14. Агрегатное состояние вещества

Агрегатное состояние - состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.

Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда не совсем корректно к агрегатным состояниям причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные состояния, например, жидкие кристаллы или конденсат Бозе - Эйнштейна.

Изменения агрегатного состояния это термодинамические процессы, называемые фазовыми переходами. Выделяют следующие их разновидности: из твёрдого в жидкое - плавление; из жидкого в газообразное - испарение и кипение; из твёрдого в газообразное - сублимация; из газообразного в жидкое или твёрдое - конденсация; из жидкого в твёрдое - кристаллизация. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию.

Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела, сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в частности, могут поляризовать проходящее через них электромагнитное излучение.

Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы от одной фазы к другой, называют критическими явлениями.

Твёрдое тело

Основная статья: Твёрдое тело

Состояние, характеризующееся способностью сохранять объём и форму. Атомы твёрдого тела совершают лишь небольшие колебания вокруг состояния равновесия. Присутствует как дальний, так и ближний порядок.

Жидкость

Основная статья: Жидкость

Состояние вещества, при котором оно обладает малой сжимаемостью, то есть хорошо сохраняет объём, однако не способно сохранять форму. Жидкость легко принимает форму сосуда, в который она помещена. Атомы или молекулы жидкости совершают колебания вблизи состояния равновесия, запертые другими атомами, и часто перескакивают на

Газ

Основная статья: Газ

Состояние, характеризующееся хорошей сжимаемостью, отсутствием способности сохранять как объём, так и форму. Газ стремится занять весь объём, ему предоставленный. Атомы или молекулы газа ведут себя относительно свободно, расстояния между ними гораздо больше их размеров.

Плазма

Часто причисляемая к агрегатным состояниям вещества плазма отличается от газа большой степенью ионизации атомов. Большая часть барионного вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной находится в состоянии плазмы.[2]

Сверхкритический флюид

Основная статья: Сверхкритический флюид

Возникает при одновременном повышении температуры и давления до критической точки, в которой плотность газа сравнивается с плотностью жидкости; при этом исчезает граница между жидкой и газообразной фазами. Сверхкритический флюид отличается исключительно высокой растворяющей способностью.

Конденсат Бозе - Эйнштейна

Основная статья: Конденсат Бозе - Эйнштейна

Получается в результате охлаждения бозе-газа до температур, близких к абсолютному нулю. В результате этого часть атомов оказывается в состоянии со строго нулевой энергией (то есть в низшем из возможных квантовом состоянии). Конденсат Бозе - Эйнштейна проявляет ряд квантовых свойств, таких каксверхтекучесть и резонанс Фишбаха.

Фермионный конденсат

Представляет собой Бозе-конденсацию в режиме БКШ "атомных куперовских пар" в газах состоящих из атомов-фермионов. (В отличие от традиционного режима бозе-эйнштейновской конденсации составных бозонов).

Такие фермионные атомные конденсаты являются "родственниками" сверхпроводников, но с критической температурой порядка комнатной и выше.

Вырожденная материя

Ферми-газ 1-я стадия Электронно-вырожденный газ, наблюдается в белых карликах, играет важную роль в эволюции звёзд.

2-я стадия нейтронное состояние в него вещество переходит при сверхвысоком давлении, недостижимом пока в лаборатории, но существующем внутри нейтронных звёзд. При переходе в нейтронное состояние электроны вещества взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. В результате вещество в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть слишком высока (в энергетическом эквиваленте не более сотни МэВ).

при сильном повышении температуры (сотни МэВ и выше) в нейтронном состоянии начинают рождаться и аннигилировать разнообразные мезоны. При дальнейшем повышении температуры происходит деконфайнмент, и вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Оно состоит уже не из адронов, а из постоянно рождающихся и исчезающих кварков и глюонов. Возможно[4], деконфайнмент происходит в два этапа.

При дальнейшем неограниченном повышении давления без повышения температуры вещество коллапсирует в чёрную дыру.

При одновременном повышении и давления, и температуры к кваркам и глюонам добавляются иные частицы. Что происходит с веществом, пространством и временем при температурах, близких к планковской, пока неизвестно.

Другие состояния

При глубоком охлаждении некоторые (далеко не все) вещества переходят в сверхпроводящее или сверхтекучее состояние. Эти состояния, безусловно, являются отдельными термодинамическими фазами, однако их вряд ли стоит называть новыми агрегатными состояниями вещества в силу их неуниверсальности.

Неоднородные вещества типа паст, гелей, суспензий, аэрозолей и т. д., которые при определённых условиях демонстрируют свойства как твёрдых тел, так и жидкостей и даже газов, обычно относят к классу дисперсных материалов, а не к каким-либо конкретным агрегатным состояниям вещества.

15. Физические явления Физические явления Гипермаркет знаний>>Химия>>Химия 8 класс>> Химия: Физические явления в химии

Вы уже знаете, что с телами и веществами происходят различные изменения, которые называются явлениями, и помните, что они делятся на физические и химические. При физических явлениях состав вещества остается без изменения, а меняется лишь его агрегатное состояние или форма и размеры тел.

Физические явления, выражающиеся в изменениях агрегатного состояния вещества или формы и размеров тел, определяют важнейшие области применения их в народном хозяйстве. Так, пластичность алюминия позволяет вытягивать его в проволоку пли прокатывать в тонкую фольгу;электропроводность и сравнительная легкость алюминия позволяют использовать его в качестве проводов линий электропередач, а сплавы - в самолетостроении; теплопроводность, пластичность и неядовитость - при изготовлении посуды и т. д.

