Переходы между агрегатными состояниями. Изменение агрегатных состояний вещества Переход вещества из газа в твердое

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией. При определенных условиях вещества могут переходить из одного состояния в другое. Переход из одного агрегатного состояния в другое. Процесс, обратный сублимации (переход вещества из газа в твердое состояние), называется десублимация. Существуют некоторые вещества, которые из твердого состояния переходят сразу в газообразное, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией или возгонкой.

Испарение может происходить при любой температуре. Переход жидкости в пар, происходящий по всему объему тела, называется кипением, а температуру, при которой жидкость кипит, – температурой кипения. Если прочие параметры внешней среды (в частности, давление) остаются постоянными, то температура тела в процессе плавления (кристаллизации) и кипения не изменяется.

2. Жидкое состояние

Существуют и другие агрегатные состояния, например, конденсат Бозе - Эйнштейна. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию. Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Твёрдые тела делятся на кристаллические и аморфные. Кристаллы характеризуются пространственной периодичностью в расположении равновесных положений атомов, которая достигается наличием дальнего порядка и носит название кристаллической решётки.

1. Твердое состояние

Согласно классическим представлениям, устойчивым состоянием (с минимумом потенциальной энергии) твёрдого тела является кристаллическое. Частным случаем аморфного состояния является стеклообразное состояние. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом. Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана.

Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. Как и газ, жидкости тоже в основном изотропные. Однако, существуют жидкости с анизотропными свойствами - жидкие кристаллы. Кроме изотропной, так называемой нормальной фазы, эти вещества, мезогены, имеют одну или несколько упорядоченных термодинамических фаз, которые называют мезофазы.

3. Газообразное состояние

Молекулы в газе могут перемещаться свободно и быстро. Газообразное состояние характерно тем, что оно не сохраняет ни форму, ни объём. Газ заполняет всё доступное пространство и проникает в любые его закоулки. Это состояние, свойственное веществам с малой плотностью.

С микроскопической точки зрения газ - это состояние вещества, в котором его отдельные молекулы взаимодействуют слабо и движутся хаотически. Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда). Некоторые вещества не имеют газообразного состояния.

Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто называют плазму. Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости.

Испарение и конденсация

В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы. Поскольку атомыгелия являются бозонами, квантовая механика допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа частиц.

Поскольку энергия состояний дискретна, атом может получить не любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяния энергии попросту не будет происходить.

Считается также, что в эволюции Вселенной состояние глазмы предшествовало кварк-глюонной плазме, которая существовала в первые миллионные доли секунды сразу после Большого взрыва. При глубоком охлаждении некоторые (далеко не все) вещества переходят в сверхпроводящее или сверхтекучее состояние. Принципиально отличное от других состояние вещества, состоящее только из нейтронов.

Коэффициент диффузии при этом имеет промежуточное между жидкостью и газом значение. Вещества в сверхкритическом состоянии могут применяться в качестве заменителей органических растворителей в лабораторных и промышленных процессах.

Материал из Гипермаркет знаний

В результате вещество в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. 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.

Что же такое «тройная точка» и как определить её координаты? Опыты показывают, что для каждого вещества существуют условия (давление и температура), при которых пар, жидкость и кристалл могут сосуществовать одновременно сколь угодно долго. Например, если поместить в закрытый сосуд при нуле градусов воду с плавающим льдом, то в свободное пространство будут испаряться и вода, и лёд. Однако при давлении паров 0,006 атм. (это «собственное» их давление, без учёта давления, создаваемого воздухом) и температуре 0,01 °С увеличение массы пара прекратится. С этого момента лёд, вода и пар будут сохранять свои массы сколь угодно долго. Это и есть тройная точка для воды (левая диаграмма). Если в условия левой области поместить воду или пар, то они станут льдом. Если в «нижнюю область» внести жидкость или твёрдое тело, то получится пар. В правой области вода будет конденсироваться, а лёд плавиться.

Аналогичную диаграмму можно построить для любого вещества. Цель таких диаграмм – дать ответ на вопрос: какое состояние вещества будет устойчивым при таком-то давлении и такой-то температуре. Например, правая диаграмма построена для углекислого газа. Тройная точка для этого вещества имеет координату «давление» 5,11 атм, то есть значительно больше, чем нормальное атмосферное давление. Поэтому при обычных условиях (давление 1 атм) мы можем наблюдать только переходы «ниже тройной точки», то есть самостоятельное превращение твёрдого тела в газ. При давлении 1 атм это будет происходить при температуре –78 °С (см. пунктирные линии координат ниже тройной точки).

