สถานะรวมของสารเคมี สถานะรวมของสาร การเปลี่ยนแปลงสถานะรวมของสสาร

สถานะของการรวมตัว- นี่คือสถานะของสารในช่วงอุณหภูมิและความดันที่กำหนดโดยมีคุณสมบัติ: ความสามารถ (ของแข็ง) หรือความสามารถ (ของเหลว, ก๊าซ) ในการรักษาปริมาตรและรูปร่าง การมีอยู่หรือไม่มีลำดับระยะยาว (ของแข็ง) หรือระยะสั้น (ของเหลว) และคุณสมบัติอื่น ๆ

สารสามารถอยู่ในสถานะการรวมตัวได้สามสถานะ: ของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ ในปัจจุบัน สถานะพลาสมา (ไอออนิก) เพิ่มเติมมีความโดดเด่น

ใน ก๊าซในสถานะนี้ ระยะห่างระหว่างอะตอมและโมเลกุลของสสารมีขนาดใหญ่ แรงปฏิกิริยามีขนาดเล็ก และอนุภาคซึ่งเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายในอวกาศ มีพลังงานจลน์ขนาดใหญ่ซึ่งเกินพลังงานศักย์ วัสดุที่อยู่ในสถานะก๊าซไม่มีรูปร่างหรือปริมาตรเป็นของตัวเอง แก๊สเติมพื้นที่ว่างทั้งหมด สถานะนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับสารที่มีความหนาแน่นต่ำ

ใน ของเหลวสถานะจะคงไว้เฉพาะลำดับอะตอมหรือโมเลกุลระยะสั้นเท่านั้นเมื่อแต่ละพื้นที่ที่มีการจัดเรียงอะตอมตามลำดับปรากฏเป็นระยะ ๆ ในปริมาตรของสาร แต่ไม่มีการวางแนวร่วมกันของพื้นที่เหล่านี้เช่นกัน ลำดับระยะสั้นไม่เสถียรและภายใต้อิทธิพลของการสั่นสะเทือนเนื่องจากความร้อนของอะตอม ลำดับนั้นสามารถหายไปหรือปรากฏขึ้นอีกครั้งได้ โมเลกุลของเหลวไม่มีตำแหน่งเฉพาะและในขณะเดียวกันก็ไม่มีอิสระในการเคลื่อนไหวอย่างสมบูรณ์ วัสดุในสถานะของเหลวไม่มีรูปร่างเป็นของตัวเอง แต่จะคงไว้เพียงปริมาตรเท่านั้น ของเหลวสามารถครอบครองปริมาตรของถังได้เพียงบางส่วน แต่ไหลอย่างอิสระไปทั่วพื้นผิวของถัง สถานะของเหลวมักจะถือว่าอยู่ตรงกลางระหว่างของแข็งและก๊าซ

ใน แข็งในสาร การจัดเรียงอะตอมถูกกำหนดอย่างเคร่งครัดและเป็นระเบียบตามธรรมชาติ แรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคมีความสมดุลร่วมกัน ดังนั้นวัตถุจึงคงรูปร่างและปริมาตรไว้ การจัดเรียงอะตอมในอวกาศที่ได้รับคำสั่งอย่างสม่ำเสมอจะกำหนดลักษณะของสถานะผลึก อะตอมจะก่อตัวเป็นโครงตาข่ายคริสตัล

ของแข็งมีโครงสร้างอสัณฐานหรือผลึก สำหรับ สัณฐานร่างกายมีลักษณะเฉพาะด้วยลำดับระยะสั้นในการจัดเรียงอะตอมหรือโมเลกุล การจัดเรียงอะตอม โมเลกุลหรือไอออนในอวกาศอย่างวุ่นวาย ตัวอย่างของวัตถุอสัณฐาน ได้แก่ แก้ว พิทช์ วาร์ ซึ่งภายนอกอยู่ในสถานะของแข็ง แม้ว่าในความเป็นจริงแล้วพวกมันจะไหลช้าๆ เหมือนของเหลวก็ตาม วัตถุอสัณฐานต่างจากวัตถุที่เป็นผลึกตรงที่ไม่มีจุดหลอมเหลวจำเพาะ ของแข็งอสัณฐานมีตำแหน่งตรงกลางระหว่างของแข็งที่เป็นผลึกและของเหลว

ของแข็งส่วนใหญ่มี ผลึกโครงสร้างที่โดดเด่นด้วยการจัดเรียงอะตอมหรือโมเลกุลในอวกาศอย่างเป็นระเบียบ โครงสร้างผลึกมีลักษณะเป็นลำดับระยะยาว เมื่อองค์ประกอบของโครงสร้างถูกทำซ้ำเป็นระยะ ด้วยลำดับระยะสั้น จะไม่มีการทำซ้ำที่ถูกต้องเช่นนั้น คุณลักษณะเฉพาะร่างกายผลึกคือความสามารถในการรักษารูปร่าง สัญลักษณ์ของคริสตัลในอุดมคติ ซึ่งเป็นแบบจำลองเชิงพื้นที่ ถือเป็นคุณสมบัติของความสมมาตร สมมาตรหมายถึงความสามารถทางทฤษฎี ตาข่ายคริสตัล แข็งสอดคล้องกับตัวมันเองเมื่อสะท้อนกระจกของจุดต่างๆ จากระนาบหนึ่งเรียกว่าระนาบสมมาตร ความสมมาตรของรูปร่างภายนอกสะท้อนถึงความสมมาตรของโครงสร้างภายในของคริสตัล ตัวอย่างเช่น โลหะทุกชนิดมีโครงสร้างผลึกและมีลักษณะสมมาตรสองประเภท: ลูกบาศก์และหกเหลี่ยม

ในโครงสร้างอสัณฐานที่มีการกระจายตัวของอะตอมไม่เป็นระเบียบคุณสมบัติของสารใน ทิศทางที่แตกต่างกันเหมือนกันนั่นคือสารที่เป็นแก้ว (อสัณฐาน) นั้นมีไอโซโทรปิก

ผลึกทั้งหมดมีลักษณะเฉพาะโดยแอนไอโซโทรปี ในผลึก ระยะห่างระหว่างอะตอมจะถูกเรียงลำดับ แต่ในทิศทางที่ต่างกัน ระดับของการเรียงลำดับอาจไม่เท่ากัน ซึ่งนำไปสู่ความแตกต่างในคุณสมบัติของสารผลึกในทิศทางที่ต่างกัน การพึ่งพาคุณสมบัติของสารคริสตัลกับทิศทางในโครงตาข่ายนั้นเรียกว่า แอนไอโซโทรปีคุณสมบัติ. Anisotropy แสดงออกเมื่อทำการวัดทั้งลักษณะทางกายภาพและทางกลและลักษณะอื่นๆ มีคุณสมบัติ (ความหนาแน่น ความจุความร้อน) ที่ไม่ขึ้นอยู่กับทิศทางในผลึก ลักษณะส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการเลือกทิศทาง

เป็นไปได้ที่จะวัดคุณสมบัติของวัตถุที่มีปริมาตรวัสดุที่แน่นอน: ขนาด - ตั้งแต่หลายมิลลิเมตรถึงสิบเซนติเมตร วัตถุที่มีโครงสร้างเหมือนกับเซลล์คริสตัลเหล่านี้เรียกว่าผลึกเดี่ยว

คุณสมบัติแอนไอโซโทรปีจะแสดงออกมาในผลึกเดี่ยว และแทบไม่มีเลยในสารโพลีคริสตัลไลน์ ซึ่งประกอบด้วยผลึกขนาดเล็กจำนวนมากที่เรียงตัวแบบสุ่ม ดังนั้นสารโพลีคริสตัลลีนจึงเรียกว่ากึ่งไอโซโทรปิก

การตกผลึกของโพลีเมอร์ซึ่งสามารถจัดเรียงโมเลกุลได้ในลักษณะที่เป็นระเบียบโดยการก่อตัวของโครงสร้างซูปราโมเลกุลในรูปแบบของแพ็ค, คอยล์ (ทรงกลม), ไฟบริล ฯลฯ เกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิที่แน่นอน โครงสร้างที่ซับซ้อนของโมเลกุลและมวลรวมของพวกมันจะกำหนดพฤติกรรมเฉพาะของโพลีเมอร์เมื่อถูกความร้อน ไม่สามารถเข้าสู่สถานะของเหลวที่มีความหนืดต่ำและไม่มีสถานะเป็นก๊าซได้ ในรูปแบบของแข็ง โพลีเมอร์สามารถอยู่ในสถานะคล้ายแก้ว ยืดหยุ่นสูง และมีความหนืด โพลีเมอร์ที่มีโมเลกุลเชิงเส้นหรือแตกแขนงสามารถเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งได้เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ซึ่งแสดงออกมาในกระบวนการเปลี่ยนรูปของโพลีเมอร์ ในรูป รูปที่ 9 แสดงการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

ข้าว. 9 เส้นโค้งทางความร้อนเชิงกลของโพลีเมอร์อสัณฐาน: ทีค , ทีที, ที p - การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว, การไหลและการเริ่มต้นของอุณหภูมิการสลายตัวทางเคมีตามลำดับ I - III - โซนของสถานะคล้ายแก้วยืดหยุ่นสูงและมีความหนืดตามลำดับ Δ ล- การเสียรูป

โครงสร้างเชิงพื้นที่ของการจัดเรียงโมเลกุลจะกำหนดเฉพาะสถานะคล้ายแก้วของโพลีเมอร์เท่านั้น ที่ อุณหภูมิต่ำโพลีเมอร์ทั้งหมดมีรูปร่างผิดปกติแบบยืดหยุ่น (รูปที่ 9 โซน I). เหนืออุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว ที c โพลีเมอร์อสัณฐานที่มีโครงสร้างเชิงเส้นเปลี่ยนเป็นสถานะยืดหยุ่นสูง ( โซนที่สอง) และการเสียรูปในสภาวะที่เป็นแก้วและยืดหยุ่นสูงสามารถย้อนกลับได้ การให้ความร้อนเหนือจุดเท ทีเสื้อ ถ่ายโอนโพลีเมอร์ไปสู่สถานะการไหลแบบหนืด ( โซนที่สาม). การเสียรูปของโพลีเมอร์ในสถานะการไหลแบบหนืดนั้นไม่สามารถกลับคืนสภาพเดิมได้ พอลิเมอร์อสัณฐานที่มีโครงสร้างเชิงพื้นที่ (เครือข่าย เชื่อมโยงข้าม) ไม่มีสถานะการไหลแบบหนืด บริเวณอุณหภูมิของสถานะที่มีความยืดหยุ่นสูงจะขยายไปจนถึงอุณหภูมิของการสลายตัวของพอลิเมอร์ ทีร. ลักษณะการทำงานนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับวัสดุ เช่น ยาง

