4 збирни состојби на материјата во физиката. Својства на супстанциите во различни состојби на агрегација. Компаративни карактеристики на аморфни и кристални материи
Агрегирани состојби. Течности. Фази во термодинамиката. Фазни транзиции.
Предавање 1.16
Сите супстанции можат да постојат во три состојби на агрегација - цврста, течнаи гасовити... Транзициите меѓу нив се придружени со нагло менување на голем број физички својства (густина, топлинска спроводливост итн.).
Состојбата на агрегација зависи од физичките услови во кои се наоѓа супстанцијата. Постоењето на неколку состојби на агрегација во супстанцијата се должи на разликите во термичкото движење на нејзините молекули (атоми) и во нивната интеракција под различни услови.
Гас- состојба на агрегација на материјата, во која честичките не се врзани или многу слабо врзани со силите на заемно дејство; кинетичката енергија на топлинското движење на нејзините честички (молекули, атоми) значително ја надминува потенцијалната енергија на интеракциите меѓу нив, затоа честичките се движат речиси слободно, целосно полнејќи го садот во кој се наоѓаат и ја добиваат неговата форма. Во гасовита состојба, супстанцијата нема ниту свој волумен ниту свој облик. Секоја супстанција може да се претвори во гасовита со промена на притисокот и температурата.
Течност- состојба на агрегација на материјата, средно помеѓу цврста и гасовита. Се карактеризира со висока мобилност на честички и мал слободен простор меѓу нив. Ова води до фактот дека течностите го задржуваат својот волумен и добиваат форма на сад. Во течност, молекулите се многу блиску една до друга. Затоа, густината на течноста е многу поголема од густината на гасовите (при нормален притисок). Течните својства во сите правци се исти (изотропни) со исклучок на течните кристали. При загревање или намалување на густината, својствата на течноста, топлинската спроводливост и вискозноста се менуваат, по правило, во насока на приближување кон својствата на гасовите.
Термичкото движење на течните молекули се состои од комбинација на колективни вибрациони движења и повремени скокови на молекулите од една во друга рамнотежна позиција.
Цврсти (кристални) тела- состојба на агрегација на материјата, која се карактеризира со стабилност на формата и природата на термичкото движење на атомите. Ова движење е вибрации на атомите (или јоните) кои сочинуваат цврста материја. Амплитудата на вибрациите е обично мала во споредба со меѓуатомските растојанија.
Својства на течности.
Молекулите на супстанцијата во течна состојба се наоѓаат речиси блиску една до друга. За разлика од цврстите кристални тела, во кои молекулите формираат подредени структури низ целиот волумен на кристалот и можат да вршат термички вибрации околу фиксните центри, течните молекули имаат поголема слобода. Секоја молекула на течност, како и во цврста, е „стегната“ од сите страни со соседните молекули и врши термички вибрации за одредена рамнотежна положба. Меѓутоа, од време на време, која било молекула може да се пресели на соседно слободно место. Таквите скокови во течности се случуваат доста често; затоа, молекулите не се прикачени на одредени центри, како кај кристалите, и можат да се движат низ целиот волумен на течноста. Ова ја објаснува флуидноста на течностите. Поради силната интеракција помеѓу тесно распоредените молекули, тие можат да формираат локални (нестабилни) подредени групи кои содржат неколку молекули. Овој феномен се нарекува краток ред.
Поради блиското пакување на молекулите, компресибилноста на течностите, односно промената на волуменот со промена на притисокот, е многу мала; тоа е десетици и стотици илјади пати помалку отколку кај гасовите. На пример, за да го промените волуменот на водата за 1%, треба да го зголемите притисокот приближно 200 пати. Ваквото зголемување на притисокот во споредба со атмосферскиот притисок се постигнува на длабочина од околу 2 km.
Течностите, како и цврстите материи, го менуваат својот волумен кога се менува температурата. За не многу големи температурни опсези, релативната волуменска промена Δ В / В 0 пропорционално на промената на температурата Δ Т:
| |
Коефициентот β се нарекува температурен коефициент на волуметриско проширување... Овој коефициент за течности е десетици пати поголем од оној на цврстите материи. За вода, на пример, на температура од 20 ° C β во ≈ 2 · 10 -4 K -1, за челик - β st ≈ 3,6 · 10 -5 K -1, за кварцно стакло - β q ≈ 9 · 10 - 6 К –1.
Термичката експанзија на водата има интересна и важна аномалија за животот на Земјата. На температури под 4 ° C, водата се шири со намалување на температурата (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Кога водата замрзнува, таа се шири, па мразот останува да лебди на површината на замрзнатата водена маса. Температурата на замрзнатата вода под мразот е 0 ° С. Во погустите слоеви на вода на дното на резервоарот, температурата е околу 4 ° C. Благодарение на ова, животот може да постои во водата на резервоарите за замрзнување.
Најинтересната карактеристика на течностите е присуството слободна површина... Течноста, за разлика од гасовите, не го исполнува целиот волумен на садот во кој се истура. Помеѓу течноста и гасот (или пареата) се формира интерфејс, кој е во посебни услови во споредба со остатокот од течната маса. Молекулите во граничниот слој на течноста, за разлика од молекулите во нејзината длабочина, не се опкружени со други молекули од истата течност од сите страни. Силите на меѓумолекуларната интеракција што делуваат на една од молекулите во течноста од страната на соседните молекули се, во просек, меѓусебно компензирани. Секоја молекула во граничниот слој е привлечена од молекули внатре во течноста (силите што дејствуваат на дадена течна молекула од страната на молекулите на гас (или пареа) може да се занемарат). Како резултат на тоа, се појавува одредена резултантна сила, насочена длабоко во течноста. Површинските молекули се вовлекуваат во течноста од силите на меѓумолекуларното привлекување. Но, сите молекули, вклучувајќи ги и оние од граничниот слој, мора да бидат во состојба на рамнотежа. Оваа рамнотежа се постигнува поради мало намалување на растојанието помеѓу молекулите на површинскиот слој и нивните најблиски соседи во течноста. Со намалување на растојанието помеѓу молекулите, се јавуваат одбивни сили. Ако просечното растојание помеѓу молекулите во внатрешноста на течноста е р 0, тогаш молекулите на површинскиот слој се спакувани нешто погусто и затоа имаат дополнителна залиха на потенцијална енергија во споредба со внатрешните молекули. Треба да се има предвид дека поради екстремно малата компресибилност, присуството на погусто набиен површински слој не доведува до забележителна промена во волуменот на течноста. Ако молекулата се движи од површината кон внатрешноста на течноста, силите на интермолекуларната интеракција ќе направат позитивна работа. Напротив, со цел да се повлече одреден број на молекули од длабочината на течноста до површината (т.е. да се зголеми површината на течноста), надворешни силимора да работи позитивна работа А ext, пропорционална на промената на Δ Сповршина:
| А ext = σΔ С. |
Коефициентот σ се нарекува коефициент на површински напон (σ> 0). Така, коефициентот на површинскиот напон е еднаков на работата потребна за зголемување на површината на течноста на константна температура за една единица.
Во SI, површинскиот напон се мери во џули по метарквадрат (J / m 2) или во њутни по метар (1 N / m = 1 J / m 2).
Следствено, молекулите на површинскиот слој на течноста имаат вишок во споредба со молекулите во течноста потенцијална енергија... Потенцијална енергија Е p од површината на течноста е пропорционална на нејзината површина: 
(1.16.1)
Од механиката е познато дека рамнотежните состојби на системот одговараат на минималната вредност на неговата потенцијална енергија. Оттука произлегува дека слободната површина на течноста има тенденција да ја намали својата површина. Поради оваа причина, слободна капка течност добива сферична форма. Течноста се однесува како силите да дејствуваат тангенцијално на неговата површина, намалувајќи ја (влечејќи) оваа површина. Овие сили се нарекуваат сили на површински напон.
Присуството на силите на површинскиот напон ја прави површината на течноста слична на еластично растегната фолија, со единствена разлика што еластичните сили во филмот зависат од неговата површина (т.е. од тоа како се деформира филмот) и силите на површинскиот напон. не зависат од површината на течностите.
