Агрегатные состояния вешеств

 

 

ПЛАН

 1.Агрегатные состояния веществ

 2.Аморфное состояние

3.Аморфные полимеры

4.Аморфные и стеклообразные  полупроводниковые материалы

5.Аморфнные магнетики,металлы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Агрегатные Состояния  Веществ.

Агрегатные  Состояния вещества (от лат. Aggrego –присоединяю, связываю), состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением его свободной энергии, энтропии, плотности и других физических свойств.

 Все  вещества (за некоторым исключением) могут существовать в трёх агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. Так, вода при нормальном давлении p= 10l 325 Па=760 мм ртутного столба и при температуре t=0 С. кристаллизуется в лёд, а при 100°С кипит и превращается в пар. Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто считают плазму.

Агрегатное  состояние вещества зависит от физических условий, в которых оно находится, главным образом от температуры  и от давления. Определяющей величиной  является отношение средней потенциальной  энергии взаимодействия молекул  к их средней кинетической энергии. Так, для твёрдого тeла это отношение  больше 1, для газов меньше 1, а  для жидкостей приблизительно равно 1.

Переход из одного агрегатного состояния вещества в другое сопровождается скачкообразным изменением величины данного отношения, связанным со скачкообразным изменением межмолекулярных расстояний и межмолекулярных взаимодействий. В газах межмолекулярные расстояния велики, молекулы почти не взаимодействуют друг с другом и движутся практически свободно, заполняя весь объём. В жидкостях и твёрдых телах —конденсированных средах — молекулы                         
(атомы) расположены значительно ближе друг к другу и взаимодействуют сильнее.

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

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

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

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

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

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

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

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

Температура плавления вещества зависит от давления. Для веществ, у которых объем  при плавлении возрастает (а таких  подавляющее большинство), повышение  давления повышает температуру плавления  и наоборот. У воды объем при  плавлении уменьшается (поэтому, замерзая, вода разрывает трубы), и при повышении  давления       

лед плавится при более низкой температуре. Аналогичным  образом ведут себя висмут, галлий и некоторые марки чугунов.

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

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

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

В связи  с этим в современной физике вместо понятия агрегатного состояния  пользуются более широким понятием — фазы. При фазовых переходах первого рода скачком изменяются плотность веществ и энергия тела; очевидно, при фазовых переходах первого рода всегда выделяется или поглощается конечное количество тепловой энергии. При фазовых переходах второго рода плотность и энергия меняются непрерывно, а скачок испытывает такие величины, как теплоемкость, теплопроводность; фазовые переходы второго рода не сопровождаются поглощением или выделением энергии. Примером фазового перехода второго рода может служить переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние, переход форромагнетика в парамагнетик при точке Кюри, переупорядочение кристаллов сплавов и др.

Характерным примером фазового перехода первого рода может служить  переход вещества из одного агрегатного  состояния в другое.

При переходах из одного агрегатного состояния в другое, как уже отмечено выше, обязательно  выделяется или поглощается тепло. Переход от более упорядоченных  структур к менее упорядоченным  требуют притока тепла извне, при обратных переходах выделяется такое же количество тепла, которое  поглощается при прямом переходе. Отметим, что, как правило, переход  из одного агрегатного состояния  в другое обычно имеет место при  постоянной температуре, таким образом, фазовый переход является источником или поглотителем тепла, работающим практически при постоянной температуре.

Способ изолирования катушки  индуктивности в глубинном приборе  путем заполнения диэлектриком камеры, в которой расположена катушка, отличающийся тем, что с целью  упрощения конструкции прибора  и повышения его эксплуатационной надежности, в качестве диэлектрика  используют вещество, температура плавления  которого ниже минимальной температуры  в зоне измерения и выше температуры  корпуса прибора перед его  спуском и в период спуска в  скважину.

Нередко изменения агрегатного  состояния вещества позволяет очень  просто решать до этого почти неразрешимые технические задачи. Например, как  заполнить послойно емкость смешивающимися между собой жидкостями?

Способ послойного заполнения емкости смешивающимися жидкостями путем последовательного анализа  их, отличающийся тем, что с целью  упрощения процесса, первую жидкость налитую в емкость, замораживают, следующую жидкость наливают на верхний  слой замороженной жидкости, а затем  последнюю размораживают.

При изменениях агрегатного  состояния резко изменяются электрические  характеристики вещества. Так, если металл в твердом или жидком виде - проводник, то пары металла - типичный диэлектрик.

Как отмечалось выше, перекристаллизация металла является фазовым переходом  второго рода. В момент перекристаллизации возникает эффект сверхпластичности  металла.

В этот момент металл, ранее  имевший прочную и сверхпрочную структуру, становится пластичным как  глина. Но длится это явление считанные  мгновения и протекает в очень  узком, причем непостоянном интервале  температур. Непосредственно подстеречь момент, когда начинается фазовое  превращение, невозможно, но известно, что при перестройке кристаллической  решетки металл начинает переходить из паромагнитного состояния в феромагнитное, что сопровождается резким изменением его магнитной проницаемости.

 

                                

 

                                       Что такое плазма?

ПЛАЗМА - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва. Термин “плазма” в физике был введен в 1929 американскими учеными И.Ленгмюром и Л.Тонксом. Вещество, разогретое до температуры в сотни тысяч и миллионы градусов, уже не может состоять из обычных нейтральных атомов. При столь высоких температурах атомы сталкиваются друг с другом с такой силой, что не могут сохраниться в целостности. При ударе атомы разделяются на более мелкие составляющие - атомные ядра и электроны. Эти частицы наделены электрическими зарядами: электроны - отрицательным, а ядра - положительным. Смесь этих частиц, называемая плазма представляет собой своеобразное состояние вещества, которое очень сильно отличается от относительно холодного газа по свойствам. Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, то есть, выполнено условие квазинейтральности. Средние кинетические энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут быть разными. Поэтому в общем случае плазму характеризуют не одним значением температуры, а несколькими – различают электронную температуру Те, ионную температуру Тi и температуру нейтральных атомов Та. Плазму с ионной температурой Тi < 105  К называют низкотемпературной, а с Тi > 106 К – высокотемпературной. Высокотемпературная плазма является основным объектом исследования по УТС. Низкотемпературная плазма находит применение в газоразрядных источниках света, газовых лазерах.

Несколько свойств плазмы. 

Степень ионизации

Степень ионизации определяется как отношение  числа ионизованных частиц к общему числу частиц. Для низкотемпературных плазм характерны малые степени  ионизации (<1%). Так как такие  плазмы довольно часто употребляются  в плазменных технологиях  их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, которые ускоряют электроны, которые в свою очередь ионизуют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи. Типичные применения низкотемпературных плазм включают плазменную модификацию свойств поверхности, плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях). Горячие плазмы почти всегда полностью ионизованы (степень ионизации ~100%). Обычно именно они понимаются под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце.  

Плотность

Помимо  температуры, которая имеет фундаментальную  важность для самого существования  плазмы, вторым наиболее важным свойством  плазмы является плотность. Слово  плотность плазмы  обычно обозначает плотность электронов, т.е. число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию — не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). Плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов. Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов n0. В горячей плазме n0 мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме.

 

 

 Квазинейтральность

Так как  плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение.Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности — плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов. В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний. Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счет кулоновского отталкивания.