อุณหภูมิของสารในสถานะการรวมตัวใดๆ จะเป็นตัวกำหนดลักษณะพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาค (อะตอมและโมเลกุล) อนุภาคเหล่านี้ในร่างกายมีพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่แบบสั่นสะเทือนเป็นหลักโดยสัมพันธ์กับศูนย์กลางของสมดุลซึ่งมีพลังงานน้อยที่สุด เมื่อถึงอุณหภูมิวิกฤติ วัสดุที่เป็นของแข็งจะสูญเสียความแข็งแรง (ความเสถียร) และละลาย และของเหลวจะกลายเป็นไอน้ำ: มันเดือดและระเหยไป เหล่านี้ อุณหภูมิวิกฤติคือจุดหลอมเหลวและจุดเดือด

เมื่อวัสดุที่เป็นผลึกได้รับความร้อนที่อุณหภูมิที่กำหนด โมเลกุลจะเคลื่อนที่อย่างมีพลังจนพันธะแข็งในโพลีเมอร์ถูกทำลายและคริสตัลจะถูกทำลาย - พวกมันจะกลายเป็นสถานะของเหลว อุณหภูมิที่ผลึกและของเหลวอยู่ในสมดุลเรียกว่าจุดหลอมเหลวของคริสตัล หรือจุดแข็งตัวของของเหลว สำหรับไอโอดีน อุณหภูมินี้คือ 114 o C

ทั้งหมด องค์ประกอบทางเคมีมีจุดหลอมเหลวของแต่ละบุคคล ทีกรุณาแยกการมีอยู่ของของแข็งและของเหลวและจุดเดือด ทีกีบ ซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนของเหลวเป็นก๊าซ ที่อุณหภูมิเหล่านี้ สารจะอยู่ในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ การเปลี่ยนแปลงสถานะของการรวมกลุ่มอาจมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของพลังงานอิสระ เอนโทรปี ความหนาแน่น และอื่นๆ ปริมาณทางกายภาพ

สำหรับคำอธิบาย เงื่อนไขต่างๆวี ฟิสิกส์ใช้แนวคิดที่กว้างขึ้นเฟสอุณหพลศาสตร์ ปรากฏการณ์ที่อธิบายการเปลี่ยนแปลงจากระยะหนึ่งไปอีกระยะหนึ่งเรียกว่าวิกฤต

เมื่อถูกความร้อน สารจะเกิดการเปลี่ยนสถานะ เมื่อทองแดงละลาย (1,083 o C) จะกลายเป็นของเหลว โดยอะตอมจะมีลำดับระยะสั้นเท่านั้น ที่ความดัน 1 atm ทองแดงจะเดือดที่ 2310 o C และกลายเป็นทองแดงที่เป็นก๊าซโดยมีอะตอมของทองแดงจัดเรียงแบบสุ่ม ที่จุดหลอมเหลว ความดันไออิ่มตัวของคริสตัลและของเหลวจะเท่ากัน

วัสดุโดยรวมเป็นระบบ

ระบบ- กลุ่มของสารที่รวมกัน ทางกายภาพ,ปฏิกิริยาทางเคมีหรือทางกล เฟสเรียกว่าส่วนที่เป็นเนื้อเดียวกันของระบบแยกออกจากส่วนอื่น ขอบเขตการเชื่อมต่อทางกายภาพ (ในเหล็กหล่อ: กราไฟท์ + เม็ดเหล็ก; ในน้ำที่มีน้ำแข็ง: น้ำแข็ง + น้ำ)ส่วนประกอบระบบต่างๆ เป็นระยะต่างๆ ที่เกิดขึ้น ระบบนี้. ส่วนประกอบของระบบ- สิ่งเหล่านี้คือสารที่ก่อตัวเป็นขั้นตอน (ส่วนประกอบ) ทั้งหมดของระบบที่กำหนด

วัสดุที่ประกอบด้วยสองเฟสขึ้นไปได้แก่ แยกย้ายกันไประบบ ระบบกระจายตัวแบ่งออกเป็นโซลซึ่งมีพฤติกรรมคล้ายกับพฤติกรรมของของเหลวและเจลด้วย คุณสมบัติลักษณะของแข็ง ในโซล ตัวกลางการกระจายตัวที่สารถูกกระจายออกไปจะเป็นของเหลว ส่วนในเจล เฟสของแข็งจะมีอิทธิพลเหนือกว่า เจลเป็นโลหะกึ่งผลึก คอนกรีต เป็นสารละลายของเจลาตินในน้ำที่อุณหภูมิต่ำ (ที่อุณหภูมิสูงเจลาตินจะกลายเป็นโซล) ไฮโดรซอลคือการกระจายตัวของน้ำ ส่วนละอองลอยคือการกระจายตัวในอากาศ

แผนภาพสถานะ

ในระบบเทอร์โมไดนามิกส์ แต่ละเฟสจะมีคุณลักษณะเฉพาะด้วยพารามิเตอร์ เช่น อุณหภูมิ ต, ความเข้มข้น กับและแรงกดดัน ร. เพื่ออธิบายการเปลี่ยนแปลงเฟส จะใช้คุณลักษณะพลังงานเดียว - พลังงานอิสระกิ๊บส์ ∆G(ศักยภาพทางอุณหพลศาสตร์)

อุณหพลศาสตร์ในการอธิบายการเปลี่ยนแปลงนั้นจำกัดอยู่ที่การพิจารณาสถานะสมดุลเท่านั้น สภาวะสมดุลระบบอุณหพลศาสตร์มีลักษณะเฉพาะด้วยความไม่แปรเปลี่ยนของพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ (อุณหภูมิและความเข้มข้นเนื่องจากในการบำบัดทางเทคโนโลยี ร= const) ในเวลาและไม่มีการไหลของพลังงานและสสารในนั้น - ด้วยความคงที่ สภาพภายนอก. ความสมดุลของเฟส- สถานะสมดุลของระบบอุณหพลศาสตร์ประกอบด้วยสองหรือ มากกว่าเฟส

ในการอธิบายสภาวะสมดุลของระบบทางคณิตศาสตร์มีอยู่ว่า กฎเฟสที่ได้มาจากกิ๊บส์ โดยเชื่อมโยงจำนวนเฟส (F) และส่วนประกอบ (K) ในระบบสมดุลเข้ากับความแปรปรวนของระบบ เช่น จำนวนดีกรีอิสระทางอุณหพลศาสตร์ (C)

จำนวนดีกรีอิสระทางอุณหพลศาสตร์ (ความแปรปรวน) ของระบบคือจำนวนตัวแปรอิสระที่เป็นค่าภายใน ( องค์ประกอบทางเคมีเฟส) และภายนอก (อุณหภูมิ) ซึ่งสามารถให้ค่าต่างๆ ตามใจชอบ (ในช่วงที่กำหนด) เพื่อไม่ให้เฟสใหม่และเฟสเก่าหายไป

สมการกฎเฟสกิ๊บส์:

ค = เค - เอฟ + 1

ตามกฎนี้ ในระบบที่มีสององค์ประกอบ (K = 2) ระดับความเป็นอิสระต่อไปนี้เป็นไปได้:

สำหรับสถานะเฟสเดียว (F = 1) C = 2 เช่น คุณสามารถเปลี่ยนอุณหภูมิและความเข้มข้นได้

สำหรับสถานะสองเฟส (F = 2) C = 1 เช่น สามารถเปลี่ยนพารามิเตอร์ภายนอกได้เพียงพารามิเตอร์เดียว (เช่น อุณหภูมิ)

สำหรับสถานะสามเฟส จำนวนองศาอิสระจะเป็นศูนย์ กล่าวคือ อุณหภูมิไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยไม่รบกวนความสมดุลในระบบ (ระบบไม่แปรเปลี่ยน)

ตัวอย่างเช่น สำหรับโลหะบริสุทธิ์ (K = 1) ในระหว่างการตกผลึก เมื่อมีสองเฟส (F = 2) จำนวนระดับความเป็นอิสระจะเป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าอุณหภูมิในการตกผลึกไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้จนกว่ากระบวนการจะเสร็จสมบูรณ์และคงเหลือเฟสเดียว นั่นคือ ผลึกแข็ง หลังจากสิ้นสุดการตกผลึก (Ф = 1) จำนวนองศาอิสระคือ 1 ดังนั้นคุณจึงสามารถเปลี่ยนอุณหภูมิได้ กล่าวคือ ทำให้ของแข็งเย็นลงโดยไม่รบกวนสมดุล

พฤติกรรมของระบบที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความเข้มข้นอธิบายไว้ในแผนภาพเฟส แผนภาพเฟสของน้ำจึงเป็นระบบที่มีองค์ประกอบเดียว H 2 O ดังนั้น จำนวนมากที่สุดระยะที่สามารถอยู่ในสมดุลพร้อมกันได้จะเท่ากับสาม (รูปที่ 10) ทั้งสามขั้นตอนนี้ได้แก่ ของเหลว น้ำแข็ง และไอน้ำ จำนวนระดับความเป็นอิสระในกรณีนี้คือศูนย์เช่น ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิได้โดยไม่มีเฟสใดหายไป น้ำแข็ง น้ำของเหลว และไอน้ำธรรมดาสามารถดำรงอยู่ในสมดุลพร้อมกันได้ที่ความดัน 0.61 kPa และอุณหภูมิ 0.0075 ° C เท่านั้น จุดที่สามเฟสอยู่ร่วมกันเรียกว่าจุดสาม ( โอ).

เส้นโค้ง ระบบปฏิบัติการแยกบริเวณไอและของเหลว และแสดงถึงการพึ่งพาแรงดันไอน้ำอิ่มตัวกับอุณหภูมิ กราฟ OS แสดงค่าความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและความดัน โดยที่น้ำและไอน้ำของเหลวอยู่ในภาวะสมดุลซึ่งกันและกัน ดังนั้นจึงเรียกว่ากราฟสมดุลไอของเหลวหรือกราฟจุดเดือด

รูปที่ 10 แผนภาพสถานะน้ำ

เส้นโค้ง อ.บแยกบริเวณของเหลวออกจากบริเวณน้ำแข็ง เป็นเส้นโค้งสมดุลระหว่างของแข็งและของเหลว และเรียกว่าเส้นโค้งการหลอมเหลว เส้นโค้งนี้แสดงคู่อุณหภูมิและความดันที่สัมพันธ์กันซึ่งน้ำน้ำแข็งและของเหลวอยู่ในสมดุล

เส้นโค้ง โอเอเรียกว่าเส้นโค้งการระเหิดและแสดงคู่ของค่าความดันและอุณหภูมิที่สัมพันธ์กันซึ่งน้ำแข็งและไอน้ำอยู่ในสมดุล

แผนภาพเฟสเป็นการแสดงภาพบริเวณของการดำรงอยู่ของเฟสต่างๆ โดยขึ้นอยู่กับสภาวะภายนอก เช่น ความดันและอุณหภูมิ เฟสไดอะแกรมถูกนำมาใช้อย่างแข็งขันในวัสดุศาสตร์ที่ต่างๆ ขั้นตอนทางเทคโนโลยีรับสินค้า.

