ليست حالة إجمالية. مقدمة: حالة تجميع المادة

يتم أخذ أسئلة حول ماهية حالة التجميع ، وما هي الميزات والخصائص التي تمتلكها المواد الصلبة والسوائل والغازات في الاعتبار في العديد من الدورات التدريبية. هناك ثلاث حالات كلاسيكية للمادة ، لها سماتها المميزة الخاصة بالهيكل. يعتبر فهمهم نقطة مهمة في فهم علوم الأرض والكائنات الحية وأنشطة الإنتاج. تتم دراسة هذه الأسئلة عن طريق الفيزياء والكيمياء والجغرافيا والجيولوجيا والكيمياء الفيزيائية وغيرها من التخصصات العلمية. المواد التي تخضع لظروف معينة في أحد الأنواع الأساسية الثلاثة للحالة يمكن أن تتغير بزيادة أو نقصان درجة الحرارة أو الضغط. دعونا نفكر في التحولات المحتملة من حالة تجميع إلى أخرى ، حيث يتم إجراؤها في الطبيعة والتكنولوجيا والحياة اليومية.

ما هي حالة التجميع؟

وتعني كلمة "aggrego" ذات الأصل اللاتيني في الترجمة إلى الروسية "إرفاق". يشير المصطلح العلمي إلى حالة نفس الجسم ، المادة. إن وجود المواد الصلبة والغازات والسوائل عند قيم درجات حرارة معينة وضغوط مختلفة هو سمة من سمات جميع قذائف الأرض. بالإضافة إلى حالات التجميع الأساسية الثلاث ، هناك أيضًا حالة رابعة. عند درجة حرارة مرتفعة وضغط ثابت ، يتحول الغاز إلى بلازما. لفهم ماهية حالة التجميع بشكل أفضل ، من الضروري تذكر أصغر الجسيمات التي تتكون منها المواد والأجسام.

يوضح الرسم البياني أعلاه: أ - غاز ؛ ب - سائل ج جسم صلب. في مثل هذه الأشكال ، تشير الدوائر إلى العناصر الهيكلية للمواد. هذه رمزفي الواقع ، الذرات والجزيئات والأيونات ليست كرات صلبة. تتكون الذرات من نواة موجبة الشحنة تتحرك حولها الإلكترونات سالبة الشحنة بسرعة عالية. تساعد معرفة التركيب المجهري للمادة على فهم الاختلافات الموجودة بين الأشكال التجميعية المختلفة بشكل أفضل.

أفكار حول العالم الصغير: من اليونان القديمة إلى القرن السابع عشر

ظهرت المعلومات الأولى عن الجسيمات التي تتكون منها الأجسام المادية في اليونان القديمة. قدم المفكرون ديموقريطس وأبيقور مفهومًا كذرة. لقد اعتقدوا أن هذه الجسيمات الأصغر غير القابلة للتجزئة من مواد مختلفة لها شكل وأحجام معينة وقادرة على الحركة والتفاعل مع بعضها البعض. أصبح علم الذرات أكثر تعاليم اليونان القديمة تقدمًا في ذلك الوقت. لكن تطورها تباطأ في العصور الوسطى. منذ ذلك الحين ، اضطهد العلماء من قبل محاكم التفتيش التابعة للكنيسة الكاثوليكية الرومانية. لذلك ، حتى العصر الحديث ، لم يكن هناك مفهوم واضح لماهية حالة تجميع المادة. فقط بعد القرن السابع عشر قام العلماء R. Boyle و M. Lomonosov و D. Dalton و A. Lavoisier بصياغة أحكام النظرية الجزيئية الذرية ، التي لم تفقد أهميتها حتى اليوم.

الذرات والجزيئات والأيونات - جزيئات مجهرية لتركيب المادة

حدث تقدم كبير في فهم العالم المصغر في القرن العشرين ، عندما تم اختراع المجهر الإلكتروني. مع الأخذ في الاعتبار الاكتشافات التي قام بها العلماء في وقت سابق ، كان من الممكن تكوين صورة متناغمة للعالم الصغير. النظريات التي تصف حالة وسلوك أصغر جسيمات المادة معقدة للغاية ، فهي تنتمي إلى المجال. لفهم ميزات الحالات الكلية المختلفة للمادة ، يكفي معرفة أسماء وخصائص الجسيمات الهيكلية الرئيسية التي تتشكل مواد.

1. الذرات هي جسيمات غير قابلة للتجزئة كيميائيا. تم الحفظ في تفاعلات كيميائية، ولكن يتم تدميرها في النووية. المعادن والعديد من المواد الأخرى ذات التركيب الذري لها حالة صلبة من التجميع في ظل الظروف العادية.
2. الجزيئات هي جزيئات تتفكك وتتشكل في تفاعلات كيميائية. الأكسجين والماء وثاني أكسيد الكربون والكبريت. حالة تجمع الأكسجين والنيتروجين وثاني أكسيد الكبريت والكربون والأكسجين في ظل الظروف العادية هي حالة غازية.
3. الأيونات عبارة عن جسيمات مشحونة تتحول إليها الذرات والجزيئات عندما تكتسب أو تفقد إلكترونات - جسيمات مجهرية سالبة الشحنة. العديد من الأملاح لها بنية أيونية ، على سبيل المثال ملح الطعام وكبريتات الحديد والحديد.

هناك مواد توجد جزيئاتها في الفضاء بطريقة معينة. يسمى الموقع المتبادل المرتب للذرات والأيونات والجزيئات بالشبكة البلورية. عادةً ما تكون المشابك البلورية الأيونية والذرية نموذجية للمواد الصلبة والجزيئية للسوائل والغازات. الماس لديه صلابة عالية. تتكون شبكتها البلورية الذرية من ذرات الكربون. لكن الجرافيت الناعم يتكون أيضًا من ذرات هذا العنصر الكيميائي. فقط هم موجودون بشكل مختلف في الفضاء. الحالة المعتادة لتجمع الكبريت هي مادة صلبة ، ولكن عند درجات الحرارة العالية تتحول المادة إلى سائل وكتلة غير متبلورة.

المواد في حالة تجميع صلبة

تحتفظ المواد الصلبة في الظروف العادية بحجمها وشكلها. على سبيل المثال ، حبة رمل ، حبة سكر ، ملح ، قطعة من الصخر أو المعدن. إذا تم تسخين السكر ، تبدأ المادة في الذوبان وتتحول إلى سائل بني لزج. توقف عن التسخين - مرة أخرى نحصل على مادة صلبة. هذا يعني أن أحد الشروط الرئيسية لانتقال مادة صلبة إلى سائل هو تسخينها أو زيادة الطاقة الداخلية لجزيئات المادة. يمكن أيضًا تغيير الحالة الصلبة لتراكم الملح المستخدم في الطعام. ولكن لإذابة ملح الطعام ، فإنك تحتاج إلى درجة حرارة أعلى من تلك التي عند تسخين السكر. الحقيقة هي أن السكر يتكون من جزيئات ، ويتكون ملح الطعام من أيونات مشحونة ، والتي تنجذب بقوة إلى بعضها البعض. المواد الصلبة في صورة سائلة لا تحتفظ بشكلها لأن المشابك البلورية تتكسر.

يتم تفسير الحالة السائلة لتجمع الملح أثناء الانصهار من خلال كسر الرابطة بين الأيونات في البلورات. يتم إطلاق الجسيمات المشحونة التي يمكن أن تحمل شحنات كهربائية. تعمل الأملاح المنصهرة على توصيل الكهرباء وهي موصلات. في الصناعات الكيميائية والمعدنية والهندسية ، يتم تحويل المواد الصلبة إلى سوائل للحصول على مركبات جديدة منها أو منحها أشكالًا مختلفة. السبائك المعدنية تستخدم على نطاق واسع. هناك عدة طرق للحصول عليها ، ترتبط بالتغيرات في حالة تجميع المواد الخام الصلبة.

السائل هو أحد الحالات الأساسية للتجميع

إذا صببت 50 مل من الماء في دورق دائري ، ستلاحظ أن المادة تأخذ شكل وعاء كيميائي على الفور. ولكن بمجرد أن نسكب الماء من القارورة ، ينتشر السائل على الفور على سطح الطاولة. سيبقى حجم الماء كما هو - 50 مل ، وسيتغير شكله. هذه السمات مميزة للشكل السائل لوجود المادة. السوائل هي العديد من المواد العضوية: الكحوليات ، الزيوت النباتية، الأحماض.

