График процессов изменения агрегатного состояния вещества
Агрегатные превращения вещества. Три состояния вещества
Агрегатное состояние вещества
Изменение агрегатных состояний вещества. Основные понятия и законы. Фазой называется физически однородная часть вещества, отделенная от остальных частей системы границей раздела например лед, вода, пар и т. Плавление твердого тела, отвердевание жидкости, испарение и конденсация пара представляют собой примеры фазового перехода. Переход из одной фазы в другую при заданном давлении происходит при строго заданной температуре. Плавлением называется переход из твердой фазы в жидкую. Обратный переход из жидкой фазы в твердую называется отвердеванием или кристаллизацией. При постоянном давлении тело плавится и отвердевает при определенной температуре, которая называется точкой плавления или температурой плавления. Для плавления необходимо передать телу некоторое количество теплоты. За счет этой теплоты потенциальная энергия атомов вещества, имеющего массу m, возрастает на величину. При кристаллизации потенциальная энергия молекул уменьшается на такую же величину и соответствующее количество теплоты отводится к окружающим телам. Кинетическая энергия молекул при этом почти не меняется. В этом случае малейший толчок ведет к частичному затвердеванию с повышением температуры до точки плавления. Аморфные тела стекло, воск, парафин, вар не имеют определенной точки плавления. На рисунке показаны графики изменения температуры при подводе теплоты к кристаллическим а и аморфным б телам. Почти все тела при плавлении увеличиваются в объеме, при отвердевании — уменьшаются сжимаются. При увеличении давления, под которым находятся эти вещества, их температура плавления повышается. Давление препятствует увеличению объема. Их температура плавления понижается при увеличении давления. Переход из жидкой фазы в газообразную называется парообразованием. Обратный переход из газообразной фазы в жидкую называется конденсацией. Парообразование происходит двумя путями — испарением и кипением. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Испарение с поверхности жидкости происходит тем интенсивнее,. Скорость испарения увеличивается также при удалении образовавшихся над жидкостью паров. Испарение происходит интенсивнее у тех жидкостей, у которых меньше силы сцепления между молекулами летучие жидкости. При испарении увеличивается потенциальная энергия молекул за счет уменьшения кинетических энергий оставшихся. Следовательно, температура жидкости при испарении уменьшается если нет внешнего подвода теплоты. Механизм кипения состоит в следующем. В жидкости при ее нагревании образуются пузырьки растворенного воздуха, содержащие внутри пар жидкости, появляющийся при повышении ее температуры. С повышением температуры давление пара увеличивается. Под действием выталкивающей силы пузырьки поднимаются вверх и, пока верхние слои жидкости холоднее нижних, частично конденсируется. Когда вся жидкость прогревается достаточно, пузырьки пара достигают поверхности жидкости, давление в них достигает атмосферного, и пар из пузырьков, поднявшихся на поверхность жидкости, вырывается наружу. Парообразование, происходящее одновременно внутри и с поверхности жидкости, называется кипением. Каждое вещество при данном давлении кипит при вполне определенной температуре, которая остается неизменной во все время кипения. Температура кипения или точка кипения — температура кипения жидкости при постоянном давлении. При увеличении внешнего давления температура кипения повышается, при уменьшении — понижается. Наличие в жидкости растворенного вещества меняет ее температуру кипения. При парообразовании за счет подводимой теплоты потенциальная энергия молекул вещества, имеющего массу m, возрастает на величину. L — удельная теплота парообразования — количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар при температуре кипения. Удельная теплота парообразования уменьшается с повышением температуры испаряющейся жидкости. В частности, при повышении температуры кипения например, вследствие повышения давления удельная теплота парообразования при кипении уменьшается. Например, удельная теплота парообразования воды при разных температурах следующая:. При конденсации потенциальная энергия молекул уменьшается на величину. Почему лед не сразу начинает таять, если его внести с мороза в натопленную комнату? Температура плавления стали При сгорании пороха в канале ствола орудия достигается температура Почему ствол орудия не плавится при выстреле? Два тигля с одинаковой массой расплавленного свинца остывают в помещениях с разной температурой. Найдите различия в графиках и объясните причины этих