4 stany skupienia materii w fizyce. Właściwości substancji w różnych stanach skupienia. Charakterystyka porównawcza substancji amorficznych i krystalicznych
stany zagregowane. Płyny. Fazy w termodynamice. Przejścia fazowe.
Wykład 1.16
Wszystkie substancje mogą występować w trzech stanach skupienia - Ciecz stała oraz gazowy. Przejściom między nimi towarzyszy nagła zmiana szeregu właściwości fizycznych (gęstość, przewodność cieplna itp.).
Stan skupienia zależy od warunków fizycznych, w jakich znajduje się substancja. Istnienie kilku stanów skupienia w substancji wynika z różnic w ruchu termicznym jej cząsteczek (atomów) i ich interakcji w różnych warunkach.
Gaz- stan skupienia substancji, w którym cząstki nie są związane lub bardzo słabo związane siłami oddziaływania; energia kinetyczna ruchu termicznego jego cząstek (cząsteczek, atomów) znacznie przekracza energię potencjalną oddziaływań między nimi, dzięki czemu cząstki poruszają się niemal swobodnie, całkowicie wypełniając naczynie, w którym się znajdują, i przybierają jego kształt. W stanie gazowym materia nie ma ani własnej objętości, ani własnego kształtu. Każda substancja może zostać przekształcona w stan gazowy poprzez zmianę ciśnienia i temperatury.
Płyn- stan skupienia substancji pośredniej między ciałami stałymi i gazowymi. Charakteryzuje się dużą ruchliwością cząstek i małą wolną przestrzenią między nimi. Powoduje to, że ciecze zachowują swoją objętość i przyjmują kształt naczynia. W cieczy cząsteczki znajdują się bardzo blisko siebie. Dlatego gęstość cieczy jest znacznie większa niż gęstość gazów (przy normalnym ciśnieniu). Właściwości cieczy są takie same (izotropowe) we wszystkich kierunkach, z wyjątkiem ciekłych kryształów. Po podgrzaniu lub zmniejszeniu gęstości właściwości cieczy, przewodność cieplna, lepkość zmieniają się z reguły w kierunku zbieżności z właściwościami gazów.
Ruch termiczny cząsteczek cieczy składa się z połączenia zbiorowych ruchów oscylacyjnych i sporadycznych przeskoków cząsteczek z jednej pozycji równowagi do drugiej.
Ciała stałe (krystaliczne)- skupiony stan skupienia materii, charakteryzujący się stabilnością formy i charakterem ruchu termicznego atomów. Ten ruch to wibracje atomów (lub jonów), które tworzą ciało stałe. Amplituda drgań jest zwykle niewielka w porównaniu do odległości międzyatomowych.
Właściwości płynów.
Cząsteczki substancji w stanie ciekłym znajdują się prawie blisko siebie. W przeciwieństwie do stałych ciał krystalicznych, w których cząsteczki tworzą uporządkowane struktury w całej objętości kryształu i mogą wykonywać drgania termiczne wokół stałych centrów, cząsteczki cieczy mają większą swobodę. Każda cząsteczka cieczy, a także ciała stałego, jest „zaciśnięta” ze wszystkich stron przez sąsiednie cząsteczki i wykonuje drgania termiczne wokół określonego położenia równowagi. Jednak od czasu do czasu dowolna cząsteczka może przenieść się na pobliski wakat. Takie skoki w cieczach zdarzają się dość często; dlatego cząsteczki nie są związane z pewnymi centrami, jak w kryształach, i mogą poruszać się w całej objętości cieczy. To wyjaśnia płynność płynów. Ze względu na silne oddziaływanie między blisko rozmieszczonymi cząsteczkami mogą tworzyć lokalne (niestabilne) uporządkowane grupy zawierające kilka cząsteczek. Zjawisko to nazywa się zamówienie bliskiego zasięgu.
Ze względu na gęste upakowanie cząsteczek ściśliwość cieczy, tj. zmiana objętości przy zmianie ciśnienia, jest bardzo mała; jest to dziesiątki i setki tysięcy razy mniej niż w gazach. Na przykład, aby zmienić objętość wody o 1%, musisz zwiększyć ciśnienie około 200 razy. Taki wzrost ciśnienia w porównaniu z ciśnieniem atmosferycznym osiąga się na głębokości około 2 km.
Ciecze, podobnie jak ciała stałe, zmieniają swoją objętość wraz ze zmianą temperatury. Dla niezbyt dużych zakresów temperatur zmienia się względna objętość Δ V / V 0 jest proporcjonalne do zmiany temperatury Δ T:
| |
Współczynnik β nazywa się współczynnik rozszerzalności temperaturowej. Ten współczynnik dla cieczy jest dziesięciokrotnie większy niż dla ciał stałych. Na przykład dla wody o temperaturze 20 ° С β w ≈ 2 10 -4 K -1, dla stali - β st ≈ 3,6 10 -5 K -1, dla szkła kwarcowego - β kv ≈ 9 10 - 6 K –1.
Rozszerzalność termiczna wody ma interesującą i ważną anomalię dla życia na Ziemi. W temperaturze poniżej 4 °C woda rozszerza się wraz ze spadkiem temperatury (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Gdy woda zamarza, rozszerza się, więc lód nadal unosi się na powierzchni zamarzającej wody. Temperatura zamarzającej wody pod lodem wynosi 0°C. W gęstszych warstwach wody w pobliżu dna zbiornika temperatura wynosi około 4 °C. Dzięki temu w wodzie zbiorników zamarzających może istnieć życie.
Najciekawszą cechą płynów jest obecność Wolna powierzchnia. Ciecz, w przeciwieństwie do gazów, nie wypełnia całej objętości naczynia, do którego jest wlewana. Pomiędzy cieczą a gazem (lub parą) powstaje granica faz, która znajduje się w specjalnych warunkach w porównaniu z resztą masy cieczy. Cząsteczki w warstwie granicznej cieczy, w przeciwieństwie do molekuł w jej głębi, nie są otoczone ze wszystkich stron przez inne molekuły tej samej cieczy. Siły oddziaływania międzycząsteczkowego działające na jedną z cząsteczek znajdujących się w cieczy z sąsiednich cząsteczek są średnio wzajemnie kompensowane. Każda cząsteczka w warstwie przyściennej jest przyciągana przez cząsteczki znajdujące się wewnątrz cieczy (można pominąć siły działające na daną cząsteczkę cieczy z cząsteczek gazu (lub pary). W rezultacie pojawia się pewna siła wypadkowa skierowana w głąb cieczy. Cząsteczki powierzchniowe są wciągane do cieczy przez siły przyciągania międzycząsteczkowego. Ale wszystkie cząsteczki, w tym te z warstwy przyściennej, muszą być w stanie równowagi. Równowagę tę osiąga się dzięki pewnemu zmniejszeniu odległości między cząsteczkami warstwy powierzchniowej a ich najbliższymi sąsiadami wewnątrz cieczy. Gdy odległość między cząsteczkami maleje, powstają siły odpychające. Jeśli średnia odległość między cząsteczkami w cieczy wynosi r 0 , wtedy cząsteczki warstwy powierzchniowej są upakowane nieco gęściej, a zatem mają dodatkowy zapas energii potencjalnej w porównaniu z cząsteczkami wewnętrznymi. Należy pamiętać, że ze względu na wyjątkowo niską ściśliwość obecność gęściej upakowanej warstwy powierzchniowej nie prowadzi do żadnej zauważalnej zmiany objętości cieczy. Jeśli cząsteczka przemieści się z powierzchni do cieczy, siły oddziaływania międzycząsteczkowego wykonają pozytywną pracę. Odwrotnie, aby wyciągnąć niektóre molekuły z głębokości cieczy na powierzchnię (czyli zwiększyć powierzchnię cieczy), siły zewnętrzne musi wykonać dobrą robotę A zewnętrzne proporcjonalne do zmiany Δ S powierzchnia:
| A ex = σΔ S. |
Współczynnik σ nazywany jest współczynnikiem napięcia powierzchniowego (σ > 0). Zatem współczynnik napięcia powierzchniowego jest równy pracy wymaganej do zwiększenia pola powierzchni cieczy o stałej temperaturze o jedną jednostkę.
W SI współczynnik napięcia powierzchniowego jest mierzony w dżulach na metr kwadrat (J / m 2) lub w niutonach na metr (1 N / m \u003d 1 J / m 2).
W konsekwencji molekuły warstwy powierzchniowej cieczy mają nadmiar w stosunku do molekuł wewnątrz cieczy energia potencjalna. Energia potencjalna mi p powierzchni cieczy jest proporcjonalne do jej powierzchni: 
(1.16.1)
Z mechaniki wiadomo, że stany równowagi układu odpowiadają minimalnej wartości jego energii potencjalnej. Wynika z tego, że wolna powierzchnia cieczy ma tendencję do zmniejszania swojej powierzchni. Z tego powodu swobodna kropla cieczy przybiera kulisty kształt. Płyn zachowuje się tak, jakby siły działały stycznie do jego powierzchni, zmniejszając (kurcząc) tę powierzchnię. Te siły nazywają się siły napięcia powierzchniowego.
Obecność sił napięcia powierzchniowego sprawia, że powierzchnia cieczy wygląda jak elastycznie rozciągnięta folia, z tą różnicą, że siły sprężystości w folii zależą od jej pola powierzchni (tj. od sposobu deformacji folii), a siły napięcia powierzchniowego nie nie zależy od powierzchni cieczy.