الحليب مستحلب ، أي سائل به قطرات من الدهون. يعتبر الزيت من المعادن السائلة المفيدة. يتم استخراجها من الآبار باستخدام الحفارات البرية والبحرية. مياه البحر هي أيضا مادة خام للصناعة. يكمن اختلافها عن المياه العذبة للأنهار والبحيرات في محتوى المواد الذائبة ، وخاصة الأملاح. أثناء التبخر من سطح المسطحات المائية ، تمر جزيئات H 2 O فقط في حالة البخار ، وتبقى المواد المذابة. تعتمد طرق الحصول على المواد المفيدة من مياه البحر وطرق تنقيتها على هذه الخاصية.

مع الإزالة الكاملة للأملاح ، يتم الحصول على الماء المقطر. يغلي عند 100 درجة مئوية ويتجمد عند 0 درجة مئوية. تغلي المحاليل الملحية وتتحول إلى جليد عند درجات حرارة مختلفة. على سبيل المثال ، يتجمد الماء في المحيط المتجمد الشمالي عند درجة حرارة سطح 2 درجة مئوية.

الحالة الإجمالية للزئبق في ظل الظروف العادية عبارة عن سائل. عادة ما يتم ملء هذا المعدن الفضي الرمادي بمقاييس حرارة طبية. عند تسخينها ، يرتفع عمود الزئبق على نطاق واسع ، تتوسع المادة. لماذا يتم تلوين الكحول بالطلاء الأحمر وليس الزئبق؟ ويفسر ذلك بخصائص المعدن السائل. عند الصقيع بدرجة 30 درجة ، تتغير حالة تراكم الزئبق ، وتصبح المادة صلبة.

إذا تم كسر مقياس الحرارة الطبي وانسكاب الزئبق ، فمن الخطر جمع الكرات الفضية بيديك. استنشاق بخار الزئبق مضر ، فهذه المادة شديدة السمية. يحتاج الأطفال في مثل هذه الحالات إلى طلب المساعدة من الوالدين والبالغين.

الحالة الغازية

لا يمكن للغازات الاحتفاظ بحجمها أو شكلها. املأ القارورة بالأكسجين إلى الأعلى (صيغتها الكيميائية هي O 2). بمجرد فتح القارورة ، ستبدأ جزيئات المادة في الاختلاط مع هواء الغرفة. هذا يحدث بفضل الحركة البراونية. حتى العالم اليوناني القديم ديموقريطس اعتقد أن جسيمات المادة في حالة حركة مستمرة. في المواد الصلبة ، في ظل الظروف العادية ، لا تتاح للذرات والجزيئات والأيونات الفرصة لترك الشبكة البلورية ، لتحرير نفسها من الروابط مع الجسيمات الأخرى. هذا ممكن فقط عندما يتم توفير كمية كبيرة من الطاقة من الخارج.

في السوائل ، تكون المسافة بين الجسيمات أكبر قليلاً منها في المواد الصلبة ؛ فهي تتطلب طاقة أقل لكسر الروابط بين الجزيئات. على سبيل المثال ، يتم ملاحظة الحالة الكلية السائلة للأكسجين فقط عندما تنخفض درجة حرارة الغاز إلى -183 درجة مئوية. عند -223 درجة مئوية ، تشكل جزيئات O 2 مادة صلبة. عندما ترتفع درجة الحرارة عن القيم المعطاة ، يتحول الأكسجين إلى غاز. في هذا الشكل يكون في ظل الظروف العادية. توجد في المنشآت الصناعية منشآت خاصة لفصل الهواء الجوي والحصول على النيتروجين والأكسجين منه. أولاً ، يتم تبريد الهواء وتسييله ، ثم تزداد درجة الحرارة تدريجياً. يتحول النيتروجين والأكسجين إلى غازات في ظل ظروف مختلفة.

يحتوي الغلاف الجوي للأرض على 21٪ أكسجين و 78٪ نيتروجين من حيث الحجم. في شكل سائل ، لا توجد هذه المواد في القشرة الغازية للكوكب. للأكسجين السائل لون أزرق فاتح ويتم تعبئته بضغط عالٍ في أسطوانات لاستخدامها في المرافق الطبية. في الصناعة والبناء ، تعتبر الغازات المسالة ضرورية للعديد من العمليات. الأكسجين ضروري للحام بالغاز وقطع المعادن ، في الكيمياء - لتفاعلات الأكسدة للمواد غير العضوية والعضوية. إذا فتحت صمام أسطوانة أكسجين ، ينخفض ​​الضغط ويتحول السائل إلى غاز.

يستخدم البروبان والميثان والبيوتان المسال على نطاق واسع في الطاقة والنقل والصناعة والأنشطة المنزلية. يتم الحصول على هذه المواد من غاز طبيعيأو أثناء تكسير (تكسير) اللقيم البترولي. تلعب المخاليط الكربونية السائلة والغازية دورًا مهمًا في اقتصاد العديد من البلدان. لكن احتياطيات النفط والغاز الطبيعي استُنفدت بشدة. وفقًا للعلماء ، ستستمر هذه المادة الخام لمدة 100-120 عامًا. مصدر بديلالطاقة - تدفق الهواء (الرياح). تستخدم الأنهار سريعة التدفق والمد والجزر على شواطئ البحار والمحيطات لتشغيل محطات توليد الطاقة.

يمكن أن يكون الأكسجين ، مثل الغازات الأخرى ، في الحالة الرابعة للتجمع ، ويمثل البلازما. انتقال غير عادي من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية - صفة مميزةاليود البلوري. تخضع مادة أرجوانية داكنة للتسامي - تتحول إلى غاز ، متجاوزة الحالة السائلة.

كيف يتم الانتقال من شكل مجمع للمادة إلى آخر؟

لا ترتبط التغيرات في الحالة الكلية للمواد بالتحولات الكيميائية ، فهذه ظواهر فيزيائية. عندما ترتفع درجة الحرارة ، تذوب العديد من المواد الصلبة وتتحول إلى سوائل. يمكن أن تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى التبخر ، أي إلى الحالة الغازية للمادة. في الطبيعة والاقتصاد ، هذه التحولات هي سمة من سمات واحدة من المواد الرئيسية على الأرض. الجليد والسائل والبخار هي حالة الماء في ظل ظروف خارجية مختلفة. المركب هو نفسه ، صيغته هي H 2 O. عند درجة حرارة 0 درجة مئوية وأقل من هذه القيمة ، يتبلور الماء ، أي يتحول إلى جليد. عندما ترتفع درجة الحرارة ، يتم تدمير البلورات الناتجة - يذوب الجليد ، ويتم الحصول على الماء السائل مرة أخرى. عندما يتم تسخينه ، يتشكل التبخر - يتحول الماء إلى غاز - حتى في درجات الحرارة المنخفضة. على سبيل المثال ، تختفي البرك المتجمدة تدريجيًا لأن الماء يتبخر. حتى في الطقس البارد ، تجف الملابس المبللة ، لكن هذه العملية أطول من الأيام الحارة.

جميع التحولات المدرجة للمياه من حالة إلى أخرى لها أهمية كبيرة لطبيعة الأرض. ترتبط ظواهر الغلاف الجوي والمناخ والطقس بتبخر المياه من سطح المحيطات ، وانتقال الرطوبة على شكل غيوم وضباب إلى الأرض ، وهطول الأمطار (المطر والثلج والبرد). تشكل هذه الظواهر أساس دورة المياه العالمية في الطبيعة.

كيف تتغير الحالات الكلية للكبريت؟

في ظل الظروف العادية ، يكون الكبريت عبارة عن بلورات لامعة لامعة أو مسحوق أصفر فاتح ، أي أنه مادة صلبة. تتغير الحالة الكلية للكبريت عند التسخين. أولاً ، عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 190 درجة مئوية ، تذوب المادة الصفراء وتتحول إلى سائل متحرك.

إذا صببت الكبريت السائل بسرعة في الماء البارد ، تحصل على كتلة بنية غير متبلورة. مع زيادة تسخين ذوبان الكبريت ، يصبح أكثر وأكثر لزوجة ويظلم. عند درجات حرارة أعلى من 300 درجة مئوية ، تتغير حالة تراكم الكبريت مرة أخرى ، تكتسب المادة خصائص السائل ، وتصبح متحركة. تنشأ هذه التحولات بسبب قدرة ذرات العنصر على تكوين سلاسل ذات أطوال مختلفة.