различий. Почему зимой при длительных остановках воду из радиатора автомобиля выливают? Оболочки космических кораблей и ракет делают из тугоплавких металлов и специальных сплавов. При спаивании стальных деталей иногда пользуются медным припоем. Почему нельзя паять медные детали стальным припоем? Почему невозможно пользоваться очень маленьким паяльником при пайке массивных кусков меди или железа? Объясните на основании молекулярно-кинетической теории, почему не повышается температура в момент плавления и кристаллизации тела. Два одинаковых сосуда из полиэтилена заполнили водой, температура которой 0. Один сосуд поместили в воду, другой — в измельченный лед, имеющих, как и окружающий воздух, температуру 0. Замерзнет ли вода в каком-нибудь из этих сосудов? Можно ли заморозить воду расплавленным металлом? На рисунке ниже показано, как со временем изменяется температура при нагревании и охлаждении свинца. Твердому или жидкому состоянию соответствуют участки графика AB, BC, CD, GH? Что может быть причиной того, что участок GH круто падает вниз? Чему равны температуры плавления и кристаллизации свинца? График, приведенный на рисунке ниже, выражает зависимость температуры вещества при его нагревании и плавлении от времени. Начертите график плавления меди, откладывая по вертикальной оси температуру в масштабе 20 в 1 см, а по горизонтальной — время в масштабе 10 мин в 1 см. Начальную температуру меди примите равной , время нагревания до температуры плавления — 20 мин, а время перехода меди в жидкое состояние — 30 мин. Постройте примерный график для нагревания, плавления и кристаллизации олова. В сосуде находится лед при температуре — Сосуд поставили на горелку, которая дает в равные промежутки времени равное количество теплоты. Укажите, какой график см. Внимательно рассмотрев график охлаждения и кристаллизации вещества см. Какому из двух тел одинакового объема — слитке алюминия или отливке из винца — надо передать большее количество теплоты и во сколько раз, чтобы перевести их из твердого состояния в жидкое при их температурах плавления? Возможно ли такое явление: Изменяется ли общая кинетическая энергия молекул тела, когда во время его плавления к нему подводится некоторое количество теплоты? Изменяется ли в этом случае внутренняя энергия тела? Одинаковый ли физический смысл имеют выражения: В чем проявляется закон сохранения и превращения энергии при плавлении и кристаллизации вещества? На сколько увеличится при плавлении внутренняя энергия ртути, свинца, меди массой 1 кг, взятых при температурах плавления? На сколько уменьшится внутренняя энергия при кристаллизации брусков из белого чугуна массой 2 кг; олова массой 1 кг; железа массой 5 кг; льда массой 10 кг, охлажденных до температуры их кристаллизации? Масса какого металла — золота и серебра — должна быть больше и во сколько раз, чтобы количество теплоты, достаточное для плавления металла, было в каждом случае одинаковым? Ванну емкостью л необходимо заполнить водой, имеющей температуру 30 , используя воду с температурой 80 и лед с температурой Определить массу льда, который придется положить в ванну. Теплоемкостью ванны и потерями тепла пренебречь. Удельная теплоемкость воды 4,2 , удельная теплоемкость льда 2,1 , его удельная теплота плавления Так как мы пренебрегаем внешним теплообменом, составляем уравнение теплового баланса. Общая масса воды в ванне. Тогда масса горячей воды. Подставляя все в уравнение теплового баланса 1 , получим. В калориметр налито 2 кг воды, имеющей температуру 5 , и положен кусок льда массой 5 кг, имеющий температуру Определить температуру и объем содержимого калориметра после установления теплового равновесия. Теплоемкостью калориметра и теплообменом с внешней средой пренебречь. Можно представить себе следующие случаи:. Весь лед растает, и температура смеси будет больше нуля. Вся вода замерзнет, и температура смеси будет меньше нуля. Температура смеси будет равна нулю, и часть льда растает. Температура смеси будет равна нулю, и часть воды замерзнет. Для того, чтобы понять, какой случай реализуется в данной задаче, необходимо сделать предварительные вычисления. При нагревании льда до температуры плавления лед поглощает количество теплоты. Если весь лед растает, он поглощает количество теплоты. Если вся вода замерзнет, она отдаст количество теплоты. Соответственно реализуется случай 4: Обозначим массу замерзшей воды m 3 , и составим уравнение теплового баланса:. Из этого выражения находим массу замерзшей воды. После установления теплового равновесия, масса воды , и масса льда будет. Нижний Новгород г. Сборник рассчитан на студентов, аспирантов и преподавателей университетов, физико Нижегородский гуманитарный центр, Пособие представляет собой обзор методических рекомендаций и Сборник задач по химии. С Сборник задач по сопротивлению Физико - математические науки Сборник вопросов и задач по общей физике