Силите на површинскиот напон имаат тенденција да ја намалуваат површината на филмот. Затоа, можеме да напишеме: (1.16.2)
Така, коефициентот на површинскиот напон σ може да се дефинира како модул на силата на површинскиот напон што делува на единечната должина на линијата што ја ограничува површината ( ле должината на оваа линија).
Поради дејството на силите на површинскиот напон во течните капки и внатре во сапунските меури, вишокот притисок Δ стр... Ако ментално пресечете сферична капка од радиус Рна две половини, тогаш секоја од нив мора да биде во рамнотежа под дејство на силите на површинскиот напон применети на границата на сечењето 2π Ри силите на прекумерен притисок кои делуваат на областа π Р 2 секции (Слика 1.16.1). Условот за рамнотежа е запишан како
Во близина на границата помеѓу течност, цврста и гасна форма, обликот на слободната површина на течноста зависи од силите на интеракција на течните молекули со цврстите молекули (интеракцијата со молекули на гас (или пареа) може да се занемари). Ако овие сили се поголеми од силите на интеракција помеѓу молекулите на самата течност, тогаш течноста навлажнуваповршина на цврсто тело. Во овој случај, течноста се приближува до површината на цврстото тело под одреден остар агол θ, што е карактеристично за дадениот пар течност - цврста. Аголот θ се нарекува агол на работ... Ако силите на интеракција помеѓу молекулите на течноста ги надминуваат силите на нивната интеракција со молекулите на цврсто тело, тогаш контактниот агол θ се покажува како тап (сл. 1.16.2 (2)). Во овој случај велат дека течноста не навлажнуваповршина на цврсто тело. Инаку (агол - остра) течност навлажнуваповршина (Слика 1.16.2 (1)). На целосно мокрењеθ = 0, за целосно немокрењеθ = 180 °.
Капиларни феноменинаречен пораст или пад на течноста во цевки со мал дијаметар - капилари... Навлажнувачките течности се издигнуваат низ капиларите, а течностите што не се навлажнуваат се спуштаат.
Слика 1.16.3 покажува капиларна цевка со одреден радиус рспуштен со долниот крај во течност за влажнење со густина ρ. Горниот крај на капиларот е отворен. Подигнувањето на течноста во капиларот продолжува сè додека силата на гравитација што делува на колоната течност во капиларот не стане еднаква по големина на добиената Ф n силите на површинскиот напон кои делуваат долж интерфејсот помеѓу течноста и капиларната површина: Ф t = Ф n, каде Ф t = mg = ρ чπ р 2 е, Ф n = σ2π р cos θ.
Ова имплицира: 
Со целосно мокрење θ = 0, cos θ = 1. Во овој случај
Со целосно немокрење θ = 180 °, cos θ = –1 и затоа, ч < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Водата речиси целосно ја навлажнува чистата стаклена површина. Спротивно на тоа, живата целосно не ја навлажнува стаклената површина. Затоа, нивото на жива во стаклениот капилар паѓа под нивото во садот.
Најчестите сознанија за три состојби на агрегација: течна, цврста, гасовита, понекогаш се сеќаваат на плазмата, поретко течен кристал. Неодамна, на Интернет се прошири листа од 17 фази на супстанција, преземена од познатиот () Стивен Фрај. Затоа, ќе ви кажеме повеќе за нив, бидејќи треба да знаете малку повеќе за материјата, само за подобро да ги разберете процесите што се случуваат во Универзумот.
Списокот на збирни состојби на материјата дадена подолу се зголемува од најстудените кон најжешките и така натаму. може да се продолжи. Во исто време, треба да се разбере дека степенот на компресија на супстанцијата и нејзиниот притисок (со одредени резерви за такви неистражени хипотетички состојби како што се квантни, радијални или слабо симетрични) се зголемуваат од гасовитата состојба (бр. 11). најмногу „откачени“, на двете страни на списокот.прикажан е визуелен графикон на фазните премини на материјата.
1. Квантна- состојба на агрегација на супстанција, постигната кога температурата е спуштена до апсолутна нула, како резултат на што исчезнуваат внатрешните врски и материјата се распаѓа во слободни кваркови.
2. Бозе-Ајнштајн кондензат- агрегатната состојба на материјата, која се заснова на бозони оладени до температури блиску до апсолутната нула (помалку од милионити дел од степенот над апсолутната нула). Во таква силно ладена состојба, доволно голем број атоми се наоѓаат во нивните минимални можни квантни состојби и квантните ефекти почнуваат да се манифестираат на макроскопско ниво. Кондензатот Бозе-Ајнштајн (често наречен „Бозе кондензат“ или едноставно „назад“) се појавува кога ќе се излади хемиски елемент на екстремно ниски температури (обично на температура малку над апсолутната нула, минус 273 степени Целзиусови , Дали теоретската температура на која сè престанува да се движи).
Тука почнуваат да се случуваат сосема чудни работи со супстанцијата. Процесите кои вообичаено се гледаат само на атомско ниво сега се одвиваат на скала доволно голема за да се набљудуваат со голо око. На пример, ако ја ставите „подлогата“ во чаша и ја обезбедите потребната температура, супстанцијата ќе почне да ползи по ѕидот и на крајот сама ќе излезе.
Очигледно, овде имаме работа со залуден обид на супстанцијата да ја намали сопствената енергија (која веќе е на најниско од сите можни нивоа).
Забавувањето на атомите со помош на опрема за ладење произведува единствена квантна состојба позната како Бозе кондензат или Бозе-Ајнштајн кондензат. Овој феномен беше предвиден во 1925 година од А. Ајнштајн, како резултат на генерализација на работата на С. Бозе, каде што беше изградена статистичка механика за честички кои се движат од фотони без маса до атоми со маса (ракопис на Ајнштајн, кој се сметаше за изгубен, беше откриена во библиотеката на Универзитетот Лајден во 2005 година). Резултатот од напорите на Бозе и Ајнштајн беше концептот на гасот Бозе кој се покорува на статистиката на Бозе-Ајнштајн, кој ја опишува статистичката дистрибуција на идентични честички со спин со цел број, наречени бозони. Бозоните, кои се, на пример, и поединечни елементарни честички - фотони и цели атоми, можат да бидат едни со други во исти квантни состојби. Ајнштајн сугерираше дека ладењето на атомите - бозоните на многу ниски температури ќе предизвика тие да одат (или, со други зборови, кондензирање) во најниската можна квантна состојба. Резултатот од таквата кондензација ќе биде појавата на нова форма на материја.
Оваа транзиција се случува под критичната температура, што е за хомоген тродимензионален гас кој се состои од честички кои не се во интеракција без никакви внатрешни степени на слобода.
3. Фермионски кондензат- состојба на агрегација на супстанција, слична на подлогата, но различна по структура. Кога се приближува до апсолутната нула, атомите се однесуваат различно во зависност од големината на правилниот аголен моментум (спин). Бозоните имаат целобројни спини, додека фермионите имаат множители од 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Фермионите го почитуваат принципот на исклучување на Паули, според кој два фермиони не можат да имаат иста квантна состојба. Не постои таква забрана за бозоните и затоа тие имаат можност да постојат во една квантна состојба и со тоа да го формираат таканаречениот Бозе-Ајнштајн кондензат. Формирањето на овој кондензат е одговорно за преминот во суперспроводлива состојба.
Електроните имаат спин 1/2 и затоа се фермиони. Тие се комбинираат во парови (наречени парови Купер), кои потоа формираат Bose кондензат.
Американските научници се обиделе да добијат еден вид молекула од атоми на фермион со длабоко ладење. Разликата од вистинските молекули беше во тоа што немаше хемиска врска- само се движеа заедно, во корелација. Врската помеѓу атомите се покажа дека е уште посилна отколку помеѓу електроните во паровите Купер. За формираните парови фермиони, вкупниот спин повеќе не е множител на 1/2; затоа, тие веќе се однесуваат како бозони и можат да формираат Bose кондензат со една квантна состојба. Во текот на експериментот, гас од атоми на калиум-40 бил ладен до 300 нанокелвини, додека гасот бил содржан во таканаречената оптичка стапица. Потоа беше наметнато надворешно магнетно поле, со помош на кое беше можно да се промени природата на интеракциите помеѓу атомите - наместо силно одбивност, почна да се забележува силна привлечност. Кога се анализираше влијанието на магнетното поле, беше можно да се најде неговата вредност со која атомите почнаа да се однесуваат како Куперови парови електрони. Во следната фаза од експериментот, научниците предлагаат да се добијат ефектите на суперспроводливост за фермионскиот кондензат.