Все мы живём «около» значений «нормальных условий», т. е. прежде всего при давлении, близком к одной атмосфере. Поэтому, если атмосферное давление, ниже давления, соответствующего тройной точке, при нагревании тела мы не увидим жидкости, – твёрдое вещество будет превращаться сразу в пар. Именно так и ведёт себя «сухой лёд», что очень удобно для продавцов мороженого. Брикеты мороженого можно перекладывать кусками «сухого льда» и не бояться при этом, что мороженое намокнет. Если же давление, соответствующее тройной точке, меньше атмосферного, то вещество относится к «плавящимся» – при повышении температуры оно сначала превращается в жидкость, а потом закипает.

Как видите, особенности агрегатных превращений веществ напрямую зависят от того, как текущие значения давления и температуры соотносятся с координатами «тройной точки» на диаграмме «давление-температура».

И в заключение назовём известные вам вещества, всегда сублимирующие при нормальных условиях. Это йод, графит, «сухой лёд». При давлениях и температурах, отличных от нормальных, эти вещества вполне можно наблюдать и в жидком, и даже в кипящем состоянии.

Рассмотрим три агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное и два перехода к ним.

Фазовый переход «твердое тело – жидкость»

Из школьного курса физики известны четыре факта об этом переходе.

Факт первый: переход вещества из твердого состояния (фазы) в жидкое называется плавлением , а обратный – кристаллизацией .

Факт второй: при плавлении система поглощает тепло, а при отвердевании – отдает тепло.

Факт третий: в процессе плавления (кристаллизации) температура системы остается постоянной до тех пор, пока вся система не расплавится. Эта температура называется температурой плавления .

Факт четвертый: закон плавления: количество тепла δQ, которое необходимо для плавления вещества массой dm, пропорционально этой массе:

(6.3.1)

Коэффициент пропорциональности λ есть константа, зависящая только от вещества системы и называемая удельной теплотой плавления.

Этот закон справедлив и для кристаллизации, правда с одним отличием: δQ в этом случае – тепло выделяемое системой. Поэтому в обобщенном виде закон можно записать:

Изменение энтропии в процессе этого фазового перехода можно найти просто, если считать процесс равновесным.

Это вполне допустимое приближение, если считать, что разность температур между системой и тем объектом, который поставляет системе тепло, не слишком велика, намного меньше температуры плавления. Тогда можно использовать термодинамический смысл энтропии: с точки зрения термодинамики энтропия – это такая функция состояния системы, изменение которой dS в элементарном равновесном процессе равно отношению порции тепла δQ , которое система получает в этом процессе, к температуре системы Т :

Подставим сюда выражение для δQ, получим:

Из этой формулы следует, что при плавлении энтропия возрастает, а при кристаллизации уменьшается. Физический смысл этого результата достаточно ясен: фазовая область молекулы в твердом теле гораздо меньше, чем в жидкости, так как в твердом теле каждой молекуле доступна только малая область пространства между соседними узлами кристаллической решетки, а в жидкости молекулы занимают всю область пространства. Поэтому при равной температуре энтропия твердого тела меньше энтропии жидкости. Это означает, что твердое тело представляет собой более упорядоченную, и менее хаотичную систему, чем жидкость.

Фазовый переход «жидкость – газ»

Этот переход обладает всеми свойствами перехода «твердое тело – жидкость».

Существует четыре факта, знакомые из школьного курса физики.

Факт первый: переход вещества из жидкости в газовую фазу называется испарением, а обратный переход – конденсацией.

Факт второй: при испарении система поглощает тепло, при конденсации – теряет.

Факт третий: процессы испарения и конденсации протекают в широком диапазоне температур, но фазовым переходом они являются лишь тогда, когда процесс захватывает всю массу вещества. Это происходит при определенной температуре Т к , которая называется температурой кипения . Для каждого вещества температура кипения своя. В процессе фазового перехода «жидкость – газ» температура остается постоянной и равной температуре кипения до тех пор, пока вся система не перейдет из одной фазы в другую.

Факт четвертый: закон испарения: количество тепла δQ, необходимое для испарения вещества массой dm, и которое пропорционально этой массе:

Коэффициент пропорции r в этом выражении есть константа, зависящая от вещества системы, называемая удельной теплотой испарения.

Этот закон справедлив и для конденсации, правда с одним отличием: δQ в этом случае – тепло выделяемое системой. Поэтому закон испарения можно записать в общем виде:

(6.3.3)

Где знак плюс относится к испарению, а знак минус – к конденсации.

Применение энтропии в этом процессе можно найти просто, считая процесс равновесным. И опять это вполне допустимое приближение, при условии, что разность температур между системой и «поставщиком» тепла невелика, т.е. намного меньше температуры кипения. Тогда

6.3.4

Из формулы (6.3.4) следует, что при испарении энтропия возрастает, а при конденсации уменьшается.

