Лекция 9. Агрегатные состояния вещества
Существует множество явлений природы, которые можно понять, лишь зная строение вещества. К таким явлениям относятся, например, процессы нагревания и охлаждения тел, превращения вещества из твёрдого состояния в жидкое и газообразное, образования тумана и др.
Агрегатные состояния вещества (от лат. “aggrego” означает “присоединяю”, “связываю”) – это состояния одного и того же вещества в твердом, жидком и газообразном виде.
При переходе из одного состояния в другое наблюдается скачкообразное изменение энергии, энтропии, плотности и прочих свойств вещества.
Твердые и жидкие тела
Твердые тела – это тела, которые отличаются постоянством своей формы и объема.
В твердых телах межмолекулярные расстояния маленькие, а потенциальную энергию молекул можно сравнить с кинетической.
Твёрдые тела подразделяются на два вида:
1. Кристаллические;
2. Аморфные.
Кристаллические тела (кристаллы) — это твердые тела, атомы или молекулы которых имеют правильную кристаллическую решету.
Любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления: железо — при 15З0°,oлoвo - при 2З2°, кварц - при 171З°, ртуть - при минус З8°.
Аморфные тела не имеют строгого порядка в расположении атомов и молекул (стекло, смола, янтарь, канифоль).
Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления, a значит, и температуры кристаллизации. При нагревании они постепенно размягчаются
Жидкие тела
Жидкие тела – это тела, имеющие определенный объем, но не имеющие упругой формы.
Для вещества в жидком состоянии характерно сильное межмолекулярное взаимодействие и малая сжимаемость. Жидкость занимает промежуточное положение между твердым телом и газом.
В жидкостях наблюдается до заданной степени правильное расположение атомов, но только лишь в маленьких областях.
Газ, испарение, конденсация и плавление
Газ – это такое состояние вещества, при котором расстояния между молекулами огромны.
Силами взаимодействия между молекулами при небольших давлениях можно пренебречь. Частицы газа заполоняют весь объем, который предоставлен для газа. Газы рассматривают как сильно перегретые либо ненасыщенные пары. Особый вид газа – плазма (частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов почти одинаковые). То есть плазма – это газ из заряженных частиц, взаимодействующих между собой при помощи электрических сил на большом расстоянии, но не имеющих ближнего и дальнего расположения частиц.
Изменение агрегатных состояний
Как известно, вещества способны переходить из одного агрегатного состояния в другое.
Испарение – это процесс изменения агрегатного состояния вещества, при котором с поверхности жидкости либо твердого тела вылетают молекулы, кинетическая энергия которых преобразовывает потенциальную энергию взаимодействия молекул.
Испарение является фазовым переходом. При испарении часть жидкости или твердого тела преобразуется в пар.
Вещество в газообразном состоянии, которое находится в динамическом равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром. При этом изменение внутренней энергии тела равняется:
ΔU=±mr
где m – это масса тела, r – это удельная теплота парообразования (Дж/кг)
Конденсация представляет собой процесс, обратный парообразованию.
Плавление – это процесс преобразования вещества из твердого состояния в жидкое, процесс изменения агрегатного состояния вещества.
При нагревании вещества растет его внутренняя энергия, поэтому увеличивается скорость теплового движения молекул. При достижении веществом своей температуры плавления кристаллическая решетка твердого тела разрушается. Связи между частицами также разрушаются, растет энергия взаимодействия между частицами. Теплота, которая передается телу, идет на увеличение внутренней энергии данного тела, и часть энергии расходуется на совершение работы по изменению объема тела при его плавлении. У многих кристаллических тел объем увеличивается при плавлении, однако есть исключения (к примеру, лед, чугун). Аморфные тела не обладают определенной температурой плавления. Плавление представляет собой фазовый переход, который характеризуется скачкообразным изменением теплоемкости при температуре плавления. Температура плавления зависит от вещества, и она остается неизменной в ходе процесса. Тогда изменение внутренней энергии тела равняется:
ΔU=±mλ
где λ – это удельная теплота плавления (Дж/кг).
Кристаллизация представляет собой процесс, обратный плавлению.
Изменение внутренней энергии каждого тела системы при нагревании или охлаждении вычисляется по формуле:
ΔU=mcΔT
где c – это удельная теплоемкость вещества, Дж/кгК,
△T– это изменение температуры тела.
Сублимация — это процесс перехода вещества из твердого состояние в газообразное, минуя при этом жидкое. Этому процессу сопутствует поглощение энергии (в физике эта энергия имеет название "теплота сублимации").
Десублимация — это, напротив, процесс перехода вещества из газообразного в твердое состояние. Иногда вещества сублимируются (так называется этот самый процесс в физике), когда достигают определенной температуры.
Уравнение теплового баланса
Часть внутренней энергии, которое тело теряет или приобретает при теплопередачи называется внутренней энергией.
ΔQ=±mr испарение и конденсация
ΔQ=±mλ плавление и кристаллизация
ΔQ=mcΔT нагревание и охлаждение
ΔQ=qm сгорание
При рассматривании преобразований веществ из одних агрегатных состояний в другие нельзя обойтись без так называемого уравнения теплового баланса.
По сути, уравнение теплового баланса – это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в терм изолированных системах.
Суммарное количество теплоты, выделяемое в теплоизолированной системе, равняется количеству теплоты (суммарному), которое в данной системе поглощается.
Q1+Q2+Q3+...+Qn=Q'1+Q'2+Q'3+...+Q'kQ1+Q2+Q3+...+Qn
ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА
Насы́щенный пар — это пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же состава. Насыщенный водяной пар над водой
Парциа́льное давление (лат. partialis «частичный» от pars «часть») — давление отдельно взятого компонента газовой смеси. Общее давление газовой смеси является суммой парциальных давлений её компонентов.
АБСОЛЮТНАЯ влажность
ρ - количество водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха, т.е. плотность водяного пара.
Давление, которое производил бы водяной пар, если бы другие газы отсутствовали, называют парциальным давлением водяного пара
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ влажность
φ - относительная влажность воздуха - показывает, как далек пар от насыщения (%)
отношение парциального давления р п водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению р н.п насыщенного пара при той же температуре, выраженной в процентах.
φ=(р п/р н.п)100%
Точка росы
Температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы.
Эту температуру определяют экспериментально. Данные для различных условий можно найти в справочной таблице.