لماذا يمكن أن تكون المواد في حالات فيزيائية مختلفة؟

حالة تجمع الكبريت - مادة بسيطة - صلبة في ظل الظروف العادية. ثاني أكسيد الكبريت هو غاز ، وحمض الكبريتيك سائل زيتي أثقل من الماء. على عكس أحماض الهيدروكلوريك والنتريك ، فهو ليس متطايرًا ، ولا تتبخر الجزيئات من سطحه. ما حالة التجميع التي تحتوي على الكبريت البلاستيكي ، والذي يتم الحصول عليه عن طريق بلورات التسخين؟

في شكل غير متبلور ، تحتوي المادة على هيكل سائل ، مع سيولة طفيفة. لكن الكبريت البلاستيكي يحتفظ في نفس الوقت بشكله (كمادة صلبة). توجد بلورات سائلة لها عدد من الخصائص المميزة للمواد الصلبة. وبالتالي ، فإن حالة المادة في ظل ظروف مختلفة تعتمد على طبيعتها ودرجة حرارتها وضغطها والظروف الخارجية الأخرى.

ما هي السمات في هيكل المواد الصلبة؟

يتم تفسير الاختلافات الموجودة بين الحالات التجميعية الرئيسية للمادة من خلال التفاعل بين الذرات والأيونات والجزيئات. على سبيل المثال ، لماذا تؤدي الحالة التراكمية الصلبة للمادة إلى قدرة الأجسام على الحفاظ على الحجم والشكل؟ في الشبكة البلورية للمعدن أو الملح ، تنجذب الجزيئات الهيكلية إلى بعضها البعض. في المعادن ، تتفاعل الأيونات الموجبة الشحنة مع ما يسمى بـ "غاز الإلكترون" - وهو تراكم الإلكترونات الحرة في قطعة معدنية. تنشأ بلورات الملح بسبب جاذبية الجسيمات المشحونة - الأيونات. المسافة بين الوحدات الهيكلية المذكورة أعلاه للمواد الصلبة أصغر بكثير من حجم الجسيمات نفسها. في هذه الحالة ، يعمل التجاذب الكهروستاتيكي ، ويعطي القوة ، والتنافر ليس قوياً بما يكفي.

لتدمير الحالة الصلبة لتجميع مادة ما ، يجب بذل الجهود. تذوب المعادن والأملاح والبلورات الذرية في درجات حرارة عالية جدًا. على سبيل المثال ، يصبح الحديد سائلاً عند درجات حرارة أعلى من 1538 درجة مئوية. التنجستن مقاوم للصهر ويستخدم لصنع خيوط متوهجة للمصابيح الكهربائية. هناك سبائك تصبح سائلة عند درجات حرارة أعلى من 3000 درجة مئوية. كثير على الأرض في حالة صلبة. يتم استخراج هذه المواد الخام بمساعدة المعدات في المناجم والمحاجر.

لفصل أيون واحد عن البلورة ، من الضروري إنفاق كمية كبيرة من الطاقة. لكن بعد كل شيء ، يكفي إذابة الملح في الماء حتى تتفكك الشبكة البلورية! هذه الظاهرة موضحة خصائص مذهلةالماء كمذيب قطبي. تتفاعل جزيئات H 2 O مع أيونات الملح وتدمر الرابطة الكيميائية بينها. وبالتالي ، فإن الذوبان ليس اختلاطًا بسيطًا لمواد مختلفة ، ولكنه تفاعل فيزيائي وكيميائي بينهما.

كيف تتفاعل جزيئات السوائل؟

يمكن أن يكون الماء سائلًا وصلبًا وغازًا (بخارًا). هذه هي حالات التجميع الرئيسية في ظل الظروف العادية. تتكون جزيئات الماء من ذرة أكسجين واحدة مع ذرتين من الهيدروجين مرتبطة بها. يوجد استقطاب للرابطة الكيميائية في الجزيء ، تظهر شحنة سالبة جزئية على ذرات الأكسجين. يصبح الهيدروجين هو القطب الموجب في الجزيء وينجذب إلى ذرة الأكسجين لجزيء آخر. وهذا ما يسمى "الرابطة الهيدروجينية".

تتميز الحالة السائلة للتجمع بالمسافات بين الجسيمات الهيكلية مقارنة بأحجامها. التجاذب موجود ولكنه ضعيف فلا يحتفظ الماء بشكله. يحدث التبخر نتيجة تدمير الروابط التي تحدث على سطح السائل حتى في درجة حرارة الغرفة.

هل توجد تفاعلات بين الجزيئات في الغازات؟

تختلف الحالة الغازية للمادة عن الحالة السائلة والصلبة في عدد من المعلمات. توجد فجوات كبيرة بين الجزيئات الهيكلية للغازات ، أكبر بكثير من حجم الجزيئات. في هذه الحالة ، لا تعمل قوى الجذب على الإطلاق. تعتبر حالة التجميع الغازية مميزة للمواد الموجودة في تكوين الهواء: النيتروجين والأكسجين وثاني أكسيد الكربون. في الشكل أدناه ، يتم ملء المكعب الأول بالغاز ، والمكعب الثاني بسائل ، والثالث بمادة صلبة.

العديد من السوائل متطايرة ؛ تنفصل جزيئات المادة عن سطحها وتنتقل إلى الهواء. على سبيل المثال ، إذا أحضرت قطعة قطن مغموسة في الأمونيا إلى فتحة زجاجة مفتوحة من حمض الهيدروكلوريك ، يظهر دخان أبيض. في الهواء مباشرة ، يحدث تفاعل كيميائي بين حمض الهيدروكلوريك والأمونيا ، يتم الحصول على كلوريد الأمونيوم. في أي حالة من المادة هي هذه المادة؟ جزيئاته ، التي تشكل دخانًا أبيض ، هي أصغر بلورات ملح صلبة. يجب إجراء هذه التجربة تحت غطاء العادم ، المواد سامة.

خاتمة

تمت دراسة الحالة الكلية للغاز من قبل العديد من الفيزيائيين والكيميائيين البارزين: Avogadro و Boyle و Gay-Lussac و Claiperon و Mendeleev و Le Chatelier. صاغ العلماء قوانين تشرح سلوك المواد الغازية في التفاعلات الكيميائية عندما تتغير الظروف الخارجية. الانتظام المفتوحة لم تدخل فقط في كتب الفيزياء والكيمياء المدرسية والجامعية. تعتمد العديد من الصناعات الكيميائية على المعرفة حول سلوك وخصائص المواد في حالات التجميع المختلفة.

التعريف 1

الحالات المجمعة للمادة(من الكلمة اللاتينية "aggrego" تعني "أنا أرفق" ، "أنا ملزم") - هذه هي حالات المادة نفسها في شكل صلب ، سائل ، غازي.

أثناء الانتقال من حالة إلى أخرى ، لوحظ تغير مفاجئ في الطاقة والانتروبيا والكثافة وخصائص أخرى للمادة.

الأجسام الصلبة والسائلة

المواد الصلبة- وهي أجسام تتميز بثبات شكلها وحجمها.

في المواد الصلبة ، تكون المسافات بين الجزيئات صغيرة ، ويمكن مقارنة الطاقة الكامنة للجزيئات بالطاقة الحركية.

الأجسام الصلبة تنقسم إلى نوعين:

1. بلوري؛
2. عديم الشكل.

تكون الأجسام البلورية فقط في حالة توازن ديناميكي حراري. الأجسام غير المتبلورة ، في الواقع ، هي حالات غير مستقرة ، والتي تشبه في هيكلها السوائل غير المتوازنة ، التي تتبلور ببطء. في الجسم غير المتبلور ، تحدث عملية تبلور بطيئة للغاية ، وهي عملية تحول تدريجي لمادة ما إلى مرحلة بلورية. يكمن الاختلاف بين البلورة والصلب غير المتبلور بشكل أساسي في تباين خصائصها. يتم تحديد خصائص الجسم البلوري اعتمادًا على الاتجاه في الفضاء. تنتشر العمليات المختلفة (على سبيل المثال ، التوصيل الحراري ، التوصيل الكهربائي ، الضوء ، الصوت) في اتجاهات مختلفة للجسم الصلب بطرق مختلفة. لكن الأجسام غير المتبلورة (على سبيل المثال ، الزجاج والراتنجات والبلاستيك) متناحية الخواص ، مثل السوائل. يكمن الاختلاف بين الأجسام غير المتبلورة والسوائل فقط في حقيقة أن الأخيرة سائلة ، ولا تحدث فيها تشوهات القص الثابتة.