ของเหลวแตกต่างจากวัตถุที่เป็นผลึกแข็งตรงที่มีความหนืดต่ำ (แรงเสียดทานภายในของโมเลกุล) และ ค่าสูงความลื่นไหล (ส่วนกลับของความหนืด) ของเหลวประกอบด้วยโมเลกุลจำนวนมากที่รวมตัวกัน ซึ่งภายในอนุภาคจะถูกจัดเรียงตามลำดับที่แน่นอน คล้ายกับลำดับในผลึก ธรรมชาติของหน่วยโครงสร้างและปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคจะกำหนดคุณสมบัติของของเหลว มีของเหลว: monoatomic (ก๊าซมีตระกูลเหลว), โมเลกุล (น้ำ), ไอออนิก (เกลือหลอมเหลว), โลหะ (โลหะหลอมเหลว), เซมิคอนดักเตอร์ของเหลว ในกรณีส่วนใหญ่ ของเหลวไม่ได้เป็นเพียงสถานะของการรวมตัวเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเฟสทางอุณหพลศาสตร์ (ของเหลว) ด้วย

สารที่เป็นของเหลวมักเป็นสารละลาย สารละลายเป็นเนื้อเดียวกัน แต่ไม่ใช่สารบริสุทธิ์ทางเคมี ประกอบด้วยสารละลายและตัวทำละลาย (ตัวอย่างตัวทำละลาย ได้แก่ น้ำหรือตัวทำละลายอินทรีย์: ไดคลอโรอีเทน แอลกอฮอล์ คาร์บอนเตตราคลอไรด์ เป็นต้น) จึงเป็นส่วนผสมของสาร ตัวอย่างคือสารละลายแอลกอฮอล์ในน้ำ อย่างไรก็ตาม สารละลายยังเป็นส่วนผสมของสารที่เป็นก๊าซ (เช่น อากาศ) หรือของแข็ง (โลหะผสม) อีกด้วย

เมื่อถูกทำให้เย็นลงภายใต้สภาวะที่มีอัตราการเกิดศูนย์กลางการตกผลึกในอัตราต่ำและมีความหนืดเพิ่มขึ้นอย่างมาก อาจเกิดสถานะเป็นแก้วได้ แก้วเป็นวัสดุแข็งไอโซโทรปิกที่ได้จากการระบายความร้อนด้วยสารประกอบอนินทรีย์และอินทรีย์ที่หลอมละลายด้วยความเย็นยิ่งยวด

มีสารที่ทราบมากมายซึ่งการเปลี่ยนจากสถานะผลึกไปเป็นของเหลวไอโซโทรปิกเกิดขึ้นผ่านสถานะผลึกเหลวระดับกลาง เป็นเรื่องปกติสำหรับสารที่โมเลกุลมีรูปร่างเป็นแท่งยาว (แท่ง) ที่มีโครงสร้างไม่สมมาตร การเปลี่ยนเฟสดังกล่าวมาพร้อมกับผลกระทบจากความร้อน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันในคุณสมบัติทางกล ทางแสง อิเล็กทริก และคุณสมบัติอื่นๆ

ผลึกเหลวเช่นเดียวกับของเหลว อาจมีรูปหยดยาวๆ หรือเป็นรูปร่างของภาชนะ มีความลื่นไหลสูง และสามารถรวมตัวกันได้ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีต่างๆ คุณสมบัติทางแสงขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในสภาวะภายนอกเป็นอย่างมาก คุณลักษณะนี้ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าออปติคอล โดยเฉพาะผลึกเหลวถูกนำมาใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ นาฬิกาข้อมือ, อุปกรณ์การมองเห็น ฯลฯ

สถานะหลักของการรวมกลุ่ม ได้แก่ พลาสมา- ก๊าซไอออไนซ์บางส่วนหรือทั้งหมด ตามวิธีการก่อตัว พลาสมาสองประเภทมีความโดดเด่น: ความร้อน ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อแก๊สถูกให้ความร้อน อุณหภูมิสูงและก๊าซที่เกิดขึ้นระหว่างการปล่อยกระแสไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมที่เป็นก๊าซ

กระบวนการพลาสมาเคมีมีจุดแข็งในเทคโนโลยีหลายสาขา ใช้สำหรับการตัดและเชื่อมโลหะทนไฟ, การสังเคราะห์สารต่างๆ, แหล่งกำเนิดแสงพลาสมาถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย, การใช้พลาสมาในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แสนสาหัสมีแนวโน้มที่ดี ฯลฯ

วัตถุประสงค์ของบทเรียน:

• เจาะลึกและสรุปความรู้เกี่ยวกับสถานะรวมของสสาร ศึกษาว่าสสารสามารถดำรงอยู่ในสถานะใดได้บ้าง

วัตถุประสงค์ของบทเรียน:

ทางการศึกษา – กำหนดแนวคิดเกี่ยวกับคุณสมบัติของของแข็ง ก๊าซ ของเหลว

พัฒนาการ – การพัฒนาทักษะการพูด การวิเคราะห์ การสรุปเนื้อหาที่ครอบคลุมและการศึกษาของนักเรียน

การศึกษา - ปลูกฝังการทำงานทางจิตสร้างเงื่อนไขทั้งหมดเพื่อเพิ่มความสนใจในวิชาที่เรียน

คำสำคัญ:

สถานะของการรวมตัว- นี่คือสถานะของสสารที่มีคุณสมบัติเชิงคุณภาพบางประการ: - ความสามารถหรือไม่สามารถรักษารูปร่างและปริมาตรได้ - การมีหรือไม่มีคำสั่งซื้อระยะสั้นและระยะยาว - โดยคนอื่น.

รูปที่ 6. สถานะรวมของสารเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

เมื่อสารผ่านจากสถานะของแข็งไปเป็นสถานะของเหลว เรียกว่าการหลอม ส่วนกระบวนการย้อนกลับเรียกว่าการตกผลึก เมื่อสารผ่านจากของเหลวไปเป็นแก๊ส กระบวนการนี้เรียกว่าการกลายเป็นไอ และกลายเป็นของเหลวจากการควบแน่นของแก๊ส และการเปลี่ยนจากของแข็งเป็นแก๊สโดยตรง โดยผ่านของเหลว เป็นการระเหิด กระบวนการย้อนกลับคือการดีระเหิด

1.ตกผลึก; 2. ละลาย; 3. การควบแน่น; 4. การกลายเป็นไอ;

5. การระเหิด; 6. การระเหิด

เราเห็นตัวอย่างการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อยู่ตลอดเวลา ชีวิตประจำวัน. เมื่อน้ำแข็งละลาย มันจะกลายเป็นน้ำ และน้ำจะระเหยกลายเป็นไอน้ำ ถ้าพิจารณาใน ด้านหลังจากนั้นไอน้ำที่ควบแน่นเริ่มกลับกลายเป็นน้ำ และน้ำก็กลายเป็นน้ำแข็งในที่สุด กลิ่นของร่างกายที่เป็นของแข็งคือการระเหิด โมเลกุลบางชนิดหลุดออกจากร่างกายและเกิดก๊าซขึ้นซึ่งทำให้มีกลิ่นออกมา ตัวอย่างของกระบวนการย้อนกลับอยู่ใน เวลาฤดูหนาวลวดลายบนกระจกเมื่อไอในอากาศแข็งตัวและเกาะบนกระจก

วิดีโอแสดงการเปลี่ยนแปลงสถานะการรวมตัวของสาร

บล็อกควบคุม

1.หลังจากแช่แข็ง น้ำก็กลายเป็นน้ำแข็ง โมเลกุลของน้ำเปลี่ยนไปหรือไม่?

2. อีเธอร์ทางการแพทย์ใช้ในบ้าน และด้วยเหตุนี้ มันจึงมักจะมีกลิ่นตัวเขารุนแรงอยู่ที่นั่น อีเทอร์อยู่ในสถานะใด?

3.จะเกิดอะไรขึ้นกับรูปร่างของของเหลว?

4.น้ำแข็ง. นี่สภาพน้ำอะไรคะ?

5.จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง?

การบ้าน.

ตอบคำถาม:

1. เป็นไปได้ไหมที่จะเติมก๊าซลงครึ่งหนึ่งของปริมาตรของถัง? ทำไม

2.มีได้ไหม อุณหภูมิห้องในสถานะของเหลว: ไนโตรเจนและออกซิเจน?

3.เหล็กและปรอทสามารถมีสถานะเป็นก๊าซที่อุณหภูมิห้องได้หรือไม่?

4. ในวันที่อากาศหนาวจัด หมอกก่อตัวเหนือแม่น้ำ นี่มันสถานะอะไรกันแน่?

เราเชื่อว่าสสารนั้นมีสถานะการรวมตัวสามสถานะ ในความเป็นจริงมีอย่างน้อยสิบห้ารายการและรายการเงื่อนไขเหล่านี้ยังคงเพิ่มขึ้นทุกวัน สิ่งเหล่านี้ได้แก่: ของแข็งอสัณฐาน, ของแข็ง, นิวตรอน, พลาสมาควาร์ก-กลูออน, สสารสมมาตรอย่างยิ่ง, สสารสมมาตรอ่อน, คอนเดนเสทเฟอร์เมียน, คอนเดนเสทโบส-ไอน์สไตน์ และสสารแปลก ๆ

รัฐรวม ของเหลว เฟสในอุณหพลศาสตร์ การเปลี่ยนเฟส

บรรยาย 1.16

สารทั้งหมดสามารถดำรงอยู่ได้ในสถานะการรวมตัว 3 สถานะ - ของแข็งของเหลวและ ก๊าซ. การเปลี่ยนผ่านระหว่างพวกเขาจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันในซีรีส์ คุณสมบัติทางกายภาพ(ความหนาแน่น การนำความร้อน ฯลฯ)

สภาพร่างกายขึ้นอยู่กับ สภาพร่างกายซึ่งสารนั้นตั้งอยู่ การมีอยู่ของการรวมตัวหลายสถานะในสารนั้นเกิดจากความแตกต่างในการเคลื่อนที่ทางความร้อนของโมเลกุล (อะตอม) และปฏิสัมพันธ์ของพวกมันภายใต้สภาวะที่ต่างกัน

