Характеристика агрегатных состояний вещества


МКТ. Агрегатные состояния вещества

Раздел ОГЭ по физике: 2.1. Молекула – мельчайшая частица вещества. Агрегатные состояния вещества. Модели строения газов, жидкостей, твердых тел.



Основы молекулярно-кинетической теории

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.

В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три положения:

  1. Все вещества состоят из мельчайших частиц – молекул и атомов. Молекулы разделены промежутками.
  2. Молекулы находятся в беспрерывном хаотическом движении.
  3. Между молекулами существуют силы взаимодействия (притяжение и отталкивание).

Атом – наименьшая частица химического элемента, которая является носителем его химических свойств. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся по законам квантовой механики. Размеры атома ~ 10–10 м.

Молекула – наименьшая устойчивая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами и состоящая из одинаковых (простое вещество) или разных (сложное вещество) атомов, объединённых химическими связями. При уменьшении расстояния между молекулами сила притяжения увеличивается медленнее, чем сила отталкивания.

Доказательством положения 1 МКТ служат факты, установленные в ходе наблюдений и экспериментов. К таким фактам относятся сжимаемость тел, растворимость веществ в воде и др. Так, если растворить немного краски в воде, то вода окрасится. Если каплю этой воды поместить в другой стакан с чистой водой, то эта вода также окрасится, только цвет её будет менее насыщенным. Можно повторить эту операцию ещё несколько раз. В каждом случае раствор будет окрашен, только более слабо, чем в предыдущем. Это значит, что капля краски делится на частицы. Приведённые факты и описанный опыт позволяют сделать вывод о том, что тела не сплошные, они состоят из маленьких частиц.

О том, что тела не сплошные, а между частицами, из которых они состоят, существуют промежутки, свидетельствует то, что газ в цилиндре можно сжать поршнем, можно сжать воздух в воздушном шаре, ластик или кусок резины, тела сжимаются при охлаждении и расширяются при нагревании. Так, ненагретый шарик свободно проходит через кольцо, диаметр которого чуть больше диаметра шарика. Если шарик нагреть в пламени спиртовки, то он в кольцо не пройдет.


Из опытов, которые были рассмотрены выше, следует, что вещество можно разделить на отдельные частицы, сохраняющие его свойства. Однако существует определённый предел деления вещества, т.е. существует самая маленькая частица вещества, которая сохраняет его свойства. Меньшей частицы, которая сохраняет свойства данного вещества, просто не существует. Наименьшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства, называется молекулой.

Слова «химические свойства» означают следующее. Поваренная соль — это вещество, представляющее собой соединение натрия и хлора (NaCl). Это соединение имеет определённые химические свойства, в частности, оно может вступать в реакцию с каким-либо другим веществом. При этом и кристалл соли, и молекула этого химического соединения будут вести себя в реакции одинаково. В этом смысле и говорят, что молекула сохраняет химические свойства данного вещества.

Опыты, которые были описаны, говорят о том, что молекулы имеют маленькие размеры. Увидеть их невооруженным глазом невозможно. Диаметр крупных молекул примерно 10–8 см. Поскольку молекулы так малы, то в телах их содержится очень много. Так, в 1 см3 воздуха содержится 27*1018 молекул.


Масса молекул, так же как и её размеры, очень мала. Например, масса одной молекулы водорода равна 3,3 * 10–24 г или 3,3 * 10–27 кг. Масса молекул одного и того же вещества одинакова. В настоящее время масса и размеры молекул различных веществ определены достаточно точно.

Молекулы состоят из ещё более мелких частиц, которые называются атомами. Например, молекулу воды можно разделить на водород и кислород. Однако водород и кислород уже другие вещества, и они обладают свойствами, отличными от свойств воды. Разложить молекулу воды на такие вещества можно в процессе химической реакции.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода; молекула поваренной соли — из одного атома натрия и одного атома хлора. Молекула сахара более сложная: она состоит из б атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода, а молекула белков состоит из тысячи атомов.

Существуют вещества, молекулы которых содержат однородные атомы. Например, молекула водорода состоит из двух атомов водорода, молекула кислорода — из двух атомов кислорода.

В природе есть вещества, которые состоят не из молекул, а из атомов. Их называют простыми. Примерами таких веществ могут служить алюминий, железо, ртуть, олово и др.

Любое вещество, независимо от того, как оно получено, содержит одни и те же атомы. Например, молекула воды, полученная при таянии льда, или из сока ягод, или налитая из-под крана, содержит два атома водорода и один атом кислорода. Молекула кислорода, извлечённая из атмосферного воздуха или полученная в ходе какой-либо химической реакции, содержит два атома кислорода.


  • Положение 2 МКТ. Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении. Поскольку молекулы малы, то непосредственно наблюдать и доказать их движение невозможно. Однако целый ряд экспериментальных фактов и наблюдаемых явлений является следствием движения молекул. К ним относятся прежде всего броуновское движение и диффузия.
  • Положение 3 МКТ. Молекулы взаимодействуют между собой, между ними действуют силы и притяжения и отталкивания.