Siły napięcia powierzchniowego mają tendencję do skracania powierzchni folii. Dlatego możemy napisać: (1.16.2)
Zatem współczynnik napięcia powierzchniowego σ można zdefiniować jako moduł siły napięcia powierzchniowego działającej na jednostkę długości linii ograniczającej powierzchnię ( ja to długość tej linii).
W wyniku działania sił napięcia powierzchniowego w kroplach cieczy i wewnątrz baniek mydlanych nadciśnienie Δ P. Jeśli mentalnie wytniemy sferyczną kroplę o promieniu r na dwie połówki, to każda z nich musi być w równowadze pod działaniem sił napięcia powierzchniowego przyłożonych do granicy przecięcia o długości 2π r oraz siły nadciśnienia działające na powierzchnię π r 2 sekcje (rys. 1.16.1). Warunek równowagi jest zapisany jako
W pobliżu granicy między cieczą, ciałem stałym i gazem kształt swobodnej powierzchni cieczy zależy od sił oddziaływania cząsteczek cieczy i cząsteczek ciała stałego (oddziaływanie z cząsteczkami gazu (lub pary) można pominąć). Jeżeli siły te są większe niż siły oddziaływania między cząsteczkami samej cieczy, to ciecz mokry powierzchnia ciała stałego. W tym przypadku ciecz zbliża się do powierzchni ciała stałego pod pewnym kątem ostrym θ, charakterystycznym dla danej pary ciecz-ciało stałe. Kąt θ nazywa się kąt kontaktu. Jeżeli siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy przekraczają siły ich oddziaływania z cząsteczkami ciała stałego, to kąt zwilżania θ okazuje się rozwarty (ryc. 1.16.2 (2)). W tym przypadku mówi się, że płyn: nie moknie powierzchnia ciała stałego. W przeciwnym razie (kąt - ostry) ciecz mokry powierzchnia (rys. 1.16.2(1)). Na pełne zwilżenieθ = 0, w całkowity brak zwilżaniaθ = 180°.
zjawiska kapilarne zwany wznoszeniem lub opadaniem płynu w rurkach o małej średnicy - kapilary. Ciecze zwilżające wznoszą się przez naczynia włosowate, ciecze niezwilżające opadają.
Rysunek 1.16.3 przedstawia rurkę kapilarną o określonym promieniu r opuszczony przez dolny koniec do cieczy zwilżającej o gęstości ρ. Górny koniec kapilary jest otwarty. Wzrost cieczy w kapilarze trwa do momentu, gdy siła grawitacji działająca na słup cieczy w kapilarze stanie się równa w wartości bezwzględnej wynikowej F n siły napięcia powierzchniowego działające wzdłuż granicy kontaktu cieczy z powierzchnią kapilary: F t = F n, gdzie F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos .
Oznacza to: 
Przy całkowitym zwilżeniu θ = 0, cos θ = 1. W tym przypadku
Przy całkowitym niezwilżaniu θ = 180°, cos θ = –1, a zatem h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Woda prawie całkowicie zwilża czystą szklaną powierzchnię. I odwrotnie, rtęć nie zwilża całkowicie powierzchni szkła. Dlatego poziom rtęci w szklanej kapilarze spada poniżej poziomu w naczyniu.
Najbardziej rozpowszechniona wiedza dotyczy trzech stanów skupienia: ciekłego, stałego, gazowego, czasem o plazmie, rzadziej ciekłym krysztale. Ostatnio w Internecie rozeszła się lista 17 faz materii, zaczerpnięta od słynnego () Stephena Fry'a. Dlatego porozmawiamy o nich bardziej szczegółowo, ponieważ. należy wiedzieć trochę więcej o materii, choćby po to, by lepiej zrozumieć procesy zachodzące we Wszechświecie.
Podana poniżej lista zagregowanych stanów materii rośnie od najzimniejszych do najgorętszych i tak dalej. może być kontynuowane. Jednocześnie należy rozumieć, że ze stanu gazowego (nr 11), najbardziej „rozciągniętego”, po obu stronach listy, stopień kompresji substancji i jej ciśnienie (z pewnymi zastrzeżeniami dla takich niezbadanych stany hipotetyczne w postaci kwantowej, promieniowej lub słabo symetrycznej) Po tekście podany jest wizualny wykres przemian fazowych materii.
1. Kwantowy- stan skupienia substancji, osiągnięty przez obniżenie temperatury do zero absolutne, w wyniku czego wiązania wewnętrzne znikają, a materia rozpada się na wolne kwarki.
2. Kondensat Bosego-Einsteina- zagregowany stan materii, który opiera się na bozonach schłodzonych do temperatury bliskiej zeru bezwzględnego (mniej niż jedna milionowa stopnia powyżej zera bezwzględnego). W tak silnie schłodzonym stanie wystarczająco duża liczba atomów znajduje się w swoich minimalnych możliwych stanach kwantowych, a efekty kwantowe zaczynają manifestować się na poziomie makroskopowym. Kondensat Bosego-Einsteina (często określany jako „kondensat Bosego” lub po prostu „z powrotem”) występuje, gdy schładza się pierwiastek chemiczny do ekstremalnie niskich temperatur (zwykle nieco powyżej zera bezwzględnego, minus 273 stopnie Celsjusza). w którym wszystko przestaje się ruszać).
Tu zaczynają się dziać dziwne rzeczy. Procesy, które normalnie można zaobserwować tylko na poziomie atomowym, zachodzą teraz w skalach wystarczająco dużych, aby można je było obserwować gołym okiem. Na przykład, jeśli umieścisz „plecy” w zlewce i zapewnisz żądaną temperaturę, substancja zacznie pełzać po ścianie i ostatecznie sama się wydostanie.
Najwyraźniej mamy tu do czynienia z daremną próbą obniżenia przez materię własnej energii (która jest już na najniższym z możliwych poziomów).
Spowolnienie atomów za pomocą sprzętu chłodzącego powoduje powstanie pojedynczego stanu kwantowego znanego jako kondensat Bosego lub Bosego-Einsteina. Zjawisko to przewidział w 1925 r. A. Einstein, w wyniku uogólnienia prac S. Bose, gdzie zbudowano mechanikę statystyczną dla cząstek, od bezmasowych fotonów po atomy o masie (rękopis Einsteina, który uznano za zaginiony, został znaleziony w bibliotece Uniwersytetu w Leiden w 2005 roku). Rezultatem wysiłków Bosego i Einsteina była koncepcja Bosego gazu, który jest posłuszny statystyce Bosego-Einsteina, która opisuje rozkład statystyczny identycznych cząstek o spinie całkowitym, zwanych bozonami. Bozony, którymi są np. zarówno pojedyncze cząstki elementarne – fotony, jak i całe atomy, mogą znajdować się ze sobą w tych samych stanach kwantowych. Einstein zasugerował, że ochłodzenie atomów - bozonów do bardzo niskich temperatur spowoduje ich przejście (lub, innymi słowy, kondensację) do najniższego możliwego stanu kwantowego. Rezultatem takiej kondensacji będzie pojawienie się nowej formy materii.
To przejście zachodzi poniżej temperatury krytycznej, która jest jednorodnym trójwymiarowym gazem składającym się z nieoddziałujących cząstek bez wewnętrznych stopni swobody.
3. Kondensat fermionowy- stan skupienia substancji, podobny do podłoża, ale różniący się strukturą. Zbliżając się do zera absolutnego, atomy zachowują się różnie w zależności od wielkości własnego momentu pędu (spin). Bozony mają spiny całkowite, podczas gdy fermiony mają spiny, które są wielokrotnościami 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Fermiony są zgodne z zasadą wykluczenia Pauliego, która mówi, że dwa fermiony nie mogą mieć tego samego stanu kwantowego. W przypadku bozonów nie ma takiego zakazu, dlatego mają one możliwość istnienia w jednym stanie kwantowym i tym samym tworzą tzw. kondensat Bosego-Einsteina. Za przejście do stanu nadprzewodzącego odpowiada proces powstawania tego kondensatu.
Elektrony mają spin 1/2 i dlatego są fermionami. Łączą się w pary (tzw. pary Coopera), które następnie tworzą kondensat Bosego.
Amerykańscy naukowcy próbowali uzyskać rodzaj molekuły z atomów fermionów poprzez głębokie chłodzenie. Różnica w stosunku do prawdziwych cząsteczek polegała na tym, że nie było wiązanie chemiczne- po prostu poruszali się razem, w skorelowany sposób. Wiązanie między atomami okazało się nawet silniejsze niż między elektronami w parach Coopera. W przypadku utworzonych par fermionów całkowity spin nie jest już wielokrotnością 1/2, dlatego zachowują się one już jak bozony i mogą tworzyć kondensat Bosego z pojedynczym stanem kwantowym. W trakcie eksperymentu gaz o 40 atomach potasu został schłodzony do 300 nanokelwinów, a gaz został zamknięty w tzw. pułapce optycznej. Następnie przyłożono zewnętrzne pole magnetyczne, za pomocą którego można było zmienić charakter oddziaływań między atomami – zamiast silnego odpychania zaczęto obserwować silne przyciąganie. Analizując wpływ pola magnetycznego udało się znaleźć taką wartość, przy której atomy zaczęły zachowywać się jak pary elektronów Coopera. W kolejnym etapie eksperymentu naukowcy proponują uzyskanie efektów nadprzewodnictwa dla kondensatu fermionowego.