В этой работе показана причина существования вещества в нескольких агрегатных состояниях. Дискретное строение вещества известно очень давно. Также очень давно известно, что свойства веществ определяются взаимодействием его молекул, но это древнее знание не используется в современной физике для определения агрегатного состояния вещества. Для определения агрегатного состояния вещества чаще всего используют или перечисление его внешних признаков вещества в различных агрегатных состояниях, или расплывчатые критерии, по которым нельзя определить, в каком агрегатном состоянии находится вещество. При этом, вывести точные критерии агрегатного состояния вещества не очень сложно. Обычно рассматривают газообразное , жидкое и твёрдое агрегатные состояния иногда ещё и плазменное. Ни в одном физическом определении не раскрыто, какое именно взаимодействие молекул определяет агрегатные состояния вещества. Из анализа качественной зависимости потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними, рис. При постепенном сближении молекул между ними появляются силы притяжения , которые совершают положительную работу. Тогда, согласно 1 , потенциальная энергия взаимодействия уменьшается, достигая минимума при. Потенциальная энергия начинает тоже резко возрастать и становится положительной. Из данной потенциальной кривой следует, что система из двух взаимодействующих молекул в состоянии устойчивого равновесия обладает минимальной потенциальной энергией. Если , то вещество находится в газообразном состоянии, так как интенсивное тепловое движение молекул препятствует соединению молекул, сблизившихся до расстояния , то есть вероятность образования агрегатов из молекул достаточно мала. Если , то вещество находится в твердом агрегатном состоянии, так как молекулы, притягиваясь друг к другу, не могут удалиться на значительные расстояния и колеблются около положений равновесия, определяемого расстоянием. Если , то вещество находится в агрегатном состоянии жидкости, так как в результате теплового движения молекулы перемещаются в пространстве, обмениваясь местами, но не расходясь на расстояние, превышающее. Привязка агрегатного состояния вещества только к температуре, без учёта других факторов, физически не корректна. Агрегатное состояние вещества зависит также и от концентрации молекул, и от давления. Агрегатное состояние вещества определяют силы межмолекулярного взаимодействия. Ещё в четвёртом веке до н. Сейчас в молекулярной физике известно, что главной причиной, определяющей существование вещества в каком либо определённом агрегатном состоянии, является величина сил взаимного отталкивания и притяжения. Однако эти знания не востребованы для формулировки физического определения агрегатного состояния вещества. Силы отталкивания считаются положительными, а силы взаимного притяжения - отрицательными. При преобладают силы отталкивания , при - силы притяжения. Эта зависимость позволяет предсказать переход вещества из одного агрегатного состояния в другое, например, испарение и конденсацию. Эта зависимость также позволяет предсказать поведение вещества при внешней нагрузке давлении. При изменении расстояния между молекулами возникает сила , с которой вещество сопротивляется внешней нагрузке. Они направлены так, чтобы расстояние между молекулами снова стало. Таким образом, молекулы вещества противостоят разрушению. В этом причина устойчивости твёрдого состояния вещества. Универсальный график агрегатных состояний вещества. Агрегатные состояния вещества удобнее всего показывать на одном графике. Этот график позволяет понять причину существования вещества в определённых агрегатных состояниях и причину фазовых переходов, например, испарение и конденсацию. Индивидуальные характеристики различных веществ можно учесть введением коэффициентов. При этом нужно помнить, что есть закон Максвелла о распределнит энергий теплового движения молекул. В связи с этим, например, в твердом состоянии вещества есть молекулы, обладающие свойствами жидкости, и есть молекулы, обладающие свойствами газа. С такими молекулами твёрдое тело приобретает свойства пластичности и возможности испарения молекул с поверхности твёрдого тела и конденсацию на поверхность твёрдого тела. В агрегатном сотоянии жидкости есть молекулы, обладающие свойствами твёрдого тела и газа. Однако эти молекулы, в связи с их небольшим количеством не могут повлиять на принцип самоорганизации большинства молекул в определённое агрегатное состояние