แก๊ส- สถานะของการรวมตัวของสารโดยที่อนุภาคไม่ได้เชื่อมต่อกันหรือเชื่อมต่อกันอย่างอ่อนมากด้วยแรงอันตรกิริยา พลังงานจลน์ การเคลื่อนไหวทางความร้อนอนุภาคของมัน (โมเลกุลอะตอม) เกินกว่าพลังงานศักย์ของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมันอย่างมีนัยสำคัญดังนั้นอนุภาคจึงเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเกือบเต็มเติมภาชนะที่พวกมันตั้งอยู่และทำให้รูปร่างของมันสมบูรณ์ ในสถานะก๊าซ สารไม่มีทั้งปริมาตรและรูปร่างของตัวเอง สารใดๆ ก็ตามสามารถเปลี่ยนเป็นก๊าซได้โดยการเปลี่ยนความดันและอุณหภูมิ

ของเหลว- สถานะของการรวมตัวของสาร อยู่ระหว่างของแข็งและก๊าซ โดดเด่นด้วยการเคลื่อนที่ของอนุภาคสูงและพื้นที่ว่างขนาดเล็กระหว่างอนุภาคเหล่านั้น สิ่งนี้ทำให้ของเหลวรักษาปริมาตรและเป็นรูปร่างของภาชนะ ในของเหลวโมเลกุลจะอยู่ใกล้กันมาก ดังนั้นความหนาแน่นของของเหลวจึงมากกว่าความหนาแน่นของก๊าซ (ที่ความดันปกติ) มาก คุณสมบัติของของเหลวจะเหมือนกัน (ไอโซโทรปิก) ในทุกทิศทาง ยกเว้นผลึกเหลว เมื่อถูกความร้อนหรือความหนาแน่นลดลง ตามกฎแล้วคุณสมบัติของของเหลว ค่าการนำความร้อน และความหนืดจะเปลี่ยนไปตามคุณสมบัติของก๊าซ

การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลของเหลวประกอบด้วยการผสมผสานระหว่างการเคลื่อนไหวแบบสั่นและการกระโดดของโมเลกุลที่เกิดขึ้นเป็นครั้งคราวจากตำแหน่งสมดุลหนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่ง

วัตถุที่เป็นของแข็ง (ผลึก)- สถานะของการรวมตัวของสารโดยมีความเสถียรของรูปร่างและธรรมชาติของการเคลื่อนที่ทางความร้อนของอะตอม การเคลื่อนไหวนี้เป็นการสั่นสะเทือนของอะตอม (หรือไอออน) ที่ประกอบเป็นของแข็ง แอมพลิจูดของการสั่นมักจะน้อยเมื่อเทียบกับระยะห่างระหว่างอะตอม

คุณสมบัติของของเหลว

โมเลกุลของสารในสถานะของเหลวนั้นอยู่ใกล้กันเกือบหมด ซึ่งแตกต่างจากวัตถุที่เป็นผลึกแข็ง ซึ่งโมเลกุลจะสร้างโครงสร้างที่ได้รับคำสั่งตลอดปริมาตรทั้งหมดของคริสตัล และสามารถทำการสั่นสะเทือนด้วยความร้อนรอบๆ จุดศูนย์กลางที่คงที่ โมเลกุลของของเหลวจะมีอิสระมากกว่า แต่ละโมเลกุลของของเหลวก็เหมือนกับของแข็ง คือ "ประกบ" ทุกด้านด้วยโมเลกุลข้างเคียง และผ่านการสั่นสะเทือนด้วยความร้อนรอบตำแหน่งสมดุลที่แน่นอน อย่างไรก็ตาม ในบางครั้งโมเลกุลใดๆ ก็ตามอาจเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งว่างในบริเวณใกล้เคียง การกระโดดของของเหลวเกิดขึ้นค่อนข้างบ่อย ดังนั้นโมเลกุลจึงไม่ผูกติดกับจุดศูนย์กลางเฉพาะเหมือนในผลึก และสามารถเคลื่อนที่ได้ตลอดปริมาตรของของเหลว สิ่งนี้จะอธิบายความลื่นไหลของของเหลว เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงระหว่างโมเลกุลที่อยู่ใกล้กัน พวกมันจึงสามารถสร้างกลุ่มที่ได้รับคำสั่งเฉพาะที่ (ไม่เสถียร) ซึ่งมีหลายโมเลกุลได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ปิดรับออเดอร์.

เนื่องจากการอัดตัวของโมเลกุลหนาแน่น ความสามารถในการอัดของของเหลว เช่น การเปลี่ยนแปลงปริมาตรเมื่อความดันเปลี่ยนแปลงจึงมีน้อยมาก มันน้อยกว่าก๊าซหลายหมื่นเท่า ตัวอย่างเช่น หากต้องการเปลี่ยนปริมาตรน้ำ 1% คุณต้องเพิ่มแรงดันประมาณ 200 เท่า ความดันที่เพิ่มขึ้นนี้เมื่อเทียบกับความดันบรรยากาศทำได้ที่ระดับความลึกประมาณ 2 กม.

ของเหลว เช่น ของแข็ง จะเปลี่ยนปริมาตรตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ สำหรับช่วงอุณหภูมิที่ไม่กว้างมาก การเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ในปริมาตร Δ วี / วี 0 เป็นสัดส่วนกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ Δ ต:

สัมประสิทธิ์ β เรียกว่า ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิการขยายตัวตามปริมาตร. ค่าสัมประสิทธิ์ของของเหลวนี้มากกว่าของแข็งหลายสิบเท่า ตัวอย่างเช่นสำหรับน้ำที่อุณหภูมิ 20 °C β พรีเมี่ยม 2 10 –4 K –1 สำหรับเหล็ก - β st พรีเมี่ยม 3.6 10 –5 K –1 สำหรับแก้วควอทซ์ - β kV พรีเมี่ยม 9 10 – 6 K – 1.

การขยายตัวทางความร้อนของน้ำทำให้เกิดความผิดปกติที่น่าสนใจและสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 4 °C น้ำจะขยายตัวเมื่ออุณหภูมิลดลง (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง มันจะขยายตัว น้ำแข็งจึงลอยอยู่บนผิวน้ำที่กลายเป็นน้ำแข็ง อุณหภูมิของน้ำเยือกแข็งใต้น้ำแข็งคือ 0 °C ในชั้นน้ำที่มีความหนาแน่นมากขึ้นที่ด้านล่างของอ่างเก็บน้ำ อุณหภูมิจะอยู่ที่ประมาณ 4 °C ด้วยเหตุนี้ ชีวิตจึงสามารถดำรงอยู่ในน้ำจากอ่างเก็บน้ำที่กลายเป็นน้ำแข็งได้

ที่สุด คุณสมบัติที่น่าสนใจของเหลวคือการมีอยู่ พื้นผิวฟรี. ของเหลวไม่เหมือนกับก๊าซตรงที่ไม่สามารถเติมปริมาตรทั้งหมดของภาชนะที่เทลงไปได้ ส่วนต่อประสานถูกสร้างขึ้นระหว่างของเหลวกับก๊าซ (หรือไอ) ซึ่งอยู่ในสภาวะพิเศษเมื่อเปรียบเทียบกับส่วนที่เหลือของของเหลว โมเลกุลในชั้นขอบเขตของของเหลว ซึ่งแตกต่างจากโมเลกุลที่อยู่ลึกลงไป จะไม่ถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลอื่นที่เป็นของเหลวชนิดเดียวกันทุกด้าน พลังของอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลที่กระทำต่อโมเลกุลตัวใดตัวหนึ่งภายในของเหลวจากโมเลกุลข้างเคียงนั้น โดยเฉลี่ยแล้วจะได้รับการชดเชยร่วมกัน โมเลกุลใดๆ ในชั้นขอบเขตจะถูกดึงดูดโดยโมเลกุลที่อยู่ภายในของเหลว (แรงที่กระทำต่อโมเลกุลของเหลวที่กำหนดจากโมเลกุลของก๊าซ (หรือไอ) สามารถละเลยได้) เป็นผลให้เกิดแรงลัพธ์บางอย่างปรากฏขึ้น พุ่งลึกเข้าไปในของเหลว โมเลกุลของพื้นผิวถูกดึงเข้าไปในของเหลวด้วยแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล แต่โมเลกุลทั้งหมดรวมทั้งโมเลกุลของชั้นขอบเขตจะต้องอยู่ในสภาพสมดุล ความสมดุลนี้เกิดขึ้นได้โดยการลดระยะห่างระหว่างโมเลกุลของชั้นผิวกับเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดภายในของเหลวลงเล็กน้อย เมื่อระยะห่างระหว่างโมเลกุลลดลง แรงผลักจึงเกิดขึ้น หากระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลภายในของเหลวคือ ร 0 จากนั้นโมเลกุลของชั้นผิวจะถูกอัดตัวกันค่อนข้างแน่นขึ้น ดังนั้นจึงมีพลังงานศักย์สำรองเพิ่มเติมเมื่อเปรียบเทียบกับโมเลกุลภายใน ควรระลึกไว้ว่าเนื่องจากความสามารถในการอัดต่ำมากการมีชั้นพื้นผิวที่หนาแน่นมากขึ้นจึงไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของของเหลวที่เห็นได้ชัดเจน หากโมเลกุลเคลื่อนที่จากพื้นผิวไปสู่ของเหลว แรงอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลจะเกิดขึ้น การทำงานเชิงบวก. ในทางตรงกันข้าม เพื่อดึงโมเลกุลจำนวนหนึ่งจากความลึกของของเหลวไปยังพื้นผิว (เช่น เพิ่มพื้นที่ผิวของของเหลว) กองกำลังภายนอกจะต้องทำงานเชิงบวก กภายนอกเป็นสัดส่วนกับการเปลี่ยนแปลง Δ สพื้นที่ผิว:

ค่าสัมประสิทธิ์ σ เรียกว่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิว (σ > 0) ดังนั้นค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิว เท่ากับการทำงานจำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่ผิวของของเหลวที่อุณหภูมิคงที่หนึ่งหน่วย

ใน SI ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวจะวัดเป็นจูลต่อ เมตรสี่เหลี่ยมจัตุรัส (J/m2) หรือเป็นนิวตันต่อเมตร (1 N/m = 1 J/m2)

ส่งผลให้โมเลกุลของชั้นผิวของของเหลวมีส่วนเกิน พลังงานศักย์. พลังงานศักย์ อี p ของพื้นผิวของเหลวเป็นสัดส่วนกับพื้นที่: (1.16.1)

เป็นที่ทราบกันดีจากกลศาสตร์ว่าสภาวะสมดุลของระบบสอดคล้องกับค่าต่ำสุดของพลังงานศักย์ ตามมาว่าพื้นผิวอิสระของของเหลวมีแนวโน้มที่จะลดพื้นที่ลง ด้วยเหตุนี้ ของเหลวที่หยดหนึ่งจึงมีรูปร่างเป็นทรงกลม ของเหลวมีพฤติกรรมราวกับว่าแรงที่กระทำต่อพื้นผิวของมันกำลังหดตัว (ดึง) พื้นผิวนี้ กองกำลังเหล่านี้เรียกว่า แรงตึงผิว.