Физический смысл этого результата состоит в различии фазовой области молекулы в жидкости и газе. Хотя в жидкости и газе каждой молекуле доступна вся область пространства, занятая системой, но сама эта область для жидкости существенно меньше, чем для газа. В жидкости силы притяжения между молекулами удерживают их на определенном расстоянии друг от друга. Поэтому каждая молекула хотя и имеет возможность свободно мигрировать по области пространства, занятой жидкостью, но не имеет возможности «оторваться от коллектива» остальных молекул: стоит ей оторваться от одной молекулы, как тут же притягивается другая. Поэтому объем жидкости зависит от её количества и никак не связан с объемом сосуда.

Молекулы газа ведут себя иначе. У них гораздо больше свободы, среднее расстояние между ними таково, что силы притяжения очень малы, и молекулы «замечают друг друга» лишь при столкновениях. В результате газ всегда занимает весь объем сосуда.

Поэтому при равных температурах фазовая область молекул газа значительно больше фазовой области молекул жидкости, и энтропия газа больше энтропии жидкости. Газ, по сравнению с жидкостью, гораздо менее упорядоченная, более хаотичная система.

Важно знать и понимать, каким образом осуществляются переходы между агрегатными состояниями веществ . Схему таких переходов изобразим на рисунке 4.

5 - сублимация (возгонка) - переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое;

6 - десублимация - переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое.

Б. 2 Плавление льда и замерзание воды (кристаллизация)
Если поместить лед в колбу и начать его нагревать с помощью горелки, то можно будет заметить, что его температура начнет повышаться, пока не достигнет температуры плавления (0 o C). Затем начнется процесс плавления, но при этом температура льда повышаться не будет, и только после окончания процесса плавления всего льда температура образовавшейся воды начнет повышаться.

Определение. Плавление - процесс перехода из твердого состояния в жидкое. Этот процесс происходит при постоянной температуре.

Температура, при которой происходит плавление вещества, называется температурой плавления и является измеренной величиной для многих твердых веществ, а потому табличной величиной. Например, температура плавления льда равна 0 o C, а температура плавления золота 1100 o C.

Обратный плавлению процесс - процесс кристаллизации - также удобно рассматривать на примере замерзания воды и превращения ее в лед. Если взять пробирку с водой и начать ее охлаждать, то сначала будет наблюдаться уменьшение температуры воды, пока она не достигнет 0 o C, а затем ее замерзание при постоянной температуре), и уже после полного замерзания дальнейшее охлаждение образовавшегося льда.
Если описанные процессы рассматривать с точки зрения внутренней энергии тела, то при плавлении вся полученная телом энергия расходуется на разрушение кристаллической решетки и ослабление межмолекулярных связей, таким образом, энергия расходуется не на изменение температуры, а на изменение структуры вещества и взаимодействия его частиц. В процессе же кристаллизации обмен энергиями происходит в обратном направлении: тело отдает тепло окружающей среде, а его внутренняя энергия уменьшается, что приводит к уменьшению подвижности частиц, увеличению взаимодействия между ними и отвердеванию тела.

График плавления и кристаллизации

Полезно уметь графически изобразить процессы плавления и кристаллизации вещества на графике. По осям графика расположены: ось абсцисс - время, ось ординат - температура вещества. В качестве исследуемого вещества примем лед при отрицательной температуре, т. е. такой, который при получении тепла не начнет сразу плавиться, а будет нагревать до температуры плавления. Опишем участки на графике, которые представляют собой отдельные тепловые процессы:
Начальное состояние - a: нагревание льда до температуры плавления 0 o C;
a - b: процесс плавления при постоянной температуре 0 o C;
b - точка с некоторой температурой: нагревание образовавшейся из льда воды до некоторой температуры;
Точка с некоторой температурой - c: охлаждение воды до температуры замерзания 0 o C;
c - d: процесс замерзания воды при постоянной температуре 0 o C;
d - конечное состояние: остывание льда до некоторой отрицательной температуры.

В обычных условиях любое вещество пребывает в одном из трех состояний — твердом, жидком или газообразном (см. Агрегатные состояния вещества). Каждому из этих условий соответствует своя структура связей между молекулами и/или атомами, характеризующаяся определенной энергией связи между ними. Для изменения этой структуры нужен либо приток тепловой энергии извне (например, при плавлении твердого вещества), либо отток энергии вовне (например, при кристаллизации).

Взяв, для начала, твердое вещество, мы понимаем умозрительно, что в нем молекулы/атомы связаны в некую жесткую кристаллическую или аморфную структуру, — при незначительном нагреве они лишь начинают «трястись» вокруг своей фиксированной позиции (чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний). При дальнейшем нагревании вещества молекулы расшатываются всё сильнее, пока, наконец, не срываются с «насиженного» места и не отправляются в «свободное плавание». Это и есть плавление или таяние твердого вещества в жидкость. Поступление же энергии, необходимой для таяния вещества, называют теплотой плавления.