الأجسام البلورية لها البنية الجزيئية الصحيحة. يرجع ذلك إلى الهيكل الصحيح أن البلورة لها خصائص متباينة الخواص. يؤدي الترتيب الصحيح للذرات البلورية إلى إنشاء ما يسمى بالشبكة البلورية. في اتجاهات مختلفة ، يختلف موقع الذرات في الشبكة ، مما يؤدي إلى تباين الخواص. تؤدي الذرات (الأيونات أو الجزيئات الكاملة) في الشبكة البلورية حركة تذبذبية عشوائية بالقرب من المواضع الوسطى ، والتي تعتبر عقدًا للشبكة البلورية. كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زادت طاقة التذبذبات ، وبالتالي متوسط ​​سعة التذبذبات. اعتمادًا على سعة التذبذبات ، يتم تحديد حجم البلورة. تؤدي زيادة سعة الاهتزازات إلى زيادة حجم الجسم. وبالتالي ، يتم شرح التمدد الحراري للمواد الصلبة.

التعريف 3

الأجسام السائلة- هذه أجسام لها حجم معين ولكن ليس لها شكل مرن.

تتميز المادة في الحالة السائلة بتفاعل قوي بين الجزيئات وانضغاطية منخفضة. يحتل السائل موقعًا وسيطًا بين المادة الصلبة والغازية. السوائل ، مثل الغازات ، لها خصائص نظيرية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن السائل له خاصية السيولة. في ذلك ، كما هو الحال في الغازات ، لا يوجد إجهاد القص (إجهاد القص). السوائل ثقيلة ، أي هم جاذبية معينةيمكن مقارنتها مع جاذبية معينةأجسام صلبة. بالقرب من درجات حرارة التبلور ، تكون سعتها الحرارية وخصائصها الحرارية الأخرى قريبة من تلك الموجودة في المواد الصلبة. في السوائل ، يتم ملاحظة الترتيب الصحيح للذرات إلى حد معين ، ولكن فقط في مناطق صغيرة. هنا ، تقوم الذرات أيضًا بحركة تذبذبية حول عُقد الخلية شبه البلورية ، ولكن على عكس ذرات الجسم الصلب ، فإنها تقفز دوريًا من عقدة إلى أخرى. نتيجة لذلك ، ستكون حركة الذرات معقدة للغاية: تتذبذب ، ولكن في نفس الوقت ، يتحرك مركز التذبذب في الفضاء.

غازهذه حالة من المادة تكون فيها المسافات بين الجزيئات ضخمة.

يمكن إهمال قوى التفاعل بين الجزيئات عند الضغط المنخفض. تملأ جزيئات الغاز الحجم الكامل المخصص للغاز. تعتبر الغازات أبخرة شديدة التسخين أو غير مشبعة. نوع خاص من الغازات هو البلازما (غاز مؤين جزئيًا أو كليًا تكون فيه كثافة الشحنات الموجبة والسالبة متماثلة تقريبًا). أي أن البلازما عبارة عن غاز من جسيمات مشحونة تتفاعل مع بعضها البعض باستخدام قوى كهربائية على مسافة كبيرة ، ولكن لا تحتوي على جزيئات قريبة وبعيدة.

كما تعلم ، المواد قادرة على الانتقال من حالة تجمع إلى أخرى.

التعريف 5

تبخر- هذه هي عملية تغيير حالة تجميع مادة ما ، حيث تطير الجزيئات من سطح جسم سائل أو صلب ، وتحول الطاقة الحركية لها الطاقة الكامنة لتفاعل الجزيئات.

التبخر هو مرحلة انتقالية. أثناء التبخر ، يتم تحويل جزء من السائل أو الصلب إلى بخار.

التعريف 6

المادة في الحالة الغازية التي تكون في حالة توازن ديناميكي مع سائل تسمى مشبعة العبارة. في هذه الحالة ، فإن التغير في الطاقة الداخلية للجسم يساوي:

∆ U = ± م ص (1) ،

حيث m كتلة الجسم ، و r هي الحرارة النوعية للتبخر (J / k g).

التعريف 7

تركيزهي عملية التبخير العكسية.

يتم حساب التغير في الطاقة الداخلية بالصيغة (1).

التعريف 8

ذوبان- هذه هي عملية تحويل مادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة ، وهي عملية تغيير حالة تجميع المادة.

عندما يتم تسخين مادة ما ، تزداد طاقتها الداخلية ، وبالتالي تزداد سرعة الحركة الحرارية للجزيئات. عندما تصل مادة ما إلى نقطة انصهارها ، يتم تدمير الشبكة البلورية للمادة الصلبة. يتم أيضًا تدمير الروابط بين الجسيمات ، وتزداد طاقة التفاعل بين الجسيمات. تذهب الحرارة التي يتم نقلها إلى الجسم لزيادة الطاقة الداخلية لهذا الجسم ، ويتم إنفاق جزء من الطاقة على القيام بعمل لتغيير حجم الجسم عندما يذوب. بالنسبة للعديد من الأجسام البلورية ، يزداد الحجم عند الذوبان ، ولكن هناك استثناءات (على سبيل المثال ، الثلج ، الحديد الزهر). الأجسام غير المتبلورة ليس لها نقطة انصهار محددة. الذوبان هو مرحلة انتقالية تتميز بتغير مفاجئ في السعة الحرارية عند درجة حرارة الانصهار. تعتمد نقطة الانصهار على المادة وتبقى ثابتة أثناء العملية. ثم التغيير في الطاقة الداخلية للجسم يساوي:

∆ U = ± م λ (2) ،

أين λ هي الحرارة النوعية للانصهار (D f / k g).

التعريف 9

بلورةهي عملية الانصهار العكسية.

يتم حساب التغير في الطاقة الداخلية بالصيغة (2).

يتم حساب التغير في الطاقة الداخلية لكل جسم للنظام أثناء التسخين أو التبريد بالصيغة:

∆ U = م ص ∆ T (3) ،

حيث c هي السعة الحرارية النوعية للمادة ، J إلى g K ، △ T هي التغير في درجة حرارة الجسم.

التعريف 10

عند النظر في تحولات المواد من حالة تجميع إلى أخرى ، لا يمكن للمرء الاستغناء عن ما يسمى معادلات توازن الحرارة: إجمالي كمية الحرارة المنبعثة في نظام معزول حرارياً تساوي كمية الحرارة (الكلية) التي يمتصها هذا النظام.

س 1 + س 2 + س 3 +. . . + Q n = Q "1 + Q" 2 + Q "3 +.. + Q" k.

في الأساس ، معادلة توازن الحرارة هي قانون الحفاظ على الطاقة لعمليات نقل الحرارة في الأنظمة المعزولة حرارياً.

مثال 1

في وعاء معزول بالحرارة يوجد ماء وثلج بدرجة حرارة t i = 0 درجة مئوية. كتلة الماء م υ والثلج م أنا تساوي على التوالي 0.5 كجم و 60 جم. يُترك بخار الماء الكتلة م ع = 10 جم في الماء عند درجة حرارة t p = 100 درجة مئوية. ما هي درجة حرارة الماء في الوعاء بعد تحقيق التوازن الحراري؟ في هذه الحالة ، لا يجب مراعاة السعة الحرارية للسفينة.

الصورة 1

المحلول

دعونا نحدد العمليات التي يتم تنفيذها في النظام ، وما هي الحالات الإجمالية للمادة التي لاحظناها وأيها حصلنا عليها.

يتكثف بخار الماء ويطلق حرارة.

يتم إنفاق الطاقة الحرارية على ذوبان الجليد ، وربما تسخين المياه المتوفرة والتي يتم الحصول عليها من الجليد.

بادئ ذي بدء ، دعنا نتحقق من مقدار الحرارة المنبعثة أثناء تكثيف كتلة البخار المتاحة:

س ص = - ص م ع ؛ س ص \ u003d 2 ، 26 10 6 10-2 \ u003d 2 ، 26 10 4 (د ث) ،

هنا من المواد المرجعية لدينا r = 2.26 10 6 J k g - الحرارة النوعية للتبخر (تُستخدم أيضًا للتكثيف).

لإذابة الثلج ، تحتاج إلى كمية الحرارة التالية:

Q i \ u003d λ m i Q i \ u003d 6 10-2 3، 3 10 5 ≈ 2 10 4 (D w) ،

هنا ، من المواد المرجعية ، لدينا λ = 3 ، 3 10 5 J k g - الحرارة النوعية لذوبان الجليد.

اتضح أن البخار يبعث حرارة أكثر من اللازم ، فقط لإذابة الجليد الموجود ، مما يعني أننا نكتب معادلة توازن الحرارة على النحو التالي:

r m p + c m p (T p - T) = λ m i + c (m υ + m i) (T - T i).