การมีอยู่ของแรงตึงผิวทำให้พื้นผิวของของเหลวดูเหมือนฟิล์มยืดยืดหยุ่น โดยมีข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือแรงยืดหยุ่นในฟิล์มขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิวของมัน (เช่น วิธีการเปลี่ยนรูปของฟิล์ม) และแรงตึงผิว แรงไม่ได้ขึ้นอยู่กับของเหลวในพื้นที่ผิว

แรงตึงผิวมีแนวโน้มที่จะลดพื้นผิวของฟิล์ม ดังนั้นเราจึงเขียนได้: (1.16.2)

ดังนั้น ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิว σ สามารถกำหนดเป็นโมดูลัสของแรงตึงผิวที่กระทำต่อความยาวหน่วยของเส้นที่ล้อมรอบพื้นผิว ( ล- ความยาวของเส้นนี้)

เนื่องจากการกระทำของแรงตึงผิวในหยดของเหลวและฟองสบู่ภายใน แรงดันส่วนเกิน Δ จึงเกิดขึ้น พี. หากคุณตัดรัศมีหยดทรงกลมทางจิตใจ รออกเป็นสองซีก จากนั้นแต่ละซีกจะต้องอยู่ในสมดุลภายใต้การกระทำของแรงตึงผิวที่ใช้กับขอบเขตการตัดที่มีความยาว 2π รและความแข็งแกร่ง แรงดันเกินกระทำต่อพื้นที่ π ร 2 ส่วน (รูปที่ 1.16.1) สภาวะสมดุลเขียนเป็น

ใกล้กับขอบเขตระหว่างของเหลว ของแข็งและก๊าซ รูปร่างของพื้นผิวอิสระของของเหลวนั้นขึ้นอยู่กับแรงปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลของเหลวและโมเลกุลของแข็ง (การปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลของก๊าซ (หรือไอ) สามารถละเลยได้) หากแรงเหล่านี้มากกว่าแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลของของเหลวเองแสดงว่าเป็นของเหลว เปียกพื้นผิวของของแข็ง ในกรณีนี้ ของเหลวเข้าใกล้พื้นผิวของของแข็งด้วยมุมแหลมที่แน่นอน θ ซึ่งเป็นลักษณะของคู่ของเหลว-ของแข็งที่กำหนด มุม θ เรียกว่า มุมสัมผัส. หากแรงอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลของเหลวเกินแรงอันตรกิริยากับโมเลกุลของแข็ง มุมสัมผัส θ จะกลายเป็นมุมป้าน (รูปที่ 1.16.2(2)) ในกรณีนี้เค้าบอกว่าเป็นของเหลว ไม่เปียกพื้นผิวของของแข็ง มิฉะนั้น (มุม - เฉียบพลัน) ของเหลว เปียกพื้นผิว (รูปที่ 1.16.2(1)) ที่ เปียกเต็มθ = 0, ณ ไม่เปียกอย่างสมบูรณ์θ = 180°

ปรากฏการณ์ของเส้นเลือดฝอยเรียกว่าการขึ้นหรือลงของของเหลวในท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก - เส้นเลือดฝอย. ของเหลวที่เปียกจะลอยขึ้นผ่านเส้นเลือดฝอย ของเหลวที่ไม่เปียกจะไหลลงมา

รูปที่ 1.16.3 แสดงท่อคาปิลลารีที่มีรัศมีหนึ่ง รลดลงที่ปลายล่างเป็นของเหลวเปียกที่มีความหนาแน่น ρ ปลายด้านบนของเส้นเลือดฝอยเปิดอยู่ การเพิ่มขึ้นของของเหลวในเส้นเลือดฝอยจะดำเนินต่อไปจนกว่าแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อคอลัมน์ของของเหลวในเส้นเลือดฝอยจะมีขนาดเท่ากันกับผลลัพธ์ เอฟแรงตึงผิวที่กระทำตามแนวขอบเขตการสัมผัสของของเหลวกับพื้นผิวของเส้นเลือดฝอย: เอฟเสื้อ = เอฟที่ไหน เอฟเสื้อ = มก = ρ ชม.π ร 2 ก, เอฟ n = σ2π รเพราะ θ

นี่หมายถึง:

เมื่อทำให้เปียกโดยสมบูรณ์ θ = 0, cos θ = 1 ในกรณีนี้

เมื่อทำให้ไม่เปียกโดยสมบูรณ์ θ = 180°, cos θ = –1 และด้วยเหตุนี้ ชม. < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

น้ำทำให้พื้นผิวกระจกที่สะอาดเปียกจนเกือบหมด ในทางตรงกันข้าม สารปรอทไม่ได้ทำให้พื้นผิวกระจกเปียกจนหมด ดังนั้นระดับปรอทในเส้นเลือดฝอยแก้วจึงลดลงต่ำกว่าระดับในภาชนะ

ในทางปฏิบัติในชีวิตประจำวัน เราต้องไม่แยกจากกันกับอะตอม โมเลกุล และไอออน แต่กับสสารจริง ซึ่งก็คือกลุ่มของอนุภาคจำนวนมาก สถานะของการรวมตัวสี่ประเภทนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะของปฏิสัมพันธ์: ของแข็ง, ของเหลว, ก๊าซและพลาสมา สารสามารถเปลี่ยนจากสถานะการรวมกลุ่มหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งอันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนเฟสที่เหมาะสม

การมีอยู่ของสารในสถานะการรวมตัวหนึ่งหรืออีกสถานะหนึ่งนั้นถูกกำหนดโดยแรงที่กระทำระหว่างอนุภาค ระยะห่างระหว่างพวกมันและลักษณะของการเคลื่อนที่ของพวกมัน แต่ละสถานะของการรวมตัวจะมีลักษณะเฉพาะด้วยชุดของคุณสมบัติบางอย่าง

คุณสมบัติของสารขึ้นอยู่กับสถานะการรวมตัว:

ตามระดับของลำดับในระบบ แต่ละสถานะของการรวมตัวจะมีลักษณะเฉพาะด้วยความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของอนุภาค ในของแข็ง ศักยภาพมีชัยเหนือจลนศาสตร์ เนื่องจากอนุภาคครอบครองตำแหน่งที่แน่นอนและสั่นสะเทือนรอบๆ พวกมันเท่านั้น สำหรับก๊าซ มีความสัมพันธ์แบบผกผันระหว่างพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ ซึ่งเป็นผลมาจากการที่โมเลกุลของก๊าซเคลื่อนที่อย่างโกลาหลอยู่เสมอ และแทบไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างพวกมัน ดังนั้นก๊าซจึงครอบครองปริมาตรทั้งหมด ในกรณีของของเหลว พลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของอนุภาคจะใกล้เคียงกัน มีการเชื่อมต่อที่ไม่เข้มงวดระหว่างอนุภาค ดังนั้นของเหลวจึงมีลักษณะเป็นของไหลและปริมาตรคงที่

เมื่ออนุภาคของสารก่อตัวเป็นโครงสร้างทางเรขาคณิตปกติ และพลังงานของพันธะระหว่างพวกมันมากกว่าพลังงานของการสั่นสะเทือนจากความร้อน ซึ่งป้องกันการทำลายโครงสร้างที่มีอยู่ นั่นหมายความว่าสารนั้นอยู่ในสถานะของแข็ง แต่เริ่มจากอุณหภูมิหนึ่ง พลังงานของการสั่นด้วยความร้อนจะมีค่ามากกว่าพลังงานของพันธะระหว่างอนุภาค ในกรณีนี้ อนุภาคแม้ว่าจะยังคงสัมผัสกัน แต่ก็เคลื่อนที่สัมพันธ์กัน ส่งผลให้โครงสร้างทางเรขาคณิตหยุดชะงักและสารผ่านเข้าสู่สถานะของเหลว หากการสั่นสะเทือนจากความร้อนเพิ่มขึ้นมากจนสูญเสียการเชื่อมต่อระหว่างอนุภาค สารจะเกิดสถานะเป็นก๊าซ ในก๊าซ "อุดมคติ" อนุภาคจะเคลื่อนที่อย่างอิสระในทุกทิศทาง

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น สารจะเปลี่ยนจากสถานะสั่ง (ของแข็ง) ไปยังสถานะไม่เป็นระเบียบ (ก๊าซ) สถานะของเหลวจะอยู่ตรงกลางตามลำดับอนุภาค

สถานะการรวมตัวที่สี่เรียกว่าพลาสมาซึ่งเป็นก๊าซที่ประกอบด้วยส่วนผสมของอนุภาคและอิเล็กตรอนที่เป็นกลางและแตกตัวเป็นไอออน พลาสมาก่อตัวขึ้นที่อุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ (10 5 -10 7 0 C) เนื่องจากพลังงานการชนกันอย่างมีนัยสำคัญของอนุภาคซึ่งมีความผิดปกติของการเคลื่อนที่สูงสุด คุณลักษณะบังคับของพลาสมา เช่นเดียวกับสถานะอื่นๆ ของสสาร คือความเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่จากผลของการเคลื่อนที่ที่ไม่เป็นระเบียบของอนุภาคในพลาสมา ไมโครโซนที่มีประจุแต่ละโซนสามารถปรากฏขึ้นได้ เนื่องจากมันกลายเป็นแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ในสถานะพลาสมา มีสสารอยู่บนดาวฤกษ์และวัตถุอวกาศอื่นๆ ตลอดจนในระหว่างกระบวนการแสนสาหัสนิวเคลียร์

ประการแรกแต่ละสถานะของการรวมตัวจะถูกกำหนดโดยช่วงของอุณหภูมิและความดัน ดังนั้นสำหรับลักษณะเชิงปริมาณที่มองเห็นได้ จึงมีการใช้แผนภาพเฟสของสารซึ่งแสดงการพึ่งพาสถานะของการรวมตัวกับความดันและอุณหภูมิ

แผนภาพสถานะของสารที่มีเส้นโค้งการเปลี่ยนเฟส: 1 - การหลอมละลาย-การตกผลึก, 2 - การเดือด-การควบแน่น, 3 - การระเหิด-การลดระเหิด

แผนภาพเฟสประกอบด้วยบริเวณหลักสามส่วน ซึ่งสอดคล้องกับสถานะผลึก ของเหลว และก๊าซ แต่ละพื้นที่จะถูกคั่นด้วยเส้นโค้งที่สะท้อนถึงการเปลี่ยนเฟส:

1. สถานะของแข็งเป็นของเหลว และในทางกลับกัน ของเหลวเป็นของแข็ง (กราฟการหลอมละลาย-การตกผลึก - กราฟสีเขียวจุด)
2. การแปลงของเหลวเป็นก๊าซและการแปลงกลับของก๊าซเป็นของเหลว (กราฟการเดือด-ควบแน่น - กราฟสีน้ำเงิน)
3. ของแข็งเป็นก๊าซ และจากก๊าซเป็นของแข็ง (เส้นโค้งการระเหิด-การลดระเหิด - กราฟสีแดง)

