Агрегатные состояния вещества

Департамент образованияинаукиКемеровскойобластиГосударственноеобразовательноеучреждениесреднегопрофессиональногообразованияТомь-УсинскийЭнерготранспортныйтехникум

Реферат: Агрегатные состояния вещества

Работувыполниластудентка

  Рубцова Е

ГруппыТЭО-1-13

ПреподавательМорозова Л.Ф

Мыски, 2013

Содержание

Введение

1. Агрегатноесостояниевещества – газ

2. Агрегатноесостояниевещества – жидкость

3. Агрегатноесостояниевещества – твердоетело

4. Четвертоесостояниевещества – плазма

Заключение

Списокиспользованнойлитературы

Введение

Какизвестно, многиевеществавприродемогутнаходитьсявтрехсостояниях: твердом, жидкомигазообразном.

Сильнеевсегопроявляетсявзаимодействиечастицвеществавтвердомсостоянии. Расстояниемеждумолекуламипримерноравноихсобственнымразмерам. Этоприводиткдостаточносильномувзаимодействию, чтопрактическилишаетчастицывозможностидвигаться: ониколеблютсяоколонекоторогоположенияравновесия. Онисохраняютформуиобъем.

Свойстважидкостейтакжеобъясняютсяихстроением. Частицывеществавжидкостяхвзаимодействуютменееинтенсивно, чемвтвердыхтелах, ипоэтомумогутскачкамименятьсвоеместоположение – жидкостинесохраняютсвоюформу – онитекучи.

Газпредставляетсобойсобраниемолекул, беспорядочнодвижущихсяповсемнаправлениямнезависимодруготдруга. Газынеимеютсобственнойформы, занимаютвесьпредоставляемыйимобъемилегкосжимаются.

Существуетещеодносостояниевещества – плазма.

Цельюданнойработыявляется – рассмотретьсуществующиеагрегатныесостояниявещества, выявитьвсеихдостоинстваинедостатки.

Дляэтогонеобходимовыполнитьирассмотретьследующиеагрегатныесотояния:

1. газ
2. жидкости
3. твердыевещества
4. плазма

1.Агрегатноесостояниевещества-газ

Газы (французскоеgaz; названиепредложеноголланскимучёнымЯ. Б. Гельмонтом),агрегатноесостояниевещества, вкоторомегочастицынесвязаныиливесьмаслабосвязанысиламивзаимодействияидвижутсясвободно, заполняявесьпредоставленныйимобъём. Веществовгазообразномсостоянииширокораспространеновприроде. ГазыобразуютатмосферуЗемли, взначительныхколичествахсодержатсявтвёрдыхземныхпородах, растворенывводеокеанов, морейирек. Солнце, звёзды, облакамежзвёздноговеществасостоятизгазов - нейтральныхилиионизованных (плазмы). Встречающиесявприродныхусловияхгазыпредставляютсобой, какправило, смесихимическииндивидуальныхгазов.

Обладаютрядомхарактерныхсвойств. Ониполностьюзаполняютсосуд, вкоторомнаходятся, ипринимаютегоформу. Вотличиеоттвёрдыхтелижидкостей, объёмгазовсущественнозависитотдавленияитемпературы. Коэффициентобъёмногорасширениягазоввобычныхусловиях (0-100°С) надвапорядкавыше, чемужидкостей, исоставляетвсреднем 0,003663 град^-1.

Любоевеществоможноперевестивгазообразноесостояниенадлежащимподборомдавленияитемпературы. Поэтомувозможнуюобластьсуществованиягазообразногосостоянияграфическиудобноизобразитьвпеременных: давление – р, температура – Т. ПритемпературахнижекритическойТ_кэтаобластьограниченакривымисублимации (возгонки)/парообразования. Этоозначает, чтоприлюбомдавлениинижекритическогор_ксуществуеттемператураТ, определяемаякривойсублимацииилипарообразования, вышекоторойвеществостановитсягазообразным. Газвэтихсостоянияхобычноназываютпаромвещества.

