: [u 30 tomova] / gl. ed. A. M. Prokhorov; 1969-1978, tom 1).
Ciljevi lekcije:
- produbljuju i uopštavaju znanja o agregatnim agregatnim stanjima materije, proučavaju u kojim stanjima supstance mogu postojati.
Ciljevi lekcije:
Edukativni – formulirajte ideju o svojstvima čvrstih tijela, plinova, tekućina.
Razvojni – razvijanje govornih sposobnosti učenika, analiza, zaključivanje o obrađenom i proučavanom gradivu.
Vaspitno – usađivanje mentalnog rada, stvaranje svih uslova za povećanje interesovanja za predmet koji se proučava.
Ključni pojmovi:
Stanje agregacije- ovo je stanje materije koje se odlikuje određenim kvalitativnim svojstvima: - sposobnošću ili nemogućnošću održavanja oblika i volumena; - prisustvo ili odsustvo naloga kratkog i dugog dometa; - od strane drugih.
Fig.6. Agregatno stanje tvari pri promjenama temperature.
Kada supstanca prijeđe iz čvrstog u tekuće stanje, to se naziva taljenje; obrnuti proces se naziva kristalizacija. Kada supstanca pređe iz tečnosti u gas, ovaj proces se naziva isparavanjem, a u tečnost iz gasa - kondenzacijom. A prijelaz direktno u plin iz čvrste tvari, zaobilazeći tekućinu, je sublimacija, obrnuti proces je desublimacija.
1.Kristalizacija; 2. Topljenje; 3. Kondenzacija; 4. Vaporizacija;
5. Sublimacija; 6. Desublimacija.
Stalno vidimo ove primjere tranzicija u Svakodnevni život. Kada se led topi, pretvara se u vodu, a voda zauzvrat isparava stvarajući paru. Ako se uzme u obzir u poleđina tada para, kondenzirajući, počinje da se pretvara u vodu, a voda se zauzvrat smrzava i postaje led. Miris svakog čvrstog tijela je sublimacija. Neki molekuli izlaze iz tijela i stvara se plin koji odaje miris. Primjer obrnutog procesa je u zimsko vrijemešare na staklu kada se para u vazduhu smrzne i taloži na staklu.
Video prikazuje promjenu agregacijskog stanja tvari.
Kontrolni blok.
1.Nakon smrzavanja voda se pretvorila u led. Jesu li se molekuli vode promijenili?
2.Medicinski etar se koristi u zatvorenom prostoru. I zbog toga tamo obično jako miriše na njega. U kakvom je stanju etar?
3.Šta se dešava sa oblikom tečnosti?
4.Ice. Kakvo je ovo stanje vode?
5.Šta se događa kada se voda smrzne?
Zadaća.
Odgovori na pitanja:
1. Da li je moguće napuniti polovinu zapremine posude gasom? Zašto?
2. Da li azot i kiseonik mogu postojati u tečnom stanju na sobnoj temperaturi?
3. Da li gvožđe i živa mogu postojati u gasovitom stanju na sobnoj temperaturi?
4. U mraznom zimskom danu, magla se stvorila iznad rijeke. Kakvo je ovo stanje materije?
Vjerujemo da materija ima tri agregatna stanja. Zapravo, ima ih najmanje petnaest, a lista ovih stanja se svakodnevno povećava. To su: amorfna čvrsta, čvrsta, neutronijumska, kvark-gluonska plazma, jako simetrična materija, slabo simetrična materija, fermionski kondenzat, Bose-Ajnštajnov kondenzat i čudna materija.
Stanje agregacije- stanje materije koje karakterišu određena kvalitativne osobine: sposobnost ili nemogućnost održavanja volumena i oblika, prisustvo ili odsustvo reda dugog i kratkog dometa i dr. Promjena agregacijskog stanja može biti praćena naglom promjenom slobodne energije, entropije, gustine i drugih osnovnih fizička svojstva.