4. Суперфлуидна супстанција- состојба во која супстанцијата практично нема вискозитет, а за време на протокот не доживува триење со цврста површина. Последица на ова е, на пример, толку интересен ефект како целосното спонтано „лазење“ на суперфлуидниот хелиум од садот долж неговите ѕидови против силата на гравитацијата. Се разбира, нема прекршување на законот за зачувување на енергијата. Во отсуство на сили на триење, само гравитацијата, силите на меѓуатомската интеракција помеѓу хелиумот и ѕидовите на садот и помеѓу атомите на хелиум делуваат на хелиумот. Значи, силите на меѓуатомската интеракција ги надминуваат сите други сили заедно. Како резултат на тоа, хелиумот има тенденција да се шири колку што е можно повеќе на сите можни површини, и затоа "патува" по ѕидовите на садот. Во 1938 година, советскиот научник Пјотр Капица докажал дека хелиумот може да постои во суперфлуидна состојба.
Вреди да се напомене дека многу од необичните својства на хелиумот се познати подолго време. Меѓутоа, во последните години овој хемиски елемент нè „расипува“ со интересни и неочекувани ефекти. Така, во 2004 година, Мозес Чан и Еун-Сионг Ким од Универзитетот во Пенсилванија го заинтригираа научниот свет со изјавата дека успеале да добијат сосема нова состојба на хелиум - суперфлуидна цврстина. Во оваа состојба, некои атоми на хелиум во кристалната решетка можат да течат околу другите, а со тоа и хелиумот може да тече низ себе. Ефектот на „супертврдост“ беше теоретски предвиден уште во 1969 година. И сега во 2004 година - како да беше експериментална потврда. Сепак, подоцнежните и многу интересни експерименти покажаа дека не е сè толку едноставно и, можеби, таквото толкување на феноменот, кое претходно беше земено за суперфлуидноста на цврстиот хелиум, е неточно.
Експериментот на научниците предводени од Хемфри Марис од Универзитетот Браун во САД бил едноставен и елегантен. Научниците поставија епрувета наопаку во затворен резервоар со течен хелиум. Дел од хелиумот во епрувета и во резервоарот беше замрзнат на таков начин што границата помеѓу течноста и цврстото внатре во епрувета беше повисока отколку во резервоарот. Со други зборови, во горниот дел на епрувета имало течен хелиум, во долниот дел - цврст, непречено преминувал во цврстата фаза на резервоарот, над кој се истурил малку течен хелиум - пониско од нивото на течноста во епрувета. Ако течниот хелиум почне да навлегува низ цврстиот, тогаш разликата во нивоата би се намалила и тогаш можеме да зборуваме за цврст суперфлуид хелиум. И во принцип, во три од 13 експерименти, разликата во нивото всушност се намали.
5. Супертврда супстанција- агрегатна состојба во која материјата е транспарентна и може да „тече“ како течност, но всушност е лишена од вискозност. Таквите течности се познати многу години и се нарекуваат суперфлуиди. Факт е дека ако суперфлуидот се промеша, тој ќе циркулира речиси засекогаш, додека нормалната течност на крајот ќе се смири. Првите два суперфлуиди беа создадени од истражувачите користејќи хелиум-4 и хелиум-3. Тие беа ладени на речиси апсолутна нула - до минус 273 степени Целзиусови. И од хелиум-4, американските научници успеаја да добијат супертврдо тело. Тие го компресирале замрзнатиот хелиум со притисок повеќе од 60 пати, а потоа стаклото исполнето со супстанцијата било ставено на ротирачки диск. На температура од 0,175 степени Целзиусови, дискот наеднаш почнал послободно да се врти, што, според научниците, укажува дека хелиумот станал супертело.
6. Цврст- агрегатната состојба на материјата, која се карактеризира со стабилност на формата и природата на термичкото движење на атомите, кои вршат мали вибрации околу рамнотежните позиции. Стабилната состојба на цврстите материи е кристална. Разликувајте цврсти материи со јонски, ковалентни, метални и други видови врски меѓу атомите, што ја одредува разновидноста на нивните физички својства. Електричните и некои други својства на цврстите материи главно се одредени од природата на движењето на надворешните електрони на неговите атоми. Според нивните електрични својства, цврстите тела се делат на диелектрици, полупроводници и метали, според нивните магнетни својства - на дијамагнети, парамагнети и тела со подредена магнетна структура. Истражувањето на својствата на цврстите материи се обедини во голема област - физика на цврста состојба, чиј развој е поттикнат од потребите на технологијата.
7. Аморфна цврстина- кондензирана агрегатна состојба на материјата, која се карактеризира со изотропија на физичките својства поради нарушениот распоред на атомите и молекулите. Во аморфните цврсти материи, атомите вибрираат околу случајно лоцирани точки. За разлика од кристалната состојба, преминот од цврст аморфен во течен се случува постепено. Различни материи се во аморфна состојба: чаши, смоли, пластика итн.
8. Течен кристалЕ специфична агрегатна состојба на супстанција во која истовремено ги покажува својствата на кристал и течност. Веднаш е неопходно да се направи резервација дека не сите супстанции можат да бидат во течна кристална состојба. Сепак, некои органска материјапоседувајќи сложени молекули може да формира специфична агрегатна состојба - течен кристал. Оваа состојба се јавува кога се топат кристалите на некои супстанции. Кога ќе се стопат, се формира фаза на течни кристали, која се разликува од обичните течности. Оваа фаза постои во опсегот од точката на топење на кристалот до некоја повисока температура, кога се загрева до која течниот кристал се трансформира во обична течност.
Како течниот кристал се разликува од течниот и обичниот кристал и како е сличен на нив? Како обична течност, течниот кристал е течен и има форма на сад во кој се става. По тоа се разликува од кристалите познати на сите. Сепак, и покрај ова својство, кое го соединува со течност, има својство карактеристично за кристалите. Ова е распоредот во просторот на молекулите што го формираат кристалот. Навистина, ова подредување не е толку комплетно како кај обичните кристали, но, сепак, значително влијае на својствата на течните кристали, што ги разликува од обичните течности. Нецелосното просторно подредување на молекулите кои формираат течен кристал се манифестира во тоа што кај течните кристали не постои целосен ред во просторното распоредување на центрите на гравитација на молекулите, иако може да има делумен редослед. Тоа значи дека тие немаат цврста кристална решетка. Затоа, течните кристали, како и обичните течности, имаат својство на флуидност.
Потребен имоттечни кристали, доближувајќи ги до обичните кристали, е присуството на редот на просторната ориентација на молекулите. Овој редослед во ориентација може да се манифестира, на пример, во фактот дека сите долги оски на молекули во примерок од течни кристали се ориентирани на ист начин. Овие молекули мора да имаат издолжена форма... Покрај наједноставното именувано подредување на молекуларните оски, во течен кристал може да се реализира и покомплексен ориентациски редослед на молекулите.
Во зависност од видот на редоследот на молекуларните оски, течните кристали се поделени на три вида: нематски, смектички и холестерични.
Истражувањата во физиката на течните кристали и нивните апликации во моментов се спроведуваат на широк фронт во сите најразвиени земји во светот. Домашното истражување е концентрирано и во академските и во индустриските истражувачки институции и има долга традиција. Делата на В.К. Фредерикс на В.Н. Цветкова. Во последниве години, енергичното проучување на течните кристали, руските истражувачи, исто така, дадоа значаен придонес во развојот на теоријата на течните кристали воопшто и, особено, на оптиката на течните кристали. Така, делата на И.Г. Чистјакова, А.П. Капустина, С.А. Бразовски, С.А. Пикина, Л.М. Блинов и многу други советски истражувачи се широко познати на научната заедница и служат како основа за голем број ефективни технички примени на течните кристали.
Постоењето на течни кристали е воспоставено многу одамна, имено во 1888 година, односно пред речиси еден век. Иако научниците се соочиле со оваа состојба на материјата пред 1888 година, таа официјално била откриена подоцна.