ПритемпературахнижеТ_кможносконденсироватьгазы - перевестиеговдругоеагрегатноесостояние (твёрдоеилижидкое). Приэтомфазовоепревращениегазавжидкостьилитвёрдоетелопроисходитскачкообразно: весьмамалоеизменениедавленияприводиткконечномуизменениюрядасвойстввещества (например, плотности, энтальпии, теплоёмкостиидр.). Процессыконденсациигазов, особенносжижениегазов, имеютважноетехническоезначение.

Всвязистем, чтообластьгазовогосостоянияоченьобширна, свойствагазовприизменениитемпературыидавлениямогутменятьсявширокихпределах. Так, внормальныхусловиях (при 0°Сиатмосферномдавлении) плотностьгазовпримернов 1000 разменьшеплотноститогожевеществавтвёрдомилижидкомсостоянии. Прикомнатнойтемпературе, нодавлении, в 10¹⁷разменьшематмосферного (предел, достигнутыйсовременнойвакуумнойтехникой), плотностьгазовсоставляетоколо 10^-20г/см³. Вкосмическихусловияхплотностьгазовможетбытьещёна 10 порядковменьше (~10^-30/см³).

Сдругойстороны, привысокихдавленияхвещество, котороеприсверхкритическихтемпературахможносчитатьгазом, обладаетогромнойплотностью (например, вцентренекоторыхзвёзд ~10⁹г/см³).Взависимостиотусловийвширокихпределахизменяютсяидругиесвойствагазов - теплопроводность, вязкостьит. д.

Молекулярно-кинетическаятеориягазов. Молекулярно-кинетическаятеориярассматриваетгазыкаксовокупностьслабовзаимодействующихчастиц (молекулилиатомов), находящихсявнепрерывномхаотическом (тепловом) движении. Наосновеэтихпростыхпредставленийкинетическойтеорииудаётсяобъяснитьосновныефизическиесвойствагазов, особеннополно - свойстваразреженныхгазов.

Удостаточноразреженныхгазовсредниерасстояниямеждумолекуламиоказываютсязначительнобольшерадиусадействиямежмолекулярныхсил. Так, например, принормальныхусловияхв 1см³газанаходится 10¹⁹ молекулисреднеерасстояниемеждунимисоставляет ~ 10^-6см.

2.Агрегатноесостояние–жидкость

Жидкость,агрегатноесостояниевещества, промежуточноемеждутвёрдымигазообразнымсостояниями. Ж., сохраняяотдельныечертыкактвёрдоготела, такигаза, обладает, однако, рядомтолькоейприсущихособенностей, изкоторыхнаиболеехарактерная - текучесть. Подобнотвёрдомутелу, Ж. сохраняетсвойобъём, имеетсвободнуюповерхность, обладаетопределённойпрочностьюнаразрывпривсестороннемрастяженииит. д. Сдругойстороны, взятаявдостаточномколичествеЖ. принимаетформусосуда, вкоторомнаходится. ПринципиальнаявозможностьнепрерывногопереходаЖ. вгазтакжесвидетельствуетоблизостижидкогоигазообразногосостояний.

Похимическомусоставуразличаютоднокомпонентные, иличистые. Ж. идвух- илимногокомпонентныежидкиесмеси (растворы). ПофизическойприродеЖ. делятсянанормальные (обычные), жидкиекристаллыссильновыраженнойанизотропией (зависимостьюсвойствотнаправления) иквантовыежидкости - жидкие⁴He, ³He иихсмеси - соспецифическимиквантовымисвойствамиприоченьнизкихтемпературах. НормальныечистыеЖ. имеюттолькооднужидкуюфазу (т. е. существуетодинединственныйвидкаждойнормальнойЖ.). Гелий⁴He можетнаходитьсявдвухжидкихфазах - нормальнойисверхтекучей, ажидкокристаллическиевещества - внормальнойиоднойилидажедвуханизотропныхфазах.