4. Materia nadciekła- stan, w którym substancja praktycznie nie ma lepkości, a podczas płynięcia nie doświadcza tarcia o twardą powierzchnię. Konsekwencją tego jest na przykład tak interesujący efekt, jak całkowite samoistne „wypełzanie” nadciekłego helu z naczynia wzdłuż jego ścian wbrew grawitacji. Oczywiście nie ma tu naruszenia prawa zachowania energii. W przypadku braku sił tarcia na hel działają tylko siły grawitacji, siły oddziaływania międzyatomowego między helem a ściankami naczynia oraz między atomami helu. Tak więc siły interakcji międzyatomowej przewyższają wszystkie inne siły łącznie. W rezultacie hel ma tendencję do rozprzestrzeniania się tak bardzo, jak to możliwe na wszystkich możliwych powierzchniach, a zatem „wędruje” wzdłuż ścian naczynia. W 1938 roku radziecki naukowiec Piotr Kapitsa udowodnił, że hel może istnieć w stanie nadciekłym.
Warto zauważyć, że wiele niezwykłych właściwości helu jest znanych od dłuższego czasu. Jednak w ostatnich latach ten pierwiastek chemiczny „rozpieszcza” nas ciekawymi i nieoczekiwanymi efektami. Tak więc w 2004 roku Moses Chan i Eun-Syong Kim z University of Pennsylvania zaintrygowali świat nauki, twierdząc, że udało im się uzyskać całkowicie nowy stan helu – nadciekłe ciało stałe. W tym stanie niektóre atomy helu w sieci krystalicznej mogą opływać inne, a zatem hel może przepływać przez siebie. Efekt „supertwardości” teoretycznie przewidziano już w 1969 roku. A w 2004 roku - jakby eksperymentalne potwierdzenie. Jednak późniejsze i bardzo ciekawe eksperymenty wykazały, że nie wszystko jest takie proste i być może taka interpretacja zjawiska, którą wcześniej uważano za nadciekłość helu stałego, jest błędna.
Eksperyment naukowców pod kierownictwem Humphreya Marisa z Brown University w USA był prosty i elegancki. Naukowcy umieścili odwróconą probówkę w zamkniętym zbiorniku z ciekłym helem. Część helu w probówce i zbiorniku została zamrożona w taki sposób, że granica między cieczą a ciałem stałym wewnątrz probówki była wyższa niż w zbiorniku. Innymi słowy, w górnej części probówki znajdował się ciekły hel, w dolnej hel stały, który płynnie przechodził w fazę stałą zbiornika, na którą wlano trochę ciekłego helu - poniżej poziomu cieczy w probówce. Gdyby ciekły hel zaczął przenikać przez ciało stałe, to różnica poziomów by się zmniejszyła i wtedy możemy mówić o stałym nadciekłym helu. I w zasadzie w trzech z 13 eksperymentów różnica poziomów się zmniejszyła.
5. Supertwarda materia- stan skupienia, w którym materia jest przezroczysta i może „płynąć” jak ciecz, ale w rzeczywistości pozbawiona jest lepkości. Takie ciecze są znane od wielu lat i nazywane są supercieczami. Faktem jest, że jeśli nadciek zostanie wymieszany, będzie krążył prawie zawsze, podczas gdy normalny płyn w końcu się uspokoi. Pierwsze dwie nadcieki zostały stworzone przez badaczy używających helu-4 i helu-3. Zostały schłodzone prawie do zera absolutnego - do minus 273 stopni Celsjusza. A z helu-4 amerykańskim naukowcom udało się uzyskać supertwarde ciało. Sprasowali zamrożony hel pod ciśnieniem ponad 60 razy, a następnie szkło wypełnione substancją zainstalowano na obracającej się tarczy. W temperaturze 0,175 stopnia Celsjusza dysk nagle zaczął się swobodniej obracać, co zdaniem naukowców wskazuje, że hel stał się superciałem.
6. Solidny- stan skupienia materii, charakteryzujący się stabilnością formy i charakterem ruchu termicznego atomów, które wprowadzają niewielkie drgania wokół pozycji równowagi. Stabilny stan ciał stałych jest krystaliczny. Rozróżnij ciała stałe za pomocą wiązań jonowych, kowalencyjnych, metalicznych i innych między atomami, co decyduje o różnorodności ich właściwości fizycznych. Elektryczne i niektóre inne właściwości ciał stałych zależą głównie od charakteru ruchu zewnętrznych elektronów ich atomów. Ze względu na właściwości elektryczne ciała stałe dzielą się na dielektryki, półprzewodniki i metale, ze względu na właściwości magnetyczne na diamagnesy, paramagnesy i ciała o uporządkowanej strukturze magnetycznej. Badania właściwości ciał stałych połączyły się w jedną wielką dziedzinę — fizykę ciała stałego, której rozwój stymulowany jest potrzebami techniki.
7. Amorficzne ciało stałe- skondensowany stan skupienia substancji, charakteryzujący się izotropią właściwości fizycznych ze względu na nieuporządkowany układ atomów i cząsteczek. W amorficznych ciałach stałych atomy wibrują wokół losowo rozmieszczonych punktów. W przeciwieństwie do stanu krystalicznego, przejście ze stanu stałego bezpostaciowego do ciekłego następuje stopniowo. W stanie amorficznym znajdują się różne substancje: szkła, żywice, tworzywa sztuczne itp.
8. Ciekły kryształ- jest to specyficzny stan skupienia substancji, w którym jednocześnie wykazuje właściwości kryształu i cieczy. Musimy natychmiast zastrzec, że nie wszystkie substancje mogą być w stanie ciekłokrystalicznym. Jednak niektórzy materia organiczna, które mają złożone cząsteczki, mogą tworzyć specyficzny stan skupienia - ciekły kryształ. Ten stan odbywa się podczas topienia kryształów niektórych substancji. Gdy się topią, powstaje faza ciekłokrystaliczna, która różni się od zwykłych cieczy. Faza ta istnieje w zakresie od temperatury topnienia kryształu do nieco wyższej temperatury, po podgrzaniu, do której ciekły kryształ przekształca się w zwykłą ciecz.
Czym różni się ciekły kryształ od cieczy i zwykłego kryształu i jak jest do nich podobny? Podobnie jak zwykła ciecz, ciekły kryształ ma płynność i przybiera postać naczynia, w którym jest umieszczony. Tym różni się od kryształów znanych wszystkim. Jednak pomimo tej właściwości, która łączy go z cieczą, ma właściwości charakterystyczne dla kryształów. To jest uporządkowanie w przestrzeni cząsteczek tworzących kryształ. To prawda, że uporządkowanie to nie jest tak kompletne jak w zwykłych kryształach, niemniej jednak znacząco wpływa na właściwości ciekłych kryształów, co odróżnia je od zwykłych cieczy. Niepełne uporządkowanie przestrzenne molekuł tworzących ciekły kryształ objawia się tym, że w ciekłych kryształach nie ma pełnego uporządkowania przestrzennego układu środków ciężkości molekuł, chociaż może być to uporządkowanie częściowe. Oznacza to, że nie mają sztywnej sieci krystalicznej. Dlatego ciekłe kryształy, podobnie jak zwykłe ciecze, mają właściwość płynności.
Wymagana nieruchomość ciekłych kryształów, co zbliża je do zwykłych kryształów, to obecność porządku w orientacji przestrzennej cząsteczek. Taka kolejność orientacji może objawiać się np. tym, że wszystkie długie osie cząsteczek w próbce ciekłokrystalicznej są zorientowane w ten sam sposób. Te cząsteczki muszą mieć wydłużony kształt. Oprócz najprostszego nazwanego uporządkowania osi cząsteczek, w ciekłym krysztale można zrealizować bardziej złożony porządek orientacji cząsteczek.
W zależności od rodzaju uporządkowania osi molekularnych ciekłe kryształy dzielą się na trzy typy: nematyczny, smektyczny i cholesteryczny.
Badania nad fizyką ciekłych kryształów i ich zastosowaniami są obecnie prowadzone na szerokim froncie we wszystkich najbardziej rozwiniętych krajach świata. Badania krajowe są skoncentrowane zarówno w akademickich, jak i przemysłowych instytucjach badawczych i mają długą tradycję. Prace V.K. Frederiksa do V.N. Cwiekow. W ostatnich latach, w szybkim badaniu ciekłych kryształów, rosyjscy naukowcy wnieśli również znaczący wkład w rozwój teorii ciekłych kryształów w ogóle, a w szczególności optyki ciekłych kryształów. Tak więc prace I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina S.A. Brazowski, SA Pikina, L.M. Blinov i wielu innych sowieckich badaczy są szeroko znani społeczności naukowej i służą jako podstawa wielu skutecznych technicznych zastosowań ciekłych kryształów.
Istnienie ciekłych kryształów zostało ustalone bardzo dawno temu, a mianowicie w 1888 roku, czyli prawie sto lat temu. Chociaż naukowcy zetknęli się z tym stanem materii przed 1888 rokiem, oficjalnie odkryto go później.