Postoje tri glavna agregatna stanja: čvrsto, tečno i gasovito. Ponekad nije sasvim ispravno klasifikovati plazmu kao stanje agregacije. Postoje i druga stanja agregacije, na primjer, tekući kristali ili Bose-Einstein kondenzat. Promjene u agregacijskom stanju su termodinamički procesi koji se nazivaju fazni prijelazi. Razlikuju se sljedeće varijante: od čvrstog do tekućeg - topljenje; iz tečnog u gasovito - isparavanje i ključanje; od čvrstog do gasovitog - sublimacija; iz gasovitog u tečno ili čvrsto - kondenzacija; iz tečnog u čvrstu - kristalizacija. Prepoznatljiva karakteristika je odsustvo oštre granice prijelaza u stanje plazme.
Definicije stanja agregacije nisu uvijek stroge. Dakle, postoje amorfna tijela koja zadržavaju strukturu tekućine i imaju nisku fluidnost i sposobnost zadržavanja oblika; tečni kristali su fluidni, ali u isto vrijeme imaju neka svojstva čvrstih tijela, posebno mogu polarizirati elektromagnetno zračenje koje prolazi kroz njih. Za opis raznim uslovima u fizici se koristi širi koncept termodinamičke faze. Pojave koje opisuju prelaze iz jedne faze u drugu nazivaju se kritične pojave.
Stanje agregacije supstance zavisi od fizičkih uslova u kojima se nalazi, uglavnom od temperature i pritiska. Odredjujuća veličina je omjer prosječne potencijalne energije interakcije molekula i njihove prosječne kinetičke energije. Tako je za čvrstu materiju ovaj odnos veći od 1, za gasove manji od 1, a za tečnosti približno jednak 1. Prelazak iz jednog agregacionog stanja supstance u drugo prati nagla promena u vrijednost ovog omjera, povezana s naglom promjenom međumolekulskih udaljenosti i međumolekularnih interakcija. U plinovima su međumolekulske udaljenosti velike, molekule jedva stupaju u interakciju jedni s drugima i kreću se gotovo slobodno, ispunjavajući cijeli volumen. U tečnostima i čvrstim materijama - kondenzovanim medijima - molekuli (atomi) se nalaze značajno bliži prijatelj jedni prema drugima i jačaju interakciju.
To dovodi do toga da tekućine i čvrste tvari zadržavaju svoj volumen. Međutim, priroda kretanja molekula u čvrstim materijama i tečnostima je različita, što objašnjava razliku u njihovoj strukturi i svojstvima.
U čvrstim materijama u kristalnom stanju, atomi vibriraju samo u blizini čvorova kristalne rešetke; karakterizirana je struktura ovih tijela visok stepen poredak - poredak dugog i kratkog dometa. Toplotno kretanje molekula (atoma) tečnosti je kombinacija malih vibracija oko ravnotežnih položaja i čestih skokova iz jednog ravnotežnog položaja u drugi. Potonji određuju postojanje u tečnostima samo kratkog reda u rasporedu čestica, kao i njihovu inherentnu pokretljivost i fluidnost.
A. Solid- stanje koje karakteriše sposobnost održavanja volumena i oblika. Atomi čvrste supstance podležu samo malim vibracijama oko ravnotežnog stanja. Postoji i dugoročni i kratkoročni poredak.
b. Tečnost- stanje materije u kojem ima nisku stišljivost, odnosno dobro zadržava svoj volumen, ali nije u stanju zadržati oblik. Tečnost lako poprima oblik posude u koju se nalazi. Atomi ili molekuli tečnosti vibriraju blizu ravnotežnog stanja, zaključani drugim atomima, i često skaču na druga slobodna mjesta. Prisutan je samo poredak kratkog dometa.
Topljenje- ovo je prelazak supstance iz čvrstog agregatnog stanja (vidi Agregatna stanja materije) u tečno. Ovaj proces se dešava kada se zagreje, kada se telu prenese određena količina toplote +Q. Na primjer, metalno olovo niske temperature prelazi iz čvrstog u tekuće stanje ako se zagrije na temperaturu od 327 C. Olovo se lako topi na plinskom štednjaku, na primjer, u žlici od nerđajućeg čelika (poznato je da temperatura plamena plinski gorionik- 600-850°C, a tačka topljenja čelika je 1300-1500°C).