Наблюдения показывают, что тела не распадаются на отдельные молекулы. Твёрдые тела, например деревянную палку, металлический стержень, трудно растянуть или сломать. Их также трудно и сжать. Нелегко сжать и жидкость в сосуде. Газы сжать легче, но всё равно нужно приложить для этого некоторое усилие.

Если тела не распадаются на молекулы, то очевидно, что молекулы притягиваются друг к другу. Взаимное притяжение удерживает молекулы друг около друга.

Если взять два свинцовых цилиндра и прижать их друг к другу, а затем отпустить, то они разъединятся. Если поверхности цилиндров зачистить и вновь прижать их друг к другу, то цилиндры «слипнутся». Они не разъединятся даже в том случае, если к нижнему цилиндру подвесить груз массой несколько килограммов. Этот результат можно объяснить так: цилиндры удерживаются вместе, поскольку между молекулами действуют силы притяжения.


До того, как цилиндры зачистили, они разъединялись, поскольку поверхности цилиндров имели неровности, которые были устранены при зачистке. Поверхности стали гладкими, и это привело к уменьшению расстояний между молекулами, находящимися на поверхностях цилиндров, когда их прижали друг к другу. Следовательно, силы притяжения между молекулами действуют на малых расстояниях. Эти расстояния равны примерно размерам молекулы. Именно поэтому нельзя разбив чашку и соединив осколки, получить целую чашку. Нельзя, разломив палку на две части и соединив их, получить целую палку.

Наряду с силами притяжения, между молекулами действуют силы отталкивания, которые препятствуют сближению молекул. Это объясняет то, что тела трудно сжать, сжатая пружина принимает первоначальную форму после прекращения действия на неё внешней силы. Это происходит потому, что при сжатии молекулы сближаются и силы отталкивания, действующие между ними, возрастают. Они и приводят пружину в первоначальное состояние.

При растяжении тела сила отталкивания уменьшается в большей степени, чем сила притяжения. При сжатии тела сила отталкивания увеличивается в большей степени, чем сила притяжения.

Три агрегатных состояния

Вещества могут находиться в трёх агрегатных состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном. Свойства тел в разных агрегатных состояниях различны.


Так, твёрдое тело имеет определённую форму и определённый объём. Его трудно сжать или растянуть; если его сжать, а потом отпустить, то оно, как правило, восстанавливает свою форму и объём. Исключение составляют некоторые вещества, твёрдое состояние которых близко по своим свойствам к жидкостям (пластилин, воск, вар).

Жидкость принимает форму сосуда, в который она налита. Это говорит о том, что жидкость в условиях Земли не имеет своей формы. Только очень маленькие капли жидкости имеют свою форму — форму шара.

Объём жидкости изменить чрезвычайно трудно. Так, если набрать воду в насос, закрыть отверстие внизу и попытаться сжать воду, вряд ли это удастся. Это означает, что жидкость имеет собственный объём.

В отличие от жидкости объём газа изменить довольно легко. Это можно сделать, сжав руками мяч или воздушный шарик. Газ не имеет собственного объёма, он занимает полностью объём сосуда, в котором находится. То же можно сказать и о форме газа.

Таким образом, твёрдые тела имеют собственные форму и объём, жидкости имеют собственный объём, но не имеют собственной формы, газы не имеют ни собственного объёма, ни собственной формы. Твёрдые тела и жидкости трудно сжать, газы легко сжимаемы.

Объяснить эти свойства тел можно, используя знания о строении вещества.

Поскольку газы занимают весь предоставленный им объём, то очевидно, что силы притяжения между молекулами газа малы. А это значит, что молекулы находятся на сравнительно больших расстояниях друг от друга. В среднем они в десятки раз больше расстояний между молекулами жидкости. Это подтверждается тем, что газы легко сжимаемы.


Малые силы притяжения влияют и на характер движения молекул газа. Молекула газа движется прямолинейно до столкновения с другой молекулой, в результате чего меняет направление своего движения и движется прямолинейно до следующего столкновения.

Твёрдые тела трудно сжать. Это связано с тем, что молекулы находятся близко друг от друга и при небольшом изменении расстояния между ними резко возрастают силы отталкивания. Сравнительно большое притяжение между молекулами твёрдых тел приводит к тому, что они сохраняют форму и объём.

Атомы или молекулы большинства твёрдых тел расположены в определённом порядке и образуют кристаллическую решётку. На рисунке 63 изображена кристаллическая решётка поваренной соли. В узлах кристаллической решётки находятся атомы натрия (Na) и хлора (Сl). Частицы твёрдого тела (атомы или молекулы) совершают колебательное движение относительно узла кристаллической решётки.

В жидкостях молекулы расположены также довольно близко друг к другу. Поэтому их трудно сжать, и они имеют свой объём. Однако силы притяжения между молекулами жидкости не настолько велики, чтобы жидкость сохраняла свою форму.

Модели строения газа, жидкости и твёрдого тела


Агрегатные состояния вещества


Конспект урока «Агрегатные состояния вещества».

Следующая тема: «».

 

Источник: uchitel.pro

Твердое тело

Тело, находящееся в твердом состоянии, не меняет форму и объем. В твердые тела могут превращаться тела, ранее существовавшие в других агрегатных состояниях, при низких температурах. Твердые тела можно разделить на два вида: кристаллические (имеют кристаллическую решетку) и аморфные (частным случаем аморфного состояния является стеклообразное состояние).