Pierwszym, który odkrył ciekłe kryształy, był austriacki botanik Reinitzer. Badając zsyntetyzowaną przez niego nową substancję, benzoesan cholesterylu, odkrył, że w temperaturze 145°C kryształy tej substancji topią się, tworząc mętną ciecz, która silnie rozprasza światło. Przy ciągłym ogrzewaniu, po osiągnięciu temperatury 179°C, ciecz staje się klarowna, to znaczy zaczyna zachowywać się optycznie jak zwykła ciecz, taka jak woda. Benzoesan cholesterylu wykazał nieoczekiwane właściwości w fazie mętnej. Badając tę fazę pod mikroskopem polaryzacyjnym, Reinitzer odkrył, że ma ona dwójłomność. Oznacza to, że współczynnik załamania światła, czyli prędkość światła w tej fazie, zależy od polaryzacji.
9. Ciecz- stan skupienia substancji, łączący cechy stanu stałego (zachowanie objętości, określona wytrzymałość na rozciąganie) i stanu gazowego (zmienność kształtu). Ciecz charakteryzuje się bliskim zasięgiem uporządkowania cząstek (cząsteczek, atomów) oraz niewielką różnicą energii kinetycznej ruchu termicznego cząsteczek i ich potencjalnej energii oddziaływania. Na ruch termiczny cząsteczek cieczy składają się oscylacje wokół pozycji równowagi i stosunkowo rzadkie przeskoki z jednej pozycji równowagi do drugiej, co jest związane z płynnością cieczy.
10. Płyn w stanie nadkrytycznym(GFR) to stan skupienia substancji, w którym zanika różnica między fazą ciekłą i gazową. Każda substancja o temperaturze i ciśnieniu powyżej punktu krytycznego jest płynem nadkrytycznym. Właściwości substancji w stanie nadkrytycznym są pośrednie między jej właściwościami w fazie gazowej i ciekłej. Tak więc SCF ma wysoką gęstość, zbliżoną do cieczy i niską lepkość, podobnie jak gazy. Współczynnik dyfuzji w tym przypadku ma wartość pośrednią między cieczą a gazem. Substancje w stanie nadkrytycznym mogą być stosowane jako substytuty rozpuszczalników organicznych w procesach laboratoryjnych i przemysłowych. Największym zainteresowaniem i dystrybucją w związku z pewnymi właściwościami cieszy się woda w stanie nadkrytycznym i dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym.
Jedną z najważniejszych właściwości stanu nadkrytycznego jest zdolność rozpuszczania substancji. Zmieniając temperaturę lub ciśnienie płynu można w szerokim zakresie zmieniać jego właściwości. W ten sposób można uzyskać płyn, którego właściwości są zbliżone do cieczy lub gazu. W ten sposób siła rozpuszczania płynu wzrasta wraz ze wzrostem gęstości (w stałej temperaturze). Ponieważ gęstość wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia, zmiana ciśnienia może wpływać na zdolność rozpuszczania płynu (w stałej temperaturze). W przypadku temperatury zależność właściwości płynu jest nieco bardziej skomplikowana - przy stałej gęstości siła rozpuszczania płynu również wzrasta, ale w pobliżu punktu krytycznego niewielki wzrost temperatury może prowadzić do gwałtownego spadku gęstości, i odpowiednio moc rozpuszczania. Płyny w stanie nadkrytycznym mieszają się ze sobą w nieskończoność, więc po osiągnięciu krytycznego punktu mieszaniny układ zawsze będzie jednofazowy. Przybliżoną temperaturę krytyczną mieszaniny binarnej można obliczyć jako średnią arytmetyczną parametrów krytycznych substancji Tc(mix) = (ułamek molowy A) x TcA + (ułamek molowy B) x TcB.
11. Gazowy- (z francuskiego gaz, z greckiego chaos – chaos), skupiony stan skupienia materii, w którym energia kinetyczna ruchu termicznego jej cząstek (cząsteczek, atomów, jonów) znacznie przekracza energię potencjalną oddziaływań między nimi, a więc i cząstek poruszać się swobodnie, równomiernie wypełniając w przypadku braku pól zewnętrznych, całą objętość im dostarczaną.
12. Plazma- (z greckiej plazmy - ukształtowany, ukształtowany), stan skupienia materii, będący zjonizowanym gazem, w którym stężenia ładunków dodatnich i ujemnych są równe (quasi-neutralność). Zdecydowana większość materii we Wszechświecie znajduje się w stanie plazmy: gwiazdy, mgławice galaktyczne i ośrodek międzygwiazdowy. W pobliżu Ziemi plazma występuje w postaci wiatru słonecznego, magnetosfery i jonosfery. Plazma wysokotemperaturowa (T ~ 106 - 108 K) z mieszaniny deuteru i trytu jest badana w celu wdrożenia kontrolowanej fuzji termojądrowej. Plazma niskotemperaturowa (T Ј 105K) jest stosowana w różnych urządzeniach wyładowczych (lasery gazowe, urządzenia jonowe, generatory MHD, palniki plazmowe, silniki plazmowe itp.), a także w technologii (patrz Metalurgia plazmowa, Wiercenie plazmowe, Technologia plazmowa) .
13. Zdegenerowana materia- jest etapem pośrednim między plazmą a neutronium. Jest obserwowany u białych karłów i odgrywa ważną rolę w ewolucji gwiazd. Gdy atomy znajdują się w warunkach ekstremalnie wysokich temperatur i ciśnień, tracą swoje elektrony (przechodzą w gaz elektronowy). Innymi słowy, są całkowicie zjonizowane (plazma). Ciśnienie takiego gazu (plazmy) zależy od ciśnienia elektronów. Jeśli gęstość jest bardzo duża, wszystkie cząstki zmuszone są do zbliżenia się do siebie. Elektrony mogą znajdować się w stanach o określonych energiach, a dwa elektrony nie mogą mieć tej samej energii (chyba że ich spiny są przeciwne). Tak więc w gęstym gazie wszystkie niższe poziomy energii okazują się być wypełnione elektronami. Taki gaz nazywa się zdegenerowanym. W tym stanie elektrony wykazują zdegenerowane ciśnienie elektronowe, które przeciwstawia się siłom grawitacji.
14. Neutronium— stan skupienia, do którego przechodzi materia pod ultrawysokim ciśnieniem, co jest jeszcze nieosiągalne w laboratorium, ale istnieje wewnątrz gwiazd neutronowych. Podczas przejścia do stanu neutronowego elektrony materii oddziałują z protonami i zamieniają się w neutrony. W rezultacie materia w stanie neutronowym składa się wyłącznie z neutronów i ma gęstość rzędu jądrowego. Temperatura substancji w tym przypadku nie powinna być zbyt wysoka (w ekwiwalencie energetycznym nie więcej niż sto MeV).
Wraz z silnym wzrostem temperatury (setki MeV i więcej), w stanie neutronowym, rodzą się i unicestwiają różne mezony. Wraz z dalszym wzrostem temperatury następuje odkręcenie, a materia przechodzi w stan plazmy kwarkowo-gluonowej. Nie składa się już z hadronów, ale z nieustannie rodzących się i zanikających kwarków i gluonów.
15. Plazma kwarkowo-gluonowa(chromoplazma) to zagregowany stan materii w fizyce wysokich energii i fizyce cząstek elementarnych, w którym materia hadronowa przechodzi w stan podobny do stanu, w którym elektrony i jony znajdują się w zwykłej plazmie.
Zwykle materia w hadronach jest w tzw. stanie bezbarwnym („białym”). Oznacza to, że kwarki o różnych kolorach kompensują się nawzajem. Podobny stan występuje w zwykłej materii - gdy wszystkie atomy są elektrycznie obojętne, czyli
ładunki dodatnie w nich są kompensowane przez ujemne. W wysokich temperaturach może dojść do jonizacji atomów, podczas gdy ładunki są rozdzielone, a substancja staje się, jak mówią, „quasi-neutralna”. Oznacza to, że cała chmura materii jako całość pozostaje neutralna, a poszczególne jej cząstki przestają być neutralne. Przypuszczalnie to samo może się zdarzyć z materią hadronową – przy bardzo wysokich energiach uwalniany jest kolor i sprawia, że substancja staje się „quasi-bezbarwna”.
Przypuszczalnie materia Wszechświata znajdowała się w stanie plazmy kwarkowo-gluonowej w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu. Teraz plazma kwarkowo-gluonowa może powstawać przez krótki czas w zderzeniach cząstek o bardzo wysokich energiach.
Plazmę kwarkowo-gluonową uzyskano eksperymentalnie w akceleratorze RHIC w Brookhaven National Laboratory w 2005 roku. W lutym 2010 roku uzyskano tam maksymalną temperaturę plazmy wynoszącą 4 biliony stopni Celsjusza.
16. Dziwna substancja- stan skupienia, w którym materia jest skompresowana do granicznych wartości gęstości, może występować w postaci „zupy twarogowej”. Centymetr sześcienny materii w tym stanie ważyłby miliardy ton; poza tym zamieni każdą normalną substancję, z którą się zetknie, w tę samą „dziwną” formę z uwolnieniem znacznej ilości energii.
Energia, która może zostać uwolniona podczas przemiany substancji jądra gwiazdy w „dziwną substancję”, doprowadzi do superpotężnej eksplozji „kwarkowej nowej” – i według Leahy'ego i Wyeda było to właśnie ten wybuch, który astronomowie zaobserwowali we wrześniu 2006 roku.