ОбщимдлявсехнормальныхЖ., втомчислеидлясмесей, являетсяихмакроскопическуюоднородностьиизотропностьприотсутствиивнешнихвоздействий. ЭтисвойствасближаютЖ. сгазами, норезкоотличаютихотанизотропныхкристаллическихтвёрдыхтел. Аморфныетвёрдыетела (например, стекла), ссовременнойточкизрения, являютсяпереохлажденнымиЖ. иотличаютсяотобычныхЖ. толькочисленнымизначениямикинетическиххарактеристик (существеннобольшейвязкостьюидр.). Областьсуществованиянормальнойжидкойфазыограниченасосторонынизкихтемпературфазовымпереходомвтвёрдоесостояние - кристаллизациейили (взависимостиотвеличиныприложенногодавления) фазовымпереходомвсверхтекучеесостояниедля⁴He ивжидко-анизотропноесостояниедляжидкихкристаллов. Придавленияхнижекритическогодавленияр_кнормальнаяжидкаяфазаограниченасосторонывысокихтемпературфазовымпереходомвгазообразноесостояние - испарением. Придавленияхр>р_кфазовыйпереходотсутствуетипосвоимфизическимсвойствамЖ. вэтойобластинеотличимаотплотногогаза. НаивысшаятемператураT_k,прикоторойещёвозможенфазовыйпереходЖ. - газ, называетсякритической. Значенияp_k?иT_kопределяюткритическуюточкучистойЖ., вкоторойсвойстваЖ. игазастановятсятождественными. НаличиекритическойточкидляфазовогопереходаЖ. - газпозволяетосуществитьнепрерывныйпереходизжидкогосостояниявгазообразное, минуяобласть, гдегазиЖ. сосуществуют.Такимобразом, принагреванииилиуменьшенииплотностисвойстваЖ. (теплопроводность, вязкость, самодиффузияидр.), какправило, меняютсявсторонусближениясосвойствамигазов. ВблизижетемпературыкристаллизациибольшинствосвойствнормальныхЖ. (плотность, сжимаемость, теплоёмкость, электропроводностьит. д.) близкиктакимжесвойствамсоответствующихтвёрдыхтел. Втабл. приведенызначениятеплоёмкостиприпостоянномдавлении (С_р) рядавеществвтвёрдомижидкомсостоянияхпритемпературекристаллизации.Малоеразличиеэтихтеплоёмкостейпоказывает, чтотепловоедвижениевЖ. итвёрдыхтелахвблизитемпературыкристаллизацииимеетпримерноодинаковыйхарактер.

Молекулярнаятеорияжидкости.ПосвоейприродесилымежмолекулярноговзаимодействиявЖ. икристаллаходинаковыиимеютпримерноодинаковыевеличины. НаличиевЖ. сильногомежмолекулярноговзаимодействияобусловливает, вчастности, существованиеповерхностногонатяжениянаграницеЖ. слюбойдр. средой. БлагодаряповерхностномунатяжениюЖ. стремитсяпринятьтакуюформу, прикоторойеёповерхность (приданномобъёме) минимальна. НебольшиеобъёмыЖ. имеютобычнохарактернуюформукапли. Вотсутствиивнешнихсил, когдадействуюттолькомежмолекулярныесилы (например, вусловияхневесомости), Ж. приобретаетформушара. ВлияниеповерхностногонатяжениянаравновесиеидвижениесвободнойповерхностиЖ., границЖ. ствёрдымителамиилиграницмеждунесмешивающимисяЖ. относитсякобластикапиллярныхявлений.

3.Агрегатноесостояниевещества – твёрдоетело

Твёрдоетело,одноизчетырёхагрегатныхсостоянийвещества, отличающеесяотдр. агрегатныхсостояний(жидкости, газов, плазмы) стабильностьюформыихарактеромтепловогодвиженияатомов, совершающихмалыеколебанияоколоположенийравновесия. НарядускристаллическимсостояниемТ. т. существуетаморфноесостояние, втомчислестеклообразноесостояние. Кристаллыхарактеризуютсядальнимпорядкомврасположенииатомов. Ваморфныхтелахдальнийпорядокотсутствует .

