37. Критическая температура
При охлаждении газа ниже определенной температуры он сжижается. Повышая давление газа, т. е. сжимая его настолько же, как при охлаждении, мы получим повышение температуры сжижения. Для каждого газа существует определенная температура, выше которой даже при повышении давления он не сжижается. Эта температура называется «критической температурой» газа. При критической температуре различие между паром и жидкостью исчезает, а теплота парообразованиястановится равной нулю. При значениях температуры выше критической невозможна конденсация пара ни при каких условиях.
38. Агрегатные состояния вещества
Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой – между молекулами вещества одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания. В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное. Вместе с этим выделяют ещё два состояния – плазма и конденсат Бозе-Эйнштейна.
Рассмотрим качественную зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния г между молекулами, где Fo и F,, — соответственно силы отталкивания и притяжения, a F — их результирующая.
Силы отталкивания считаются полjжительными, а силы взаимного притяжения — отрицательными.
На расстоянии r = r0результирующая сила F = 0, т. е. силы притяжения и
отталкивания уравновешивают друг друга. Таким образом, расстояние r0 соответствует равновесному расстоянию между молекулами, на котором бы они находились в отсутствие теплового движения. При r<r0преобладают силы отталкивания (F > 0), при r>r0 — силы притяжения (F <0). На расстояниях r> 10-9 м межмолекулярные силы взаимодействия практически отсутствуют (F→0).
Элементарная работа δАсилы F при увеличении расстояния между молекулами на dr совершается за счет уменьшения взаимной потенциальной энергии молекул, т. е. δА = Fdr = -dП (1)
Отсюда следует, что если молекулы находятся друг от друга на расстоянии, на котором межмолекулярные силы взаимодействия не действуют (r> 10-9 м), то П = 0. При постепенном сближении молекул между ними появляются силы притяжения (F <0), которые совершают положительную работу
(δА = Fdr >0). Тогда, согласно (1), потенциальная энергия взаимодействия уменьшается, достигая минимума при r= r0.
При r<r0 с уменьшением г силы отталкивания (F >0) резко возрастают и
совершаемая против них работа отрицательна (δА = Fdr < 0). Потенциальная энергия начинает также резко возрастать и становится положительной.
Из данной потенциальной кривой следует, что система из двух взаимодействующих молекул в состоянии устойчивого равновесия (r = r0) обладает минимальной потенциальной энергией.
Критерием различных агрегатных состояний вещества является соотношение между величинами Пmin и кТ. Пmin — наименьшая потенциальная
энергия взаимодействия молекул — определяет работу, которую нужно совершить против сил притяжения для того, чтобы разъединить молекулы, находящиеся в равновесии (r = r0); кТ определяет удвоенную среднюю энергию, приходящуюся на одну степень свободы хаотического (теплового) движения молекул.
Если Пmin<<кТ, то вещество находится в газообразном состоянии, так как
интенсивное тепловое движение молекул препятствует соединению молекул,
сблизившихся до расстояния r0, т. е. вероятность образования агрегатов из молекул достаточно мала. Если Пmin>>кТ, то вещество находится в твердом состоянии, так как молекулы, притягиваясь друг к другу, не могут удалиться на значительные расстояния и колеблются около положений равновесия, определяемого расстоянием r0.
Если Пmin ≈ kT, то вещество находится в жидком состоянии, так как в результате теплового движения молекулы перемещаются в пространстве, обмениваясь местами, но не расходясь на расстояние, превышающее r0.
Таким образом, любое вещество в зависимости от температуры может находиться в газообразном, жидком или твердом агрегатном состоянии, причем температура перехода из одного агрегатного состояния в другое зависит от значения Пmin для данного вещества.
Таким образом, газ расширяется, пока не заполнит весь отведенный ему объем. Если рассмотреть газ на молекулярном уровне, мы увидим беспорядочно мечущиеся и сталкивающиеся между собой и со стенками сосуда молекулы, которые, однако, практически не вступают во взаимодействие друг с другом. Если увеличить или уменьшить объем сосуда, молекулы равномерно перераспределятся в новом объеме. Молекулярно-кинетическая теория связывает молекулярные свойства газа с его макроскопическими свойствами, такими как температура и давление.
В отличие от газа жидкость при заданной температуре занимает фиксированный объем, однако и она принимает форму заполняемого сосуда — но только ниже уровня ее поверхности. На молекулярном уровне жидкость проще всего представить в виде молекул-шариков, которые хотя и находятся в тесном контакте друг с другом, однако имеют свободу перекатываться друг относительно друга, подобно круглым бусинам в банке. Налейте жидкость в сосуд — и молекулы быстро растекутся и заполнят нижнюю часть объема сосуда, в результате жидкость примет его форму, но не распространится в полном объеме сосуда.
Кристаллические тела (твердые тела) можно разделить на поли- и монокристаллы. имеют собственную форму, не растекаются по объему контейнера и не принимают его форму. На микроскопическом уровне атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жесткие упорядоченные структуры — кристаллические решетки, — так и беспорядочное нагромождение — аморфные тела (именно такова структура полимеров, которые похожи на перепутанные и слипшиеся макароны в миске).
Выше были описаны три классических агрегатных состояния вещества. Имеется, однако, и четвертое состояние, которые физики склонны относить к числу агрегатных. Это плазменное состояние. Плазмой называется сильно ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы, таким образом, плазма, будучи ионизированной, в целом остается электрически нейтральной. Различают высокотемпературную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется степенью ионизации α — отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины а говорят о слабо (αсоставляет доли процента, например, в люминесцентных лампах), умеренно (α — несколько процентов) и полностью (α близко к 100 %, например, внутри Солнца) ионизованной плазме.
При сверхнизких температурах скорости молекул снижаются настолько, что мы не можем точно определить их местоположение. Это происходит в силу принципа неопределенности Гейзенберга. Когда температура снижается настолько, что степень неопределенности положения атомов оказывается сопоставимой с размерами группы атомов, к которой они принадлежат, вся группа начинает вести себя, как единое целое. Такое состояние вещества называется конденсатом Бозе—Эйнштейна, и его можно считать пятым агрегатным состоянием вещества.