Првиот што открил течни кристали бил австрискиот ботаничар Рајницер. Истражувајќи ја новата супстанција што ја синтетизирал, холестерил бензоат, открил дека на температура од 145 ° C, кристалите на оваа супстанца се топат, формирајќи матна течност, силно расејувајќи ја светлината. Како што продолжува загревањето, по достигнување температура од 179 ° C, течноста се расчистува, односно почнува да се однесува оптички како обична течност, на пример вода. Холестерил бензоат покажа неочекувани својства во заматена фаза. Испитувајќи ја оваа фаза под поларизирачки микроскоп, Реј-ницер открил дека има двојно прекршување. Тоа значи дека индексот на рефракција на светлината, односно брзината на светлината во оваа фаза, зависи од поларизацијата.
9. Течност- состојба на агрегација на супстанција, која ги комбинира карактеристиките на цврста состојба (задржување на волумен, одредена цврстина на истегнување) и гасовита (променливост на обликот). Течноста се карактеризира со краток дострел во распоредот на честичките (молекули, атоми) и мала разлика во кинетичката енергија на топлинското движење на молекулите и нивната потенцијална енергија на интеракција. Термичкото движење на молекулите на течноста се состои од осцилации околу рамнотежните позиции и релативно ретки скокови од една рамнотежна позиција во друга, што е поврзано со флуидноста на течноста.
10. Суперкритична течност(SCF) - состојба на агрегација на супстанција, во која исчезнува разликата помеѓу течната и гасната фаза. Секоја супстанција на температура и притисок над критичната точка е суперкритична течност. Својствата на супстанцијата во суперкритична состојба се средно помеѓу нејзините својства во гасната и течната фаза. Значи, SCF има висока густина, блиску до течност и низок вискозитет, како гасовите. Во овој случај, коефициентот на дифузија има средна вредност помеѓу течноста и гасот. Суперкритичните супстанции може да се користат како замена за органски растворувачи во лабораториски и индустриски процеси. Суперкритичната вода и суперкритичниот јаглерод диоксид добија најголем интерес и дистрибуција во врска со одредени својства.
Едно од најважните својства на суперкритичната состојба е способноста да се раствораат супстанции. Со менување на температурата или притисокот на течноста, можете да ги промените неговите својства во широк опсег. Значи, можете да добиете течност која е блиска по својства или на течност или на гас. Така, способноста за растворање на течноста се зголемува со зголемување на густината (на константна температура). Бидејќи густината се зголемува со зголемување на притисокот, промената на притисокот може да влијае на способноста за растворање на течноста (при константна температура). Во случај на температура, зависта за својствата на течноста е нешто посложена - при постојана густина, способноста за растворање на течноста исто така се зголемува, меѓутоа, во близина на критичната точка, мало зголемување на температурата може да доведе до нагло пад на густината и, соодветно, на способноста за растворање. Суперкритичните флуиди се мешаат неодредено едни со други, затоа, кога ќе се достигне критичната точка на смесата, системот секогаш ќе биде еднофазен. Приближната критична температура на бинарна смеса може да се пресмета како аритметичка средина на критичните параметри на супстанциите Tc (микс) = (молска фракција A) x TcA + (молска фракција B) x TcB.
11. Гасовита- (француски газ, од грчкиот хаос - хаос), состојба на агрегација на материјата, во која кинетичката енергија на топлинското движење на нејзините честички (молекули, атоми, јони) значително ја надминува потенцијалната енергија на интеракциите меѓу нив, и затоа честичките се движат слободно, рамномерно пополнувајќи го целиот волумен што им е предвиден во отсуство на надворешни полиња.
12. Плазма- (од грчки. Плазма - извајана, обликувана), состојба на материјата, која е јонизиран гас, во кој концентрациите на позитивните и негативните полнежи се еднакви (квазинеутралност). Огромното мнозинство на супстанцијата на Универзумот е во состојба на плазма: ѕвезди, галактички маглини и меѓуѕвездената средина. Плазмата постои во близина на Земјата во форма на сончев ветер, магнетосфера и јоносфера. Високотемпературната плазма (T ~ 106-108K) од мешавина на деутериум и тритиум се истражува со цел контролирана термонуклеарна фузија. Нискотемпературната плазма (T Ј 105K) се користи во различни уреди за испуштање гас (гасни ласери, јонски уреди, MHD генератори, плазматрони, плазма мотори итн.), како и во технологијата (види плазма металургија, плазма дупчење, плазма технологија) ...
13. Дегенерирана супстанција- е средна фаза помеѓу плазмата и неутрониумот. Забележан е кај белите џуџиња и игра важна улога во еволуцијата на ѕвездите. Кога атомите се под екстремно високи температури и притисоци, тие ги губат своите електрони (тие влегуваат во електронски гас). Со други зборови, тие се целосно јонизирани (плазма). Притисокот на таков гас (плазма) се одредува со притисокот на електроните. Ако густината е многу висока, сите честички се принудени да се приближат една до друга. Електроните можат да бидат во состојби со одредени енергии, а два електрони не можат да имаат иста енергија (освен ако нивните вртења се спротивни). Така, во густ гас, сите пониски енергетски нивоа се полни со електрони. Таквиот гас се нарекува дегенериран. Во оваа состојба, електроните покажуваат дегенериран електронски притисок, кој се спротивставува на силите на гравитацијата.
14. Неутрониум- состојба на агрегација, во која материјата поминува при ултрависок притисок, што е недостижно во лабораторија, но постои внатре во неутронските ѕвезди. За време на преминот во неутронска состојба, електроните на супстанцијата комуницираат со протоните и се претвораат во неутрони. Како резултат на тоа, супстанцијата во неутронска состојба целосно се состои од неутрони и има густина од редот на нуклеарната. Во овој случај, температурата на супстанцијата не треба да биде премногу висока (во енергетски еквивалент, не повеќе од сто MeV).
Со силно зголемување на температурата (стотици MeV и повеќе), различни мезони почнуваат да се произведуваат и да се уништуваат во неутронска состојба. Со понатамошно зголемување на температурата, се јавува деконфинција, а супстанцијата преминува во состојба на кварк-глуонска плазма. Веќе не се состои од хадрони, туку од кваркови и глуони кои постојано се раѓаат и исчезнуваат.
15. Кварк-глуонска плазма(хромоплазма) - агрегатната состојба на материјата во физиката со висока енергија и физиката на елементарните честички, во која хадронската материја преминува во состојба слична на состојбата во која електроните и јоните се во обичната плазма.
Обично материјата во хадроните е во таканаречена безбојна („бела“) состојба. Односно, кварковите со различни бои се поништуваат едни со други. Обичната материја има слична состојба - кога сите атоми се електрично неутрални, т.е.
позитивните полнежи во нив се компензираат со негативни. При високи температури може да дојде до јонизација на атомите, додека полнежите се одвојуваат, а супстанцијата станува, како што велат, „квазинеутрална“. Односно, целиот облак на материјата како целина останува неутрален, а неговите поединечни честички престануваат да бидат неутрални. Токму истото, очигледно, може да се случи и со хадронската материја - при многу високи енергии, бојата се ослободува и ја прави материјата „квази-безбојна“.
Веројатно, супстанцијата на Универзумот била во состојба на кварк-глуонска плазма во првите моменти по Големата експлозија. Сега кварк-глуонската плазма може да се формира за кратко време од судири на честички со многу високи енергии.
Кварк-глуонската плазма беше добиена експериментално во акцелераторот RHIC во Националната лабораторија Брукхевен во 2005 година. Максималната плазма температура од 4 трилиони степени Целзиусови беше добиена таму во февруари 2010 година.
16. Чудна супстанција- состојба на агрегација, во која материјата е компресирана до граничните вредности на густината, може да постои во форма на „чорба од кварк“. Кубен сантиметар материја во оваа состојба ќе тежи милијарди тони; згора на тоа, ќе ја трансформира секоја нормална супстанција со која доаѓа во контакт во истата „чудна“ форма со ослободување на значителна количина на енергија.
Енергијата што може да се ослободи за време на трансформацијата на материјата од јадрото на ѕвездата во „чудна материја“ ќе доведе до супермоќна експлозија на „кварковата нова“ - и, според Лихи и Вајед, неговите астрономи биле тие кои набљудувале во септември 2006 година.