พิกัดจุดตัดของเส้นโค้งเหล่านี้เรียกว่าจุดสามจุด ซึ่งภายใต้เงื่อนไขของความดันที่แน่นอน P = P ในและอุณหภูมิที่แน่นอน T = T ใน สารสามารถอยู่ร่วมกันในสถานะการรวมตัวสามสถานะในคราวเดียว โดยมีของเหลวและ สถานะของแข็งที่มีความดันไอเท่ากัน พิกัด P in และ T in เป็นค่าความดันและอุณหภูมิเพียงค่าเดียวที่ทั้งสามเฟสสามารถอยู่ร่วมกันได้พร้อมกัน

จุด K บนแผนภาพเฟสของรัฐสอดคล้องกับอุณหภูมิ Tk - ที่เรียกว่าอุณหภูมิวิกฤติซึ่งพลังงานจลน์ของอนุภาคเกินกว่าพลังงานของปฏิกิริยาระหว่างกัน ดังนั้นเส้นแบ่งระหว่างเฟสของเหลวและก๊าซจึงถูกลบ และ สารมีสถานะเป็นก๊าซที่ความดันใดๆ

จากการวิเคราะห์แผนภาพเฟสจะตามมาว่าที่แรงดันสูงมากกว่าที่จุดสามจุด (P in) การให้ความร้อนของสารที่เป็นของแข็งจะสิ้นสุดลงด้วยการหลอมละลาย ตัวอย่างเช่น ที่ P 1 การหลอมจะเกิดขึ้นที่จุดนั้น ง. อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอีกจาก Td ถึง Te นำไปสู่การเดือดของสารที่ความดันที่กำหนด P1 ที่ความดัน P 2 น้อยกว่าความดันที่จุดสามจุด P ใน การให้ความร้อนแก่สารจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงโดยตรงจากผลึกไปเป็นสถานะก๊าซ (จุด ถาม) นั่นคือการระเหิด สำหรับสารส่วนใหญ่ ความดันที่จุดสามจุดจะต่ำกว่าความดันไออิ่มตัว (P นิ้ว

P เป็นไอน้ำอิ่มตัว ดังนั้นเมื่อผลึกของสารดังกล่าวถูกให้ความร้อน พวกมันจะไม่ละลาย แต่ระเหยไป นั่นคือพวกมันผ่านการระเหิด ตัวอย่างเช่น ผลึกไอโอดีนหรือ "น้ำแข็งแห้ง" (CO 2 ที่เป็นของแข็ง) มีพฤติกรรมเช่นนี้

สถานะก๊าซ

ภายใต้สภาวะปกติ (273 K, 1,01325 Pa) ทั้งสารธรรมดาซึ่งมีโมเลกุลประกอบด้วยหนึ่ง (He, Ne, Ar) หรืออะตอมเชิงเดี่ยวหลายอะตอม (H 2, N 2, O 2) และวัตถุเชิงซ้อนสามารถอยู่ในก๊าซได้ สารสถานะที่มีมวลโมลาร์ต่ำ (CH 4, HCl, C 2 H 6)

เนื่องจากพลังงานจลน์ของอนุภาคก๊าซเกินพลังงานศักย์ โมเลกุลในสถานะก๊าซจึงเคลื่อนที่แบบสุ่มอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากระยะห่างระหว่างอนุภาคมาก แรงของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลในก๊าซจึงไม่มีนัยสำคัญมากจนไม่เพียงพอที่จะดึงดูดอนุภาคเข้าหากันและจับพวกมันไว้ด้วยกัน ด้วยเหตุนี้ก๊าซจึงไม่มีรูปร่างเป็นของตัวเองและมีความหนาแน่นต่ำและมีความสามารถในการอัดและขยายตัวสูง ดังนั้นก๊าซจึงกดบนผนังของถังที่ตั้งอยู่ตลอดเวลาเท่ากันทุกทิศทาง

เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดของก๊าซ (ความดัน P, อุณหภูมิ T, ปริมาณของสาร n, มวลโมลาร์ M, มวล m) จะใช้แบบจำลองที่ง่ายที่สุดของสถานะก๊าซของสาร - ก๊าซในอุดมคติซึ่งตั้งอยู่บนสมมติฐานดังต่อไปนี้:

• ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคก๊าซสามารถละเลยได้
• อนุภาคเองเป็นจุดวัสดุที่ไม่มีขนาดของตัวเอง

สมการทั่วไปที่สุดที่อธิบายแบบจำลองก๊าซในอุดมคติถือเป็นสมการ เมนเดเลเยฟ-ชาเปรอนต่อสารหนึ่งโมล:

อย่างไรก็ตาม ตามกฎแล้วพฤติกรรมของก๊าซจริงนั้นแตกต่างจากก๊าซในอุดมคติ ประการแรกสิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่ายังมีแรงดึงดูดซึ่งกันและกันระหว่างโมเลกุลของก๊าซจริงซึ่งบีบอัดก๊าซในระดับหนึ่งยังไม่มีนัยสำคัญ เมื่อคำนึงถึงสิ่งนี้ ความดันก๊าซทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณ ก/V 2ซึ่งคำนึงถึงแรงกดดันภายในเพิ่มเติมที่เกิดจากการดึงดูดกันของโมเลกุล เป็นผลให้ความดันก๊าซทั้งหมดแสดงด้วยผลรวม พี+ ก/V 2. ประการที่สอง โมเลกุลของก๊าซจริงมีปริมาตรที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน แม้จะน้อยก็ตาม ข ดังนั้นปริมาตรที่แท้จริงของก๊าซทั้งหมดในอวกาศจึงเท่ากับ วี— ข . เมื่อแทนค่าที่พิจารณาลงในสมการ Mendeleev-Clapeyron เราจะได้สมการสถานะของก๊าซจริงซึ่งเรียกว่า สมการแวนเดอร์วาลส์:

ที่ไหน ก และ ข — ค่าสัมประสิทธิ์เชิงประจักษ์ที่กำหนดในทางปฏิบัติสำหรับก๊าซจริงแต่ละชนิด ได้มีการกำหนดไว้แล้วว่าค่าสัมประสิทธิ์ ก มีค่ามากกว่าสำหรับก๊าซที่กลายเป็นของเหลวได้ง่าย (เช่น CO 2, NH 3) และค่าสัมประสิทธิ์ ข - ในทางตรงกันข้าม ยิ่งมีขนาดใหญ่เท่าใด โมเลกุลของก๊าซก็จะยิ่งใหญ่ขึ้นเท่านั้น (เช่น ก๊าซไฮโดรคาร์บอน)

สมการ van der Waals อธิบายพฤติกรรมของก๊าซจริงได้แม่นยำกว่าสมการ Mendeleev-Clapeyron มาก ซึ่งอย่างไรก็ตาม เนื่องจากความหมายทางกายภาพที่ชัดเจน จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการคำนวณเชิงปฏิบัติ แม้ว่าสถานะในอุดมคติของก๊าซจะเป็นกรณีที่จินตนาการจำกัด แต่ความเรียบง่ายของกฎที่สอดคล้องกับกฎนั้น ความเป็นไปได้ในการประยุกต์เพื่ออธิบายคุณสมบัติของก๊าซหลายชนิดภายใต้สภาวะความดันต่ำและอุณหภูมิสูง ทำให้แบบจำลองก๊าซในอุดมคติเป็นอย่างมาก สะดวก.

สถานะของเหลวของสสาร

สถานะของเหลวของสารเฉพาะใดๆ มีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ในช่วงอุณหภูมิและความดันที่กำหนดซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของธรรมชาติ (องค์ประกอบ) ของสารนี้ ขีดจำกัดอุณหภูมิด้านบนของสถานะของเหลวคือจุดเดือด ซึ่งสูงกว่านั้นสารจะอยู่ในสถานะก๊าซภายใต้สภาวะความดันคงที่ ขีดจำกัดล่างของสถานะคงตัวของการดำรงอยู่ของของเหลวคืออุณหภูมิการตกผลึก (การแข็งตัว) อุณหภูมิจุดเดือดและการตกผลึกที่วัดที่ความดัน 101.3 kPa เรียกว่าปกติ

ของเหลวธรรมดามีลักษณะเฉพาะคือไอโซโทรปี ซึ่งก็คือความสม่ำเสมอของคุณสมบัติทางกายภาพในทุกทิศทางภายในสาร บางครั้งมีการใช้คำอื่นสำหรับไอโซโทรปี: ค่าคงที่ ความสมมาตรที่เกี่ยวข้องกับการเลือกทิศทาง

ในการกำหนดมุมมองเกี่ยวกับธรรมชาติของสถานะของเหลว แนวคิดเรื่องสถานะวิกฤติซึ่งถูกค้นพบโดย Mendeleev (1860) เป็นสิ่งสำคัญ:

สถานะวิกฤติคือสถานะสมดุลซึ่งขีดจำกัดของการแยกระหว่างของเหลวและไอระเหยจะหายไปเนื่องจากของเหลวและไออิ่มตัวของของเหลวได้รับคุณสมบัติทางกายภาพที่เหมือนกัน

ในสถานะวิกฤตค่าของทั้งความหนาแน่นและปริมาตรจำเพาะของของเหลวและไออิ่มตัวจะเท่ากัน

สถานะของเหลวของสารอยู่ระหว่างก๊าซและของแข็ง คุณสมบัติบางอย่างทำให้สถานะของเหลวเข้าใกล้สถานะของแข็งมากขึ้น หากของแข็งมีลักษณะเฉพาะด้วยการเรียงลำดับอนุภาคที่เข้มงวดซึ่งขยายไปเป็นระยะทางไกลถึงรัศมีระหว่างอะตอมหรือระหว่างโมเลกุลมากถึงหลายแสนรัศมีตามกฎแล้วในสถานะของเหลวจะสังเกตเห็นอนุภาคที่ได้รับคำสั่งไม่เกินหลายสิบตัว สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าลำดับระหว่างอนุภาคในสถานที่ต่าง ๆ ของสารของเหลวเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและก็ถูก "กัดเซาะ" อีกครั้งอย่างรวดเร็วโดยการสั่นสะเทือนทางความร้อนของอนุภาค ในเวลาเดียวกัน ความหนาแน่นโดยรวมของ "การอัดแน่น" ของอนุภาคแตกต่างกันเล็กน้อยจากความหนาแน่นของของแข็ง ดังนั้นความหนาแน่นของของเหลวจึงไม่แตกต่างจากความหนาแน่นของของแข็งส่วนใหญ่มากนัก นอกจากนี้ ความสามารถของของเหลวในการบีบอัดยังเกือบต่ำเท่ากับของแข็ง (น้อยกว่าก๊าซประมาณ 20,000 เท่า)