Ako, dok topite olovo, izmjerite njegovu temperaturu, otkrit ćete da se ona u početku lagano povećava, ali nakon određenog trenutka ostaje konstantna, uprkos daljem zagrijavanju. Ovaj trenutak odgovara topljenju. Temperatura ostaje konstantna dok se svo olovo ne otopi, a tek onda ponovo počinje da raste. Kada se tečno olovo ohladi, uočava se suprotna slika: temperatura opada dok ne počne skrućivanje i ostaje konstantna sve vrijeme dok olovo ne pređe u čvrstu fazu, a zatim ponovo pada.
Sve čiste supstance se ponašaju na sličan način. Konstantnost temperature tokom topljenja ima veliku praktični značaj, budući da vam omogućava kalibraciju termometara, proizvodnju osigurača i indikatora koji se tope na strogo određenoj temperaturi.
Atomi u kristalu osciliraju oko svojih ravnotežnih položaja. Sa povećanjem temperature, amplituda vibracija se povećava i dostiže određenu kritičnu vrijednost, nakon čega se kristalna rešetka uništava. Ovo zahtijeva dodatne toplotnu energiju, tako da se tokom procesa topljenja temperatura ne povećava, iako toplota nastavlja da teče.
Tačka topljenja neke supstance zavisi od pritiska. Za supstance čija se zapremina povećava tokom topljenja (a njih je velika većina), povećanje pritiska povećava tačku topljenja i obrnuto. Kada se voda topi, njen volumen se smanjuje (dakle, kada se voda zamrzne, puca cijevi), a kada se pritisak poveća, led se topi na nižoj temperaturi. Bizmut, galijum i neke marke livenog gvožđa ponašaju se na sličan način.
V. Gas- stanje koje karakteriše dobra kompresibilnost, nedostatak sposobnosti zadržavanja volumena i oblika. Plin ima tendenciju da zauzme cjelokupni volumen koji mu se daje. Atomi ili molekuli plina ponašaju se relativno slobodno, udaljenosti između njih su mnogo veće od njihovih veličina.
Plazma, koja se često klasifikuje kao agregatno stanje materije, razlikuje se od gasa po visokom stepenu jonizacije atoma. Večina barionska materija (otprilike 99,9% mase) u Univerzumu je u stanju plazme.
grad C superkritični fluid- Javlja se kada temperatura i pritisak istovremeno porastu na kritična tačka, u kojem se gustina gasa upoređuje sa gustinom tečnosti; u ovom slučaju, granica između tekuće i plinovite faze nestaje. Superkritični fluid ima izuzetno veliku moć rastvaranja.
d. Bose-Einstein kondenzat- dobija se kao rezultat hlađenja Bose gasa na temperature blizu apsolutne nule. Kao rezultat toga, neki atomi se nađu u stanju sa striktno nultom energijom (to jest, u najnižem mogućem kvantnom stanju). Bose-Einstein kondenzat pokazuje niz kvantnih svojstava, kao što su superfluidnost i Fischbachova rezonanca.
e. Fermion kondenzat- predstavlja Bose kondenzaciju u BCS modu “atomskih Cooperovih parova” u gasovima koji se sastoje od atoma fermiona. (Za razliku od tradicionalnog režima Bose-Einstein kondenzacije složenih bozona).
Takvi fermionski atomski kondenzati su "rođaci" supravodnika, ali s kritičnom temperaturom reda sobne temperature i više.
Degenerisana materija - Fermi gas Faza 1 Gas degenerisan elektronom, primećen kod belih patuljaka, igra važnu ulogu u evoluciji zvezda. 2. faza, neutronsko stanje, materija prelazi u njega pod ultravisokim pritiskom, što se još ne može postići u laboratoriji, ali postoji unutar neutronskih zvijezda. Tokom prijelaza u neutronsko stanje, elektroni tvari stupaju u interakciju s protonima i pretvaraju se u neutrone. Kao rezultat toga, materija u neutronskom stanju sastoji se u potpunosti od neutrona i ima gustoću reda nuklearne. Temperatura tvari ne bi trebala biti previsoka (u energetskom ekvivalentu, ne više od sto MeV).