Кристаллические и аморфные тела

Рис. 1. Кристаллические и аморфные тела.

Твердые тела характеризуются тем, что молекулы внутри таких веществ сохраняют свое положение неизменным (т. е. практически не движутся).

Жидкость


Особенностью жидких веществ является то, что эти вещества не сохраняют форму, но сохраняют объем. Жидкое состояние считается промежуточным между твердым и газообразным состоянием вещества. Молекулы вещества, находящегося в жидком состоянии, не имеют определенного стабильного положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между молекулами жидкостей существует притяжение, которое способно удерживать их на близком расстоянии друг от друга.

Вещество является жидким только при определенных температурах и определенном давлении. При пониженной температуре жидкость кристаллизуется и становится твердой, либо приобретает аморфное состояние и превращается в стекло. При повышенной температуре жидкость испаряется и превращается в газообразное вещество.

Чистые жидкости и смеси

Рис. 2. Чистые жидкости и смеси.

Газообразные вещества

Вещества, находящиеся в газообразном состоянии, не в состоянии сохранить ни форму, ни объем. Все доступное пространство имеющееся количество газа заполняет собой.

В газе молекулы вещества взаимодействуют друг с другом слабо и движутся хаотично, периодически сталкиваясь друг с другом.

Разные газы имеют разные химические свойства. Существуют как малоактивные инертные газы, так и взрывчатые газовые смеси.

Таблица агрегатные состояния вещества

Рис. 3. Таблица агрегатные состояния вещества.

Источник: obrazovaka.ru

Жидкие и твердые состояния тела


Жидкостям присущи значительные межмолекулярные взаимосвязи и небольшая сжимаемость. Жидкость является переходным состоянием между газообразным и твердым. Жидкости имеют изотропные свойства, подобно газам, им присуще свойство текучести. В жидкостях касательное напряжение тела, то есть напряжение сдвига, отсутствует, та же картина характерна для газов. Подобно твердым телам, жидкости тяжелые, имеют высокий удельный вес. Около кристаллизационной температуры тепловые свойства жидкостей сходны с тепловыми свойствами твердых тел. В жидких телах имеется правильность размещения атомов, но в ограниченных их частях. В жидкостях атомы колеблются вблизи узлов квазикристаллических ячеек, но отличаются от твердых тел тем, что атомы жидкостей периодически перемещаются по объему тела. Это движение атомов нельзя назвать сугубо колебательным, оно комплексное — колебательное с перемещением центра.

Твердым является тело с постоянными объемом и формой.

Отдаленность молекул в твердых телах небольшая, их потенциальная энергия близка к кинетической. Различают два типа твердых тел: кристаллический и аморфный. Кристаллы пребывают в равновесном термодинамическом состоянии, аморфные тела находятся в метастабильном состоянии, их строение похоже на строение неравновесных жидкостей с медленной кристаллизацией. Аморфное тело постепенно принимает кристаллическую форму. Аморфное тело отличается от кристаллического анизотропией своих свойств. Свойства кристаллических тел зависимы от пространственных направленностей. Поведение разных процессов, что имеют место в твердых телах, к примеру, свето-, звуко-, тепло-  электропроводимость, в разных направлениях будут отличаться. Аморфные тела являются изотропными, подобно жидкостям. Яркими представителями аморфных тел являются смола, стекло, пластик. Аморфное тело отличается от жидкого лишь тем, что жидкость имеет текучесть.

Кристалл обладает четким строением молекул, благодаря чему его свойства анизотропны. Верно расположенные атомы образуют кристаллическую решетку. Анизотропия объясняется разным размещением атомов в разных направлениях. Вокруг связей кристаллической решетки мельчайшие частицы производят свои хаотичные колебания. В процессе повышении температуры кристалла его энергия и амплитуда колебаний увеличиваются. Размеры кристаллов зависит от амплитуды колебаний их частиц. С ростом амплитуды колебаний, размер кристалла будет увеличиваться. Этим явлением объясняют тепловые расширения тел.

Газы и агрегатные состояния веществ

В газах обычно пренебрегают силами межмолекулярных взаимодействий, так как они очень малы. Частички газообразного вещества занимают все предоставленное им пространство. Газ представляет собой разогретый ненасыщенный пар. Различают такой особый вид газа, как плазма. Плазма представляет собой такой газ, где полностью или почти полностью ионизированы частицы, их плотности одинаковы для плюсовых и минусовых зарядов. Плазмой считается такой заряженный газ, в котором частицы действуют друг на друга на значительной отдаленности посредством электрических сил.

Вещества имеют свойство изменять свои агрегатные состояния. Процессы трансформации веществ в различные состояния имеют определенные названия. Это плавление, кристаллизация, конденсация и парообразование. Рассмотрим их более подробно.

Испарением или парообразованием является процесс смены агрегатного состояния вещества, характеризующийся молекулярным отрывом от поверхности, причем кинетическая энергия этих молекул выше потенциальной энергии их взаимодействия.