Процесот на формирање на оваа супстанца започна со обична супернова, во која се претвори масивна ѕвезда. Како резултат на првата експлозија, беше формирана неутронска ѕвезда. Но, според Лихи и Ујед, тоа не траело долго - бидејќи се чинело дека неговата ротација е забавена од сопственото магнетно поле, почнала уште повеќе да се намалува, со формирање на згрутчување на „чудна материја“, што довело до уште помоќна отколку во обична експлозија на супернова, ослободување на енергија - и надворешните слоеви на супстанцијата на поранешната неутронска ѕвезда, кои се расејуваат во околниот простор со брзина блиска до брзината на светлината.
17. Силно симетрична супстанцијаДали супстанцијата е компресирана до тој степен што микрочестичките во неа се наслонети една врз друга, а самото тело пропаѓа во Црна дупка... Терминот „симетрија“ е објаснет на следниов начин: Да ги земеме збирните состојби на материјата познати на сите од училиштето - цврста, течна, гасовита. За точност, земете го идеалниот бесконечен кристал како цврст. Има одредена таканаречена дискретна симетрија во однос на преносот. Ова значи дека ако ја поместите кристалната решетка за растојание еднакво на интервалот помеѓу два атома, ништо нема да се промени во неа - кристалот ќе се совпадне со себе. Ако кристалот се стопи, тогаш симетријата на добиената течност ќе биде различна: ќе се зголеми. Во кристалот, еквивалентни биле само точките, кои биле оддалечени една од друга на одредени растојанија, таканаречените јазли на кристалната решетка, во кои имало идентични атоми.
Течноста е хомогена во текот на нејзиниот волумен, сите нејзини точки не се разликуваат една од друга. Ова значи дека течноста може да се помести на кое било произволно растојание (и не само на некое дискретно, како во кристал) или да се ротира под произволни агли (што воопшто не може да се направи кај кристалите) и ќе се совпадне со себе. Степенот на неговата симетрија е поголем. Гасот е уште посиметричен: течноста зафаќа одреден волумен во садот и се забележува асиметрија внатре во садот, каде што има течност и точки каде што ја нема. Гасот го зафаќа целиот волумен што му е обезбеден, и во оваа смисла, сите негови точки не се разликуваат една од друга. Сепак, овде би било поправилно да не зборуваме за точки, туку за мали, но макроскопски елементи, бидејќи сè уште има разлики на микроскопско ниво. Во некои точки во дадено време има атоми или молекули, додека други не. Симетријата се забележува само во просек, или преку некои параметри за макроскопски волумен, или со текот на времето.
Но, сè уште нема моментална симетрија на микроскопско ниво. Ако супстанцијата е многу силно компресирана, до притисоци кои се неприфатливи во секојдневниот живот, компресирајте така што атомите беа згмечени, нивните лушпи се навлезеа меѓусебно и јадрата почнаа да се допираат, се јавува симетрија на микроскопско ниво. Сите јадра се исти и притиснати едни против други, не само што меѓуатомските, туку и меѓунуклеарните растојанија се отсутни, а супстанцијата станува хомогена (чудна супстанција).
Но, постои и субмикроскопско ниво. Јадрата се составени од протони и неутрони кои се движат внатре во јадрото. Има и одреден простор меѓу нив. Ако продолжите да стискате така што и јадрата ќе се смачкаат, нуклеоните ќе бидат цврсто притиснати еден на друг. Тогаш на субмикроскопско ниво ќе се појави симетрија која не е ни внатре во обичните јадра.
Од она што е кажано, може да се види сосема дефинитивна тенденција: колку е поголема температурата и колку е поголем притисокот, толку супстанцијата станува посиметрична. Врз основа на овие размислувања, супстанцијата компресирана до максимум се нарекува силно симетрична.
18. Слабо симетрична супстанција- состојба спротивна на силно симетричната супстанција во нејзините својства, која била присутна во многу раниот универзум на температура блиска до температурата на Планк, можеби 10-12 секунди по Големата експлозија, кога силните, слабите и електромагнетните сили биле единствени велесила. Во оваа состојба, материјата е компресирана до тој степен што нејзината маса се претвора во енергија, која почнува да влијае, односно да се шири на неодредено време. Сè уште не е возможно да се достигнат енергии за експериментално добивање на супермоќ и пренос на материјата во оваа фаза под копнени услови, иако таквите обиди беа направени во Големиот хадронски судирач со цел да се проучува раниот универзум. Поради отсуството на гравитациска интеракција во составот на суперсилата што ја формира оваа супстанца, суперсилата не е доволно симетрична во споредба со суперсиметричната сила, која ги содржи сите 4 типа на интеракции. Затоа, оваа состојба на агрегација доби такво име.
19. Материја за зрак- ова, всушност, воопшто не е супстанција, туку енергија во чиста форма. Меѓутоа, токму оваа хипотетичка состојба на агрегација ќе ја преземе телото кога ќе ја достигне брзината на светлината. Може да се добие и со загревање на телото до температурата на Планк (1032 К), односно со забрзување на молекулите на супстанцијата до брзината на светлината. Како што следува од теоријата на релативноста, кога ќе се достигне брзина поголема од 0,99 секунди, масата на телото почнува да расте многу побрзо отколку при „нормално“ забрзување, покрај тоа, телото се издолжува, се загрева, односно почнува да зрачи. во инфрацрвениот спектар. По преминувањето на прагот од 0,999 секунди, телото драматично се менува и започнува брза фазна транзиција до состојбата на зрачење. Како што следува од формулата на Ајнштајн, земена во целосна форма, растечката маса на финалната супстанција се состои од маси кои се одвоени од телото во форма на термичко, рендгенско, оптичко и друго зрачење, енергијата на секоја од нив е опишана до следниот член во формулата. Така, тело кое се приближува до брзината на светлината ќе почне да емитира во сите спектри, ќе расте во должина и ќе се забави со текот на времето, разредувајќи до Планковата должина, односно кога ќе ја достигне брзината c, телото ќе се претвори во бескрајно долг и тенок зрак кој се движи со брзина на светлината и се состои од фотони кои немаат должина, а неговата бесконечна маса целосно ќе се трансформира во енергија. Затоа, таквата супстанција се нарекува зрак.
Состојба на материјата
Супстанција- навистина постоечки збир на честички поврзани меѓу себе со хемиски врски и под одредени услови во една од агрегатните состојби. Секоја супстанција се состои од збирка на многу голем број честички: атоми, молекули, јони, кои можат да се комбинираат едни со други во соработници, исто така наречени агрегати или кластери. Во зависност од температурата и однесувањето на честичките во соработниците (заемно распоредување на честичките, нивниот број и интеракција во соработник, како и распределбата на соработниците во просторот и нивната меѓусебна интеракција), супстанцијата може да биде во две основни состојби: агрегација - кристален (цврст) или гасовит,и во преодните состојби на агрегација - аморфен (цврст), течен кристал, течен и пареа.Цврстите, течните кристални и течните состојби на агрегација се кондензирани, а пареата и гасовитите состојби се многу испразнети.
ФазаТоа е збир на хомогени микрорегиони кои се карактеризираат со ист редослед и концентрација на честички и затворени во макроскопски волумен на супстанција ограничена со интерфејсот. Според ова разбирање, фазата е карактеристична само за супстанции во кристални и гасовити состојби, бидејќи тоа се хомогени состојби на агрегација.
МетафазаТоа е збир на различни микрорегиони кои се разликуваат едни од други по степенот на подредување на честичките или во нивната концентрација и се затворени во макроскопски волумен на супстанција ограничена со интерфејсот. Според ова разбирање, метафазата е карактеристична само за супстанции во хетерогени преодни состојби на агрегација. Различни фази и метафази може да се мешаат една со друга, формирајќи една агрегирана состојба, а потоа нема интерфејс меѓу нив.
Вообичаено, концептите на „земни“ и „преодни“ збирни состојби не се одвојуваат. Концептите на „состојба на агрегација“, „фаза“ и „мезофаза“ често се користат наизменично. Препорачливо е да се разгледаат пет можни збирни состојби за состојбата на супстанциите: цврст, течен кристал, течен, пареа, гасовита.Преминот од една фаза во друга фаза се нарекува фазна транзиција од прв и втор ред. Фазните транзиции од првиот вид се карактеризираат со:
Ненадејна промена во физичката величественост, опишувајќи ја состојбата на материјата (волумен, густина, вискозност, итн.);
Одредена температура на која се случува оваа фазна транзиција
Одредена топлина, која ја карактеризира оваа транзиција, бидејќи меѓумолекуларните врски се прекинати.