يتم إطلاق الحرارة أثناء تكثيف البخار للكتلة m p وتبريد الماء المتكون من البخار من درجة الحرارة T p إلى T المطلوب. يتم امتصاص الحرارة عندما يذوب الجليد بكتلة m i ويتم تسخين الماء بكتلة m υ + m i من درجة الحرارة T i إلى T. دلالة T - T i = ∆ T للفرق T p - T نحصل على:

T p - T = T p - T i - ∆ T = 100 - ∆ T.

ستبدو معادلة توازن الحرارة كما يلي:

ص م ع + ج م ع (100 - ∆ T) = λ م أنا + ج (م υ + م أنا) ∆ T ؛ ج (م υ + م أنا + م ع) ∆ T = ص م ع + ج م ص 100 - λ م أنا ؛ ∆ T = r m p + c m p 100 - λ m i c m υ + m i + m p.

دعونا نجري حسابات ، مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن السعة الحرارية للماء جدولية

ج \ u003d 4، 2 10 3 J kg K، T p \ u003d tp + 273 \ u003d 373 K، T i \ u003d ti + 273 \ u003d 273 K: ∆ T \ u003d 2، 26 10 6 10 - 2 + 4 ، 2 10 3 10-2 10 2-6 10-2 3 ، 3 10 5 4 ، 2 10 3 5 ، 7 10-1 ≈ 3 (K) ،

ثم T = 273 + 3 = 276 كلفن

إجابه:ستكون درجة حرارة الماء في الوعاء بعد إنشاء التوازن الحراري 276 كلفن.

مثال 2

يوضح الشكل 2 قسمًا من متساوي الحرارة ، والذي يتوافق مع انتقال مادة من الحالة البلورية إلى الحالة السائلة. ما الذي يتوافق مع هذا القسم في مخطط p و T؟

صورة 2

إجابه:المجموعة الكاملة من الحالات الموضحة في الرسم البياني p ، V كقطعة خط أفقي على مخطط p ، T تظهر بنقطة واحدة ، والتي تحدد قيم p و T ، حيث يتم التحويل من حالة واحدة من التجميع إلى آخر يحدث.

إذا لاحظت وجود خطأ في النص ، فيرجى تمييزه والضغط على Ctrl + Enter

يمكن أن توجد كل المادة في واحد من أربعة أشكال. كل واحد منهم هو حالة إجمالية معينة للمادة. في طبيعة الأرض ، يتم تمثيل واحد فقط في ثلاثة منهم في وقت واحد. هذا ماء. من السهل رؤيتها وهي تتبخر وذابت ومتجمدة. هذا هو البخار والماء والجليد. لقد تعلم العلماء كيفية تغيير الحالات الكلية للمادة. أكبر صعوبة بالنسبة لهم هي البلازما فقط. هذه الحالة تتطلب شروطا خاصة.

ما هو وما الذي يعتمد عليه وكيف يتسم؟

إذا كان الجسم قد انتقل إلى حالة إجمالية أخرى للمادة ، فهذا لا يعني أن شيئًا آخر قد ظهر. المادة تبقى كما هي. إذا كان السائل يحتوي على جزيئات ماء ، فسيكون نفسه في البخار مع الثلج. سيتغير فقط موقعهم وسرعة حركتهم وقوى التفاعل مع بعضهم البعض.

عند دراسة موضوع "الحالات الإجمالية (الصف الثامن)" ، يتم أخذ ثلاثة منها فقط في الاعتبار. هذه السوائل والغازية والصلبة. مظاهرها تعتمد على الظروف المادية. بيئة. يتم عرض خصائص هذه الدول في الجدول.

الحالة الأولى: صلبة

اختلافها الأساسي عن الآخرين هو أن الجزيئات لها مكان محدد بدقة. عندما نتحدث عن حالة تجميع صلبة ، فإنها تعني في أغلب الأحيان بلورات. في نفوسهم ، يكون الهيكل الشبكي متماثلًا ودوريًا بشكل صارم. لذلك ، يتم الحفاظ عليها دائمًا ، بغض النظر عن مدى انتشار الجسم. لا تكفي الحركة التذبذبية لجزيئات المادة لتدمير هذه الشبكة.

ولكن هناك أيضًا أجسام غير متبلورة. يفتقرون إلى بنية صارمة في ترتيب الذرات. يمكن أن يكونوا في أي مكان. لكن هذا المكان مستقر كما هو الحال في الجسم البلوري. الفرق بين المواد غير المتبلورة والمواد المتبلورة هو أنها لا تحتوي على درجة حرارة انصهار (تصلب) محددة وتتميز بالسيولة. ومن الأمثلة الحية لهذه المواد الزجاج والبلاستيك.

الحالة الثانية: سائل

هذه الحالة الكلية للمادة عبارة عن تقاطع بين مادة صلبة وغاز. لذلك ، فهو يجمع بين بعض الخصائص من الأول والثاني. لذا ، فإن المسافة بين الجسيمات وتفاعلها تشبه ما كان عليه الحال مع البلورات. ولكن هنا الموقع والحركة أقرب إلى الغاز. لذلك ، لا يحتفظ السائل بشكله ، ولكنه ينتشر فوق الوعاء الذي يُسكب فيه.

الحالة الثالثة: الغاز

بالنسبة لعلم يسمى "الفيزياء" ، فإن حالة التجميع في شكل غاز ليست في المكانة الأخيرة. لأنها تدرس العالم، والهواء فيها شائع جدًا.

ميزات هذه الحالة هي أن قوى التفاعل بين الجزيئات غائبة عمليا. هذا ما يفسر حركتهم الحرة. بسبب المادة الغازية تملأ الحجم الكامل المقدم لها. علاوة على ذلك ، يمكن نقل كل شيء إلى هذه الحالة ، ما عليك سوى زيادة درجة الحرارة بالمقدار المطلوب.

الحالة الرابعة: البلازما

هذه الحالة الكلية للمادة عبارة عن غاز مؤين كليًا أو جزئيًا. هذا يعني أن عدد الجسيمات المشحونة سالبة وإيجابية فيها هو نفسه تقريبًا. يحدث هذا الموقف عند تسخين الغاز. ثم هناك تسارع حاد في عملية التأين الحراري. يكمن في حقيقة أن الجزيئات تنقسم إلى ذرات. ثم يتحول الأخير إلى أيونات.

هذه الحالة شائعة جدًا في الكون. لأنه يحتوي على كل النجوم والوسط فيما بينها. داخل حدود سطح الأرض ، نادرًا ما يحدث. بصرف النظر عن الأيونوسفير والرياح الشمسية ، فإن البلازما ممكنة فقط أثناء العواصف الرعدية. في ومضات البرق ، تنشأ الظروف التي تنتقل فيها غازات الغلاف الجوي إلى الحالة الرابعة للمادة.

لكن هذا لا يعني أنه لم يتم تكوين البلازما في المختبر. أول شيء يمكن إعادة إنتاجه هو تفريغ الغاز. تملأ البلازما الآن مصابيح الفلورسنت وعلامات النيون.

كيف يتم الانتقال بين الدول؟

للقيام بذلك ، تحتاج إلى تهيئة ظروف معينة: ضغط ثابت ودرجة حرارة معينة. في هذه الحالة ، يكون التغيير في الحالات الكلية للمادة مصحوبًا بإطلاق أو امتصاص الطاقة. علاوة على ذلك ، لا يحدث هذا الانتقال بسرعة البرق ، ولكنه يتطلب قدرًا معينًا من الوقت. خلال هذا الوقت ، يجب أن تظل الظروف دون تغيير. يحدث الانتقال مع الوجود المتزامن للمادة في شكلين يحافظان على التوازن الحراري.

يمكن أن تنتقل حالات المادة الثلاث الأولى من بعضها إلى أخرى. هناك عمليات مباشرة وعكسية. لديهم الأسماء التالية:

• ذوبان(من صلب إلى سائل) و بلورة، على سبيل المثال ، ذوبان الجليد وتصلب الماء ؛
• تبخير(من السائل إلى الغازي) و تركيزومن الأمثلة على ذلك تبخر الماء وإنتاجه من البخار ؛
• تسامي(من صلب إلى غازي) و إزالة الذوبان، على سبيل المثال ، تبخر العطر الجاف لأولهم وأنماط فاترة على الزجاج للمرة الثانية.

فيزياء الذوبان والتبلور

إذا تم تسخين جسم صلب ، فعندئذٍ عند درجة حرارة معينة تسمى نقطة الانصهارمادة معينة ، سيبدأ التغيير في حالة التجميع ، والتي تسمى الذوبان. تذهب هذه العملية مع امتصاص الطاقة ، وهو ما يسمى كمية الحرارةويتم تمييزه بالحرف س. لحساب ذلك ، عليك أن تعرف حرارة نوعيةذوبانالذي يشار إليه λ . وتبدو الصيغة كما يلي:

س = λ * م، حيث م هي كتلة المادة المشاركة في الذوبان.

اذا حدث ذلك عملية عكسيةأي تبلور السائل ثم تتكرر الشروط. الاختلاف الوحيد هو أن الطاقة يتم إطلاقها ، وتظهر علامة الطرح في الصيغة.

فيزياء التبخير والتكثيف

مع استمرار تسخين المادة ، ستقترب تدريجياً من درجة الحرارة التي سيبدأ عندها التبخر المكثف. هذه العملية تسمى التبخير. يتميز مرة أخرى بامتصاص الطاقة. فقط لكي تحسبها ، عليك أن تعرف الحرارة النوعية للتبخر ص. وستكون الصيغة:

س = ص * م.

تحدث العملية العكسية أو التكثيف مع إطلاق نفس كمية الحرارة. لذلك ، يظهر ناقص في الصيغة مرة أخرى.

حالة التجميع- هذه حالة مادة في نطاق معين من درجات الحرارة والضغوط ، تتميز بخصائص: القدرة (جسم صلب) أو عدم القدرة (سائل ، غاز) على الحفاظ على الحجم والشكل ؛ وجود أو عدم وجود طلب طويل المدى (صلب) أو قصير المدى (سائل) وخصائص أخرى.

يمكن أن تكون المادة في ثلاث حالات من التجميع: صلبة أو سائلة أو غازية ، ويتم حاليًا تمييز حالة بلازما إضافية (أيونية).

في الغازيالحالة ، فالمسافة بين الذرات وجزيئات المادة كبيرة ، وقوى التفاعل صغيرة ، والجسيمات ، التي تتحرك عشوائيًا في الفضاء ، لها طاقة حركية كبيرة تتجاوز الطاقة الكامنة. المادة في الحالة الغازية ليس لها شكلها ولا حجمها. يملأ الغاز كل المساحة المتاحة. هذه الحالة نموذجية للمواد منخفضة الكثافة.

في سائلالحالة ، يتم الاحتفاظ فقط بترتيب الذرات أو الجزيئات قصير المدى ، عندما تظهر أقسام منفصلة ذات ترتيب مرتب للذرات بشكل دوري في حجم المادة ، ومع ذلك ، فإن الاتجاه المتبادل لهذه الأقسام غائب أيضًا. الترتيب قصير المدى غير مستقر ويمكن أن يختفي أو يعاود الظهور تحت تأثير الاهتزازات الحرارية للذرات. لا تتمتع جزيئات السائل بموقع محدد ، وفي نفس الوقت لا تتمتع بحرية الحركة الكاملة. المادة في الحالة السائلة ليس لها شكلها الخاص ، فهي تحتفظ فقط بالحجم. يمكن للسائل أن يشغل جزءًا فقط من حجم الوعاء ، ولكنه يتدفق بحرية على كامل سطح الوعاء. تعتبر الحالة السائلة عادة وسيطة بين مادة صلبة وغاز.

في صلبالمادة ، يصبح ترتيب الذرات محددًا بدقة ، ومرتّبًا بانتظام ، وتكون قوى التفاعل للجسيمات متوازنة بشكل متبادل ، لذلك تحتفظ الأجسام بشكلها وحجمها. يميز الترتيب المنتظم للذرات في الفضاء الحالة البلورية ، فالذرات تشكل شبكة بلورية.

المواد الصلبة لها هيكل غير متبلور أو بلوري. بالنسبة عديم الشكلتتميز الأجسام فقط بترتيب قصير المدى في ترتيب الذرات أو الجزيئات ، ترتيب فوضوي للذرات أو الجزيئات أو الأيونات في الفضاء. من أمثلة الأجسام غير المتبلورة الزجاج والنغمة والنغمة ، والتي تبدو في حالة صلبة ، على الرغم من أنها في الواقع تتدفق ببطء ، مثل السائل. الأجسام غير المتبلورة ، على عكس الأجساد البلورية ، ليس لها نقطة انصهار محددة. تشغل الأجسام غير المتبلورة موقعًا وسيطًا بين المواد الصلبة والسوائل البلورية.

معظم المواد الصلبة لها بلوريهيكل يتميز بترتيب منظم للذرات أو الجزيئات في الفضاء. يتميز الهيكل البلوري بترتيب بعيد المدى ، عندما تتكرر عناصر الهيكل بشكل دوري ؛ لا يوجد مثل هذا التكرار المنتظم في الترتيب قصير المدى. السمة المميزة للجسم البلوري هي القدرة على الاحتفاظ بشكله. علامة البلورة المثالية ، التي يكون نموذجها عبارة عن شبكة مكانية ، هي خاصية التناظر. يُفهم التناظر على أنه القدرة النظرية للشبكة البلورية للمادة الصلبة على أن تتحد مع نفسها عندما تنعكس نقاطها من مستوى معين ، يسمى مستوى التناظر. يعكس تناسق الشكل الخارجي تناسق البنية الداخلية للبلورة. على سبيل المثال ، تحتوي جميع المعادن على هيكل بلوري يتميز بنوعين من التناظر: تكعيبي وسداسي.

في الهياكل غير المتبلورة ذات التوزيع المضطرب للذرات ، تكون خصائص المادة واحدة في اتجاهات مختلفة ، أي أن المواد الزجاجية (غير المتبلورة) خواص الخواص.

تتميز جميع البلورات بتباين الخواص. في البلورات ، يتم ترتيب المسافات بين الذرات ، لكن درجة الترتيب قد تختلف في اتجاهات مختلفة ، مما يؤدي إلى اختلاف في خصائص المادة البلورية في اتجاهات مختلفة. يسمى اعتماد خصائص مادة بلورية على الاتجاه في شبكتها تباين الخواصالخصائص. يتجلى تباين الخواص عند قياس الخصائص الفيزيائية والميكانيكية وغيرها. هناك خصائص (كثافة ، سعة حرارية) لا تعتمد على الاتجاه في البلورة. تعتمد معظم الخصائص على اختيار الاتجاه.

من الممكن قياس خصائص الأشياء التي لها حجم معين من المواد: الأحجام - من بضعة مليمترات إلى عشرات السنتيمترات. تسمى هذه الكائنات ذات البنية المتطابقة للخلية البلورية بلورات مفردة.

يتجلى تباين الخصائص في بلورات مفردة وهو غائب عمليًا في مادة متعددة البلورات تتكون من العديد من البلورات الصغيرة الموجهة عشوائيًا. لذلك ، تسمى المواد متعددة الكريستالات شبه الخواص.

يحدث تبلور البوليمرات ، التي يمكن ترتيب جزيئاتها بطريقة منظمة مع تكوين الهياكل فوق الجزيئية في شكل حزم ، وملفات (كريات) ، وألياف ، وما إلى ذلك ، في نطاق درجة حرارة معينة. يحدد التركيب المعقد للجزيئات ومجموعاتها السلوك المحدد للبوليمرات عند التسخين. لا يمكنهم الدخول في حالة سائلة مع لزوجة منخفضة ، وليس لديهم حالة غازية. في الحالة الصلبة ، يمكن أن تكون البوليمرات في حالات زجاجية ومرنة ولزجة للغاية. يمكن أن تتغير البوليمرات ذات الجزيئات الخطية أو المتفرعة من حالة إلى أخرى مع تغير درجة الحرارة ، والتي تتجلى في عملية تشوه البوليمر. على التين. 9 يوضح اعتماد التشوه على درجة الحرارة.

أرز. 9 المنحنى الحراري الميكانيكي للبوليمر غير المتبلور: رج ، رتي ، ر p - درجة حرارة التزجج والسيولة وبداية التحلل الكيميائي ، على التوالي ؛ I - III - مناطق ذات حالة زجاجية ، ومرنة للغاية ولزجة ، على التوالي ؛ Δ ل- تشوه.

يحدد التركيب المكاني لترتيب الجزيئات الحالة الزجاجية للبوليمر فقط. في درجات الحرارة المنخفضة ، تتشوه جميع البوليمرات بشكل مرن (الشكل 9 ، المنطقة الأولى). فوق درجة حرارة التزجج رج - يمر البوليمر غير المتبلور ذو البنية الخطية إلى حالة عالية المرونة ( المنطقة الثانية) ، ويكون تشوهه في الحالات الزجاجية والمرنة للغاية قابلاً للانعكاس. تسخين فوق نقطة الصب رر يحول البوليمر إلى حالة لزجة ( المنطقة الثالثة). إن تشوه البوليمر في الحالة اللزجة لا رجوع فيه. لا يحتوي البوليمر غير المتبلور ذو البنية المكانية (الشبكة ، المتصالبة) على حالة لزجة ، وتتوسع منطقة درجة الحرارة للحالة عالية المرونة إلى درجة حرارة تحلل البوليمر رتم العثور على R. هذا السلوك نموذجي للمواد المطاطية.