Proces powstawania tej substancji rozpoczął się od zwykłej supernowej, w którą zamieniła się masywna gwiazda. W wyniku pierwszej eksplozji powstała gwiazda neutronowa. Jednak według Leahy'ego i Wyeda nie trwało to długo – ponieważ jego rotacja wydawała się być spowolniona przez własne pole magnetyczne, zaczęła się jeszcze bardziej kurczyć, tworząc grudkę „dziwnych rzeczy”, co doprowadziło do jeszcze silniejszy niż w normalnej eksplozji supernowej, uwolnienie energii - i zewnętrzne warstwy substancji byłej gwiazdy neutronowej, lecące w otaczającą przestrzeń z prędkością zbliżoną do prędkości światła.
17. Materia silnie symetryczna- jest to substancja skompresowana do tego stopnia, że zawarte w niej mikrocząstki nakładają się na siebie, a sam organizm zapada się w czarna dziura. Termin „symetria” wyjaśnia się następująco: weźmy zbiorcze stany materii znane wszystkim ze szkolnej ławki – stały, ciekły, gazowy. Aby uzyskać jednoznaczność, rozważ idealny kryształ nieskończony jako ciało stałe. Ma pewną, tzw. symetrię dyskretną względem translacji. Oznacza to, że jeśli sieć krystaliczna zostanie przesunięta o odległość równą odstępowi między dwoma atomami, nic się w niej nie zmieni - kryształ będzie się pokrywał ze sobą. Jeśli kryształ zostanie stopiony, symetria powstałej cieczy będzie inna: wzrośnie. W krysztale równoważne były tylko punkty odległe od siebie w określonych odległościach, tzw. węzły sieci krystalicznej, w których znajdowały się identyczne atomy.
Ciecz jest jednorodna w całej swojej objętości, wszystkie jej punkty są nie do odróżnienia od siebie. Oznacza to, że płyny można przesuwać o dowolne odległości (a nie tylko o kilka dyskretnych, jak w krysztale) lub obracać o dowolne kąty (czego w kryształach nie da się w ogóle zrobić) i będzie się to pokrywać ze sobą. Jego stopień symetrii jest wyższy. Gaz jest jeszcze bardziej symetryczny: ciecz zajmuje określoną objętość w naczyniu, a wewnątrz naczynia występuje asymetria, tam gdzie jest ciecz, a miejsca, gdzie jej nie ma. Gaz natomiast zajmuje całą dostarczoną mu objętość iw tym sensie wszystkie jego punkty są nie do odróżnienia od siebie. Niemniej jednak słuszniej byłoby mówić tu nie o punktach, ale o małych, ale makroskopowych elementach, bo na poziomie mikroskopowym wciąż istnieją różnice. W niektórych momentach są atomy lub cząsteczki, podczas gdy inne nie. Symetrię obserwuje się tylko średnio, albo w niektórych makroskopowych parametrach objętości, albo w czasie.
Ale wciąż nie ma natychmiastowej symetrii na poziomie mikroskopowym. Jeśli substancja jest ściśnięta bardzo mocno, do ciśnień niedopuszczalnych w życiu codziennym, ściśnięta tak, że atomy zostały zmiażdżone, ich skorupy penetrowały się nawzajem, a jądra zaczęły się stykać, symetria powstaje na poziomie mikroskopowym. Wszystkie jądra są takie same i dociśnięte do siebie, istnieją nie tylko odległości międzyatomowe, ale także międzyjądrowe, a substancja staje się jednorodna (dziwna substancja).
Ale jest też poziom submikroskopowy. Jądra składają się z protonów i neutronów, które poruszają się wewnątrz jądra. Między nimi jest też pewna przestrzeń. Jeśli będziesz kontynuować kompresję, tak że jądra również zostaną zmiażdżone, nukleony będą mocno do siebie dociskać. Wtedy na poziomie submikroskopowym pojawi się symetria, której nie ma nawet w zwykłych jądrach.
Z tego, co zostało powiedziane, widać dość wyraźny trend: im wyższa temperatura i im wyższe ciśnienie, tym bardziej symetryczna staje się substancja. Na podstawie tych rozważań substancję skompresowaną do maksimum nazywa się silnie symetryczną.
18. Materia słabo symetryczna- stan odwrotny w swoich właściwościach do silnie symetrycznej materii, która występowała we wczesnym Wszechświecie w temperaturze zbliżonej do temperatury Plancka, być może 10-12 sekund po Wielkim Wybuchu, kiedy silne, słabe i elektromagnetyczne siły stanowiły pojedynczą supersiłę . W tym stanie materia jest ściśnięta do tego stopnia, że jej masa zamienia się w energię, która zaczyna się rozdęć, czyli rozszerzać w nieskończoność. Nie jest jeszcze możliwe osiągnięcie energii do eksperymentalnego wytwarzania supermocy i przenoszenia materii do tej fazy w warunkach ziemskich, chociaż takie próby podjęto w Wielkim Zderzaczu Hadronów w celu zbadania wczesnego Wszechświata. Ze względu na brak oddziaływania grawitacyjnego w składzie supersiła tworzącej tę substancję, supersiła nie jest wystarczająco symetryczna w porównaniu z siłą supersymetryczną, która zawiera wszystkie 4 rodzaje oddziaływań. Dlatego ten stan skupienia otrzymał taką nazwę.
19. Sprawa promieniowania- w rzeczywistości nie jest to już substancja, ale energia w najczystszej postaci. Jednak to ten hipotetyczny stan skupienia przyjmie ciało, które osiągnęło prędkość światła. Można go również uzyskać przez podgrzanie ciała do temperatury Plancka (1032K), czyli poprzez rozproszenie cząsteczek substancji do prędkości światła. Jak wynika z teorii względności, gdy prędkość osiąga ponad 0,99 s masa ciała zaczyna rosnąć znacznie szybciej niż przy „normalnym” przyspieszeniu, dodatkowo ciało wydłuża się, nagrzewa, czyli zaczyna promieniować w widmie podczerwieni. Po przekroczeniu progu 0,999 s ciało zmienia się dramatycznie i rozpoczyna szybkie przejście fazowe do stanu wiązki. Jak wynika ze wzoru Einsteina, wziętego w całości, rosnąca masa substancji końcowej składa się z mas, które są oddzielone od ciała w postaci promieniowania cieplnego, rentgenowskiego, optycznego i innego, z których energia jest równa opisany przez kolejny termin we wzorze. W ten sposób ciało zbliżające się do prędkości światła zacznie promieniować we wszystkich widmach, wydłużać się i zwalniać w czasie, zmniejszając się do długości Plancka, czyli po osiągnięciu prędkości c ciało zamienia się w nieskończenie długie i cienkie wiązka poruszająca się z prędkością światła i składająca się z fotonów, które nie mają długości, a jej nieskończona masa zamieni się całkowicie w energię. Dlatego taka substancja nazywa się promieniowaniem.
Zagregowany stan skupienia
Substancja- rzeczywisty zestaw cząstek połączonych wiązaniami chemicznymi iw określonych warunkach w jednym ze stanów skupienia. Każda substancja składa się ze zbioru bardzo dużej liczby cząstek: atomów, cząsteczek, jonów, które mogą łączyć się ze sobą w asocjaty, zwane również agregatami lub klastrami. W zależności od temperatury i zachowania cząstek w asocjacie (wzajemne ułożenie cząstek, ich liczba i oddziaływanie w asocjacie, a także rozkład asocjatów w przestrzeni i ich wzajemne oddziaływanie) substancja może znajdować się w dwóch głównych stanach agregacji - krystaliczny (stały) lub gazowy, a w przejściowych stanach agregacji - amorficzny (stały), ciekły kryształ, ciecz i para. Stałe, ciekłokrystaliczne i ciekłe stany skupienia ulegają kondensacji, a pary i gazy są silnie rozładowywane.
Faza- jest to zestaw jednorodnych mikroregionów, charakteryzujących się tym samym uporządkowaniem i koncentracją cząstek i zamkniętych w makroskopowej objętości substancji ograniczonej powierzchnią międzyfazową. W tym rozumieniu faza jest charakterystyczna tylko dla substancji znajdujących się w stanie krystalicznym i gazowym, ponieważ są to jednorodne stany skupione.
metafaza- jest to zbiór heterogenicznych mikroregionów, które różnią się od siebie stopniem uporządkowania cząstek lub ich stężeniem i są zamknięte w makroskopowej objętości substancji ograniczonej powierzchnią międzyfazową. W tym rozumieniu metafaza jest charakterystyczna tylko dla substancji znajdujących się w niejednorodnych przejściowych stanach skupienia. Różne fazy i metafazy mogą się ze sobą mieszać, tworząc jeden stan agregacji, a następnie nie ma między nimi interfejsu.
Zwykle nie należy oddzielać pojęcia „podstawowego” i „przejściowego” stanu agregacji. Pojęcia „stan skupienia”, „faza” i „mezofaza” są często używane jako synonimy. Wskazane jest rozważenie pięciu możliwych stanów zagregowanych dla stanu substancji: ciało stałe, ciekłokrystaliczne, ciecz, para, gaz. Przejście jednej fazy do drugiej fazy nazywa się przejściem fazowym pierwszego i drugiego rzędu. Przemiany fazowe pierwszego rodzaju charakteryzują się:
Nagła zmiana wielkości fizycznych opisujących stan materii (objętość, gęstość, lepkość itp.);
Określona temperatura, w której zachodzi dane przejście fazowe
Pewne ciepło, które charakteryzuje to przejście, ponieważ zerwać wiązania międzycząsteczkowe.