вещества. Влияние таких молекул на свойства вещества в целом может быть значительным только в температурном диапазоне, близком к фазовым переходам. Универсальный график агрегатных состояний вещества без внешнего давления. На универсальном графике хорошо видно, почему вещество существует в определённых агрегатных состояниях. На основании универсального графика можно показать точные физические признаки агрегатных состояний вещества. Универсальный график агрегатных состояний вещества составлен для условий отсутствия внешнего давления. Внешнее давление изменяет свойства вещества. Влияние внешнего воздействия на свойства молекул вещества должно рассматриваться в разделе молекулярных основ сопротивления материалов, но современной физике такого раздела нет. Если будет интерес читателей, эта работа будет опубликована позднее. То, что универсальный график существует, прикладная наука давно заметила, и использует, например, для сравнительного анализа металлов. Чтобы сравнивать свойства различных металлов между собой, испытания проводят при так называемых сходственных температурах, составляющих одинаковую долю от абсолютной температуры плавления, например, 0,5 от абсолютной температуры плавления. При этих температурах свойства свинца и железа достаточно близки. Далее рассмотрим по порядку агрегатные состояния вещества: Агрегатное состояние вещества — твёрдое тело. Основные положения атомистики были сформулированы в четвёртом веке до н. Сейчас физическое определение твёрдого тела имеет приблизительный характер. В нём не раскрывается причина самоорганизации молекул вещества именно таким образом, а ведь это основная задача молекулярной физики. Твердые тела делятся на кристаллические и аморфные. В кристаллах существует дальний порядок в расположении атомов и молекул, в аморфных же телах колебания частиц происходят вокруг хаотически расположенных точек. Различают твердые тела с ионной, ковалентной, металлической и другими типами связей, что обусловливает разнообразие их физических свойств. Так, вещества с ионной связью хрупки, в то время как типичные металлы очень пластичны. Электрические, магнитные и некоторые тепловые свойства твердых тел в основном определяются характером движения валентных электронов его атомов, который обусловлен типом связи. Для физического определения используется перечисление макроскопических свойств вещества. Причина, по которой молекулы вещества принимают качества твёрдого тела, не указана. Максимум, на что оказалась способна молекулярная физика — это вывести приблизительные критерии агрегатных состояний вещества. Настолько приблизительный, что под критерий твёрдого агрегатного состояния одновременно попадают вещества в твёрдом и жидком агрегатном состоянии. При этом одна молекула находится в начале координат, другая на расстоянии. Нахождение молекул вещества в потенциальной яме является отличительным признаком твёрдого состояния вещества. Взаимодействие двух молекул вещества в твёрдом агрегатном состоянии. Величина определяет работу, которую нужно совершить против сил притяжения для того, чтобы разъединить молекулы, находящиеся в равновесии. В этом случае твёрдое тело разрушается. Вторая причина разрушения твёрдого тела температура. Это означает уменьшение прочности твёрдого тела. При этом надо помнить, что, в соответствии с Максвелловским распределением энергии молекул вещества, у части молекул будет энергия, соотвествующая агрегатному состоянию жидкости. С этими молекулами связаны пластичные свойства вещества. Также у части молекул будет энергия, соотвествующая агрегатному состоянию газа. С этими молекулами твёрдое тело приобретает некоторые свойства агрегатного состояния газа - например испарерие отдельных молекул с поверхности твёрдого тела. Наличие у молекул вещества , отличного от нуля, является отличительным признаком именно твёрдого агрегатного состояния вещества. Агрегатное состояние вещества — жидкость. Физическое определение жидкости, также как и физическое определение твёрдого тела, имеет приблизительный характер. Для жидкости характерны ближний порядок в расположении частиц молекул, атомов и малое различие в кинетической энергии теплового движения молекул и их потенциальной энергии взаимодействия. Сейчас в молекулярной физике есть очень приблизительный критерий, который не позволяет точно определить, в каком именно агрегатном состоянии находятся молекулы вещества. Используя критерий для жидкости, невозможно отличить жидкость от газа или твёрдого тела. Это явная недоработка теоретической физики. В этом определении указывается следствие, что молекулы не привязаны к кристаллической решётке, но не указана причина, хотя известна - то, что молекулы