Испарение считается фазовым процессом, где пар образуется из жидкого или твердого состояния вещества. Насыщенным паром является вещество, находящееся в равновесном динамическом состоянии с жидкостью. В данном состоянии смена внутренней энергии тела описывается следующей зависимостью:

(ΔU=±mr (1),)

где (m) — масса тела (кг), (r) — удельная теплота преобразования (Дж/кг).

Плавлением является процесс трансформации твердого состояния тела в жидкое. При смене температуры вещества в сторону роста растет и его внутренняя энергия, следствием чего является рост скорости теплового движения его молекул. При росте температуры вещества до своей температуры плавления, его кристаллические связи претерпевают разрушения. Увеличиваясь, энергия межмолекулярного взаимодействия разрушает связи молекул. Теплота, что поступает к телу, направляется на поднятие его внутренней энергии, а часть ее идет на смену его объема во время плавления. Практически все кристаллические тела во время плавления увеличиваются в объеме, за исключением некоторых веществ, например, льда, чугуна. Для аморфных тел не существует конкретной температуры плавления. Плавление, как фазовый переход, вызывает резкую перемену теплоемкости в момент достижения температуры плавления. Смена внутренней энергии тела для процесса плавления описывается следующим уравнением:

(ΔU=±mλ (2),)

где (λ) — удельная теплота плавления (Дж/кг).

При повышении или понижении температуры любого тела смена его внутренней энергии определяется выражением:

(ΔU=mcΔT (3),)

где (c) — удельная теплоемкость вещества (Дж/(кгК)), (ΔT) — разность температур тела.

Во время изучения перемен в агрегатных состояниях веществ пользуются уравнением теплового баланса, которое означает, что сумма всей теплоты, которая выделяется в замкнутой системе, равна сумм всей теплоты, что поглощена этой системой. Это записывается выражением:

(Q_1+Q_2+Q_3+dots+Q_n=Q_1^{‘}+Q_2^{‘}+Q_3^{‘}+dots+Q_k^{‘})

Это уравнение описывает закон сохранения энергии для термоизолированных систем при процессе теплообмена.

Источник: spravochnikvs.com

Наиболее распространено знание о трех агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном, иногда вспоминают о плазменном, реже жидкокристаллическом. Последнее время в интернете распространился перечень 17 фаз вещества, взятый из известной книги (ru) Стивена Фрая. Поэтому мы расскажем о них подробнее, т.к. о материи следует знать немного больше хотя бы для того, чтобы лучше понимать процессы, происходящие во Вселенной.

Приведённый ниже список агрегатных состояний вещества возрастает от самых холодных состояний к самым горячим и т.о. может быть продолжен. Одновременно следует понимать, что от газообразного состояния (№11), самого «разжатого», в обе стороны списка степень сжатия вещества и его давление (с некоторыми оговорками для таких неизученных гипотетических состояний, как квантовое, лучевое или слабо симметричное) возрастают.После текста приведен наглядный график фазовых переходов материи.

1. Квантовое — агрегатное состояние вещества, достигаемое при понижении температуры до абсолютного нуля, в результате чего исчезают внутренние связи и материя рассыпается на свободные кварки.

2. Конденсат Бозе-Эйнштейна — агрегатное состояние материи, основу которой составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли градуса выше абсолютного нуля). В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Конденсат Бозе-Эйнштейна (который зачастую называют «бозе-конденсат», или попросту «бэк») возникает, когда вы охлаждаете тот или иной химический элемент до чрезвычайно низких температур (как правило, до температуры чуть выше абсолютного нуля, минус 273 градуса по Цельсию, — теоретическая температура, при которой все перестает двигаться).
Вот тут с веществом начинают происходить совершенно странные вещи. Процессы, обычно наблюдаемые лишь на уровне атомов, теперь протекают в масштабах, достаточно крупных для наблюдения невооруженным глазом. Например, если поместить «бэк» в лабораторный стакан и обеспечить нужный температурный режим, вещество начнет ползти вверх по стенке и в конце концов само по себе выберется наружу.
Судя по всему, здесь мы имеем дело с тщетной попыткой вещества понизить собственную энергию (которая и без того находится на самом низком из всех возможных уровней).
Замедление атомов с использованием охлаждающей аппаратуры позволяет получить сингулярное квантовое состояние, известное как конденсат Бозе, или Бозе — Эйнштейна. Это явление было предсказано в 1925 году А. Эйнштейном, как результат обобщения работы Ш. Бозе, где строилась статистическая механика для частиц, начиная от безмассовых фотоно до обладающих массой атомов (рукопись Эйнштейна, считавшаяся утерянной, была обнаружена в библиотеке Лейденского университета в 2005 году). Результатом усилий Бозе и Эйнштейна стала концепция Бозе газа, подчиняющегося статистике Бозе — Эйнштейна, которая описывает статистическое распределение тождественных частиц с целым спином, называемых бозонами. Бозоны, которыми являются, например, и отдельные элементарные частицы — фотоны, и целые атомы, могут находиться друг с другом в одинаковых квантовых состояниях. Эйнштейн предположил, что охлаждение атомов — бозонов до очень низких температур заставит их перейти (или, по-другому, сконденсироваться) в наинизшее возможное квантовое состояние. Результатом такой конденсации станет возникновение новой формы вещества.
Этот переход возникает ниже критической температуры, которая для однородного трёхмерного газа, состоящего из невзаимодействующих частиц без каких-либо внутренних степеней свободы.