Sa snažnim porastom temperature (stotine MeV i više), razni mezoni počinju da se rađaju i anihiliraju u neutronskom stanju. Daljnjim povećanjem temperature dolazi do dekonfiniranja i tvar prelazi u stanje kvark-gluonske plazme. Više se ne sastoji od hadrona, već od stalnog rađanja i nestajanja kvarkova i gluona. Možda se dekonfinacija odvija u dvije faze.
Sa daljnjim neograničenim povećanjem tlaka bez povećanja temperature, tvar se urušava crna rupa.
Uz istovremeni porast i tlaka i temperature, kvarkovima i gluonima se dodaju druge čestice. Šta se dešava sa materijom, prostorom i vremenom na temperaturama bliskim Planckovim još uvek nije poznato.
Druge države
Tokom dubokog hlađenja, neke (ne sve) supstance prelaze u supravodljivo ili superfluidno stanje. Ova stanja su, naravno, odvojene termodinamičke faze, ali se teško mogu nazvati novim agregatnim stanjima materije zbog njihove neuniverzalnosti.
Heterogene supstance kao što su paste, gelovi, suspenzije, aerosoli, itd., koje pod određenim uslovima pokazuju svojstva i čvrstih i tečnih, pa čak i gasova, obično se klasifikuju kao dispergovani materijali, a ne u neka specifična agregatna stanja materije.
Uvod
1. Fizičko stanje supstance je gas
2. Fizičko stanje supstance je tečno
3.Stanje materije – čvrsto
4. Četvrto stanje materije je plazma
Zaključak
Spisak korišćene literature
Uvod
Kao što znate, mnoge tvari u prirodi mogu postojati u tri stanja: čvrstom, tekućem i plinovitom.
Interakcija između čestica supstance je najizraženija u čvrstom stanju. Udaljenost između molekula je približno jednaka njihovoj vlastitoj veličini. To dovodi do prilično jake interakcije, koja praktički onemogućava kretanje čestica: one osciliraju oko određenog ravnotežnog položaja. Zadržavaju oblik i volumen.
Svojstva tečnosti se takođe objašnjavaju njihovom strukturom. Čestice materije u tečnostima međusobno deluju manje intenzivno nego u čvrstim materijama, pa stoga mogu naglo promeniti svoju lokaciju - tečnosti ne zadržavaju svoj oblik - one su fluidne.
Gas je skup molekula koji se nasumično kreću u svim smjerovima neovisno jedan o drugom. Plinovi nemaju svoj oblik, zauzimaju cijeli volumen koji im se daje i lako se komprimiraju.
Postoji još jedno stanje materije - plazma.
Svrha ovog rada je da se sagledaju postojeća agregatna stanja materije, da se identifikuju sve njihove prednosti i nedostaci.
Da biste to učinili, potrebno je izvesti i razmotriti sljedeća agregatna stanja:
2. tečnosti
3.čvrste materije
3. Stanje materije – čvrsto
solidan, jedno od četiri stanja agregacije supstance, različito od ostalih agregatnih stanja (tečnosti, gasovi, plazma) stabilnost forme i karaktera termičko kretanje atomi koji vrše male vibracije oko ravnotežnih pozicija. Uz kristalno stanje grudnog koša, postoji i amorfno stanje, uključujući i staklasto stanje. Kristale karakterizira dalekosežni poredak u rasporedu atoma. U amorfnim tijelima ne postoji poredak na daljinu.
Stanje agregacije- ovo je stanje supstance u određenom opsegu temperatura i pritisaka, koje karakterišu svojstva: sposobnost (čvrsta materija) ili nesposobnost (tečnost, gas) da održi zapreminu i oblik; prisustvo ili odsustvo dugog dometa (čvrsto) ili kratkog dometa (tečno) i druga svojstva.
Supstanca može biti u tri agregatna stanja: čvrstom, tekućem ili plinovitom; trenutno se razlikuje dodatno plazma (jonsko) stanje.