Фазните транзиции од првиот вид се забележани за време на преминот од една состојба на агрегација во друга состојба на агрегација. Фазните транзиции од вториот вид се забележани со промена на редоследот на честичките во една агрегатна состојба, што се карактеризира со:
Постепена промена во физичките својства на супстанцијата;
Промени во редоследот на честичките на супстанцијата под влијание на градиент на надворешни полиња или на одредена температура, наречена температура на фазна транзиција;
Топлината на фазните транзиции од втор ред е еднаква и блиску до нула.
Главната разлика помеѓу фазните транзиции од прв и втор ред е тоа што транзициите од прв ред, пред сè, ја менуваат енергијата на честичките на системот, а во случај на транзиции од втор ред, подредувањето на честичките. на системот.
Преминот на супстанција од цврста состојба во течност се нарекува топењеи се карактеризира со точка на топење. Преминот на супстанцијата од течна во пареа состојба се нарекува испарувањеи се карактеризира со точка на вриење. За некои супстанции со мала молекуларна тежина и слаба интермолекуларна интеракција, можен е директен премин од цврста во пареа состојба, заобиколувајќи ја течната состојба. Оваа транзиција се нарекува сублимација.Сите овие процеси можат да се одвиваат и во спротивна насока: тогаш тие се нарекуваат замрзнување, кондензација, десублимација.
Супстанциите кои не се распаѓаат при топење и вриење, во зависност од температурата и притисокот, можат да бидат во сите четири состојби на агрегација.
Цврста состојба
При доволно ниска температура, речиси сите супстанции се во цврста состојба. Во оваа состојба, растојанието помеѓу честичките на супстанцијата е споредливо со големината на самите честички, што обезбедува нивна силна интеракција и значителен вишок на нивната потенцијална енергија во однос на кинетичката енергија.. Движењето на честичките на цврстото тело е ограничено само со мали вибрации и ротации во однос на положбата што ја заземаат и немаат преводно движење ... Ова води до внатрешна уредност во распоредот на честичките. Според тоа, цврстите материи се карактеризираат со сопствен облик, механичка сила, постојан волумен (тие се практично некомпресибилни). Во зависност од степенот на подредување на честичките, цврстите материи се делат на кристален и аморфен.
Кристалните супстанции се карактеризираат со присуство на ред во распоредот на сите честички. Цврстата фаза на кристалните материи се состои од честички кои формираат хомогена структура која се карактеризира со строга повторливост на иста единица ќелија во сите правци. Единечната клетка на кристал ја карактеризира тродимензионалната периодичност во распоредот на честичките, т.е. неговата кристална решетка. Кристалните решетки се класифицираат според видот на честичките што го сочинуваат кристалот и природата на силите на привлекување меѓу нив.
Многу кристални материи, во зависност од условите (температура, притисок), можат да имаат различна кристална структура. Овој феномен се нарекува полиморфизам.Добро познати полиморфни модификации на јаглерод: графит, фулерен, дијамант, карбин.
Аморфни (безоблични) супстанции.Оваа состојба е типична за полимерите. Долгите молекули лесно се наведнуваат и се испреплетуваат со други молекули, што резултира со неправилен распоред на честичките.
Разликата помеѓу аморфните и кристалните честички:
изотропија - исти физички и хемиски својства на тело или средина во сите правци, т.е. независност на својствата од насока;
нема фиксна точка на топење.
Стаклото, сплотената силициум диоксид и многу полимери имаат аморфна структура. Аморфните материи се помалку стабилни од кристалните и затоа секое аморфно тело на крајот може да премине во енергетски постабилна состојба - кристално.
Течна состојба
Со зголемување на температурата, енергијата на топлинските вибрации на честичките се зголемува, а за секоја супстанција постои температура, почнувајќи од која енергијата на топлинските вибрации ја надминува енергијата на врските. Честичките можат да вршат различни движења, поместени едни на други. Тие сè уште остануваат во контакт, иако е нарушена правилната геометриска структура на честичките - супстанцијата постои во течна состојба. Поради подвижноста на честичките, течната состојба се карактеризира со брауново движење, дифузија и испарливост на честичките. Важно својство на течноста е вискозноста, која ги карактеризира меѓуасоцијативните сили кои го попречуваат слободниот проток на течноста.
Течностите заземаат средна положба помеѓу гасовитата и цврстата состојба на супстанциите. Посредена структура од гас, но помалку од цврста.
Пареа и гасовита состојба
Пареа-гасната состојба обично не се разликува.
гас - тоа е високо испразнет хомоген систем кој се состои од поединечни молекули далеку оддалечени една од друга, што може да се смета како единствена динамична фаза.
пареа - тоа е високо испразнет нехомоген систем, кој е мешавина од молекули и нестабилни мали соработници кои се состојат од овие молекули.
Молекуларната кинетичка теорија ги објаснува својствата на идеалниот гас, врз основа на следните одредби: молекулите прават континуирано случајно движење; волуменот на молекулите на гасот е занемарлив во споредба со меѓумолекуларните растојанија; силите на привлекување или одбивање не дејствуваат помеѓу молекулите на гасот; просечната кинетичка енергија на молекулите на гасот е пропорционална на неговата апсолутна температура. Поради безначајноста на силите на меѓумолекуларната интеракција и присуството на голем слободен волумен, гасовите се карактеризираат со висока стапка на термичко движење и молекуларна дифузија, желбата на молекулите да заземат најголем можен волумен, како и висока компресибилност.
Изолираниот гас-фазен систем се карактеризира со четири параметри: притисок, температура, волумен, количина на супстанција. Врската помеѓу овие параметри е опишана со идеалната гасна равенка на состојбата:
R = 8,31 kJ / mol - универзална гасна константа.
Во овој дел, ќе разгледаме агрегатните состојби, во која престојува околната материја и силите на интеракција помеѓу честичките на материјата, својствени за секоја од агрегатните состојби.
1. Цврста состојба,
2. Течна состојбаи
3. Гасовита состојба.
Често се разликува четвртата состојба на агрегација - плазма.
Понекогаш, состојбата на плазма се смета за тип на гасовита состојба.
Плазма - делумно или целосно јонизиран гас, најчесто постојат на високи температури.
Плазмае најраспространетата состојба на материјата во универзумот, бидејќи материјата на ѕвездите е во оваа состојба.
За сите агрегатната состојбакарактеристични карактеристики во природата на интеракцијата помеѓу честичките на супстанцијата, што влијае на нејзините физички и хемиски својства.
Секоја супстанција може да биде во различни состојби на агрегација. При доволно ниски температури, сите супстанции се внатре цврста состојба... Но, како што се загреваат, тие стануваат течности, тогаш гасови... При дополнително загревање, тие јонизираат (атомите губат дел од своите електрони) и преминуваат во состојба плазма.
Гас
Гасовита состојба(од Dutch.gas, се враќа на старогрчки. Χάος ) се карактеризира со многу слаби врски помеѓу неговите составни честички.
Молекулите или атомите што го формираат гасот се движат хаотично и, во најголем дел од времето, тие се на големи (во споредба со нивната големина) оддалеченост едни од други. Затоа силите на интеракцијата помеѓу честичките на гасот се занемарливи.
Главната карактеристика на гасоте тоа што го пополнува целиот расположлив простор без да формира површина. Гасовите секогаш се мешаат. Гасот е изотропна супстанција, односно неговите својства се независни од насоката.
Во отсуство на гравитациони сили притисокна сите точки на гасот исто. Во полето на гравитационите сили, густината и притисокот не се исти во секоја точка, се намалуваат со висината. Соодветно на тоа, во полето на гравитација, мешавината на гас станува нехомогена. Тешки гасовиимаат тенденција да тоне пониско и повеќе белите дробови- да се качи нагоре.
Гасот има висока компресибилност- со зголемување на притисокот, неговата густина се зголемува. Кога температурата се зголемува, тие се шират.
Кога ќе се компресира, гасот може да се претвори во течност, но кондензација не се јавува на ниту една температура, туку на температура под критичната температура. Критичната температура е карактеристика на одреден гас и зависи од силите на интеракција помеѓу неговите молекули. Така, на пример, гас хелиумможе да се втечнува само на температури пониски 4,2К.