3. Фермионный конденсат — агрегатное состояние вещества, схожее с бэком, но отличающееся по строению. При приближении к абсолютному нулю атомы ведут себя по-разному в зависимости от величины собственного момента количества движения (спина). У бозонов спины имеют целочисленные значения, а у фермионов — кратные 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Фермионы подчиняются принципу запрета Паули, согласно которому два фермиона не могут иметь одно и то же квантовое состояние. Для бозонов такого запрета нет, и поэтому у них есть возможность существовать в одном квантовом состоянии и образовывать тем самым так называмый конденсат Бозе-Эйнштейна. Процесс образования этого конденсата отвечает за переход в сверхпроводящее состояние.
Электроны имеют спин 1/2 и, следовательно, относятся к фермионам. Они объединяются в пары (так называемые пары Купера), которые затем образуют Бозе-конденсат.
Американские ученые предприняли попытку получить своего рода молекулы из атомов-фермионов при глубоком охлаждении. Отличие от настоящих молекул заключалось в том, что между атомами не было химической связи — просто они двигались вместе, коррелированным образом. Связь между атомами оказалась даже прочнее, чем между электронами в куперовских парах. У образованных пар фермионов суммарный спин уже не кратен 1/2, следовательно, они уже ведут себя как бозоны и могут образовывать бозе-конденсат с единым квантовым состоянием. В ходе эксперимента охлаждали газ из атомов калия-40 до 300 нанокельвинов, при этом газ заключался в так называемую оптическую ловушку. Затем наложили внешнее магнитное поле, с помощью которого удалось изменить природу взаимодействий между атомами — вместо сильного отталкивания стало наблюдаться сильное притяжение. При анализе влияния магнитного поля удалось найти такое его значение, при котором атомы стали вести себя, как куперовские пары электронов. На следующем этапе эксперимента ученые предполагают получить эффекты сверхпроводимости для фермионного конденсата.

4. Сверхтекучее вещество — состояние, при котором у вещества фактически отсутствует вязкость, а при течении он не испытывает трения с твёрдой поверхностью. Следствием этого является, например, такой интересный эффект, как полное самопроизвольное «выползание» сверхтекучего гелия из сосуда по его стенкам против силы тяжести. Нарушения закона сохранения энергии здесь, конечно же, нет. В отсутствие сил трения на гелий действуют только силы тяжести, силы межатомного взаимодействия между гелием и стенками сосуда и между атомами гелия. Так вот, силы межатомного взаимодействия превышают все остальные силы вместе взятые. В результате гелий стремится растечься как можно сильнее по всем возможным поверхностям, поэтому и «путешествует» по стенкам сосуда. В 1938 году советский учёный Пётр Капица доказал, что гелий может существовать в сверхтекучем состоянии.
Стоит отметить, что многие из необычных свойств гелия известны уже довольно давно. Однако и в последние годы этот химический элемент «балует» нас интересными и неожиданными эффектами. Так, в 2004 году Мозес Чань и Эун-Сьонг Ким из Университета Пенсильвании заинтриговали научный мир заявлением о том, что им удалось получить совершенно новое состояние гелия — сверхтекучее твёрдое вещество. В этом состоянии одни атомы гелия в кристаллической решётке могут обтекать другие, и гелий таким образом может течь сам через себя. Эффект «сверхтвёрдости» теоретически был предсказан ещё в 1969 году. И вот в 2004 году — как будто бы и экспериментальное подтверждение. Однако более поздние и весьма любопытные эксперименты показали, что не всё так просто, и, возможно, такая интерпретация явления, которое до этого принималось за сверхтекучесть твёрдого гелия, неверна.
Эксперимент учёных под руководством Хэмфри Мариса из Университета Брауна в США был прост и изящен. Учёные помещали перевёрнутую вверх дном пробирку в замкнутый резервуар с жидким гелием. Часть гелия в пробирке и в резервуаре они замораживали таким образом, чтобы граница между жидким и твёрдым внутри пробирки была выше, чем в резервуаре. Иными словами, в верхней части пробирки был жидкий гелий, в нижней — твёрдый, он плавно переходил в твёрдую фазу резервуара, над которой был налито немного жидкого гелия — ниже, чем уровень жидкости в пробирке. Если бы жидкий гелий стал просачиваться через твёрдый, то разница уровней уменьшилась бы, и тогда можно говорить о твёрдом сверхтекучем гелии. И в принципе, в трёх из 13 экспериментов разница уровней действительно уменьшалась.

5. Сверхтвёрдое вещество — агрегатное состояние при котором материя прозрачна и может "течь", как жидкость, но фактически она лишена вязкости. Такие жидкости известны много лет, их называют суперфлюидами. Дело в том, что если супержидкость размешать, она будет циркулировать чуть ли не вечно, тогда как нормальная жидкость в конечном счёте успокоится. Первые два суперфлюида были созданы исследователями с использованием гелия-4 и гелия-3. Они были охлаждены почти до абсолютного нуля — до минус 273 градусов Цельсия. А из гелия-4 американским учёным удалось получить сверхтвёрдое тело. Замороженный гелий они сжали давлением более чем в 60 раз, а затем заполненный веществом стакан установили на вращающийся диск. При температуре 0,175 градусов Цельсия диск внезапно начал вращаться свободнее, что, по мнению учёных, свидетельствует о том, что гелий стал супертелом.