находятся на границе потенциальной ямы. Привязка критерия агрегатного состояния только к температуре не даёт возможности однозначно определить агрегатное состояние жидкости. Существующий критерий не учитывает давления над жидкостью, и концентрации молекул, а это очень важные факторы. Любой критерий, привязанный к температуре, в этом диапазоне является не точным и не даёт ответа на вопрос, для ответа на который он был выведен — в каком агрегатном состоянии находится вода. Такие же проблемы существуют и для всех остальных веществ. Определить агрегатное состояние вещества очень просто. Для этого нужно воспользоваться универсальным графиком агрегатных состояний вещества. Составим этот график взаимодействия двух молекул для одного агрегатного состояния вещества - жидкости и объясним, исходя из этого графика, причину самоорганизации молекул именно таким образом. Из этого графика легко понять, что происходит с веществом при его переходе из твёрдого агрегатного состояния в жидкость. На графике видно, что агрегатное состояние жидкости соответствует выходу молекул из потенциальной ямы. Это агрегатное состояние вещества в вакууме имеет очень маленький температурный диапазон. При увеличении давления температурный диапазон этого агрегатного состояния увеличивается за счёт конденсации молекул из пара. Рассматривая левую часть графика видно, что левая часть потенциальной ямы круче, чем у твёрдого тела, из чего следует макроскопический вывод о практической несжимаемости жидкости. Рассматривая правую часть графика, видно, что выход из потенциальной ямы очень пологий, что говорит о незначительном сопротивлении жидкости растяжению. Оно проявляется в виде поверхностного натяжения. Таким образом, мы можем вывести физическое определение жидкости, имеющий чёткий критерий. Третье агрегатное состояние вещества - газ. Существующее физическое определение агрегатного состояния газа является описательным, и не раскрывает причину существования вещества в этом агрегатном состоянии. В молекулярной физике есть приблизительный критерий, по которому это агрегатное состояние нельзя однозначно определить. Привязка критерия агрегатного состояния газа только к температуре не даёт возможности однозначно определить это агрегатное состояние, так как не учитываются другие важные физические факторы, влияющие на агрегатное состояние - давление и концентрация молекул. Это означает, что в диапазоне температур от 0 до градусов вода может находиться как в жидком, так и в газообразном состоянии, в зависимости от давления. Любой критерий, привязанный к температуре, не сможет однозначно ответить на основной вопрос, для которого он был выведен — в каком агрегатном состоянии находится вода. Агрегатное состояние вещества - газ принципиально отличается от твёрдого и жидкого агрегатных состояний вещества тем, что на графике изменения потенциальной энергий от расстояния, атомы молекулы вещества в этом агрегатном состоянии не находятся в потенциальной яме. В агрегатном состоянии газа свойства вещества определяются только графиком потенциального барьера. Поскольку в газе нет равновесного положения молекул, в газе нельзя рассматривать взаимодействие двух соседних молекул, совершающих регулярные осцилляции. При этом взаимодействие молекул носит случайный характер, а движение — хаотично. Из графика хорошо видно макроскопическое свойство газа практически неограниченного расширения. При рассмотрении графика рис. На графике видно, что при уменьшении объема пара меньше критического, возможно попадание молекул в потенциальную яму. Этот физический феномен отличает состояние пара от состояния газа, в котором вещество ни при каком давлении не переходит в состояние жидкости. График на рисунке 6 позволяет понять физический принцип существования вещества в агрегатном состоянии газа и вывести его физическое определение. При этом следует помнить, что есть два различных состояния газа — пар и газ. В паре есть силы отталкивания и силы сжатия. Силы отталкивания в паре возникают от движения молекул, связанных с кинетической энергией. Силы притяжения возникают от потенциальной энергии взаимодействия молекул. Эти силы называются силами Ван — дер — Ваальса. Наличие этих сил позволяет веществу при сжатии перейти из газообразного состояния вещества в жидкость. Если при чтении возникают проблемы с открытием формул и рисунков, белые пятна молекулярной физики можно прочитать на http: Проектирование новых физических технологий. Научно - технический сборник. О чём молчат физики.
Приказ об обеспечении работников транспортом
Монтаж односкатной крышисвоими руками
Описание условных знаков
Истории райли 4 сезон дата выхода
Акку чек перформа нано инструкция ошибки