Przejścia fazowe pierwszego rodzaju obserwuje się podczas przechodzenia z jednego stanu skupienia do innego stanu skupienia. Przemiany fazowe drugiego rodzaju obserwuje się, gdy zmienia się uporządkowanie cząstek w jednym stanie skupienia i charakteryzują się:
Stopniowa zmiana właściwości fizycznych substancji;
Zmiana uporządkowania cząstek substancji pod działaniem gradientu pól zewnętrznych lub w określonej temperaturze, zwanej temperaturą przejścia fazowego;
Ciepło przemian fazowych drugiego rzędu jest równe i bliskie zeru.
Główna różnica między przejściami fazowymi pierwszego i drugiego rzędu polega na tym, że podczas przejść pierwszego rodzaju zmienia się przede wszystkim energia cząstek układu, a w przypadku przejść drugiego rodzaju kolejność cząstki systemu.
Nazywa się przejście substancji ze stanu stałego do stanu ciekłego topienie i charakteryzuje się temperaturą topnienia. Nazywa się przejście substancji ze stanu ciekłego w stan pary odparowanie i charakteryzuje się temperaturą wrzenia. W przypadku niektórych substancji o małej masie cząsteczkowej i słabym oddziaływaniu międzycząsteczkowym możliwe jest bezpośrednie przejście ze stanu stałego do stanu pary, z pominięciem stanu ciekłego. Takie przejście nazywa się sublimacja. Wszystkie te procesy mogą przebiegać w odwrotnym kierunku: wtedy nazywa się je zamrażanie, kondensacja, desublimacja.
Substancje, które nie rozkładają się podczas topienia i wrzenia, mogą znajdować się, w zależności od temperatury i ciśnienia, we wszystkich czterech stanach skupienia.
Stan stały
W wystarczająco niskich temperaturach prawie wszystkie substancje znajdują się w stanie stałym. W tym stanie odległość między cząsteczkami substancji jest porównywalna z wielkością samych cząsteczek, co zapewnia ich silne oddziaływanie oraz znaczny nadmiar ich energii potencjalnej nad energią kinetyczną. Prowadzi to do wewnętrznego porządku w ułożeniu cząstek. Dlatego bryły charakteryzują się własnym kształtem, wytrzymałością mechaniczną, stałą objętością (są praktycznie nieściśliwe). W zależności od stopnia uporządkowania cząstek, ciała stałe dzielą się na krystaliczny i amorficzny.
Substancje krystaliczne charakteryzują się uporządkowaniem w ułożeniu wszystkich cząstek. Faza stała substancji krystalicznych składa się z cząstek tworzących jednorodną strukturę, charakteryzującą się ścisłą powtarzalnością tej samej komórki elementarnej we wszystkich kierunkach. Komórka elementarna kryształu charakteryzuje się trójwymiarową periodycznością w układzie cząstek, tj. jego sieć krystaliczna. Sieci krystaliczne są klasyfikowane zgodnie z rodzajem cząstek, które tworzą kryształ i charakterem sił przyciągania między nimi.
Wiele substancji krystalicznych w zależności od warunków (temperatura, ciśnienie) może mieć różną strukturę krystaliczną. Zjawisko to nazywa się wielopostaciowość. Znane polimorficzne modyfikacje węgla: grafit, fuleren, diament, karabinek.
Substancje amorficzne (bezkształtne). Ten stan jest typowy dla polimerów. Długie cząsteczki łatwo wyginają się i splatają z innymi cząsteczkami, co prowadzi do nieregularności w ułożeniu cząsteczek.
Różnica między cząsteczkami amorficznymi a krystalicznymi:
izotropia - identyczność właściwości fizycznych i chemicznych ciała lub ośrodka we wszystkich kierunkach, tj. niezależność własności od kierunku;
brak stałej temperatury topnienia.
Szkło, topiony kwarc i wiele polimerów ma strukturę amorficzną. Substancje amorficzne są mniej stabilne niż krystaliczne, dlatego każde ciało amorficzne może w końcu przejść do bardziej stabilnego energetycznie stanu – krystalicznego.
stan ciekły
Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia drgań cieplnych cząstek, a dla każdej substancji istnieje temperatura, od której energia drgań cieplnych przewyższa energię wiązań. Cząsteczki mogą wykonywać różne ruchy, przesuwając się względem siebie. Nadal pozostają w kontakcie, chociaż naruszona jest prawidłowa struktura geometryczna cząstek - substancja istnieje w stanie ciekłym. Ze względu na ruchliwość cząstek stan ciekły charakteryzuje się ruchem Browna, dyfuzją i lotnością cząstek. Ważną właściwością cieczy jest lepkość, która charakteryzuje siły międzyasocjacyjne uniemożliwiające swobodny przepływ cieczy.
Ciecze zajmują pozycję pośrednią między gazowym i stałym stanem materii. Bardziej uporządkowana struktura niż gaz, ale mniej niż ciało stałe.
Stany parowe i gazowe
Stan gazowo-parowy zwykle nie jest rozróżniany.
Gaz - jest to wysoce rozrzedzony układ jednorodny, składający się z pojedynczych cząsteczek oddalonych od siebie, co można uznać za pojedynczą fazę dynamiczną.
Parowy - jest to wysoce rozładowany układ niejednorodny, będący mieszaniną cząsteczek i niestabilnych małych asocjatów składających się z tych cząsteczek.
Teoria molekularno-kinetyczna wyjaśnia właściwości gazu doskonałego, opierając się na następujących założeniach: cząsteczki wykonują ciągły ruch losowy; objętość cząsteczek gazu jest znikoma w porównaniu do odległości międzycząsteczkowych; między cząsteczkami gazu nie ma sił przyciągania ani odpychania; średnia energia kinetyczna cząsteczek gazu jest proporcjonalna do jego temperatury bezwzględnej. Ze względu na znikomość sił oddziaływań międzycząsteczkowych oraz obecność dużej wolnej objętości, gazy charakteryzują się: dużą szybkością ruchu termicznego i dyfuzji molekularnej, dążeniem cząsteczek do zajmowania jak największej objętości, a także dużą ściśliwość.
System izolowanej fazy gazowej charakteryzuje się czterema parametrami: ciśnieniem, temperaturą, objętością, ilością substancji. Zależność między tymi parametrami opisuje równanie stanu gazu doskonałego:
R = 8,31 kJ/mol to uniwersalna stała gazowa.
W tej sekcji przyjrzymy się stany zagregowane, w którym znajduje się otaczająca nas materia oraz siły oddziaływania między cząsteczkami materii, charakterystyczne dla każdego ze stanów skupienia.
1. Stan stały,
2. stan ciekły oraz
3. stan gazowy.
Często wyróżnia się czwarty stan agregacji - osocze.
Czasami stan plazmy jest uważany za jeden z rodzajów stanu gazowego.
Plazma - częściowo lub całkowicie zjonizowany gaz, najczęściej występuje w wysokich temperaturach.
Osocze jest najczęstszym stanem materii we wszechświecie, ponieważ w tym stanie znajduje się materia gwiazd.
Dla wszystkich stan skupienia charakterystyczne cechy charakteru interakcji między cząsteczkami substancji, które wpływają na jej właściwości fizyczne i chemiczne.
Każda substancja może znajdować się w różnych stanach skupienia. W wystarczająco niskich temperaturach wszystkie substancje są w stan stały. Ale gdy się nagrzewają, stają się płyny, następnie gazy. Po dalszym ogrzewaniu ulegają jonizacji (atomy tracą część swoich elektronów) i przechodzą w stan osocze.
Gaz
stan gazowy(z niderlandzkiego gaz, wraca do innego greckiego. Χάος ) charakteryzuje się bardzo słabymi wiązaniami między jego cząstkami składowymi.
Cząsteczki lub atomy tworzące gaz poruszają się losowo, a jednocześnie przez większość czasu znajdują się w dużych (w porównaniu ze swoimi rozmiarami) odległościach od siebie. W związku z tym siły oddziaływania między cząsteczkami gazu są znikome.
Główną cechą gazu polega na tym, że wypełnia całą dostępną przestrzeń bez tworzenia powierzchni. Gazy zawsze się mieszają. Gaz jest substancją izotropową to znaczy, że jego właściwości nie zależą od kierunku.
W przypadku braku grawitacji ciśnienie to samo we wszystkich punktach gazu. W polu sił grawitacyjnych gęstość i ciśnienie nie są takie same w każdym punkcie, malejące wraz z wysokością. W związku z tym w polu grawitacyjnym mieszanina gazów staje się niejednorodna. gazy ciężkie mają tendencję do osiadania niżej i bardziej płuca- iść do góry.
Gaz ma wysoką ściśliwość- wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta jego gęstość. Wraz ze wzrostem temperatury rozszerzają się.
Po sprężeniu gaz może zamienić się w ciecz., ale kondensacja nie występuje w żadnej temperaturze, ale w temperaturze poniżej temperatury krytycznej. Temperatura krytyczna jest charakterystyczna dla danego gazu i zależy od sił oddziaływania między jego cząsteczkami. Czyli na przykład gaz hel można upłynnić tylko w temperaturach poniżej 4.2K.
Istnieją gazy, które po schłodzeniu przechodzą do ciała stałego z pominięciem fazy ciekłej. Przekształcenie cieczy w gaz nazywa się parowaniem, a bezpośrednią przemianę ciała stałego w gaz nazywa się sublimacja.