IN gasoviti U ovom stanju, udaljenost između atoma i molekula supstance je velika, sile interakcije su male i čestice, koje se haotično kreću u prostoru, imaju veliku kinetičku energiju koja premašuje potencijalnu energiju. Materijal u gasovitom stanju nema ni svoj oblik ni zapreminu. Plin ispunjava sav raspoloživi prostor. Ovo stanje je tipično za supstance male gustine.
IN tečnost stanju, očuvan je samo poredak atoma ili molekula kratkog dometa, kada se u volumenu tvari periodično pojavljuju pojedina područja s uređenim rasporedom atoma, ali izostaje i međusobna orijentacija tih područja. Poredak kratkog dometa je nestabilan i pod uticajem toplotnih vibracija atoma može ili nestati ili se ponovo pojaviti. Molekuli tečnosti nemaju određeni položaj, a pritom nemaju potpunu slobodu kretanja. Materijal u tečnom stanju nema svoj oblik, on zadržava samo svoj volumen. Tečnost može da zauzme samo deo zapremine posude, ali slobodno teče po celoj površini posude. Tečno stanje se obično smatra srednjim između čvrste supstance i gasa.
IN teško U supstanciji, raspored atoma postaje striktno određen, prirodno uređen, sile interakcije između čestica su međusobno uravnotežene, pa tijela zadržavaju svoj oblik i volumen. Pravilno uređen raspored atoma u prostoru karakterizira kristalno stanje; atomi formiraju kristalnu rešetku.
Čvrste tvari imaju amorfnu ili kristalnu strukturu. Za amorfna tijela karakterizira samo poredak kratkog dometa u rasporedu atoma ili molekula, haotični raspored atoma, molekula ili jona u prostoru. Primjeri amorfnih tijela su staklo, smola, var, koja su spolja u čvrstom stanju, iako u stvari teku sporo, poput tečnosti. Amorfna tijela, za razliku od kristalnih, nemaju određenu tačku topljenja. Amorfne čvrste materije zauzimaju srednju poziciju između kristalnih čvrstih materija i tečnosti.
Većina čvrstih materija ima kristalno struktura koju karakteriše uredan raspored atoma ili molekula u prostoru. Kristalnu strukturu karakterizira dalekosežni poredak, kada se elementi strukture periodično ponavljaju; kod kratkog dometa nema tako ispravnog ponavljanja. Karakteristična karakteristika kristalno telo je sposobnost održavanja forme. Znak idealnog kristala, čiji je model prostorna rešetka, svojstvo je simetrije. Simetrija se odnosi na teorijsku sposobnost kristalna rešetka krutog tijela da se poravna sa samim sobom nakon zrcalne refleksije njegovih tačaka od određene ravni koja se naziva ravan simetrije. Simetrija spoljašnja forma odražava simetriju unutrašnja struktura kristal. Na primjer, svi metali imaju kristalnu strukturu i karakteriziraju ih dvije vrste simetrije: kubna i heksagonalna.
U amorfnim strukturama s neuređenom raspodjelom atoma svojstva tvari u različitim smjerovima su ista, odnosno staklaste (amorfne) tvari su izotropne.
Sve kristale karakteriše anizotropija. U kristalima su udaljenosti između atoma uređene, ali u različitim smjerovima stupanj uređenosti možda nije isti, što dovodi do razlika u svojstvima kristalne tvari u različitim smjerovima. Ovisnost svojstava kristalne tvari o smjeru u njenoj rešetki naziva se anizotropija svojstva. Anizotropija se manifestuje pri mjerenju i fizičkih i mehaničkih i drugih karakteristika. Postoje svojstva (gustina, toplinski kapacitet) koja ne zavise od smjera u kristalu. Većina karakteristika ovisi o izboru smjera.
Moguće je izmjeriti svojstva predmeta koji imaju određenu zapreminu materijala: veličine - od nekoliko milimetara do desetina centimetara. Ovi objekti sa strukturom identičnom kristalnoj ćeliji nazivaju se monokristali.
Anizotropija svojstava se manifestira u monokristalima i praktički je odsutna u polikristalnoj tvari, koja se sastoji od mnogo malih nasumično orijentiranih kristala. Stoga se polikristalne tvari nazivaju kvazi-izotropnim.