تحدد درجة حرارة المادة في أي حالة تجميعية متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئاتها (الذرات والجزيئات). تحتوي هذه الجسيمات في الأجسام بشكل أساسي على الطاقة الحركية للحركات التذبذبية بالنسبة إلى مركز التوازن ، حيث تكون الطاقة ضئيلة. عندما يتم الوصول إلى درجة حرارة حرجة معينة ، تفقد المادة الصلبة قوتها (ثباتها) وتذوب ، ويتحول السائل إلى بخار: يغلي ويتبخر. درجات الحرارة الحرجة هذه هي نقاط الانصهار والغليان.

عندما يتم تسخين مادة بلورية عند درجة حرارة معينة ، تتحرك الجزيئات بقوة بحيث تتكسر الروابط الصلبة في البوليمر وتتلف البلورات - تنتقل إلى الحالة السائلة. تسمى درجة الحرارة التي تكون فيها البلورات والسائل في حالة اتزان ، نقطة انصهار البلورة ، أو نقطة تصلب السائل. بالنسبة لليود ، تبلغ درجة الحرارة هذه 114 درجة مئوية.

كل عنصر كيميائينقطة الانصهار الخاصة به ررر يفصل وجود مادة صلبة وسائلة ، ونقطة الغليان ركيب ، الموافق لانتقال السائل إلى غاز. في درجات الحرارة هذه ، تكون المواد في حالة توازن ديناميكي حراري. قد يكون التغيير في حالة التجميع مصحوبًا بتغيير يشبه القفزة في الطاقة الحرة والنتروبيا والكثافة وغيرها. كميات فيزيائية.

لوصف الدول المختلفة في تستخدم الفيزياء مفهومًا أوسعالمرحلة الديناميكية الحرارية. تسمى الظواهر التي تصف التحولات من مرحلة إلى أخرى بالحرجة.

عند تسخينها ، تخضع المواد لتحولات طورية. عندما يذوب (1083 درجة مئوية) ، يتحول النحاس إلى سائل تكون فيه الذرات ذات نطاق قصير فقط. عند ضغط 1 atm ، يغلي النحاس عند 2310 درجة مئوية ويتحول إلى نحاس غازي مع ذرات نحاس مرتبة بشكل عشوائي. عند نقطة الانصهار ، تكون ضغوط البخار المشبع للبلورة والسائل متساوية.

المادة ككل هي نظام.

نظام- مجموعة من المواد مجتمعة جسدي - بدني،التفاعلات الكيميائية أو الميكانيكية. مرحلةيسمى جزء متجانس من النظام ، منفصل عن الأجزاء الأخرى الواجهات الفيزيائية (في الحديد الزهر: الجرافيت + حبيبات الحديد ؛ في الماء المثلج: الثلج + الماء).عناصرالأنظمة هي المراحل المختلفة التي تشكل نظامًا معينًا. مكونات النظام- هذه هي المواد التي تشكل جميع مراحل (مكونات) هذا النظام.

المواد التي تتكون من مرحلتين أو أكثر هي مشتتأنظمة. تنقسم أنظمة التشتت إلى سول ، سلوكها يشبه سلوك السوائل ، والمواد الهلامية ذات الخصائص المميزة للمواد الصلبة. في sols ، يكون وسط التشتت الذي يتم فيه توزيع المادة سائلًا ؛ وفي المواد الهلامية ، تسود المرحلة الصلبة. المواد الهلامية عبارة عن معدن شبه بلوري ، خرساني ، محلول من الجيلاتين في الماء عند درجة حرارة منخفضة (عند درجة حرارة عالية ، يتحول الجيلاتين إلى محلول مائي). الهيدروسول هو تشتت في الماء ، والهباء هو مشتت في الهواء.

مخططات الدولة.

في النظام الديناميكي الحراري ، تتميز كل مرحلة بمعلمات مثل درجة الحرارة تي، تركيز منوالضغط ص. لوصف تحولات الطور ، يتم استخدام خاصية طاقة واحدة - طاقة جيبس ​​الحرة ΔG(الجهد الديناميكي الحراري).

تقتصر الديناميكا الحرارية في وصف التحولات على دراسة حالة التوازن. حالة التوازنيتميز النظام الديناميكي الحراري بثبات المعلمات الديناميكية الحرارية (درجة الحرارة والتركيز ، كما هو الحال في المعالجة التكنولوجية ص= const) في الوقت المناسب وغياب تدفقات الطاقة والمادة فيه - مع ثبات الظروف الخارجية. توازن المرحلة- حالة توازن نظام ديناميكي حراري يتكون من مرحلتين أو أكثر.

للوصف الرياضي لشروط التوازن للنظام ، هناك حكم المرحلةقدمها جيبس. يربط عدد المراحل (F) والمكونات (K) في نظام التوازن مع تباين النظام ، أي عدد درجات الحرية الديناميكية الحرارية (C).

عدد درجات الحرية الديناميكية الحرارية (التباين) للنظام هو عدد المتغيرات المستقلة على أنها داخلية ( التركيب الكيميائيالمراحل) ، والخارجية (درجة الحرارة) ، والتي يمكن إعطاؤها قيمًا عشوائية مختلفة (في فترة زمنية معينة) بحيث لا تظهر المراحل الجديدة ولا تختفي المراحل القديمة.

معادلة قاعدة جيبس ​​المرحلة:

C \ u003d K - F + 1.

وفقًا لهذه القاعدة ، في نظام مكون من مكونين (K = 2) ، تكون درجات الحرية التالية ممكنة:

لحالة أحادية الطور (F = 1) C = 2 ، أي يمكنك تغيير درجة الحرارة والتركيز ؛

لحالة من مرحلتين (F = 2) C = 1 ، أي يمكنك فقط تغيير معلمة خارجية واحدة (على سبيل المثال ، درجة الحرارة) ؛

بالنسبة للحالة ثلاثية الطور ، يكون عدد درجات الحرية صفرًا ، أي أنه من المستحيل تغيير درجة الحرارة دون الإخلال بالتوازن في النظام (النظام ثابت).

على سبيل المثال ، بالنسبة لمعدن نقي (K = 1) أثناء التبلور ، عندما يكون هناك مرحلتان (F = 2) ، يكون عدد درجات الحرية صفرًا. هذا يعني أنه لا يمكن تغيير درجة حرارة التبلور حتى تنتهي العملية وتبقى مرحلة واحدة - بلورة صلبة. بعد نهاية التبلور (F = 1) ، يكون عدد درجات الحرية 1 ، لذا يمكنك تغيير درجة الحرارة ، أي تبريد المادة الصلبة دون الإخلال بالتوازن.

يوصف مخطط الحالة سلوك الأنظمة التي تعتمد على درجة الحرارة والتركيز. مخطط حالة الماء هو نظام به مكون H 2 O واحد ، وبالتالي فإن الحد الأقصى لعدد المراحل التي يمكن أن تكون في حالة توازن في نفس الوقت هو ثلاثة (الشكل 10). هذه المراحل الثلاث هي السائل والجليد والبخار. عدد درجات الحرية في هذه الحالة يساوي الصفر ، أي من المستحيل تغيير الضغط أو درجة الحرارة حتى لا تختفي أي من المراحل. يمكن أن يوجد الجليد العادي والماء السائل وبخار الماء في حالة توازن في وقت واحد فقط عند ضغط 0.61 كيلو باسكال ودرجة حرارة 0.0075 درجة مئوية. النقطة التي تتواجد فيها المراحل الثلاث تسمى النقطة الثلاثية ( ا).

منحنى نظام التشغيليفصل بين منطقتي البخار والسائل ويمثل اعتماد ضغط بخار الماء المشبع على درجة الحرارة. يوضح منحنى OC تلك القيم المترابطة لدرجة الحرارة والضغط حيث يكون الماء السائل وبخار الماء في حالة توازن مع بعضهما البعض ، لذلك يطلق عليه منحنى توازن البخار السائل أو منحنى الغليان.