График изменения температуры твердого вещества при переходе им точки плавления сам по себе весьма интересен. До точки плавления по мере нагревания атомы/молекулы раскачиваются вокруг своего фиксированного положения всё сильнее, и поступление каждой дополнительной порции тепловой энергии приводит к повышению температуры твердого тела. Однако по достижении твердым веществом температуры плавления, оно на какое-то время так и остается при этой температуре, несмотря на продолжающийся приток тепла, пока в нем не накопится достаточное количество тепловой энергии для разрыва жестких межмолекулярных связей. То есть, в процессе фазового перехода вещества из твердого состояния в жидкое энергия поглощается им без повышения температуры, поскольку вся она уходит на разрыв межмолекулярных связей. Вот почему кубик льда в коктейле даже в самую жару остается ледяным по температуре, пока не растает весь. При этом, тая, кубик льда отбирает тепло у окружающего его коктейля (и тем самым охлаждает его до приятной температуры), а сам набирается энергии, которая требуется ему для разрыва межмолекулярных связей и окончательного саморазрушения.

Количество теплоты, необходимое для плавления или испарения единицы объема твердого вещества или жидкости, называется, соответственно, скрытой теплотой плавления или скрытой теплотой испарения. И величины здесь фигурируют порой немалые. Например, для нагревания 1 кг воды от 0°С до 100°С требуется «всего» 420 000 джоулей (Дж) тепловой энергии, а для того, чтобы обратить этот килограмм воды в 1 кг пара с температурой, равной тем же 100°С, — целых 2 260 000 Дж энергии.

После того, как твердая масса полностью превратилась в жидкость, дальнейшее поступление тепла повлечет вновь за собой повышение температуры вещества. В жидком состоянии молекулы вещества по-прежнему находятся в близком контакте, но жесткие межмолекулярные связи между ними разорваны, и силы взаимодействия, удерживающие молекулы вместе, на несколько порядков слабее, чем в твердом теле, поэтому молекулы начинают достаточно свободно перемещаться друг относительно друга. Дальнейшее поступление тепловой энергии доводит жидкость до фазы кипения , и начинается активное испарение или парообразование.

И, опять же, как было описано в случае таяния или плавления, на какое-то время вся дополнительно поступающая энергия уходит на разрыв жидкостных связей между молекулами и высвобождение их в газообразное состояние (при неизменной температуре кипения). Энергия, затрачиваемая на разрыв этих, казалось бы, некрепких связей, — т. н. скрытая теплота парообразования — также требуется немалая (см. пример выше).

Все те же процессы при оттоке энергии (остужении) вещества происходят в обратном порядке. Сначала газ остывает с понижением температуры, и так происходит, пока он не достигнет точки конденсации — температуры, при которой начинается сжижение, — и она в точности равна температуре испарения (кипения) соответствующей жидкости. При конденсации, по мере того, как силы взаимного притяжения между молекулами начинают брать верх над энергией теплового движения, газ начинает превращаться в жидкость — «конденсироваться». При этом выделяется так называемая удельная теплота конденсации — она в точности равна скрытой удельной теплоте испарения, о которой уже говорилось. То есть, сколько энергии вы потратили на испарение определенной массы жидкости, ровно столько энергии пар и отдаст в виде тепла при конденсации обратно в жидкость.

То, что количество теплоты, выделяемое при конденсации, весьма высоко, — факт легко проверяемый: достаточно поднести ладонь к носику кипящего чайника. Помимо жара от пара, как такового, ваша кожа пострадает еще и от теплоты, выделившейся в результате его конденсации в жидкую воду.

При дальнейшем остывании жидкости до точки замерзания (температура которой равна точке таяния ), еще раз начнется процесс отдачи тепловой энергии вовне без понижения температуры самого вещества. Этот процесс называется кристаллизацией , и при нем выделяется ровно столько же тепловой энергии, сколько отбирается из окружающей среды при плавлении (переходе вещества из твердой фазы в жидкую).

Есть и еще один тип фазового перехода — из твердого состояния вещества непосредственно в газообразное (минуя жидкость). Такое фазовое превращение называется возгонкой , или сублимацией . Самый бытовой пример: вывешенное сушиться на мороз сырое белье. Вода в нем сначала кристаллизуется в лед, а затем — под воздействием прямых солнечных лучей — микроскопические кристаллики льда попросту испаряются, минуя жидкую фазу. Другой пример: на рок-концертах «сухой лед» (замороженная двуокись углерода CO 2) используется для устройства дымовой завесы — она испаряется прямо в воздух, окутывая выступающих музыкантов и также минуя жидкую фазу. Соответственно, на преобразование твердого вещества непосредственно в газ затрачивается энергия сублимации.