Kristalizacija polimera, čije se molekule mogu rasporediti na uredan način, formiranjem supramolekularnih struktura u obliku paketa, zavojnica (globula), fibrila itd., događa se u određenom temperaturnom rasponu. Složena struktura molekula i njihovih agregata određuje specifično ponašanje polimera pri zagrijavanju. Ne mogu da odu tečno stanje sa niskim viskozitetom, nemaju gasovitom stanju. U čvrstom obliku, polimeri mogu biti u staklastom, visokoelastičnom i viskoznom stanju. Polimeri sa linearnim ili razgranatim molekulima mogu prelaziti iz jednog stanja u drugo kada se temperatura promeni, što se manifestuje u procesu deformacije polimera. Na sl. Na slici 9 prikazana je ovisnost deformacije o temperaturi.
Rice. 9 Termomehanička kriva amorfnog polimera: t c , t T, t p - staklena tranzicija, fluidnost i temperatura početka hemijskog raspadanja; I - III - zone staklastog, visoko elastičnog i viskoznog stanja tečenja, respektivno; Δ l- deformacija.
Prostorna struktura rasporeda molekula određuje samo staklasto stanje polimera. At niske temperature svi polimeri su elastično deformisani (slika 9, zona I). Iznad temperature prelaska stakla t c amorfni polimer sa linearnom strukturom prelazi u visoko elastično stanje ( zona II), a njegova deformacija u staklastom i visokoelastičnom stanju je reverzibilna. Grejanje iznad tačke tečenja t t prenosi polimer u stanje viskoznog tečenja ( zona III). Deformacija polimera u stanju viskoznog tečenja je nepovratna. Amorfni polimer sa prostornom (mrežnom, umreženom) strukturom nema viskozno tečno stanje; temperaturno područje visoko elastičnog stanja širi se do temperature raspadanja polimera t R. Ovo ponašanje je tipično za materijale kao što je guma.
Temperatura tvari u bilo kojem stanju agregacije karakterizira prosječnu kinetičku energiju njenih čestica (atoma i molekula). Ove čestice u tijelima imaju uglavnom kinetičku energiju oscilatorna kretanja u odnosu na centar ravnoteže, gdje je energija minimalna. Kada se postigne određena kritična temperatura, čvrsti materijal gubi svoju čvrstoću (stabilnost) i topi se, a tekućina se pretvara u paru: ključa i isparava. Ove kritične temperature su tačke topljenja i ključanja.
Kada se kristalni materijal zagrije na određenoj temperaturi, molekuli se kreću toliko energično da se krute veze u polimeru raskidaju, a kristali se uništavaju - prelaze u tekuće stanje. Temperatura na kojoj su kristali i tečnost u ravnoteži naziva se tačka topljenja kristala ili tačka očvršćavanja tečnosti. Za jod je ova temperatura 114 o C.
Svaki hemijski element ima individualnu tačku topljenja t pl, razdvajajući postojanje čvrste i tečnosti, i tačku ključanja t kip, što odgovara prelasku tečnosti u gas. Na ovim temperaturama tvari su u termodinamičkoj ravnoteži. Promjena agregatnog stanja može biti praćena naglom promjenom slobodne energije, entropije, gustine i dr. fizičke veličine.
Da opišem različite države u fizika koristi širi koncept termodinamička faza. Pojave koje opisuju prelaze iz jedne faze u drugu nazivaju se kritičnim.
Kada se zagriju, tvari prolaze kroz fazne transformacije. Kada se bakar topi (1083 o C) pretvara se u tečnost u kojoj atomi imaju samo kratkoročni poredak. Pri pritisku od 1 atm, bakar ključa na 2310 o C i pretvara se u gasoviti bakar sa nasumično raspoređenim atomima bakra. Na tački topljenja, pritisci zasićene pare kristala i tečnosti su jednaki.
Materijal kao celina je sistem.
Sistem- grupa kombinovanih supstanci fizički, hemijske ili mehaničke interakcije. Faza naziva se homogenim dijelom sistema, odvojenim od ostalih dijelova fizičke granice interfejsa (u livenom gvožđu: grafit + zrna gvožđa; u vodi sa ledom: led + voda).Komponente sistemi su različite faze koje se formiraju ovaj sistem. Komponente sistema- to su supstance koje formiraju sve faze (komponente) datog sistema.