Solidny
Stan stały w porównaniu z innymi stanami skupienia charakteryzują się stabilnością kształtu.
Wyróżnić krystaliczny oraz amorficzne ciała stałe.
Krystaliczny stan materii
Stabilność kształtu brył wynika z faktu, że większość brył ma struktura krystaliczna.
W tym przypadku odległości między cząsteczkami substancji są małe, a siły oddziaływania między nimi duże, co decyduje o stabilności formy.
Łatwo jest zweryfikować strukturę krystaliczną wielu ciał stałych, rozszczepiając kawałek materii i badając powstałe pęknięcie. Zwykle na przerwie (na przykład w cukrze, siarce, metalach itp.) widoczne są drobne powierzchnie kryształów umieszczone pod różnymi kątami, które błyszczą ze względu na różne odbijanie przez nie światła.
W przypadkach, gdy kryształy są bardzo małe, strukturę krystaliczną substancji można ustalić za pomocą mikroskopu.
Formy kryształowe
Każda substancja tworzy się kryształy doskonale zdefiniowana forma.
Różnorodność form krystalicznych można podsumować w siedmiu grupach:
1. Trójklinika(równoległościan),
2.Jednoskośny(pryzmat z równoległobokiem u podstawy),
3. Rombowy(prostokątny równoległościan),
4. tetragonalny(prostokątny równoległościan z kwadratem u podstawy),
5. Trójkątny,
6. Sześciokątny(pryzmat z podstawą prawej wyśrodkowany
sześciokąt),
7. sześcienny(sześcian).
Wiele substancji, w szczególności żelazo, miedź, diament, chlorek sodu, krystalizuje w system sześcienny. Najprostsze formy tego systemu to sześcian, ośmiościan, czworościan.
Magnez, cynk, lód, kwarc krystalizują w system sześciokątny. Główne formy tego systemu to: graniastosłupy sześciokątne i bipiramida.
Kryształy naturalne, jak również kryształy otrzymywane sztucznie, rzadko odpowiadają dokładnie formom teoretycznym. Zwykle, gdy stopiona substancja krzepnie, kryształy zrastają się ze sobą i dlatego kształt każdego z nich nie jest do końca poprawny.
Jednak bez względu na to, jak nierównomiernie rozwija się kryształ, bez względu na to, jak zniekształcony jest jego kształt, kąty, pod którymi powierzchnie kryształu zbiegają się w tej samej substancji, pozostają stałe.
Anizotropia
Cechy ciał krystalicznych nie ograniczają się do kształtu kryształów. Chociaż substancja w krysztale jest doskonale jednorodna, wiele jej właściwości fizycznych - wytrzymałość, przewodność cieplna, stosunek do światła itp. - nie zawsze jest takich samych w różnych kierunkach w krysztale. Ta ważna cecha substancji krystalicznych nazywa się anizotropia.
Struktura wewnętrzna kryształów. Kraty kryształowe.
Zewnętrzny kształt kryształu odzwierciedla jego wewnętrzną strukturę i wynika z prawidłowego ułożenia cząsteczek tworzących kryształ - molekuł, atomów lub jonów.
Ten układ można przedstawić jako sieci krystalicznej- rama przestrzenna utworzona przez przecinające się linie proste. W punktach przecięcia linii - węzły kratowe są centrami cząstek.
W zależności od charakteru cząstek znajdujących się w węzłach sieci krystalicznej oraz od tego, jakie siły oddziaływania między nimi panują w danym krysztale, wyróżnia się następujące typy kryształowe sieci:
1. molekularny,
2. atomowy,
3. jonowy oraz
4. metal.
Sieci molekularne i atomowe są nieodłączne dla substancji z wiązaniem kowalencyjnym, jonowe - w związkach jonowych, metaliczne - w metalach i ich stopach.
W węzłach sieci atomowych znajdują się atomy. Są ze sobą połączone wiązanie kowalencyjne.
Istnieje stosunkowo niewiele substancji, które mają sieci atomowe. Oni należą do diament, krzem oraz niektóre związki nieorganiczne.
Substancje te charakteryzują się dużą twardością, są ogniotrwałe i praktycznie nierozpuszczalne w żadnych rozpuszczalnikach. Te właściwości wynikają z ich trwałości. wiązanie kowalencyjne.
Cząsteczki znajdują się w węzłach sieci molekularnych. Są ze sobą połączone siły międzycząsteczkowe.
Istnieje wiele substancji o sieci molekularnej. Oni należą do niemetale, z wyjątkiem węgla i krzemu, wszystkie związki organiczne z wiązaniem niejonowym i wiele związków nieorganicznych.
Siły oddziaływań międzycząsteczkowych są znacznie słabsze niż siły wiązań kowalencyjnych, dlatego kryształy molekularne mają niską twardość, są topliwe i lotne.
W węzłach sieci jonowych znajdują się naprzemiennie naładowane dodatnio i ujemnie jony. Są ze sobą połączone siłami przyciąganie elektrostatyczne.
Związki jonowe tworzące sieci jonowe obejmują większość soli i niewielka ilość tlenków.
Siłą sieci jonowe gorszy od atomowego, ale przekracza molekularny.
Związki jonowe mają stosunkowo wysokie temperatury topnienia. Ich zmienność w większości przypadków nie jest duża.
W węzłach sieci metalowych znajdują się atomy metali, pomiędzy którymi swobodnie poruszają się elektrony wspólne dla tych atomów.
Obecność wolnych elektronów w sieciach krystalicznych metali może wyjaśniać wiele ich właściwości: plastyczność, ciągliwość, metaliczny połysk, wysoką przewodność elektryczną i cieplną.
Istnieją substancje, w których kryształach istotną rolę odgrywają dwa rodzaje oddziaływań między cząstkami. Tak więc w graficie atomy węgla są połączone ze sobą w tych samych kierunkach. wiązanie kowalencyjne, a w innych metaliczny. Dlatego sieć grafitową można również uznać za jądrowy, I jak metal.
W wielu związkach nieorganicznych, na przykład w BeO, ZnS, CuCl, połączenie między cząstkami znajdującymi się w miejscach sieci jest częściowo joński, a częściowo kowalencyjny. Dlatego sieci takich związków można uznać za pośrednie między joński oraz atomowy.
Stan amorficzny materii
Właściwości substancji amorficznych
Wśród ciał stałych są takie, w których w pęknięciu nie ma śladów kryształów. Na przykład, jeśli rozbijesz kawałek zwykłego szkła, to jego pęknięcie będzie gładkie i w przeciwieństwie do pęknięć kryształów, jest ograniczone nie przez płaskie, ale owalne powierzchnie.
Podobny obraz obserwuje się przy rozłupywaniu kawałków żywicy, kleju i niektórych innych substancji. Ten stan rzeczy nazywa się amorficzny.
Różnice pomiędzy krystaliczny oraz amorficzny ciała są szczególnie wyraźne w ich stosunku do ogrzewania.
Podczas gdy kryształy każdej substancji topią się w ściśle określonej temperaturze i w tej samej temperaturze następuje przejście ze stanu ciekłego do stałego, ciała amorficzne nie mają stałej temperatury topnienia. Po podgrzaniu ciało amorficzne stopniowo mięknie, zaczyna się rozprzestrzeniać i ostatecznie staje się całkowicie płynne. Po schłodzeniu również stopniowo twardnieje.
Ze względu na brak określonej temperatury topnienia ciała amorficzne mają inną zdolność: wiele z nich płynie jak płyny, tj. przy długotrwałym działaniu stosunkowo niewielkich sił stopniowo zmieniają swój kształt. Na przykład kawałek żywicy umieszczony na płaskiej powierzchni rozprowadza się w ciepłym pomieszczeniu przez kilka tygodni, przybierając formę dysku.
Struktura substancji amorficznych
Różnice pomiędzy krystaliczny i amorficzny stan rzeczy jest następujący.
Uporządkowane ułożenie cząstek w krysztale, odbijany przez komórkę elementarną, zachowuje się w dużych obszarach kryształów, a w przypadku kryształów dobrze uformowanych - w całości.
V ciała amorficzne obserwuje się tylko porządek w ułożeniu cząstek na bardzo małych obszarach. Co więcej, w wielu ciałach amorficznych nawet to lokalne uporządkowanie jest jedynie przybliżone.
Różnicę tę można podsumować w następujący sposób:
- struktura krystaliczna charakteryzuje się uporządkowaniem dalekiego zasięgu,
- budowa ciał amorficznych - blisko.
Przykłady substancji amorficznych.
Stabilne substancje amorficzne obejmują szkło(sztuczne i wulkaniczne), naturalne i sztuczne żywice, kleje, parafina, wosk itd.
Przejście ze stanu amorficznego do krystalicznego.
Niektóre substancje mogą być zarówno w stanie krystalicznym, jak i amorficznym. Dwutlenek krzemu SiO 2 występuje w naturze w postaci dobrze uformowanej kryształy kwarcu, a także w stanie amorficznym ( krzemień mineralny).
W którym stan krystaliczny jest zawsze bardziej stabilny. Dlatego spontaniczne przejście od substancji krystalicznej do amorficznej jest niemożliwe, a przemiana odwrotna - spontaniczne przejście ze stanu amorficznego do krystalicznego - jest możliwa i czasami obserwowana.