Постојат гасови кои кога се ладат преминуваат во цврста, заобиколувајќи ја течната фаза. Трансформацијата на течност во гас се нарекува испарување, а директната трансформација на цврста во гас е сублимација.
Цврсти
Цврста состојбаво споредба со другите состојби на агрегација се карактеризира со стабилност на формата.
Разликувајте кристалени аморфни цврсти материи.
Кристална состојба на материјата
Стабилноста на обликот на цврстите материи се должи на тоа што мнозинството од оние во цврста состојба имаат кристална структура.
Во овој случај, растојанијата помеѓу честичките на супстанцијата се мали, а силите на интеракција меѓу нив се големи, што ја одредува стабилноста на формата.
Лесно е да се увериме во кристалната структура на многу цврсти материи со разделување на парче материја и испитување на добиената фрактура. Обично, на фрактура (на пример, во шеќер, сулфур, метали итн.), јасно се гледаат мали кристални лица лоцирани под различни агли, кои блескаат поради различниот одраз на светлината од нив.
Во случаи кога кристалите се многу мали, кристалната структура на супстанцијата може да се утврди со помош на микроскоп.
Кристални форми
Секоја супстанција се формира кристалисо сосема одредена форма.
Разновидноста на кристалните форми може да се сумира во седум групи:
1. Триклинаја(паралелепипед),
2.Моноклиника(призма со паралелограм во основата),
3. Ромбична(правоаголен паралелепипед),
4. Тетрагонална(правоаголен паралелепипед со квадрат во основата),
5. Тригонална,
6. Шестоаголна(призма со основа на правилно центрирано
шестоаголник),
7. Кубни(коцка).
Многу супстанции, особено железо, бакар, дијамант, натриум хлорид, кристализираат во кубен систем... Наједноставните форми на овој систем се коцка, октаедар, тетраедар.
Магнезиум, цинк, мраз, кварц се кристализираат во хексагонален систем... Главните форми на овој систем се - шестоаголни призми и бипирамида.
Природните кристали, како и кристалите добиени со вештачки средства, ретко точно одговараат на теоретските форми. Вообичаено, кога стопената материја се зацврстува, кристалите растат заедно и затоа обликот на секој од нив се покажува дека не е целосно точен.
Сепак, без разлика колку нерамномерно се развива кристалот, без разлика колку е искривена неговата форма, аглите под кои се спојуваат кристалните лица за истата супстанција остануваат константни.
Анизотропија
Карактеристиките на кристалните тела не се ограничени само на обликот на кристалите. Иако супстанцијата во кристалот е целосно хомогена, многу од нејзините физички својства - силата, топлинската спроводливост, односот кон светлината итн. - не се секогаш исти во различни насоки во кристалот. Оваа важна карактеристика на кристалните материи се нарекува анизотропија.
Внатрешна структура на кристалите. Кристални решетки.
Надворешниот облик на кристалот ја отсликува неговата внатрешна структура и се должи на правилниот распоред на честичките кои го сочинуваат кристалот - молекули, атоми или јони.
Овој аранжман може да се претстави како кристална решетка- решеткаста рамка формирана со вкрстување на прави линии. На точките на пресек на линиите - решетки јазли- лежат центрите на честичките.
Во зависност од природата на честичките лоцирани на јазлите на кристалната решетка и од тоа кои сили на интеракција меѓу нив преовладуваат во даден кристал, се разликуваат следните типови кристални решетки:
1.молекуларна,
2.атомски,
3.јонскии
4.метал.
Молекуларните и атомските решетки се својствени за супстанции со ковалентна врска, јонско - јонски соединенија, метал - метали и нивните легури.
Атомите се во јазлите на атомските решетки... Тие се поврзани едни со други ковалентна врска.
Има релативно малку супстанции со атомски решетки. Тие вклучуваат дијамант, силициуми некои неоргански соединенија.
Овие супстанции се карактеризираат со висока цврстина, тие се огноотпорни и нерастворливи во речиси сите растворувачи. Овие својства се должат на нивната сила ковалентна врска.
Молекулите се наоѓаат на местата на молекуларните решетки... Тие се поврзани едни со други интермолекуларни сили.
Има многу супстанции со молекуларна решетка. Тие вклучуваат неметали, со исклучок на јаглерод и силициум, сите органски соединенијасо нејонска комуникација и многу неоргански соединенија.
Силите на меѓумолекуларната интеракција се многу послаби од силите на ковалентните врски, затоа молекуларните кристали имаат мала цврстина, топливи и испарливи.
На местата на јонските решетки се наредени, наизменични позитивно и негативно наелектризирани јони... Тие се врзани едни со други со сили електростатско привлекување.
Соединенијата со јонски врски кои формираат јонски решетки вклучуваат повеќето соли и малку оксиди.
По силата јонски решеткиинфериорен во однос на атомскиот, но го надминува молекуларниот.
Јонските соединенија имаат релативно високи точки на топење. Во повеќето случаи, нивната нестабилност не е голема.
На местата на металните решетки има метални атоми, меѓу кои електроните заеднички за овие атоми се движат слободно.
Присуството на слободни електрони во кристалните решетки на металите може да ги објасни нивните многубројни својства: пластичност, податливост, метален сјај, висока електрична и топлинска спроводливост
Постојат супстанции во кристалите од кои два вида интеракции меѓу честичките играат значајна улога. Значи, кај графитот, атомите на јаглеродот се врзуваат едни со други во исти насоки. ковалентна врскаи во други - метал... Затоа, графитната решетка може да се смета како атомски, И како метал.
Во многу неоргански соединенија, на пример, во BeO, ZnS, CuCl, врската помеѓу честичките лоцирани на решетките јазли е делумно јонскии делумно ковалентен... Затоа, решетките на таквите соединенија може да се сметаат за посредни меѓу јонскии атомски.
Аморфна состојба на материјата
Својства на аморфни материи
Меѓу цврстите материи има и такви во чии фрактури не може да се најдат знаци на кристали. На пример, ако пукнете парче обично стакло, тогаш неговата фрактура ќе биде мазна и, за разлика од фрактурите на кристалите, таа е ограничена не на рамни, туку на овални површини.
Слична шема се забележува кога се делат парчиња смола, лепило и некои други супстанции. Оваа состојба на материјата се нарекува аморфни.
Разлики помеѓу кристалени аморфнителата е особено изразен во нивниот однос кон загревањето.
Додека кристалите на секоја супстанција се топат на строго дефинирана температура и на истата температура доаѓа до премин од течна во цврста состојба, аморфните тела немаат постојана точка на топење... Кога се загрева, аморфното тело постепено омекнува, почнува да се шири и, конечно, станува целосно течно. Кога ќе се излади, исто така постепено се стврднува.
Поради отсуството на специфична точка на топење, аморфните тела имаат различна способност: многу од нив течат како течности, т.е. со продолжено дејство на релативно мали сили постепено ја менуваат својата форма. На пример, парче смола, поставено на рамна површина, се шири неколку недели во топла просторија, добивајќи облик на диск.
Структурата на аморфните супстанции
Разлики помеѓу кристален и аморфенсостојбата на материјата е следна.
Правилен распоред на честички во кристалрефлектирана од единицата ќелија се задржува на големи површини на кристали, а во случај на добро формирани кристали - во целост.
В аморфни теласе забележува само уредност во распоредот на честичките во многу мали области... Дополнително, кај голем број аморфни тела дури и ова локално подредување е само приближно.
Оваа разлика може да се сумира на следниов начин:
- кристалната структура се карактеризира со редослед на долг дострел,
- структурата на аморфните тела - на соседите.
Примери на аморфни супстанции.
Стабилни аморфни супстанции вклучуваат стакло(вештачки и вулкански), природни и вештачки смоли, лепила, парафин, восоки сл.
Премин од аморфна во кристална состојба.
Некои супстанции можат да бидат и во кристална и во аморфна состојба. Силициум диоксид SiO 2се јавува природно како добро образовани кварцни кристали, како и во аморфна состојба ( минерален кремен).
При што кристалната состојба е секогаш постабилна... Затоа, спонтан премин од кристална супстанција во аморфна е невозможна, а обратната трансформација - спонтан премин од аморфна состојба во кристална - е можна, а понекогаш и забележана.