6. Твёрдое — агрегатное состояние вещества, отличающееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания вокруг положений равновесия. Устойчивым состоянием твердых тел является кристаллическое. Различают твердые тела с ионной, ковалентной, металлической и др. типами связи между атомами, что обусловливает разнообразие их физических свойств. Электрические и некоторые др. свойства твердых тел в основном определяются характером движения внешних электронов его атомов. По электрическим свойствам твердые тела делятся на диэлектрики, полупроводники и металлы, по магнитным — на диамагнетики, парамагнетики и тела с упорядоченной магнитной структурой. Исследования свойств твердых тел объединились в большую область — физику твердого тела, развитие которой стимулируется потребностями техники.

7. Аморфное твёрдое — конденсированное агрегатное состояние вещества, характеризующееся изотропией физических свойств, обусловленной неупорядоченным расположением атомов и молекул. В аморфных твердых телах атомы колеблются около хаотически расположенных точек. В отличие от кристаллического состояния переход из твердого аморфного в жидкое происходит постепенно. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т. д.

8. Жидкокристаллическое — это специфическое агрегатное со­стояние вещества, в котором оно проявляет одновре­менно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо огово­риться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Однако, некоторые органические вещества, обладающие сложными молеку­лами, могут образовы­вать специфическое агрегатное состояние — жидкокристалли­ческое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении обра­зуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.
Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жид­костью, он обладает свойством, характерным для кри­сталлов. Это — упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не та­кое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное про­странственное упорядочение молекул, образующих жид­кий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристал­лах нет полного порядка в пространственном располо­жении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кри­сталлической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, по­добно обычным жидкостям, обладают свойством текуче­сти.
Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли­жающим их с обычными кристаллами, является наличие порядка пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристалличе­ском образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейше­го названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул.
В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.
Исследования по физике жидких кристаллов и их при­менениям в настоящее время ведутся широким фрон­том во всех наиболее развитых странах мира. Отечествен­ные исследования сосредоточены как в академических, так и отраслевых научно-исследовательских учреждени­ях и имеют давние традиции. Широкую известность и признание получили выполненные еще в тридцатые годы в Ленинграде работы В.К. Фредерикса к В.Н. Цветкова. В последние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователи также вносят весомый вклад в развитие учения о жидких кристаллах в целом и, в частности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И.Г. Чистякова, А.П. Капустина, С.А. Бразовского, С.А. Пикина, Л.М. Блинова и многих других советских иссле­дователей широко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов.
Существование жидких кристаллов было установлено очень давно, а именно в 1888 году, то есть почти столетие назад. Хотя учёные и до 1888 года сталкивались с данным состоянием вещества, но официально его открыли позже.
Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был авст­рийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син­тезированное им вещество холестерилбензоат, он обна­ружил, что при температуре 145°С кристаллы этого ве­щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начина­ет вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе. Рассматри­вая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рей­нитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е скорость света е этой фазе, зависит от поляризации.

9. Жидкое — агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе черты твердого состояния (сохранение объема, определенная прочность на разрыв) и газообразного (изменчивость формы). Для жидкости характерны ближний порядок в расположении частиц (молекул, атомов) и малое различие в кинетической энергии теплового движения молекул и их потенциальной энергии взаимодействия. Тепловое движение молекул жидкости состоит из колебаний около положений равновесия и сравнительно редких перескоков из одного равновесного положения в другое, с этим связана текучесть жидкости.

10. Сверхкритический флюид (СКФ) — агрегатное состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки является сверхкритическим флюидом. Свойства вещества в сверхкритическом состоянии промежуточные между его свойствами в газовой и жидкой фазе. Так, СКФ обладает высокой плотностью, близкой к жидкости, и низкой вязкостью, как и газы. Коэффициент диффузии при этом имеет промежуточное между жидкостью и газом значение. Вещества в сверхкритическом состоянии могут применяться в качестве заменителей органических растворителей в лабораторных и промышленных процессах. Наибольший интерес и распространение в связи с определенными свойствами получили сверхкритическая вода и сверхкритический диоксид углерода.
Одно из наиболее важных свойств сверхкритического состояния — это способность к растворению веществ. Изменяя температуру или давление флюида можно менять его свойства в широком диапазоне. Так, можно получить флюид, по свойствам близкий либо к жидкости, либо к газу. Так, растворяющая способность флюида увеличивается с увеличением плотности (при постоянной температуре). Поскольку плотность возрастает при увеличении давления, то меняя давление можно влиять на растворяющую способность флюида (при постоянной температуре). В случае с температурой завистимость свойств флюида несколько более сложная — при постоянной плотности растворяющая способность флюида также возрастает, однако вблизи критической точки незначительное увеличение температуры может привести к резкому падению плотности, и, соответственно, растворяющей способности. Сверхкритические флюиды неограниченно смешиваются друг с другом, поэтому при достижении критической точки смеси система всегда будет однофазной. Приблизительная критическая температура бинарной смеси может быть рассчитана как среднее арифмитическое от критических параметров веществ Tc(mix) = (мольная доля A) x TcA + (мольная доля B) x TcB.

