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 22 вида:
1. Кристаллические;
2. Аморфные.
В состоянии термодинамического равновесия находятся только лишь кристаллические тела. Аморфные же тела по факту представляют собой метастабильные состояния, которые по строению схожи с неравновесными, медленно кристаллизующимися жидкостями. В аморфном теле происходит чересчур медленный процесс кристаллизации, процесс постепенного преобразования вещества в кристаллическую фазу. Разница кристалла от аморфного твердого тела состоит, в первую очередь, в анизотропии его свойств. Свойства кристаллического тела определяются в зависимости от направления в пространстве. Разнообразные процессы (например, теплопроводность, электропроводность, свет, звук) распространяются в разных направлениях твердого тела по-разному. А вот аморфные тела (например, стекло, смолы, пластмассы) изотропные, как и жидкости. Разница аморфных тел от жидкостей заключается лишь только в том, что последние текучие, в них не происходят статические деформации сдвига.
У кристаллических тел правильное молекулярное строение. Именно за счет правильного строения кристалл имеет анизотропные свойства. Правильное расположение атомов кристалла создает так называемую кристаллическую решетку. В разных направлениях месторасположение атомов в решетке различное, что и приводит к анизотропии. Атомы (ионы либо целые молекулы) в кристаллической решетке совершают беспорядочное колебательное движение возле средних положений, которые и рассматриваются в качестве узлов кристаллической решетки. Чем выше температура, тем выше энергия колебаний, а значит, и средняя амплитуда колебаний. В зависимости от амплитуды колебаний определяется размер кристалла. Увеличение амплитуды колебаний приводит к увеличению размеров тела. Таким образом, объясняется тепловое расширение твердых тел.
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. Жидкости, также как и газы, обладают изотpопными свойствами. Помимо этого, жидкость обладает свойством текучести. В ней, как и в газах, нет касательного напряжения (напряжения на сдвиг) тел. Жидкости тяжелые, то есть их удельные веса можно сравнить с удельными весами твердых тел. Вблизи температур кристаллизации их теплоемкости и прочие тепловые свойства близки к соответствующим свойствам твердых тел. В жидкостях наблюдается до заданной степени правильное расположение атомов, но только лишь в маленьких областях. Здесь атомы также проделывают колебательное движение около узлов квазикристаллической ячейки, однако в отличие от атомов твердого тела они периодически перескакивают от одного узла к другому. В итоге движение атомов будет весьма сложное: колебательное, но вместе с тем центр колебаний перемещается в пространстве.
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.
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 (1)∆U=±mr (1),
где mm – это масса тела, rr – это удельная теплота парообразования (Дж/кг)(Дж/кг).
Конденсация представляет собой процесс, обратный парообразованию.
Изменение внутренней энергии рассчитывается по формуле (1)(1).
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 (2)∆U=±mλ (2),
где λλ – это удельная теплота плавления (Дж/кг)(Дж/кг).
Кристаллизация представляет собой процесс, обратный плавлению.
Изменение внутренней энергии рассчитывается по формуле (2)(2).
Изменение внутренней энергии каждого тела системы при нагревании или охлаждении вычисляется по формуле:
ΔU=mcΔT (3)∆U=mc∆T (3),
где c – это удельная теплоемкость вещества, ДжкгК, △T△T – это изменение температуры тела.
Сублимация — это процесс перехода вещества из твердого состояние в газообразное, минуя при этом жидкое. По-другому она называется взгонкой вещества. Этому процессу сопутствует поглощение энергии (в физике эта энергия имеет название "теплота сублимации"). Процесс является очень важным и имеет широкое применение в экспериментальной физике. Десублимация — это, напротив, процесс перехода вещества из газообразного в твердое состояние. Еще одно название данного процесса — "депозиция". Она является полностью противоположной сублимации. При депозиции энергия выделяется, а не поглощается, причем в очень больших количествах. Десублимация также является очень важной, однако намного сложнее привести пример ее целенаправленного использования человеком, особенно в быту. Описание процесса Катализаторами сублимации в физике может служить почти все, что угодно. Иногда вещества сублимируются (так называется этот самый процесс в физике), когда достигают определенной температуры. Как правило, речь идет о температуре выше средней, однако есть некоторые исключения, когда вещества "взгоняются" при отрицательных значениях. Иногда катализатором этого процесса может являться кислород. В таких случаях вещество будет переходить в газообразное вещество при контакте с воздухом. Кстати говоря, такой прием зачастую используется режиссерами в фантастических фильмах.
При рассматривании преобразований веществ из одних агрегатных состояний в другие нельзя обойтись без так называемого уравнения теплового баланса: 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=Q'1+Q'2+Q'3+...+Q'k.
По сути, уравнение теплового баланса – это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в термоизолированных системах.
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.
 |
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.
1. Приборы для определения относительной влажности воздуха.
а) Волосной гигрометр
Принцип действия волосного гигрометра основан на свойстве обезжиренного волоса (человека или животного) изменять свою длину в зависимости от влажности воздуха, в котором он находится. Если есть возможность – прибор лучше показать. Подышите на него, влажность и изменится.
б) Конденсационный гигрометр
Видеоролик, демонстрирующий принцип действия гигрометра. По результатам ролика и таблице для определения точки росы найти относительную влажность воздуха в помещении, где проводится эксперимент.
в) Психрометр
В психрометре есть два термометра. Один - обычный, его называют сухим. Он измеряет температуру окружающего воздуха. Колба другого термометра обмотана тканевым фитилем и опущена в емкость с водой. Второй термометр показывает не температуру воздуха, а температуру влажного фитиля, отсюда и название увлажненный термометр.