Пример за таква трансформација е девитрификација- спонтана кристализација на стакло на покачени температури, придружена со негово уништување.
Аморфна состојбамногу материи се добиваат со голема брзина на зацврстување (ладење) на течното топење.
За метали и легури аморфна состојбасе формира, по правило, ако топењето се олади во време од редот на фракции од десетици милисекунди. За стаклото, доволна е многу помала стапка на ладење.
Кварц (SiO 2) има и ниска стапка на кристализација. Затоа, производите излеани од него се аморфни. Меѓутоа, природниот кварц, кој имал стотици и илјадници години да се кристализира за време на ладењето на земјината кора или длабоките слоеви на вулкани, има грубо-кристална структура, за разлика од вулканското стакло, замрзнато на површината и затоа е аморфно.
Течности
Течноста е средна состојба помеѓу цврста и гасна состојба.
Течна состојбае средно помеѓу гасовити и кристални. Според некои својства, течностите се блиску до гасови, на други - да цврсти материи.
Со гасовите, течностите се здружуваат, пред сè, со изотропијаи флуидност... Вториот ја одредува способноста на течноста лесно да ја менува својата форма.
но висока густинаи ниска компресибилносттечностите ги доближува до цврсти материи.
Способноста на течностите лесно да ја менуваат својата форма укажува на отсуство на крути сили на интермолекуларна интеракција во нив.
Во исто време, ниската компресибилност на течностите, која ја одредува способноста да се одржува постојан волумен на дадена температура, укажува на присуство на, иако не крути, но сепак значајни сили на интеракција помеѓу честичките.
Односот на потенцијалната и кинетичката енергија.
Секоја состојба на агрегација се карактеризира со сопствен сооднос помеѓу потенцијалната и кинетичката енергија на честичките од материјата.
Кај цврстите материи, просечната потенцијална енергија на честичките е поголема од нивната просечна кинетичка енергија.Затоа, во цврстите тела, честичките заземаат одредени позиции една во однос на друга и само вибрираат во однос на овие позиции.
За гасовите, односот на енергијата е инверзен, како резултат на што молекулите на гасот се секогаш во состојба на хаотично движење и практично отсуствуваат силите на адхезија помеѓу молекулите, така што гасот секогаш го зафаќа целиот волумен што му е предвиден.
Во случај на течности, кинетичката и потенцијалната енергија на честичките се приближно исти, т.е. честичките се поврзани една со друга, но не цврсто. Затоа, течностите се течни, но имаат постојан волумен на дадена температура.
Структурите на течностите и аморфните тела се слични.
Како резултат на примената на методите на структурна анализа на течности, беше откриено дека структурата течностите се како аморфни тела... Повеќето течности имаат затворете ред- бројот на најблиските соседи за секоја молекула и нивната релативна положба се приближно исти во целиот волумен на течноста.
Степенот на подредување на честичките е различен за различни течности. Покрај тоа, се менува со температурата.
При ниски температури, малку надминувајќи ја точката на топење на дадена супстанција, степенот на уредност на распоредот на честичките на дадена течност е висок.
Како што температурата расте, таа паѓа и како што се загрева, својствата на течноста се сè поблиски до оние на гасот... Кога ќе се достигне критичната температура, разликата помеѓу течност и гас исчезнува.
Поради сличноста во внатрешната структура на течностите и аморфните тела, вторите често се сметаат за течности со многу висок вискозитет, а само супстанциите во кристална состојба се нарекуваат цврсти материи.
Со споредување аморфни телатечностите, сепак, треба да се запомни дека во аморфните тела, за разлика од обичните течности, честичките имаат незначителна подвижност - исто како и кај кристалите.
Збирни состојби на материјата(од латинскиот агрего - прикачувам, поврзувам) - ова се состојби на иста супстанција, премините меѓу кои одговараат на нагли промени во слободната енергија, густината и другите физички параметри на супстанцијата.
Гас (француски газ, изведен од грчкиот хаос - хаос)- тоа состојба на агрегација, при што силите на интеракција на неговите честички што го исполнуваат целиот волумен што им е обезбеден се занемарливи. Кај гасовите, меѓумолекуларните растојанија се големи и молекулите се движат речиси слободно.
Гасовите може да се гледаат како значително прегреани или ниско заситени пареи. Над површината на секоја течност има пареа. Кога притисокот на пареата се зголемува до одредена граница, наречена притисок на заситена пареа, испарувањето на течноста престанува, бидејќи течноста станува иста. Намалувањето на волуменот на заситената пареа предизвикува делови од пареата наместо зголемување на притисокот. Затоа, притисокот на пареата не може да биде поголем. Состојбата на сатурација се карактеризира со заситената маса содржана во маса од 1 m заситена пареа, што зависи од температурата. Заситена пареаможе да стане незаситен ако се зголеми неговиот волумен или ако се зголеми температурата. Ако температурата на пареата е многу повисока од точката што одговара на дадениот притисок, пареата се нарекува прегреана.
Плазмата е делумно или целосно јонизиран гас во кој густината на позитивните и негативните полнежи се практично исти. Сонцето, ѕвездите, облаците од меѓуѕвездената материја се составени од гасови - неутрални или јонизирани (плазма). За разлика од другите состојби на агрегација, плазмата е гас од наелектризирани честички (јони, електрони) кои електрично комуницираат едни со други на големи растојанија, но немаат наредби со краток или долг дострел во распоредот на честичките.
Течност- Ова е состојба на агрегација на материјата, средно помеѓу цврста и гасовита. Течностите имаат некои карактеристики на цврста (го задржува волуменот, формира површина, има одредена цврстина на истегнување) и гас (има форма на сад во кој се наоѓа). Термичкото движење на молекулите (атомите) на течноста е комбинација од мали вибрации околу рамнотежните позиции и честите скокови од една во друга рамнотежна позиција. Во исто време, се случуваат бавни движења на молекулите и нивните осцилации во мали волумени, честите скокови на молекулите го нарушуваат редот на долг дострел во распоредот на честичките и предизвикуваат флуидност на течностите, а малите вибрации околу рамнотежните позиции предизвикуваат постоење на краток редослед на опсег во течности.Течностите и цврстите материи, за разлика од гасовите, може да се гледаат како високо кондензирани медиуми. Во нив, молекулите (атомите) се наоѓаат многу поблиску еден до друг и силите на интеракцијата се неколку реда на големина поголеми отколку кај гасовите. Затоа, течностите и цврстите материи имаат значајна ограничени можностиза проширување, тие секако не можат да заземат произволен волумен, а при константа го задржуваат својот волумен, во кој волумен и да се ставени. Транзиции од поструктурирана состојба на агрегација во помалку подредена, исто така, може да се случуваат континуирано. Во овој поглед, наместо концептот на збирна состојба, препорачливо е да се користи поширок концепт - концепт на фаза.
Фазасе нарекува множество од сите делови на системот кои имаат исто хемиски состави да се биде во иста состојба. Ова се оправдува со истовременото постоење на термодинамички рамнотежни фази во повеќефазен систем: течност со сопствена заситена пареа; вода и мраз на точката на топење; две течности што не се мешаат (мешавина на вода со триетиламин), кои се разликуваат по концентрација; постоење на аморфни цврсти материи кои ја задржуваат структурата на течноста (аморфна состојба).
Аморфна цврста состојба на материјатае еден вид суперладна состојба на течност и се разликува од обичните течности со значително поголема вискозност и нумерички вредностикинетички карактеристики.
Кристална цврста состојба на материјата- Ова е агрегатна состојба, која се карактеризира со големи сили на интеракција помеѓу честичките на материјата (атоми, молекули, јони). Честичките од цврсти материи вибрираат околу просечните рамнотежни позиции, наречени јазли на кристалната решетка; структурата на овие супстанции се карактеризира со висок степен на подредување (ред со долг и краток дострел) - подредување во распоредот (координативен ред), во ориентацијата (ориентациски ред) на структурните честички или во редоследот на физичките својства (на пример, во ориентацијата на магнетни моменти или електрични диполни моменти). Регионот на постоење на нормална течна фаза за чисти течности, течни и течни кристали е ограничен од страната на ниските температури фазни транзициисоодветно во цврста (кристализација), суперфлуидна и течно-анизотропна состојба.