Przykładem takiej transformacji jest dewitryfikacja- spontaniczna krystalizacja szkła w podwyższonych temperaturach, z towarzyszącą jej destrukcją.
stan amorficzny wiele substancji uzyskuje się przy dużej szybkości krzepnięcia (chłodzenia) ciekłego stopu.
Do metali i stopów stan amorficzny powstaje z reguły, gdy stop jest chłodzony przez pewien czas rzędu ułamków lub dziesiątek milisekund. W przypadku okularów wystarcza znacznie mniejsza szybkość chłodzenia.
Kwarc (SiO2) ma również niską szybkość krystalizacji. Dlatego odlane z niej produkty są amorficzne. Jednak naturalny kwarc, który musiał skrystalizować się setki i tysiące lat, gdy skorupa ziemska lub głębokie warstwy wulkanów ochłodziły się, ma gruboziarnistą strukturę, w przeciwieństwie do szkła wulkanicznego, które zamarzło na powierzchni i dlatego jest amorficzne.
Płyny
Ciecz jest stanem pośrednim między ciałem stałym a gazem.
stan ciekły jest pośrednim między gazowym a krystalicznym. Według niektórych właściwości płyny są zbliżone do gazy, według innych - do ciała stałe.
W przypadku gazów ciecze łączy przede wszystkim ich izotropia oraz płynność. Ta ostatnia określa zdolność cieczy do łatwej zmiany kształtu.
ale duża gęstość oraz niska ściśliwość płyny zbliżają je do ciała stałe.
Zdolność cieczy do łatwej zmiany kształtu wskazuje na brak w nich twardych sił oddziaływań międzycząsteczkowych.
Jednocześnie niska ściśliwość cieczy, decydująca o zdolności do utrzymania stałej objętości w danej temperaturze, wskazuje na występowanie, choć nie sztywnych, ale wciąż znaczących sił oddziaływania między cząstkami.
Stosunek energii potencjalnej i kinetycznej.
Każdy stan skupienia charakteryzuje się własnym stosunkiem energii potencjalnej i kinetycznej cząstek materii.
W ciałach stałych średnia energia potencjalna cząstek jest większa niż ich średnia energia kinetyczna. Dlatego w ciałach stałych cząstki zajmują określone pozycje względem siebie i oscylują tylko względem tych pozycji.
W przypadku gazów stosunek energii jest odwrócony, w wyniku czego cząsteczki gazu są zawsze w stanie chaotycznego ruchu i praktycznie nie ma sił kohezji między cząsteczkami, dzięki czemu gaz zawsze zajmuje całą dostarczoną mu objętość.
W przypadku cieczy energie kinetyczna i potencjalna cząstek są w przybliżeniu takie same, tj. cząstki są ze sobą połączone, ale nie sztywno. Dlatego ciecze są płynne, ale w danej temperaturze mają stałą objętość.
Struktury cieczy i ciał amorficznych są podobne.
W wyniku zastosowania metod analizy strukturalnej cieczy stwierdzono, że struktura płyny są jak ciała amorficzne. Większość płynów ma zamówienie z bliskiej odległości- liczba najbliższych sąsiadów dla każdej cząsteczki i ich wzajemne rozmieszczenie są w przybliżeniu takie same w całej objętości cieczy.
Stopień uporządkowania cząstek w różnych cieczach jest różny. Ponadto zmienia się wraz z temperaturą.
W niskich temperaturach, nieznacznie przekraczających temperaturę topnienia danej substancji, stopień uporządkowania w ułożeniu cząstek danej cieczy jest wysoki.
Wraz ze wzrostem temperatury spada i w miarę nagrzewania się cieczy właściwości cieczy coraz bardziej zbliżają się do właściwości gazu. Po osiągnięciu temperatury krytycznej znika różnica między cieczą a gazem.
Ze względu na podobieństwo budowy wewnętrznej cieczy i ciał amorficznych, te ostatnie często uznawane są za ciecze o bardzo dużej lepkości, a do ciał stałych zaliczane są tylko substancje w stanie krystalicznym.
Porównywanie ciała amorficzne ciecze należy jednak pamiętać, że w ciałach amorficznych, w przeciwieństwie do zwykłych cieczy, cząstki mają niewielką ruchliwość – taką samą jak w kryształach.
Zagregowane stany materii(z łac. aggrego - przyłączam, łączę) - są to stany tej samej substancji, między którymi przejścia odpowiadają gwałtownym zmianom energii swobodnej, gęstości i innych parametrów fizycznych substancji.
Gaz (francuski gaz, wywodzący się z greckiego chaos – chaos)- to zagregowany stan materii, w którym siły oddziaływania jego cząstek wypełniających całą dostarczoną im objętość są znikome. W gazach odległości międzycząsteczkowe są duże, a cząsteczki poruszają się niemal swobodnie.
Gazy można uznać za pary silnie przegrzane lub niskonasycone. W rezultacie nad powierzchnią każdej cieczy znajduje się para. Kiedy ciśnienie pary wzrasta do pewnej granicy, zwanej prężnością pary nasyconej, parowanie cieczy ustaje, ponieważ ciecz staje się taka sama. Spadek objętości pary nasyconej powoduje powstawanie części pary, a nie wzrost ciśnienia. Dlatego ciśnienie pary nie może być wyższe. Stan nasycenia charakteryzuje masa nasycenia zawarta w 1 m3 masy pary nasyconej, która zależy od temperatury. Para nasycona może stać się nienasycony w przypadku zwiększenia głośności lub podwyższenia temperatury. Jeśli temperatura pary jest znacznie wyższa niż punkt odpowiadający danemu ciśnieniu, para nazywana jest przegrzaną.
Plazma to częściowo lub całkowicie zjonizowany gaz, w którym gęstość ładunków dodatnich i ujemnych jest prawie taka sama. Słońce, gwiazdy, obłoki materii międzygwiazdowej składają się z gazów – obojętnych lub zjonizowanych (plazma). W przeciwieństwie do innych stanów agregacji, plazma jest gazem naładowanych cząstek (jonów, elektronów), które oddziałują ze sobą elektrycznie na duże odległości, ale nie mają ani krótkiego, ani dalekiego zasięgu w układzie cząstek.
Płyn- Jest to stan skupienia substancji, pośredni między ciałami stałymi i gazowymi. Ciecze mają pewne cechy ciała stałego (zachowują swoją objętość, tworzą powierzchnię, mają pewną wytrzymałość na rozciąganie) i gazowego (przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują). Ruch termiczny cząsteczek (atomów) cieczy jest kombinacją małych fluktuacji wokół pozycji równowagi i częstych przeskoków z jednej pozycji równowagi do drugiej. Jednocześnie występują powolne ruchy cząsteczek i ich oscylacje wewnątrz małych objętości, częste przeskoki cząsteczek naruszają dalekozasięgowy porządek w ułożeniu cząsteczek i powodują płynność cieczy, a małe oscylacje wokół pozycji równowagi powodują istnienie krótkich -zarządzanie asortymentem w płynach.Ciecze i ciała stałe, w przeciwieństwie do gazów, można uznać za media o dużej kondensacji. W nich cząsteczki (atomy) znajdują się znacznie bliżej siebie, a siły oddziaływania są o kilka rzędów wielkości większe niż w gazach. Dlatego ciecze i ciała stałe mają znaczący ograniczone możliwości dla ekspansji oczywiście nie mogą zajmować dowolnej objętości, ale przy stałych zachowują swoją objętość, bez względu na to, w jakiej objętości są umieszczone. Przejścia od stanu skupienia bardziej uporządkowanego w strukturze do mniej uporządkowanego mogą również zachodzić w sposób ciągły. W związku z tym zamiast pojęcia stanu skupienia wskazane jest zastosowanie szerszego pojęcia – pojęcia fazy.
faza to zbiór wszystkich części systemu, które mają to samo skład chemiczny i w tym samym stanie. Jest to uzasadnione równoczesnym istnieniem faz równowagi termodynamicznej w układzie wielofazowym: ciecz z własną parą nasyconą; woda i lód w temperaturze topnienia; dwie niemieszające się ciecze (mieszanina wody z trietyloaminą), różniące się stężeniem; istnienie amorficznych ciał stałych, które zachowują strukturę cieczy (stan amorficzny).
Amorficzny stan stały materii jest rodzajem przechłodzonego stanu cieczy i różni się od zwykłych cieczy znacznie wyższą lepkością i wartości liczbowe charakterystyka kinetyczna.
Krystaliczny stan stały materii- jest to stan skupienia, który charakteryzuje się dużymi siłami oddziaływania między cząsteczkami substancji (atomy, cząsteczki, jony). Cząstki ciał stałych oscylują wokół średnich pozycji równowagi, zwanych węzłami sieci krystalicznej; struktura tych substancji charakteryzuje się wysokim stopniem uporządkowania (porządek dalekiego i bliskiego zasięgu) - uporządkowanie (porządek koordynacyjny), orientację (porządek orientacji) cząstek strukturalnych, czy też uporządkowanie właściwości fizycznych ( na przykład w orientacji momentów magnetycznych lub elektrycznych momentów dipolowych). Obszar istnienia normalnej fazy ciekłej dla czystych cieczy, ciekłych i ciekłych kryształów jest ograniczony od strony niskich temperatur przejścia fazowe odpowiednio do stanu stałego (krystalizacja), nadciekłego i ciekłego anizotropowego.