Т. т. - основнойматериал, используемыйчеловеком. Откремнёвыхорудийнеандертальцадосовременныхмашинимеханизмов - вовсехтехническихприспособлениях, созданныхчеловеком, используютсяразличныесвойстваТ. т. ЕслинараннихступеняхразвитияцивилизациииспользовалисьмеханическиесвойстваТ. т., которыенепосредственноощутимычеловеком (твёрдость, масса, пластичность, упругость, хрупкостьит. п.), иТ. т. применялосьлишькакконструкционныйматериал, товсовременномобществеиспользуетсяогромныйарсеналфизическихсвойствТ. т. (электрических, магнитных, тепловыхидр.), какправило, недоступныхнепосредственномучеловеческомувосприятиюиобнаруживаемыхтолькоприлабораторныхисследованиях.

МеханическиесвойстваТ. т. (реакциинавнешниемеханическиевоздействия - сжатие, растяжение, изгиб, ударит. д.) определяютсясиламисвязимеждуегоструктурнымичастицами. Многообразиеэтихсилприводиткразнообразиюмеханическихсвойств: одниТ. т. пластичны, другиехрупки. Обычнометаллы, вкоторыхсилысвязиопределяютсяколлективнымдействиемэлектроновпроводимости, болеепластичны, чемдиэлектрики; например, деформацияCuприкомнатнойтемпературевмоментразрывадостигаетнесколькихдесятков %, аNaCIразрушаетсяпочтибездеформации (хрупкость). Механическиехарактеристикиизменяютсястемпературой, напримерсповышениемтемпературыпластичностьобычноувеличивается. УбольшинстваТ. т. реакциянавнешнеемеханическоевоздействиезависитотеготемпа: хрупкоеприудареТ. т. можетвыдержатьзначительнобольшуюстатическуюнагрузку.

ПринебольшихстатическихнагрузкахувсехТ. т. наблюдаетсялинейноесоотношениемеждунапряжениемидеформацией (Гуказакон).Такаядеформацияназываетсяупругой. Упругаядеформацияобратима: приснятиинапряженияонаисчезает. Дляидеальногомонокристалла (бездефектов) областьобратимойдеформациинаблюдаласьбывплотьдоразрушения, причёмпределпрочностидолженбылбысоответствоватьсиламсвязимеждуатомами. ПрибольшихнагрузкахреакцияреальногоТ. т. существеннозависитотдефектностиобразца (отналичияилиотсутствиядислокаций, отразмеровкристаллическихзёренит. п.) - разрушениеначинаетсявсамыхслабыхместах. Дислокация - наиболееподвижныйдефекткристалла, поэтомуименнодислокациивбольшинствеслучаевопределяютегопластичность. Появление (рождение) иперемещениедислокации - элементарныеактыпластичности.

ТепловыесвойстваТ. т. УбольшинстваТ. т. теплоёмкостьСприкомнатныхтемпературахприближённоподчиняетсяДюлонгаиПтизакону: С = 3R кал/моль(R - газоваяпостоянная).ЗаконДюлонгаиПти - следствиетого, чтозатепловыесвойстваТ. т. привысокихтемпературахответственныколебательныедвиженияатомов, подчиняющиесязаконуравнораспределения (средняяэнергия, приходящаясянаоднуколебательнуюстепеньсвободы, равнаkT).НаблюдаемыепривысокихтемпературахотклоненияотзаконаДюлонгаиПтиобъясняютсяповышениемролиангармонизмаколебаний. Понижениетемпературыприводиткуменьшениютеплоёмкости; благодаряквантовому "замораживанию" средняяэнергияколебанияEk, определяемаявыражением: ,меньшеkT.Присамыхнизкихтемпературахчастьтеплоёмкости, обусловленнаяколебаниямирешётки, С ~ T³.КолебательнаячастьтеплоёмкостиТ. т. можетбытьпредставленакактеплоёмкостьгазафононов.