Многие способы получения чистых химических веществ по сути физические явления. К ним относятся: перегонка, кристаллизация, фильтрование, возгонка и др. Например, на различии температур кипения веществ основан способ дистилляции или перегонки.

Этим способом получают воду, очищенную от растворенных в ней веществ. Такая вода называется дистиллированной. Именно ее используют для приготовления лекарственных растворов и для заливки в систему охлаждения автомобилей.

Перегонку как способ разделения жидких смесей применяют для получения из природной нефти отдельных нефтепродуктов. Промышленная установка для непрерывной перегонки нефти состоит из трубчатой печи для нагревания нефти и разделительной, или ректификационной, колонны, где нефть разделяется на фракции (дистилляты) - отдельные нефтепродукты.

В трубчатой печи в виде змеевика расположен длииный трубопровод. Печь обогревается горящим мазутом или газом. По трубопроводу непрерывно подается нефть, в нем она нагревается до 320-350 СС и в виде смеси жидкости и паров поступает в ректификационную колонну.

Ректификационная колонна - стальной цилиндрический аппарат высотой около 40 м. Она имеет внутри несколько десятков горизонтальных перегородок с отверстиями, так называемых тарелок. Пары нефти, поступая в колонну, поднимаются вверх и проходят через отверстия в тарелках- Постепенно охлаждаясь при своем движении вверх, они сжижаются на тех или иных тарелках в зависимости от температур кипения и плотности. Углеводороды менее летучие сжижаются уже на первых тарелках, образуя газойлевую фракцию, более летучие углеводороды собираются выше и образуют керосиновую фракцию, еще выше собирается лигроиновая фракция, наиболее летучие углеводороды выхолят в виде паров из колонны и образуют бензин. Внизу собирается густая черная жидкость - мазут. Его используют в качестве топлива, а также для получения смазочных масел путем дополнительной перегонки.

Способ перегонки жидкого воздуха лежит в основе получения из пего отдельных составных частей - азота (он выкипает первым), кислорода и др.

Для очистки солей нользуются способом кристаллизации. При ятом. например, природную сольрастворяют в воде и затем фильтруют. В результате получают раствор поваренной соли, очищенный от песка, глины и других не растворимых в воде примесей. Затем соль выделяют из раствора выпариванием. Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаются кристаллы соли.

Способ фильтрования основан на различной пропускной способности пористого материала - фильтра, по отношению к составляющим смесь частицам. Фильтром для очистки питьевой воды на станциях водоочистки служит слой песка. В пылесосе, который очищает воздух от взвешенной в нем пы ли. применяются бумажные или матерчатые фильтры: в меди цнне при уходе за больными или во время хи рургнческой операции используются в каче стве фильтра многослойные марлевые по вязки.

Для получения чистых иода и серы используют такое физическое явление, как возгонка (сублимация), то есть переход веще ства из твердого состояния в газообразное минуя жидкую фазу. При возгонке в нагреваемой части прибора кристаллп ческое вещество испаряется, а в охлаждае мой - снова конденсируется с образованием кристаллов. Лед способен к возгонке, недаром белье высыхает и на морозе.

Возгонка определила использование твердого углекислого газа СО2 (как вы знаете, его называют "сухим льдом") для хранения продуктов и в первую очередь мороженого.

Различная плотность веществ лежит в основе такого способа разделения смесей, как отстаивание. Например, смеси нефти и воды, растительного масла и воды быстро расслаиваются и поэтому легко отделяются друг от друга с помощью делительной воронки.

1. Дистилляция, или перегонка. 2. Дистиллированная вода. 3. Кристаллизация и выпаривание. 4. Фильтрование. 5. Возгонка 6. Отстаивание. 7. Делительная воронка.

16. Химические явления относят такие явления, при которых одни вещества превращаются в другие. Химические явления называют иначе химическими реакциями. Физические явления не сопровождаются превращением одних веществ в другие.

17. элементарные частицы - собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части.

Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, фотон, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы - протон, нейтрон и т. д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно (см. Конфайнмент).

Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.

Классификация

По величине спина

Все элементарные частицы делятся на два класса:

бозоны - частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса).

фермионы - частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

По видам взаимодействий

Составные частицы

адроны - частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

мезоны - адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами;

барионы - адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, - протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

лептоны - фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10?18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

кварки - дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизмконфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

калибровочные бозоны - частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

фотон - частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

восемь глюонов - частиц, переносящих сильное взаимодействие;

три промежуточных векторных бозона W+, W? и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

гравитон - гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны - это кванты разных типов взаимодействий.

Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, первые экспериментальные указания на существование которого появились в 2012 году.

18. Молекула (новолат. molecula, уменьшительное от лат. moles - масса[1]) - электрически нейтральная частица, состоящая из двух или более связанных ковалентными связями атомов[2][3][4][5][6][7], наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами[8].

Обычно подразумевается, что молекулы нейтральны (не несут электрических зарядов) и не несут неспаренных электронов (все валентности насыщены); заряженные молекулы называют ионами, молекулы с мультиплетностью, отличной от единицы (то есть с неспаренными электронами и ненасыщеннымивалентностями) - радикалами.

Молекулы относительно высокой молекулярной массы, состоящие из повторяющихся низкомолекулярных фрагментов, называются макромолекулами[9].

Особенности строения молекул определяют физические свойства вещества, состоящего из этих молекул.

К веществам, сохраняющим молекулярную структуру в твердом состоянии, относятся, например, вода, оксид углерода (IV), многие органические вещества. Они характеризуются низкими температурами плавления и кипения. Большинство же твердых (кристаллических) неорганических веществ состоят не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов) и существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, кусок меди и т. д.)[8].

Состав молекул сложных веществ выражается при помощи химических формул