การวิเคราะห์โครงสร้างยืนยันว่าของเหลวจัดแสดงสิ่งที่เรียกว่า ปิดรับออเดอร์ซึ่งหมายความว่าจำนวน "เพื่อนบ้าน" ที่ใกล้ที่สุดของแต่ละโมเลกุลและตำแหน่งสัมพัทธ์ของพวกมันจะเท่ากันโดยประมาณตลอดทั้งปริมาตร

เรียกว่าอนุภาคที่มีองค์ประกอบต่างกันจำนวนค่อนข้างน้อยซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล กลุ่ม . หากอนุภาคทั้งหมดในของเหลวเหมือนกัน จะเรียกว่าคลัสเตอร์ดังกล่าว เชื่อมโยง . มันอยู่ในกระจุกและกลุ่มที่สังเกตลำดับระยะสั้น

ระดับการเรียงลำดับของเหลวต่างๆ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งอยู่เหนือจุดหลอมเหลวเล็กน้อย ระดับความเป็นระเบียบในการจัดเรียงอนุภาคจะสูงมาก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อุณหภูมิจะลดลงและร้อนขึ้น คุณสมบัติของของเหลวจะคล้ายกับคุณสมบัติของก๊าซมากขึ้นเรื่อยๆ และเมื่อถึงอุณหภูมิวิกฤติ ความแตกต่างระหว่างสถานะของเหลวและก๊าซก็จะหายไป

ความใกล้ชิดของสถานะของเหลวกับสถานะของแข็งได้รับการยืนยันโดยค่าของเอนทาลปีมาตรฐานของการระเหย DH 0 การระเหยและการหลอม DН 0 การหลอม ให้เราระลึกว่าค่าของการระเหยของ DH 0 แสดงปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการแปลงของเหลว 1 โมลให้เป็นไอที่ 101.3 kPa; ปริมาณความร้อนที่เท่ากันถูกใช้ไปกับการควบแน่นของไอน้ำ 1 โมลให้เป็นของเหลวภายใต้สภาวะเดียวกัน (เช่น การระเหยของ DH 0 = การควบแน่นของ DH 0) ปริมาณความร้อนที่ใช้ในการแปลงของแข็ง 1 โมลให้เป็นของเหลวที่ 101.3 kPa เรียกว่า เอนทาลปีมาตรฐานของฟิวชัน; ความร้อนปริมาณเท่ากันจะถูกปล่อยออกมาในระหว่างการตกผลึกของของเหลว 1 โมลภายใต้สภาวะความดันปกติ (การหลอม DH 0 = การตกผลึก DH 0) เป็นที่รู้กันว่าการระเหยของ DH 0<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.

อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติที่สำคัญอื่นๆ ของของเหลวมีความคล้ายคลึงกับคุณสมบัติก๊าซมากกว่า เช่นเดียวกับก๊าซ ของเหลวสามารถไหลได้ - เรียกว่าคุณสมบัตินี้ ความลื่นไหล . พวกเขาสามารถต้านทานกระแสได้นั่นคือพวกเขามีโดยธรรมชาติ ความหนืด . คุณสมบัติเหล่านี้ได้รับอิทธิพลจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล น้ำหนักโมเลกุลของสารของเหลว และปัจจัยอื่นๆ ความหนืดของของเหลวมีค่ามากกว่าก๊าซประมาณ 100 เท่า เช่นเดียวกับก๊าซ ของเหลวสามารถแพร่กระจายได้ แต่ช้ากว่ามาก เนื่องจากอนุภาคของของเหลวถูกอัดแน่นเข้าด้วยกันมากกว่าอนุภาคของก๊าซ

คุณสมบัติที่น่าสนใจที่สุดอย่างหนึ่งของสถานะของเหลวซึ่งไม่ใช่ลักษณะของก๊าซหรือของแข็งก็คือ แรงตึงผิว .

โมเลกุลที่อยู่ในปริมาตรของเหลวจะถูกกระทำโดยแรงระหว่างโมเลกุลจากทุกด้านอย่างสม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม บนพื้นผิวของของเหลว ความสมดุลของแรงเหล่านี้ถูกรบกวน ซึ่งเป็นผลมาจากการที่โมเลกุลของพื้นผิวอยู่ภายใต้อิทธิพลของแรงลัพธ์บางส่วนซึ่งพุ่งตรงไปภายในของเหลว ด้วยเหตุนี้พื้นผิวของของเหลวจึงอยู่ในสภาวะตึงเครียด แรงตึงผิวคือแรงขั้นต่ำที่กักเก็บอนุภาคของเหลวไว้ข้างใน และด้วยเหตุนี้จึงป้องกันไม่ให้พื้นผิวของของเหลวหดตัว

โครงสร้างและคุณสมบัติของของแข็ง

สารที่รู้จักส่วนใหญ่ทั้งจากธรรมชาติและสารสังเคราะห์จะอยู่ในสถานะของแข็งภายใต้สภาวะปกติ ในบรรดาสารประกอบทั้งหมดที่รู้จักในปัจจุบัน ประมาณ 95% เป็นของแข็ง ซึ่งมีความสำคัญเนื่องจากเป็นพื้นฐานของวัสดุที่ไม่เพียงแต่มีโครงสร้างเท่านั้น แต่ยังรวมถึงวัสดุที่ใช้งานได้จริงด้วย

• วัสดุก่อสร้างคือสารที่เป็นของแข็งหรือส่วนประกอบที่ใช้ในการผลิตเครื่องมือ ของใช้ในครัวเรือน และโครงสร้างอื่นๆ
• วัสดุที่ใช้งานได้คือสารที่เป็นของแข็งซึ่งการใช้งานจะพิจารณาจากการมีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์บางประการอยู่ในนั้น

ตัวอย่างเช่น เหล็ก อลูมิเนียม คอนกรีต และเซรามิกเป็นของวัสดุโครงสร้าง ในขณะที่เซมิคอนดักเตอร์และฟอสเฟอร์เป็นของวัสดุที่ใช้งานได้จริง

ในสถานะของแข็ง ระยะห่างระหว่างอนุภาคของสารมีขนาดเล็กและมีลำดับความสำคัญเท่ากันกับอนุภาค พลังงานปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมันค่อนข้างสูงซึ่งป้องกันการเคลื่อนที่ของอนุภาคอย่างอิสระ - พวกมันสามารถแกว่งไปรอบ ๆ ตำแหน่งสมดุลบางตำแหน่งเท่านั้นเช่นรอบโหนดของโครงตาข่ายคริสตัล การที่อนุภาคไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระทำให้เกิดคุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุดประการหนึ่งของของแข็งนั่นคือการมีรูปร่างและปริมาตรของตัวเอง ความสามารถในการอัดของของแข็งต่ำมาก และมีความหนาแน่นสูงและขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเพียงเล็กน้อย กระบวนการทั้งหมดที่เกิดขึ้นในของแข็งจะเกิดขึ้นอย่างช้าๆ กฎปริมาณสารสัมพันธ์สำหรับของแข็งมีความหมายที่กว้างกว่ากฎของสารที่เป็นก๊าซและของเหลวตามกฎแล้ว

คำอธิบายโดยละเอียดของของแข็งมีขนาดใหญ่เกินไปสำหรับวัสดุนี้ ดังนั้นจึงมีการกล่าวถึงในบทความแยกต่างหาก:, และ

คำนิยาม

สถานะรวมของสสาร (จากภาษาละติน aggrego - ฉันแนบ เชื่อมต่อ) เป็นสถานะของสารชนิดเดียวกัน - ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ

เมื่อเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งจะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานเอนโทรปีความหนาแน่นและลักษณะอื่น ๆ ของสารอย่างกะทันหัน

ของแข็งและของเหลว

คำนิยาม

ของแข็งคือวัตถุที่มีรูปร่างและปริมาตรคงที่

ในระยะทางระหว่างโมเลกุลมีขนาดเล็กและพลังงานศักย์ของโมเลกุลเทียบได้กับพลังงานจลน์ ของแข็งแบ่งออกเป็นสองประเภท: ผลึกและอสัณฐาน มีเพียงวัตถุที่เป็นผลึกเท่านั้นที่อยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ โดยพื้นฐานแล้ววัตถุอสัณฐานเป็นตัวแทนของสถานะที่สามารถแพร่กระจายได้ ซึ่งในโครงสร้างของพวกมันนั้นใกล้เคียงกับความไม่สมดุล โดยจะค่อยๆ ตกผลึกของเหลว ในร่างกายอสัณฐานมีกระบวนการตกผลึกที่ช้ามากซึ่งเป็นกระบวนการเปลี่ยนผ่านของสารไปสู่สถานะผลึกอย่างค่อยเป็นค่อยไป ความแตกต่างระหว่างคริสตัลและของแข็งอสัณฐานอยู่ที่คุณสมบัติของแอนไอโซโทรปีเป็นหลัก คุณสมบัติของตัวผลึกขึ้นอยู่กับทิศทางในอวกาศ กระบวนการต่างๆ เช่น การนำความร้อน การนำไฟฟ้า แสง เสียง แพร่กระจายไปในทิศทางที่ต่างกันของของแข็งในลักษณะที่ต่างกัน วัตถุอสัณฐาน (แก้ว เรซิน พลาสติก) มีไอโซโทรปิกเหมือนกับของเหลว ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวระหว่างวัตถุอสัณฐานและของเหลวก็คือสิ่งหลังนั้นเป็นของเหลวและการเปลี่ยนรูปเฉือนแบบสถิตเป็นไปไม่ได้

เนื้อผลึกมีโครงสร้างโมเลกุลสม่ำเสมอ คุณสมบัติแอนไอโซโทรปีเกิดจากโครงสร้างที่ถูกต้องของคริสตัล การจัดเรียงอะตอมที่ถูกต้องในคริสตัลทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าโครงตาข่ายคริสตัล ในทิศทางที่ต่างกัน การจัดเรียงอะตอมในโครงตาข่ายจะแตกต่างกัน ซึ่งนำไปสู่แอนไอโซโทรปี อะตอม (หรือไอออน หรือโมเลกุลทั้งหมด) ในโครงผลึกจะมีการเคลื่อนที่แบบสุ่มรอบตำแหน่งเฉลี่ย ซึ่งถือเป็นโหนดของโครงตาข่ายคริสตัล ยิ่งอุณหภูมิสูง พลังงานการสั่นก็จะยิ่งมากขึ้น และแอมพลิจูดเฉลี่ยของการสั่นก็จะยิ่งมากขึ้นด้วย ขนาดของคริสตัลขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดของการสั่น การเพิ่มแอมพลิจูดของการแกว่งจะทำให้ขนาดร่างกายเพิ่มขึ้น สิ่งนี้จะอธิบายการขยายตัวทางความร้อนของของแข็ง