ТеплопроводностьзависитоттипаТ. т. Металлыобладаютзначительнобольшейтеплопроводностью, чемдиэлектрики, чтосвязаносучастиемэлектроновпроводимостивпереносетепла (см. ниже). Теплопроводность - структурночувствительноесвойство. Коэффициенттеплопроводностизависитоткристаллическогосостояния (моно- илиполикристалл), наличияилиотсутствиядефектовит. п. Явлениетеплопроводностиудобноописывать, используяконцепциюквазичастиц. Всеквазичастицы (преждевсегофононы) переносяттепло, причём, согласнокинетическойтеориигазов, вкладкаждогоизгазовквазичастицвкоэффициенттеплопроводностиможнозаписатьввиде:,где g - численныймножитель, С - теплоёмкость, ?- средняятепловаяскорость, l - длинасвободногопробегаквазичастиц. Величинаlопределяетсярассеяниемквазичастиц, котороевслучаефонон-фононныхстолкновений - следствиеангармоничностиколебаний.

4.Четвёртоесостояниевещества–плазма

Плазма(отгреч. plбsma - вылепленное, оформленное), частичноилиполностьюионизованныйгаз, вкоторомплотностиположительныхиотрицательныхзарядовпрактическиодинаковы. Придостаточносильномнагреваниилюбоевеществоиспаряется, превращаясьвгаз. Еслиувеличиватьтемпературуидальше, резкоусилитсяпроцесстермическойионизации, т. е. молекулыгазаначнутраспадатьсянасоставляющиеихатомы, которыезатемпревращаютсявионы. Ионизациягаза, крометого, можетбытьвызванаеговзаимодействиемсэлектромагнитнымизлучением (фотоионизация) илибомбардировкойгазазаряженнымичастицами.

Свободныезаряженныечастицы - особенноэлектроны - легкоперемещаютсяподдействиемэлектрическогополя. ПоэтомувсостоянииравновесияпространственныезарядывходящихвсоставП. отрицательныхэлектроновиположительныхионовдолжныкомпенсироватьдругдругатак, чтобыполноеполевнутриП. былоравнонулю. ИменноотсюдавытекаетнеобходимостьпрактическиточногоравенстваплотностейэлектроновиионоввП.- её "квазинейтральности". Нарушениеквазинейтральностивобъёме, занимаемомП., ведёткнемедленномупоявлениюсильныхэлектрическихполейпространственныхзарядов, тутжевосстанавливающихквазинейтральность. СтепеньюионизацииП. a называетсяотношениечислаионизованныхатомовкполномуихчислувединицеобъёмаП. Взависимостиотвеличины a говорятослабо, сильноиполностьюионизованнойП.

Термин "Плазма" вфизикебылвведёнв 1923 американскимучёнымиИ. ЛенгмюромиЛ. Тонксом, проводившимизондовыеизмерения (см. ниже) параметровнизкотемпературнойгазоразряднойП. КинетикаП. рассматриваласьвработахЛ. Д. Ландаув 1936 и 1946 иА. А. Власовав 1938.В 1942 Х. АльфвенпредложилуравнениямагнитнойгидродинамикидляобъяснениярядаявленийвкосмическойП. В 1950 И. Е. ТаммиА. Д. Сахаров, атакжеамериканскийфизикЛ. СпицерпредложилиидеюмагнитнойтермоизоляцииП. дляосуществленияУТС. В 50-70-егг. 20 в. изучениеП. стимулировалосьразличнымипрактическимиприменениямиП., развитиемастрофизикиикосмофизики (наблюдениекосмическойП. иобъяснениепроцессоввней) ифизикиверхнейатмосферыЗемли - особенновсвязисполётамикосмическихлетательныхаппаратов, атакжеинтенсификациейисследованийпопроблемеУТС.