11. Газообразное — (франц. gaz, от греч. chaos — хаос), агрегатное состояние вещества, в котором кинетическая энергия теплового движения его частиц (молекул, атомов, ионов) значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействий между ними, в связи с чем частицы движутся свободно, равномерно заполняя в отсутствие внешних полей весь предоставленный им объем.

12. Плазма — (от греч. plasma — вылепленное, оформленное), состояние вещества, представляющее из себя ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны (квазинейтральность). В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра, магнитосферы и ионосферы. Высокотемпературная плазма ( Т ~ 106 — 108К) из смеси дейтерия и трития исследуется с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза. Низкотемпературная плазма ( Т Ј 105К) используется в различных газоразрядных приборах (газовых лазерах, ионных приборах, МГД-генераторах, плазмотронах, плазменных двигателях и т. д.), а также в технике (см. Плазменная металлургия, Плазменное бурение, Плазменная технология).

13. Вырожденное вещество — является промежуточной стадией между плазмой и нейтрониумом. Оно наблюдается в белых карликах, играет важную роль в эволюции звезд. Когда атомы находятся в условиях чрезвычайно высоких температур и давлений, они теряют свои электроны (они переходят в электронный газ). Другими словами, они полностью ионизованы (плазма). Давление такого газа (плазмы) определяется давлением электронов. Если плотность очень высока, все частицы вынуждены приближаться к друг другу. Электроны могут находится в состояниях с определенными энергиями, причем два электрона не могут иметь одинаковую энергию (если только их спины не противоположны). Таким образом, в плотном газе все нижние уровни энергии оказываются заполненными электронами. Такой газ называется вырожденным. В этом состоянии электроны проявляют вырожденное электронное давление, которое противодействует силам гравитации.

14. Нейтрониум — агрегатное состояние, в которое вещество переходит при сверхвысоком давлении, недостижимом пока в лаборатории, но существующем внутри нейтронных звёзд. При переходе в нейтронное состояние электроны вещества взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. В результате вещество в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть слишком высока (в энергетическом эквиваленте не более сотни МэВ).
При сильном повышении температуры (сотни МэВ и выше) в нейтронном состоянии начинают рождаться и аннигилировать разнообразные мезоны. При дальнейшем повышении температуры происходит деконфайнмент, и вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Оно состоит уже не из адронов, а из постоянно рождающихся и исчезающих кварков и глюонов.

15. Кварк-глюонная плазма (хромоплазма) — агрегатное состояние вещества в физике высоких энергий и физике элементарных частиц, при котором адронное вещество переходит в состояние, аналогичное состоянию, в котором находятся электроны и ионы в обычной плазме.
Обычно вещество в адронах находится в так называемом бесцветном («белом») состоянии. То есть, кварки различных цветов компенсируют друг друга. Аналогичное состояние есть и у обычного вещества — когда все атомы электрически нейтральны, то есть,
положительные заряды в них компенсированы отрицательными. При высоких температурах может происходить ионизация атомов, при этом заряды разделяются, и вещество становится, как говорят, «квазинейтральным». То есть, нейтральным остаётся всё облако вещества в целом, а отдельные его частицы нейтральными быть перестают. Точно так же, по-видимому, может происходить и с адронным веществом — при очень высоких энергиях, цвет выходит на свободу и делает вещество «квазибесцветным».
Предположительно, вещество Вселенной находилось в состоянии кварк-глюонной плазмы в первые мгновения после Большого Взрыва. Сейчас кварк-глюонная плазма может на короткое время образовываться при соударениях частиц очень высоких энергий.
Кварк-глюонная плазма была получена экспериментально на ускорителе RHIC Брукхейвенской национальной лаборатории в 2005 году. Максимальная температура плазмы в 4 триллиона градусов Цельсия была получена там же в феврале 2010 года.

16. Странное вещество — агрегатное состояние, при котором материя сжимается до предельных значений плотности, оно может существовать в виде "кваркового супа". Кубический сантиметр вещества в этом состоянии будет весить миллиарды тонн; к тому же он будет превращать любое нормальное вещество, с которым соприкоснётся, в ту же "странную" форму с выбросом значительного количества энергии.
Энергия, которая может выделиться при превращении вещества ядра звезды в "странное вещество", приведёт к сверхмощному взрыву "кварковой новой", — и, по мнению Лихи и Уйеда, именно его астрономы в сентябре 2006 года и наблюдали.
Процесс образования этого вещества начался с обычной сверхновой, в которую обратилась массивная звезда. В результате первого взрыва образовалась нейтронная звезда. Но, по мнению Лихи и Уйеда, просуществовала она очень недолго, — по мере того, как её вращение казалось затормозилось её собственным магнитным полем, она начала сжиматься ещё сильнее, с образованием сгустка "странного вещества", что привело к ещё более мощному, нежели при обычном взрыве сверхновой, выбросу энергии — и внешних слоёв вещества бывшей нейтронной звезды, разлетавшихся в окружающее пространство со скоростью, близкой к скорости света.