Materijali koji se sastoje od dvije ili više faza su raspršen sistemima Dispergovani sistemi se dele na solove, čije ponašanje podseća na ponašanje tečnosti, i gelove sa karakterističnim svojstvima čvrstih materija. U solovima je disperzioni medij u kojem je supstanca raspoređena tečna, u gelovima prevladava čvrsta faza. Gelovi su polukristalni metal, beton, rastvor želatine u vodi na niskim temperaturama (na visokim temperaturama želatin se pretvara u sol). Hidrosol je disperzija u vodi, a aerosol je disperzija u vazduhu.
Dijagrami statusa.
U termodinamičkom sistemu, svaku fazu karakterišu parametri kao što je temperatura T, koncentracija With i pritisak R. Za opis faznih transformacija koristi se jedna energetska karakteristika - Gibbsova slobodna energija ΔG(termodinamički potencijal).
Termodinamika u opisivanju transformacija je ograničena na razmatranje stanja ravnoteže. Stanje ravnoteže termodinamički sistem karakteriše nepromjenjivost termodinamičkih parametara (temperatura i koncentracija, jer u tehnološkim tretmanima R= const) u vremenu i odsustvu tokova energije i materije u njemu – uz konstantne spoljašnje uslove. Fazna ravnoteža- stanje ravnoteže termodinamičkog sistema koji se sastoji od dva ili više faze
Da bi se matematički opisali uslovi ravnoteže sistema, postoji fazno pravilo, izveden od Gibbsa. On povezuje broj faza (F) i komponenti (K) u ravnotežnom sistemu sa promjenljivošću sistema, odnosno brojem termodinamičkih stupnjeva slobode (C).
Broj termodinamičkih stupnjeva slobode (varijanse) sistema je broj nezavisnih varijabli kao internih ( hemijski sastav faze) i eksterne (temperature), kojima se mogu dati različite proizvoljne (u određenom rasponu) vrijednosti kako se nove faze ne bi pojavljivale, a stare faze ne bi nestajale.
jednadžba Gibbsovog faznog pravila:
C = K - F + 1.
U skladu sa ovim pravilom, u sistemu od dve komponente (K = 2) mogući su sledeći stepeni slobode:
Za jednofazno stanje (F = 1) C = 2, tj. možete promijeniti temperaturu i koncentraciju;
Za dvofazno stanje (F = 2) C = 1, tj. može se promijeniti samo jedno eksterni parametar(na primjer, temperatura);
Za trofazno stanje, broj stupnjeva slobode je nula, odnosno temperatura se ne može mijenjati bez narušavanja ravnoteže u sistemu (sistem je invarijantan).
Na primjer, za čisti metal (K = 1) tokom kristalizacije, kada postoje dvije faze (F = 2), broj stupnjeva slobode je nula. To znači da se temperatura kristalizacije ne može mijenjati dok se proces ne završi i ne ostane jedna faza – čvrsti kristal. Nakon završetka kristalizacije (F = 1), broj stepeni slobode je 1, tako da možete menjati temperaturu, tj. solidan bez narušavanja ravnoteže.
Ponašanje sistema ovisno o temperaturi i koncentraciji opisano je faznim dijagramom. Fazni dijagram vode je sistem sa jednom komponentom H 2 O, dakle najveći broj faze koje mogu istovremeno biti u ravnoteži je jednako tri (slika 10). Ove tri faze su tečnost, led, para. Broj stepeni slobode u ovom slučaju je nula, tj. Ni tlak ni temperatura se ne mogu mijenjati a da nijedna faza ne nestane. Redovni led tečna voda a vodena para mogu istovremeno postojati u ravnoteži samo pri pritisku od 0,61 kPa i temperaturi od 0,0075 °C. Tačka u kojoj koegzistiraju tri faze naziva se trostruka tačka ( O).
Curve OS razdvaja parni i tekući dio i predstavlja ovisnost tlaka zasićene vodene pare o temperaturi. OS kriva pokazuje one međusobno povezane vrijednosti temperature i tlaka pri kojima su tekuća voda i vodena para u ravnoteži jedna s drugom, stoga se naziva krivulja ravnoteže tekućina-para ili krivulja ključanja.
Slika 10 Dijagram stanja vode
Curve OB odvaja područje tečnosti od regiona leda. To je kriva ravnoteže čvrstog i tekućeg stanja i naziva se krivulja topljenja. Ova kriva pokazuje one međusobno povezane parove vrijednosti temperature i pritiska na kojima su led i tečna voda u ravnoteži.
Curve O.A. naziva se krivulja sublimacije i prikazuje međusobno povezane parove vrijednosti tlaka i temperature pri kojima su led i vodena para u ravnoteži.
Fazni dijagram je vizuelni način predstavljanja regiona postojanja različitih faza u zavisnosti od spoljašnjih uslova, kao što su pritisak i temperatura. Dijagrami stanja se aktivno koriste u nauci o materijalima u različitim tehnološkim fazama proizvodnje proizvoda.
Tečnost se od čvrstog kristalnog tela razlikuje po niskom viskozitetu (unutrašnje trenje molekula) i visoke vrijednosti fluidnost (recipročna vrednost viskoziteta). Tečnost se sastoji od mnogih agregata molekula, unutar kojih su čestice raspoređene u određenom redosledu, sličnom redosledu u kristalima. Priroda strukturne jedinice a međučestična interakcija određuje svojstva tečnosti. Postoje tečnosti: jednoatomne (ukapljeni plemeniti gasovi), molekularne (voda), jonske (otopljene soli), metalne (otopljeni metali), tečni poluprovodnici. U većini slučajeva tečnost nije samo agregatno stanje, već i termodinamička (tečna) faza.
Tečne supstance su najčešće rastvori. Rješenje homogena, ali ne i hemijski čista supstanca, sastoji se od rastvorene supstance i rastvarača (primeri rastvarača su voda ili organski rastvarači: dihloretan, alkohol, ugljen-tetrahlorid itd.), dakle mešavina supstanci. Primjer je otopina alkohola u vodi. Međutim, otopine su također mješavine plinovitih (na primjer, zrak) ili čvrstih (legura metala) tvari.
Kada se ohladi u uslovima niske brzine formiranja centara kristalizacije i snažnog povećanja viskoznosti, može doći do staklastog stanja. Staklo je izotropno tvrdih materijala, dobiven superhlađenjem rastopljenih neorganskih i organskih spojeva.
Postoje mnoge poznate supstance čiji se prelazak iz kristalnog stanja u izotropnu tečnost odvija kroz srednje tečno kristalno stanje. Tipičan je za supstance čije molekule imaju oblik dugih štapića (šipova) asimetrične strukture. Takvi fazni prijelazi, praćeni toplinskim efektima, uzrokuju nagle promjene mehaničkih, optičkih, dielektričnih i drugih svojstava.
Tečni kristali, poput tečnosti, mogu imati oblik izdužene kapi ili oblik posude, imaju visoku fluidnost i mogu se spajati. Široko se koriste u raznim oblastima nauke i tehnologije. Njihova optička svojstva u velikoj mjeri zavise od malih promjena u vanjskim uvjetima. Ova karakteristika se koristi u elektro-optičkim uređajima. Konkretno, tekući kristali se koriste u proizvodnji elektroničkih uređaja ručni sat, vizuelna oprema itd.
Glavna stanja agregacije uključuju plazma- delimično ili potpuno jonizovani gas. Prema načinu formiranja razlikuju se dvije vrste plazme: termička, koja nastaje kada se plin zagrije do visoke temperature, i gasoviti, nastali tokom električnih pražnjenja u gasovitom okruženju.
Plazma-hemijski procesi zauzeli su snažno mesto u brojnim granama tehnologije. Koriste se za rezanje i zavarivanje vatrostalnih metala, sintezu raznih supstanci, široko se koriste plazma izvori svjetlosti, upotreba plazme u termonuklearnim elektrane itd.