ВрезкомотличиисвойствП. отсвойствнейтральныхгазовопределяющуюрольиграютдвафактора. Во-первых, взаимодействиечастицП. междусобойхарактеризуетсякулоновскимисиламипритяженияиотталкивания, убывающимисрасстояниемгораздомедленнее (т. е. значительноболее "дальнодействующими"), чемсилывзаимодействиянейтральныхчастиц. ПоэтойпричиневзаимодействиечастицвП. является, строгоговоря, не "парным", а "коллективным" - одновременновзаимодействуетдругсдругомбольшоечислочастиц. Во-вторых, электрическиеимагнитныеполяоченьсильнодействуютнаП. (втовремякаконивесьмаслабодействуютнанейтральныегазы), вызываяпоявлениевП. объёмныхзарядовитоковиобусловливаяцелыйрядспецифическихсвойствП. ЭтиотличияпозволяютрассматриватьП.какособое, четвёртоесостояниевещества.

П. называетсяидеальной, еслипотенциальнаяэнергиявзаимодействиячастицмалапосравнениюсихтепловойэнергией. Этоусловиевыполняется, когдачислочастицвсферерадиусаDвелико: N_D = (⁴/₃) pD³n>> 1. ВмолнииТ ~ 2 х 10⁴ К, n~ 2,5 Ч10¹⁹ (плотностьвоздуха) и, следовательно, D ~ 10^-7см,ноN_D ~¹/₁₀ТакуюП. называютслабонеидеальной.

Заключение

Подведемитогипроделаннойработы:

Газы – агрегатноесостояниевещества, вкоторомегочастицынесвязаныиливесьмаслабосвязанысиламивзаимодействияидвижутсясвободно, заполняявесьпредоставленныйимобъём. Веществовгазообразномсостоянииширокораспространеновприроде. ГазыобразуютатмосферуЗемли, взначительныхколичествахсодержатсявтвёрдыхземныхпородах, растворенывводеокеанов, морейирек.

Жидкость – агрегатноесостояниевещества, промежуточноемеждутвёрдымигазообразнымсостояниями. Ж., сохраняяотдельныечертыкактвёрдоготела, такигаза, обладает, однако, рядомтолькоейприсущихособенностей, изкоторыхнаиболеехарактерная - текучесть. Подобнотвёрдомутелу, Ж. сохраняетсвойобъём, имеетсвободнуюповерхность, обладаетопределённойпрочностьюнаразрывпривсестороннемрастяженииит. д.

Твёрдоетело – одноизчетырёхагрегатныхсостоянийвещества, отличающеесяотдр. агрегатныхсостоянийстабильностьюформыихарактеромтепловогодвиженияатомов, совершающихмалыеколебанияоколоположенийравновесия. Кристаллыхарактеризуютсядальнимпорядкомврасположенииатомов. Ваморфныхтелахдальнийпорядокотсутствует.

Плазма – частичноилиполностьюионизованныйгаз, вкоторомплотностиположительныхиотрицательныхзарядовпрактическиодинаковы. Придостаточносильномнагреваниилюбоевеществоиспаряется, превращаясьвгаз. Еслиувеличиватьтемпературуидальше, резкоусилитсяпроцесстермическойионизации, т. е. молекулыгазаначнутраспадатьсянасоставляющиеихатомы, которыезатемпревращаютсявионы.

Списокиспользованнойлитературы

1. АрцимовичЛ. А., Элементарнаяфизикаплазмы, 3 изд., М., 2002;
2. Франк-КаменецкийД. А., Лекциипофизикесостоянийвещества, М., 2003 (переиздание);
3. ФренкельЯ. И., Собраниеизбранныхтрудов, т. 3, М., 2001;
4. ФишерИ.3., Статистическаятеорияжидкостей, М., 2003;
5. Физикапростыхжидкостей. Экспериментальныеисследования, пер. сангл., М., 2002 [впечати].