17. Сильно симметричное вещество — это вещество, сжатое до такой степени, при которой микрочастицы внутри него наслаиваются друг на друга, а само тело коллапсирует в чёрную дыру. Термин «симметрия» объясняется следующим: Возьмём известные всем со школьной скамьи агрегатные состояния вещества — твёрдые, жидкие, газообразные. Для определённости в качестве твёрдого вещества рассмотрим идеальный бесконечный кристалл. В нём существует определённая, так называемая дискретная симметрия относительно переноса. Это означает, что, если сдвинуть кристаллическую решётку на расстояние, равное интервалу между двумя атомами, в ней ничего не изменится — кристалл совпадет сам с собой. Если же кристалл расплавить, то симметрия получившейся из него жидкости будет иной: она возрастёт. В кристалле равноценными были только точки, удалённые друг от друга на определённые расстояния, так называемые узлы кристаллической решётки, в которых находились одинаковые атомы.
Жидкость же однородна по всему объёму, все её точки неотличимы одна от другой. Это означает, что жидкости можно смещаться на любые произвольные расстояния (а не только на какие-то дискретные, как в кристалле) или поворачиваться на любые произвольные углы (чего в кристаллах делать нельзя вообще) и она будет совпадать сама с собой. Степень её симметрии выше. Газ ещё более симметричен: жидкость занимает определённый объём в сосуде и наблюдается асимметрия внутри сосуда, где жидкость есть, и точки, где её нет. Газ же занимает весь предоставленный ему объём, и в этом смысле все её точки неотличимы одна от другой. Всё же здесь было бы правильнее говорить не о точках, а о малых, но макроскопических элементах, потому что на микроскопическом уровне отличия всё-таки есть. В одних точках в данный момент времени имеются атомы или молекулы, а в других нет. Симметрия наблюдается только в среднем, либо по некоторым макроскопическим параметра объёма, либо по времени.
Но мгновенной симметрии на микроскопическом уровне здесь по-прежнему ещё нет. Если же вещество сжимать очень сильно, до давлений которые в обиходе недопустимы, сжимать так, что атомы были раздавлены, их оболочки проникли друг в друга, а ядра начали соприкасаться, возникает симметрия и на микроскопическом уровне. Все ядра одинаковы и прижаты друг к другу, нет не только межатомных, но и межъядерных расстояний и вещество становится однородным (странное вещество).
Но есть ещё субмикроскопический уровень. Ядра состоят из протонов и нейтронов, которые двигаются внутри ядра. Между ними тоже есть какое-то пространство. Если продолжать сжимать так, что будут раздавлены и ядра, нуклоны плотно прижмутся друг к другу. Тогда и на субмикроскопическом уровне появится симметрия, которой нет даже внутри обычных ядер.
Из сказанного можно усмотреть вполне определённую тенденцию: чем выше температура и больше давление, тем более симметричным становится вещество. Исходя из этих соображений сжатое до максимума вещество именуется сильно симметричным.

18. Слабо симметричное вещество — состояние, противоположное сильно симметричному веществу по своим свойствам, присутствовавшее в очень ранней Вселенной при температуре близкой к планковской, возможно, через 10-12 секунд после Большого Взрыва , когда сильные , слабые и электромагнитные силы представляли из себя единую суперсилу. В этом состоянии вещество сжато до такой степени, что его масса переходит в энергию, которая начинает инфлуировать, то есть неограниченно расширяться. Достичь энергий для экспериментального получения суперсилы и перевода вещества в эту фазу в земных условиях пока невозможно, хотя такие попытки предпринимались на Большом Адронном Коллайдере с целью изучения ранней вселенной. Ввиду отсутствия в составе суперсилы, образующей это вещество, гравитационного взаимодействия, суперсила является не достаточно симметричной в сравнении с суперсимметричной силой, содержащей все 4 вида взаимодействий. Поэтому данное агрегатное состояние и получило такое название.

19. Лучевое вещество — это, по сути дела, уже совсем не вещество, а в чистом виде энергия. Однако именно это гипотетическое агрегатное состояние примет тело, достигшее скорости света. Также его можно получить, разогрев тело до планковской температуры (1032К), то есть разогнав молекулы вещества до скорости света. Как следует из теории относительности, при достижении скорости более 0,99 с, масса тела начинает расти гораздо быстрее, нежели при "обычном" ускорении, кроме того тело удлиняется, разогревается, то есть начинает излучать в инфракрасном спектре. При пересечении порога 0,999 с, тело кардинально видоизменяется и начинает стремительный фазовый переход вплоть до лучевого состояния. Как следует из формулы Эйнштейна, взятой в полном виде, растущая масса итогового вещества складывается из масс, отделяющихся от тела в виде теплового, рентгеновского, оптического и других излучений, энергия каждого из которых описывается следующим членом в формуле. Таким образом, тело приблизившееся к скорости света начнет излучать во всех спектрах, расти в длину и замедляться во времени, утоньшаясь до планковской длины, то есть по достижении скорости с, тело превратится в бесконечно длинный и тонкий луч, двигающийся со скоростью света и состоящий из фотонов, не имеющих длины, а его бесконечная масса полностью перейдет в энергию. Поэтому такое вещество и называется лучевым.

link

 

Источник: www.liveinternet.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.