คำนิยาม

ของเหลวคือวัตถุที่มีปริมาตรตามที่กำหนด แต่ไม่มีความยืดหยุ่นทางรูปทรง

ของเหลวมีลักษณะเฉพาะด้วยปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลที่แข็งแกร่งและความสามารถในการอัดตัวต่ำ ของเหลวมีตำแหน่งตรงกลางระหว่างของแข็งและก๊าซ ของเหลว เช่น ก๊าซ มีไอโซโทรปิก นอกจากนี้ของเหลวยังมีความลื่นไหล ในนั้นเช่นเดียวกับในก๊าซไม่มีความเค้นสัมผัส (ความเค้นเฉือน) ของวัตถุ ของเหลวมีน้ำหนักมากเช่น ความโน้มถ่วงจำเพาะของพวกมันเทียบได้กับความโน้มถ่วงจำเพาะของของแข็ง อุณหภูมิในการตกผลึกใกล้เคียง ความจุความร้อน และคุณลักษณะทางความร้อนอื่นๆ ใกล้เคียงกับคุณลักษณะที่สอดคล้องกันของของแข็ง ในของเหลวมีการจัดเรียงอะตอมอย่างสม่ำเสมอในระดับหนึ่ง แต่เฉพาะในพื้นที่ขนาดเล็กเท่านั้น ที่นี่อะตอมยังเกิดการเคลื่อนที่แบบสั่นใกล้กับโหนดของเซลล์ควอซิคริสตัลไลน์ แต่ไม่เหมือนกับอะตอมในวัตถุที่เป็นของแข็ง พวกมันจะกระโดดจากโหนดหนึ่งไปยังอีกโหนดหนึ่งเป็นครั้งคราว เป็นผลให้การเคลื่อนที่ของอะตอมจะซับซ้อนมาก: มันแกว่งไปมา แต่ในขณะเดียวกันศูนย์กลางของการแกว่งก็เคลื่อนที่ไปในอวกาศ

ก๊าซ การระเหย การควบแน่น และการหลอมละลาย

คำนิยาม

แก๊สเป็นสถานะของสสารซึ่งมีระยะห่างระหว่างโมเลกุลมาก

แรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลที่ความดันต่ำสามารถถูกละเลยได้ อนุภาคของก๊าซจะเติมปริมาตรทั้งหมดที่ให้กับก๊าซ ก๊าซถือได้ว่าเป็นไอระเหยที่มีความร้อนยวดยิ่งสูงหรือไม่อิ่มตัว ก๊าซชนิดพิเศษคือพลาสมา - เป็นก๊าซไอออไนซ์บางส่วนหรือทั้งหมดซึ่งมีความหนาแน่นของประจุบวกและลบเกือบจะเท่ากัน พลาสมาเป็นก๊าซของอนุภาคมีประจุซึ่งมีปฏิกิริยาระหว่างกันโดยใช้แรงไฟฟ้าในระยะไกล แต่ไม่มีการจัดเรียงอนุภาคใกล้และไกล

สารสามารถเปลี่ยนจากสถานะการรวมกลุ่มหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งได้

คำนิยาม

การระเหยเป็นกระบวนการในการเปลี่ยนสถานะการรวมตัวของสารโดยที่โมเลกุลลอยออกมาจากพื้นผิวของของเหลวหรือของแข็ง พลังงานจลน์ซึ่งเกินกว่าพลังงานศักย์ของปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุล

การระเหยเป็นการเปลี่ยนเฟส ในระหว่างการระเหย ส่วนหนึ่งของของเหลวหรือของแข็งจะกลายเป็นไอ สารที่อยู่ในสถานะก๊าซซึ่งอยู่ในสมดุลไดนามิกกับของเหลวเรียกว่าไออิ่มตัว ในกรณีนี้การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในร่างกาย:

\[\triangle \U=\pm mr\ \left(1\right),\]

โดยที่ m คือมวลกาย r คือความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอ (J/kg)

คำนิยาม

การควบแน่นเป็นกระบวนการย้อนกลับของการระเหย

การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในคำนวณโดยใช้สูตร (1)

คำนิยาม

การหลอมเป็นกระบวนการเปลี่ยนสถานะสารจากของแข็งไปเป็นสถานะของเหลว ซึ่งเป็นกระบวนการเปลี่ยนสถานะรวมตัวของสาร

เมื่อสารได้รับความร้อน พลังงานภายในจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นความเร็วของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลจึงเพิ่มขึ้น หากถึงอุณหภูมิหลอมละลายของสาร โครงผลึกของของแข็งจะเริ่มยุบตัว พันธะระหว่างอนุภาคถูกทำลาย และพลังงานปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคเพิ่มขึ้น ความร้อนที่ถ่ายโอนไปยังร่างกายจะไปเพิ่มพลังงานภายในของร่างกายนี้ และพลังงานส่วนหนึ่งจะไปทำงานเพื่อเปลี่ยนปริมาตรของร่างกายเมื่อมันละลาย สำหรับวัตถุที่เป็นผลึกส่วนใหญ่ ปริมาตรจะเพิ่มขึ้นเมื่อละลาย แต่มีข้อยกเว้น เช่น น้ำแข็ง เหล็กหล่อ วัตถุอสัณฐานไม่มีจุดหลอมเหลวจำเพาะ การหลอมละลายคือการเปลี่ยนเฟสซึ่งมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงความจุความร้อนที่อุณหภูมิหลอมละลายอย่างกะทันหัน จุดหลอมเหลวขึ้นอยู่กับสารและไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างกระบวนการ ในกรณีนี้การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในร่างกาย:

\[\triangle U=\pm m\lambda \left(2\right),\]

โดยที่ $\lambda$ คือความร้อนจำเพาะของฟิวชัน (J/kg)

กระบวนการย้อนกลับของการหลอมคือการตกผลึก การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในคำนวณโดยใช้สูตร (2)

การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของแต่ละส่วนของระบบในกรณีการให้ความร้อนหรือความเย็นสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร:

\[\triangle U=mc\triangle T\left(3\right),\]

โดยที่ c คือความจุความร้อนจำเพาะของสาร J/(kgK) $\triangle T$ คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิร่างกาย

เมื่อศึกษาการเปลี่ยนผ่านของสารจากสถานะการรวมตัวหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง เป็นไปไม่ได้ที่จะทำหากไม่มีสมการสมดุลความร้อนซึ่งระบุว่า: ปริมาณความร้อนทั้งหมดที่ถูกปล่อยออกมาในระบบฉนวนความร้อนเท่ากับปริมาณของ ความร้อน (รวม) ที่ถูกดูดซับในระบบนี้

ในความหมายของสมการ สมการสมดุลความร้อนคือกฎการอนุรักษ์พลังงานสำหรับกระบวนการถ่ายเทความร้อนในระบบฉนวนความร้อน

ตัวอย่างที่ 1

งานที่ได้รับมอบหมาย: ภาชนะที่หุ้มฉนวนความร้อนประกอบด้วยน้ำและน้ำแข็งที่อุณหภูมิ $t_i= 0^oС$ มวลของน้ำ ($m_(v\ ))$ และน้ำแข็ง ($m_(i\ ))$ มีค่าเท่ากับ 0.5 กก. และ 60 กรัม ตามลำดับ ไอน้ำที่มีมวล $m_(p\ )=$10 g ถูกปล่อยลงไปในน้ำ ที่อุณหภูมิ $t_p= 100^oС$ อุณหภูมิของน้ำในภาชนะจะเป็นเท่าใดหลังจากสร้างสมดุลความร้อนแล้ว? ละเว้นความจุความร้อนของภาชนะ

วิธีแก้ไข: เรามาพิจารณาว่ากระบวนการใดเกิดขึ้นในระบบ สถานะของสสารที่เรามี และสิ่งที่เราได้รับ

ไอน้ำควบแน่นทำให้เกิดความร้อน

ความร้อนนี้ไปทำให้น้ำแข็งละลาย และอาจจะทำให้น้ำที่มีอยู่และน้ำที่ได้จากน้ำแข็งร้อนขึ้น

ก่อนอื่นเรามาตรวจสอบปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาเมื่อมวลไอน้ำที่มีอยู่ควบแน่น:

จากวัสดุอ้างอิงนี้ เราได้ $r=2.26 10^6\frac(J)(kg)$ - ความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอ (ใช้ได้กับการควบแน่นด้วยเช่นกัน)

ความร้อนที่จำเป็นในการละลายน้ำแข็ง:

จากเอกสารอ้างอิงนี้ เรามี $\lambda =3.3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$- ความร้อนจำเพาะของการละลายของน้ำแข็ง

เราพบว่าไอน้ำให้ความร้อนมากกว่าที่จำเป็นในการละลายน้ำแข็งที่มีอยู่เท่านั้น ดังนั้นเราจึงเขียนสมการสมดุลความร้อนในรูปแบบ:

ความร้อนจะถูกปล่อยออกมาในระหว่างการควบแน่นของไอน้ำด้วยมวล $m_(p\ )$ และการระบายความร้อนของน้ำ ซึ่งเกิดขึ้นจากไอน้ำจากอุณหภูมิ $T_p$ จนถึงค่า T ที่ต้องการ ความร้อนจะถูกดูดซับในระหว่างการละลายน้ำแข็งที่มีมวล $m_(i\ )$ และการทำความร้อนน้ำด้วยมวล $m_v+ m_i$ จากอุณหภูมิ $T_i$ ถึง $T.\ $ ให้เราแสดงว่า $T-T_i=\triangle T$ สำหรับส่วนต่าง $T_p-T$ ที่เราได้รับ:

สมการสมดุลความร้อนจะอยู่ในรูปแบบ:

\ \ \[\triangle T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\left(m_v+m_i+m_(p\ )\right))\left (1.6\ขวา)\]

เรามาคำนวณกัน โดยพิจารณาว่าความจุความร้อนของน้ำอยู่ในตาราง $c=4.2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273K$:

$\สามเหลี่ยม T=\frac(2.26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4.2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2) \cdot 3.3\cdot 10^5)(4.2\cdot 10^3\cdot 5.7\cdot 10^(-1))\ประมาณ 3\left(K\right)$แล้ว T=273+3=276 (K)

คำตอบ: อุณหภูมิของน้ำในภาชนะหลังจากสร้างสมดุลความร้อนแล้วจะเป็น 276 เคลวิน

ตัวอย่างที่ 2

การมอบหมาย: รูปนี้แสดงส่วนของไอโซเทอร์มที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนของสารจากผลึกเป็นสถานะของเหลว ข้อใดสอดคล้องกับพื้นที่นี้ในแผนภาพ p,T

ชุดสถานะทั้งหมดที่ปรากฎในแผนภาพ p,V โดยส่วนของเส้นแนวนอนในแผนภาพ p,T จะแสดงด้วยจุดหนึ่งที่กำหนดค่าของ p และ T ที่การเปลี่ยนจากสถานะการรวมหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งเกิดขึ้น .