الشكل 10 مخطط حالة الماء

منحنى OVيفصل المنطقة السائلة من منطقة الجليد. وهو عبارة عن منحنى توازن صلب-سائل ويسمى منحنى الانصهار. يوضح هذا المنحنى تلك الأزواج المترابطة من درجات الحرارة والضغوط التي يكون فيها الجليد والماء السائل في حالة توازن.

منحنى OAيسمى منحنى التسامي ويظهر الأزواج المترابطة من قيم الضغط ودرجة الحرارة التي يكون فيها الجليد وبخار الماء في حالة توازن.

مخطط الحالة هو طريقة مرئية لتمثيل مناطق وجود مراحل مختلفة اعتمادًا على الظروف الخارجية ، مثل الضغط ودرجة الحرارة. تُستخدم المخططات الحكومية بنشاط في علم المواد في المراحل التكنولوجية المختلفة للحصول على منتج.

يختلف السائل عن الجسم البلوري الصلب بقيم اللزوجة المنخفضة (الاحتكاك الداخلي للجزيئات) وقيم السيولة العالية (مقلوب اللزوجة). يتكون السائل من عدة تجمعات من الجزيئات ، يتم ترتيب الجزيئات ضمنها بترتيب معين ، على غرار ترتيب البلورات. تحدد طبيعة الوحدات الهيكلية والتفاعل بين الجسيمات خصائص السائل. هناك سوائل: أحادية الذرة (غازات نبيلة مسيلة) ، جزيئية (ماء) ، أيونية (أملاح منصهرة) ، معدنية (معادن منصهرة) ، أشباه موصلات سائلة. في معظم الحالات ، لا يكون السائل حالة تجمع فحسب ، بل هو أيضًا مرحلة ديناميكية حرارية (سائلة).

غالبًا ما تكون المواد السائلة عبارة عن حلول. المحلولتتكون مادة متجانسة ، ولكنها ليست نقية كيميائيًا ، من مادة مذابة ومذيب (أمثلة على المذيب هي الماء أو المذيبات العضوية: ثنائي كلورو الإيثان ، والكحول ، ورابع كلوريد الكربون ، وما إلى ذلك) ، وبالتالي فهو خليط من المواد. مثال على ذلك محلول الكحول في الماء. ومع ذلك ، فإن المحاليل هي أيضًا خليط من المواد الغازية (على سبيل المثال ، الهواء) أو المواد الصلبة (السبائك المعدنية).

عند التبريد في ظل ظروف معدل منخفض لتكوين مراكز التبلور وزيادة قوية في اللزوجة ، يمكن أن تحدث حالة زجاجية. الزجاج عبارة عن مواد صلبة متناحرة يتم الحصول عليها عن طريق التبريد الفائق المنصهر لمركبات عضوية وغير عضوية.

تُعرف العديد من المواد التي يحدث انتقالها من الحالة البلورية إلى السائل الخواص من خلال حالة بلورية سائلة وسيطة. إنها مميزة للمواد التي تكون جزيئاتها على شكل قضبان طويلة (قضبان) ذات بنية غير متماثلة. هذه التحولات الطورية ، المصحوبة بتأثيرات حرارية ، تسبب تغيرًا مفاجئًا في الخصائص الميكانيكية ، والبصرية ، والعازلة ، وغيرها من الخصائص.

بلورات سائلةمثل السائل ، يمكن أن يتخذ شكل قطرة ممدودة أو على شكل وعاء ، وسيولة عالية ، وقادرة على الاندماج. تستخدم على نطاق واسع في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا. تعتمد خصائصها البصرية بشكل كبير على التغيرات الصغيرة في الظروف الخارجية. تستخدم هذه الميزة في الأجهزة الكهروضوئية. على وجه الخصوص ، تُستخدم البلورات السائلة في صناعة الساعات الإلكترونية والمعدات المرئية وما إلى ذلك.

من بين الدول الرئيسية للتجميع بلازما- غاز مؤين جزئيًا أو كليًا. وفقًا لطريقة التكوين ، يتم التمييز بين نوعين من البلازما: الحرارية ، والتي تحدث عند تسخين الغاز إلى درجات حرارة عالية ، والغازية ، والتي تتشكل أثناء التفريغ الكهربائي في وسط غازي.

احتلت عمليات البلازما الكيميائية مكانة ثابتة في عدد من فروع التكنولوجيا. يتم استخدامها لقطع ولحام المعادن المقاومة للصهر ، لتخليق مواد مختلفة ، فهي تستخدم على نطاق واسع مصادر ضوء البلازما ، واستخدام البلازما في محطات الطاقة النووية الحرارية واعد ، إلخ.

تتكون أي مادة من جزيئات ، وتعتمد خصائصها الفيزيائية على كيفية ترتيب الجزيئات وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض. في الحياة العادية ، نلاحظ ثلاث حالات مجمعة للمادة - الصلبة والسائلة والغازية.

على سبيل المثال ، يمكن أن يكون الماء في حالة صلبة (جليدية) وسائلة (ماء) وغازية (بخار).

غازيتوسع حتى يملأ الحجم المخصص له بالكامل. إذا نظرنا إلى غاز على المستوى الجزيئي ، فسنرى الجزيئات تتسارع بشكل عشوائي وتتصادم مع بعضها البعض ومع جدران الوعاء ، والتي ، مع ذلك ، لا تتفاعل عمليًا مع بعضها البعض. إذا قمت بزيادة حجم الوعاء أو تقليله ، فسيتم إعادة توزيع الجزيئات بالتساوي في الحجم الجديد.

على عكس الغاز عند درجة حرارة معينة ، فإنه يشغل حجمًا ثابتًا ، ومع ذلك ، فإنه يأخذ أيضًا شكل وعاء ممتلئ - ولكن فقط تحت مستوى سطحه. على المستوى الجزيئي ، أسهل طريقة للتفكير في السائل هي الجزيئات الكروية التي ، على الرغم من اتصالها الوثيق ببعضها البعض ، تتمتع بحرية الدوران حول بعضها البعض ، مثل الخرزات المستديرة في الجرة. صب السائل في وعاء - وسوف تنتشر الجزيئات بسرعة وتملأ الجزء السفلي من حجم الوعاء ، ونتيجة لذلك ، سيأخذ السائل شكله ، لكنه لن ينتشر في الحجم الكامل للوعاء.

صلبله شكله الخاص ، لا ينتشر على حجم الحاويةولا يأخذ شكله. على المستوى المجهري ، ترتبط الذرات ببعضها البعض بواسطة روابط كيميائية ، ويتم تثبيت موضعها بالنسبة لبعضها البعض. في الوقت نفسه ، يمكنهم تكوين هياكل مرتبة صلبة - شبكات بلورية - وكومة عشوائية - أجسام غير متبلورة (هذا هو بالضبط هيكل البوليمرات ، التي تبدو مثل المعكرونة المتشابكة واللزجة في وعاء).

تم وصف ثلاث حالات مجمعة كلاسيكية للمادة أعلاه. ومع ذلك ، هناك حالة رابعة يميل الفيزيائيون إلى تصنيفها كمجموعة. هذه هي حالة البلازما. تتميز البلازما بالتجريد الجزئي أو الكامل للإلكترونات من مداراتها الذرية ، بينما تظل الإلكترونات الحرة نفسها داخل المادة.

يمكننا ملاحظة التغيير في الحالات الكلية للمادة بأعيننا في الطبيعة. يتبخر الماء من سطح المسطحات المائية وتتشكل السحب. لذلك يتحول السائل إلى غاز. في الشتاء ، يتجمد الماء في الخزانات ويتحول إلى حالة صلبة ، وفي الربيع يذوب مرة أخرى ، ويعود إلى سائل. ماذا يحدث لجزيئات المادة عندما تتغير من حالة إلى أخرى؟ هل يتغيرون؟ هل تختلف جزيئات الجليد ، على سبيل المثال ، عن جزيئات البخار؟ الجواب لا لبس فيه: لا. تبقى الجزيئات كما هي تمامًا. تتغير طاقتهم الحركية ، وبالتالي خصائص المادة.

طاقة جزيئات البخار كبيرة بما يكفي لتتشتت في اتجاهات مختلفة ، وعند التبريد ، يتكثف البخار في سائل ، والجزيئات لا تزال لديها طاقة كافية لحركة حرة تقريبًا ، ولكن ليس بما يكفي للانفصال عن جاذبية الجزيئات الأخرى ويطير بعيدا. مع مزيد من التبريد ، يتجمد الماء ، ويصبح جسمًا صلبًا ، ولم تعد طاقة الجزيئات كافية حتى للحركة الحرة داخل الجسم. إنها تتأرجح حول مكان واحد ، ممسكًا بالقوى الجذابة للجزيئات الأخرى.