пор выяснена не до конца. Известно лишь, что первым его получил американский учёный Сэмюэль Кистлер в конце двадцатых или в тридцатом году прошлого века в Тихоокеанском колледже в Стоктоне (штат Калифорния). Получил, как это порой бывает, в научных изысканиях, почти случайно, в качестве побочного продукта кристаллизации аминокислот в суперкритических супернасыщенных жидкостях. Ученый добился получения аэрогеля, заменяя жидкость в обычном геле метанолом. После этого гель нагревался под высоким давлением до 240 градусов (критическая температура для метанола). В этот момент газообразный метанол уходил из геля, но обезвоженная пена не уменьшалась в объеме. В итоге образовывался легкий мелкопористый материал, названный в последствие аэрогелем.

«Физика твёрдого тела»

Раздел физики, изучающий  твёрдые тела называется «Физика твёрдого тела» и является подразделом физики конденсированных сред. Материаловедение главным образом рассматривает вопросы, связанные со свойствами твёрдых тел, такими как твёрдость, предел прочности, сопротивление материала нагрузкам, а также фазовые превращения. Это значительным образом совпадает с вопросами, изучаемыми физикой твёрдого тела.

Жидкое состояние  вещества

Жидкое состояние  вещества - состояние вещества, при котором оно обладает малой сжимаемостью, то есть хорошо сохраняет объём, однако неспособно сохранять форму. Жидкость легко принимает форму сосуда, в которую она помещена. Атомы или молекулы жидкости совершают колебания вблизи состояния равновесия, запертые другими атомами, и часто перескакивают на другие свободные места. Присутствует только ближний порядок.

Молекулы жидкости не имеют  определённого положения, но в тоже время им недоступна полная свобода  перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы  удержать их на близком расстоянии.

Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси. Некоторые  смеси жидкостей имеют большое  значение для жизни: кровь, морская  вода и др. Жидкости могут выполнять  функцию растворителей.

Физические свойства жидкостей

• Текучесть

Основным свойством жидкостей  является текучесть. Если к участку  жидкости, находящейся в равновесии, приложить внешнюю силу, то возникает  поток частиц жидкости в том направлении, в котором эта сила приложена: жидкость течёт. Таким образом, под  действием неуравновешенных внешних  сил жидкость не сохраняет форму  и относительное расположение частей, и поэтому принимает форму  сосуда, в котором находится.

В отличие от пластичных твёрдых тел, жидкость не имеет предела  текучести: достаточно приложить сколь  угодно малую внешнюю силу, чтобы  жидкость потекла.

• Сохранение объёма

Одним из характерных свойств  жидкости является то, что она имеет  определённый объём (при неизменных внешних условиях). Жидкость чрезвычайно  трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа, между молекулами очень мало свободного пространства. Давление, производимое на жидкость, заключенную  в сосуд, передаётся без изменения  в каждую точку объёма этой жидкости (закон Паскаля, справедлив также  и для газов). Эта особенность, наряду с очень малой сжимаемостью, используется в гидравлических машинах.

Жидкости обычно увеличивают  объём (расширяются) при нагревании и уменьшают объём (сжимаются) при  охлаждении. Впрочем, встречаются и  исключения, например, вода сжимается  при нагревании, при нормальном давлении и температуре от 0°С до приблизительно 4°С.

• Вязкость

Кроме того, жидкости (как  и газы) характеризуются вязкостью. Она определяется как способность оказывать сопротивление перемещению одной из части относительно другой - то есть как внутреннее трение.

Когда соседние слои жидкости движутся относительно друг друга, неизбежно  происходит столкновение молекул дополнительно  к тому, которое обусловлено тепловым движением. Возникают силы, затормаживающие  упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения переходит в тепловую –  энергию хаотического движения молекул.

Жидкость в сосуде, приведённая  в движение и предоставленная  самой себе, постепенно остановится, но её температура повысится.

Газообразное  состояние вещества

Газообразное состояние вещества (от греч. χάος — хаос) — агрегатное состояние вещества, характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами: (молекулами, атомами или ионами), а также их большой подвижностью. Частицы газа почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения.