Агрегатное состояние вещества

      Тема: Агрегатное состояние вещества

Физика 9 класс 

      Далакишвили Марленэ Эстефания

Содержание 

Введение

1. Агрегатное состояние  вещества – газ

2. Агрегатное состояние  вещества – жидкость

3. Агрегатное состояние  вещества – твердое тело

4. Четвертое состояние  вещества – плазма

Заключение

Список использованной литературы

Агрегатные состояния вещества. Агрегатные Состояния вещества, состояния  одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением его свободной энергии, энтропии, плотности и других физических свойств. Всевещества (за некоторым исключением) могут существовать в трёх агрегатных состояниях - твёрдом, жидком и газообразном. Так, вода при нормальном давлении p= 10l 325 Па=760 мм ртутного столба и при температуре =00 С. кристаллизуется в лёд, а при 100°С кипит и превращается в пар. Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто считают плазму. В отличие от других агрегатных состояний вещества плазма представляет собой газ заряженных частиц (ионов, электронов), которые электрически взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях. Что такое плазма? ПЛАЗМА - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва. Термин “плазма” в физике был введен в 1929 американскими учеными И.Ленгмюром и Л.Тонксом. Вещество, разогретое до температуры в сотни тысяч и миллионы градусов, уже не может состоять из обычных нейтральных атомов. При столь высоких температурах атомы сталкиваются друг с другом с такой силой, что не могут сохраниться в целостности. При ударе атомы разделяются на более мелкие составляющие - атомные ядра и электроны. Эти частицы наделены электрическими зарядами: электроны - отрицательным, а ядра - положительным. Смесь этих частиц, называемая плазма представляет собой своеобразное состояние вещества, которое очень сильно отличается от относительно холодного газа по свойствам. Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, то есть, выполнено условие квазинейтральности. Средние кинетические энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут быть разными. Поэтому в общем случае плазму характеризуют не одним значением температуры, а несколькими – различают электронную температуру Те, ионную температуру Тi и температуру нейтральных атомов Та. Плазму с ионной температурой Тi &l ; 105 К называют низкотемпературной, а с Тi &g ; 106 К – высокотемпературной. Высокотемпературная плазма является основным объектом исследования по УТС. Низкотемпературная плазма находит применение в газоразрядных источниках света, газовых лазерах. Несколько свойств плазмы. Степень ионизации Степень ионизации определяется как отношение числа ионизованных частиц к общему числу частиц. Для низкотемпературных плазм характерны малые степени ионизации (&l ;1%). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в плазменных технологиях их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, которые ускоряют электроны, которые в свою очередь ионизуют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи. Типичные применения низкотемпературных плазм включают плазменную модификацию свойств поверхности, плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Горячие плазмы почти всегда полностью  ионизованы (степень ионизации ~100%). Обычно именно они понимаются под  «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце. Плотность Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Слово плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, т.е. число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию — не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). Плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов. Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов 0. В горячей плазме 0 мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме. Квазинейтральность Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности — плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов. В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний.Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счет кулоновского отталкивания. Получение плазмы. Чтобы перевести газ в состояние плазмы, нужно оторвать хотя бы часть электронов от атомов, превратив эти атомы в ионы. Такой отрыв от атомов называют ионизацией. В природе и технике ионизация может производиться различными путями. Самые распространенные из них: Ионизация тепловой энергией Ионизация электрическим разрядом. Ионизация давлением. Ионизация лазерным излучением. Использование плазмы. Наиболее широко плазма применяется в светотехнике - в газоразрядных лампах, освещающих улицы. Гуляя вечером по улицам города, мы любуемся световыми рекламами, не думая о том, что в них светится неоновая или аргоновая плазма. Пользуемся лампами дневного света. Всякий, кто имел «удовольствие» устроить в электрической сети короткое замыкание, встречался с плазмой. Искра, которая проскакивает между проводами, состоит из плазмы электрического разряда в воздухе. Дуга электрической сварки тоже плазма. Любое вещество, нагретое до достаточно высокой температуры, переходит в состояние плазмы. Легче всего это происходит с парами щелочных металлов, таких, как натрий, калий, цезий. Обычное пламя обладает некоторой теплопроводностью; оно, хотя и в слабой степени, ионизировано, то есть является плазмой.

Причина этой проводимости - ничтожная  примесь натрия, который можно  распознать по желтому свечению. Для  полной ионизации газа нужна температура  в десятки тысяч градусов. Кроме  того, плазма применяется в самых  разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и  генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц. Все  так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и  т. п.) на самом деле плазменные: газовые  смеси в них ионизованы электрическим  разрядом. Свойствами, характерными для  плазмы, обладают электроны проводимости в металле (ионы, жестко закрепленные в кристаллической решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных  электронов и подвижных «дырок» (вакансий) в полупроводниках. Поэтому  такие системы называют плазмой  твёрдых тел. Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную - до 100 тыс. градусов и высокотемпературную - до 100 млн градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы - плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000-10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возникла новая область науки - плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе. Плазмотроны применяются и в горно-рудной промышленности, и для резки металлов. Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза. Термоядерными называют реакции синтеза более тяжёлых ядер из ядер лёгких элементов (в первую очередь изотопов водорода - дейтерия D и трития Т), протекающие при очень высоких температурах. В естественных условиях термоядерные реакции происходят на Солнце: ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия, при этом выделяется значительное количество энергии. Искусственная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в водородной бомбе. Плазма как негативное явление. Существуют случаи, когда приходится учитывать плазму, как явление, которого нужно избежать. Это возникновение плазменной дуги при коммутационных и переходных процессах. Например, при отключении линии электропередачи в выключателе между контактами возникает дуга, которая должна быть погашена как можно быстрее.

Что касается материи, то и здесь  путаница. «Материя» = «вещество» при дальнейшей детализации в предельном обобщении четырехипостасного АМУНа соотносилась с четырьмя стихиями (агрегатными состояниями вещества): 1. «земля» — твердое; 2. «вода» — жидкое; 3. «воздух» — газообразное; 4. «огонь» — плазма. А невидимые для большинства людей общеприродные силовые поля, несущие упорядоченную энергию, неразделимо слились с информацией в “нематериальном духе”. В действительности же природный вакуум — объективно физически вовсе не пустота, а один из видов (агрегатных состояний) материи. В мировоззрении четырёхипостасного АМУНа он (вакуум) стал «пространством-вместилищем», а «время» стало знаком для обозначения неосязаемой непонятности. С точки зрения индивида, начинающего осознавать себя в Объективной реальности и осмысливать своё бытие в ней, «четырёхипостасный Амун» — традиционно и естественно ожидаемый (в определённом смысле) набор предельных обобщений и первичных различий в категории «Всё». Действительно, вся Объективная реальность, по отношению к органам чувств человека распадается на две составляющих: · То, что ощущается непосредственно органами чувств (а это прежде всего — ощущения своего тела, составляющие бульшую часть так называемого «самочувствия» многих индивидов). · То, что органами чувств непосредственно не ощущается, но не ощутимое непосредственно присутствие чего воспринимается рассудочно-интеллектуально на основе осмысления ограниченного возможностями органами чувств восприятия Мира; иными словами ко второй категории относится то, что соответствует рассудочной активности индивидов на тему «есть, что-то ещё за пределами восприятия наших органов чувств» Агрегатные Состояния вещества(от лат. Aggrego –присоединяю, связываю), состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением его свободной энергии, энтропии, плотности и других физических свойств. Все вещества (за некоторым исключением) могут существовать в трёх агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. Так, вода при нормальном давлении p= 10l 325 Па=760 мм ртутного столба и при температуре t=00 С. кристаллизуется в лёд, а при 100°С кипит и превращается в пар. Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто считают плазму.

Агрегатное состояние вещества зависит от физических условий, в  которых оно находится, главным  образом от температуры и от давления. Определяющей величиной является отношение  средней потенциальной энергии  взаимодействия молекул к их средней  кинетической энергии. Так, для твёрдого тeла это отношение больше 1, для газов меньше 1, а для жидкостей приблизительно равно 1. Переход из одного агрегатного состояния вещества в другое сопровождается скачкообразным изменением величины данного отношения, связанным со скачкообразным изменением межмолекулярных расстояний и межмолекулярных взаимодействий. В газах межмолекулярные расстояния велики, молекулы почти не взаимодействуют друг с другом и движутся практически свободно, заполняя весь объём. В жидкостях и твёрдых телах —конденсированных средах — молекулы (атомы)расположены значительно ближе друг к другу и взаимодействуют сильнее.

Это приводит к сохранению жидкостями и твёрдыми телами своего объёма. Однако, характер движения молекул в твёрдых  телах и жидкостях различен, чем  и объясняется различие их структуры  и свойств.

У твёрдых тел в кристаллообразном  состоянии атомы совершают лишь колебания вблизи узлов кристаллической  решётки; структура этих тел характеризуется  высокой степенью упорядоченности  — дальним и ближним порядком. Тепловое движение молекул (атомов) жидкости представляет собой сочетание малых  колебаний около положений равновесия и частых перескоков из одного положения  равновесия в другое. Последние и обусловливают существование в жидкостях лишь ближнего порядка в расположении частиц, а также свойственные им подвижность и текучесть.

Плавление — это переход вещества из твердого агрегатного состояния (см. Агрегатные состояния вещества) в жидкое. Этот процесс происходит при нагревании, когда телу сообщают некоторое количество теплоты +Q. Например, легкоплавкий металл свинец переходит из твердого состояния в жидкое, если его нагреть до температуры 327 С.

Свинец запросто плавится на газовой  плите, например в ложке из нержавеющей  стали (известно, что температура  пламени газовой горелки — 600-850°С, а температура плавления стали — 1300-1500°С).

Если, плавя свинец, измерять его  температуру, то можно обнаружить, что  сначала она плавно возрастает, но после некоторого момента остается постоянной, несмотря на дальнейшее нагревание. Этот момент соответствует плавлению. Температура держится постоянной до тех пор, пока весь свинец не расплавится, и только после этого начинает повышаться снова. При охлаждении жидкого  свинца наблюдается обратная картина: температура падает до момента начала затвердевания и остается постоянной все время, пока свинец не перейдет в твердую фазу, а потом вновь  понижается.

Аналогичным образом ведут себя все чистые вещества. Постоянство  температуры при плавлении имеет  большое практическое значение, поскольку  позволяет градуировать термометры, изготавливать плавкие предохранители и индикаторы, которые расплавляются  при строго заданной температуре.

Что же происходит при плавлении? Самое  очевидное явление — нарушения  в пространственной кристаллической  решетке, то есть в порядке расположения атомов, характерном для вещества, находящегося в твердом состоянии.

Атомы в кристалле колеблются около  своих положений равновесия. С  повышением температуры амплитуда  колебаний возрастает и достигает  некоторой критической величины, после чего кристаллическая решетка  разрушается. Для этого требуется  дополнительная тепловая энергия, поэтому  в процессе плавления температура  не повышается, хотя тепло продолжает поступать.

Температура плавления вещества зависит  от давления. Для веществ, у которых  объем при плавлении возрастает (а таких подавляющее большинство), повышение давления повышает температуру  плавления и наоборот. У воды объем  при плавлении уменьшается (поэтому, замерзая, вода разрывает трубы), и  при повышении давления лед плавится при более низкой температуре. Аналогичным  образом ведут себя висмут, галлий и некоторые марки чугунов.

При затвердевании атомы вновь  выстраиваются в определенном порядке и выделяется теплота затвердевания. Как только тело полностью затвердевает, его температура начинает понижаться.

В отличие от других агрегатных состояний  вещества плазма представляет собой  газ заряженных частиц (ионов, электронов), которые электрически взаимодействуют  друг с другом на больших расстояниях. Это определяет ряд своеобразных свойств плазмы.

Переходы из более упорядоченного по структуре агрегатного состояния  в менее упорядоченное могут происходить не только при определённых температуре и давлении, но и непрерывно. Возможность непрерывных переходов указывает на некоторую условность выделения агрегатных состояний вещества. Это подтверждается существованием аморфных твёрдых тел, сохраняющих структуру жидкости, несколько видов кристаллического состояния у некоторых веществ, существование жидких кристаллов, существованием у полимеров особого высокоэластичного состояния, промежуточного между стеклообразным и жидким, и другое.

В связи с этим в современной  физике вместо понятия агрегатного  состояния пользуются более широким  понятием — фазы.

 
Введение

Как известно, многие вещества в природе могут находиться в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном.