Агрегатные состояния вешеств

Получение плазмы.

Чтобы перевести  газ в состояние плазмы, нужно  оторвать хотя бы часть электронов от атомов, превратив эти атомы  в ионы.  Такой отрыв от атомов называют ионизацией. В природе и технике ионизация может производиться различными путями. Самые распространенные  из них:

·        Ионизация тепловой энергией

·        Ионизация электрическим разрядом.

·        Ионизация давлением.

·        Ионизация лазерным излучением.

 

 

Использование плазмы.

Наиболее  широко плазма применяется в светотехнике - в газоразрядных лампах, освещающих улицы. Гуляя вечером по улицам города, мы любуемся световыми рекламами, не думая о том, что в них светится неоновая или аргоновая плазма. Пользуемся лампами дневного света. Всякий, кто  имел «удовольствие» устроить в электрической  сети короткое замыкание, встречался с  плазмой. Искра,  которая проскакивает между проводами, состоит из плазмы электрического разряда в воздухе. Дуга электрической сварки тоже плазма. Любое вещество, нагретое до достаточно высокой температуры, переходит в состояние плазмы. Легче всего это происходит с парами щелочных металлов,  таких, как натрий, калий, цезий. Обычное пламя обладает некоторой теплопроводностью; оно, хотя и в слабой степени, ионизировано, то есть является плазмой. Причина этой проводимости - ничтожная  примесь натрия, который можно распознать по желтому свечению. Для полной ионизации газа нужна температура в десятки тысяч градусов. Кроме того, плазма применяется в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц. Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом. Свойствами, характерными для плазмы, обладают электроны проводимости в металле (ионы, жестко закрепленные в кристаллической решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных «дырок» (вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел. Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную - до 100 тыс. градусов и высокотемпературную - до 100 млн градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы - плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000-10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возникла новая область науки - плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе. Плазмотроны применяются и в горно-рудной промышленности, и для резки металлов. Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза. Термоядерными называют реакции синтеза более тяжёлых ядер из ядер лёгких элементов (в первую очередь изотопов водорода - дейтерия D и трития Т), протекающие при очень высоких температурах. В естественных условиях термоядерные реакции происходят на Солнце: ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия, при этом выделяется значительное количество энергии. Искусственная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в  водородной бомбе.

 

 

Далее рассмотрим по порядку  агрегатные состояния вещества: твёрдое  тело, жидкость и газ.

 

 

Первое агрегатное состояние вещества – твёрдое  тело

 

Основные положения атомистики были сформулированы в четвёртом  веке до н.э., но за это время молекулярная физика оказалась способна вывести  только приблизительные критерии агрегатных состояний вещества, пользуясь которыми, в большинстве случаев определить агрегатное состояние вещества невозможно.

Сейчас физическое определение  твёрдого тела имеет описательный характер. В нём не раскрывается причина  самоорганизации молекул вещества именно таким образом, а ведь это  основная задача молекулярной физики.

«Твёрдое тело - характеризуется  стабильностью формы и тем, что  образующие его атомы совершают  малые (тепловые) колебания вокруг фиксированных  положений равновесия. Твердые тела делятся на кристаллические и  аморфные. В кристаллах существует дальний порядок в расположении атомов и молекул, в аморфных же телах  колебания частиц происходят вокруг хаотически расположенных точек.

Различают твердые тела с  ионной, ковалентной, металлической  и другими типами связей, что обусловливает  разнообразие их физических свойств. Так, вещества с ионной связью хрупки, в  то время как типичные металлы очень пластичны. Электрические, магнитные и некоторые тепловые свойства твердых тел в основном определяются характером движения валентных электронов его атомов, который обусловлен типом связи. По электрическим свойствам твердые тела делятся на диэлектрики, полупроводники и металлы; по магнитным - на диамагнетики, парамагнетики, и тела с упорядоченной магнитной структурой». [2]

Для физического определения  используется перечисление макроскопических свойств вещества. Причина, по которой  молекулы вещества принимают качества твёрдого тела, не указана. Максимум, на что оказалась способна молекулярная физика – это вывести приблизительные критерии агрегатных состояний вещества. Под критерий твёрдого агрегатного состояния одновременно попадают вещества в твёрдом и жидком состоянии.

«Если , то вещество находится в твердом состоянии, так как молекулы, притягиваясь друг к другу, не могут удалиться на значительные расстояния и колеблется около положений равновесия, определяемого расстоянием ». [1]

В этом критерии нет чёткой границы агрегатного состояния  вещества - насколько  должна быть больше , и что произойдёт, если .

Для точного определения  твёрдого агрегатного состояния  вещества рассмотрим график взаимодействия двух молекул вещества (рис. 4). При  этом одна молекула находится в начале координат, другая на расстоянии .

Молекулы вещества в твёрдом  состоянии совершают колебания  вокруг положения равновесия внутри потенциальной ямы на расстояние за счет кинетической энергии. Осцилляция молекул вокруг центра равновесия ограничиваются потенциальной кривой. Нахождение молекул вещества в потенциальной яме является отличительным признаком твёрдого состояния вещества.

Рис. 4. Взаимодействие двух молекул вещества в твёрдом агрегатном состоянии без внешней нагрузки.

На графике  - наименьшая потенциальная энергия разрыва связи двух молекул. Величина определяет работу, которую нужно совершить против сил притяжения для того, чтобы разъединить молекулы, находящиеся в равновесии ( ).

При внешней нагрузке на твёрдое тело, может изменяться расстояние между молекулами вещества, Это может быть причиной выхода молекул за пределы потенциальной ямы. В этом случае твёрдое тело разрушается.

Вторая причина разрушения твёрдого тела температура. При увеличении температуры увеличивается кинетическая энергия молекул, увеличивается  осцилляция молекул  , уменьшается (расстояние до краёв потенциальной ямы). Это означает уменьшение прочности твёрдого тела. При этом надо помнить, что, в соответствии с Максвелловским распределением энергии молекул вещества, у части молекул будет энергия, соотвествующая агрегатному состоянию жидкости. С этими молекулами связаны пластичные свойства вещества. Также у части молекул будет энергия, соотвествующая агрегатному состоянию газа. С этими молекулами твёрдое тело приобретает некоторые свойства агрегатного состояния газа - например испарение отдельных молекул с поверхности твёрдого тела.

Наличие у молекул вещества , отличного от нуля, является отличительным признаком именно твёрдого агрегатного состояния вещества. Это позволяет вывести физическое определение твёрдого состояния вещества.

«Твердое агрегатное состояние  вещества - это такое состояние, при  котором  его атомы (молекулы, ионы) находятся в «потенциальной яме» и не могут ее покинуть».

 

Второе агрегатное состояние вещества – жидкость

 

Физическое определение  жидкости, также как и физическое определение твёрдого тела, в настоящее  время имеет описательный характер. В нём не раскрывается причина  самоорганизации молекул вещества в это агрегатное состояние.

«Жидкость - 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 состояния в  другое, с этим и связана текучесть  жидкости».[2]

В молекулярной физике есть приблизительный критерий, который  не позволяет точно определить, в  каком именно агрегатном состоянии  находятся молекулы вещества. Под  критерий жидкости попадают вещества в твёрдом, жидком и в газообразном состоянии.

«Если , то вещество находится в жидком состоянии, так как в результате теплового движения молекулы перемещаются в пространстве, обмениваясь местами, но не расходясь на расстояние, превышающее ».[1]

В этом определении указывается  следствие, что молекулы не привязаны  к кристаллической решётке, но не указана причина, (хотя известна) - то, что молекулы находятся на границе  потенциальной ямы. Привязка критерия агрегатного состояния только к температуре ( ) не даёт возможности однозначно определить агрегатное состояние жидкости. Предлагаемый критерий не учитывает давления над жидкостью, и концентрации молекул, а это очень важные факторы. Для воды, например, температура фазового перехода жидкость - пар при давлении равняется , а при давлении - . Любой критерий, привязанный к температуре, в этом диапазоне не сможет однозначно ответить на основной вопрос, для которого он был выведен – в каком агрегатном состоянии находится вода. Такие же проблемы существуют и для всех остальных веществ. Для описания агрегатного состояния жидкости нужно воспользоваться универсальным графиком агрегатных состояний вещества.

Составим этот график взаимодействия двух молекул для одного агрегатного  состояния вещества - жидкости и  объясним, исходя из этого графика, причину самоорганизации молекул  именно таким образом.

Из этого графика легко  понять, что происходит с веществом  при его переходе из твёрдого агрегатного  состояния в жидкость.

При увеличении температуры  твёрдого тела увеличивается кинетическая энергия молекул, увеличивается  величина осцилляций молекул  вокруг положения равновесия. Одновременно с этим уменьшается (расстояние до краёв потенциальной ямы). При уменьшении до нуля, вещество переходит в состояние жидкости.

На графике видно, что  агрегатное состояние жидкости соответствует  выходу молекул из потенциальной  ямы. Это агрегатное состояние вещества в вакууме имеет очень маленький  температурный диапазон. При увеличении давления температурный диапазон этого  агрегатного состояния увеличивается  за счёт конденсации молекул из пара.

Рис. 5 Взаимодействие двух молекул  вещества в агрегатном состоянии  жидкости.

 

Рассматривая левую часть  графика видно, что левая часть  потенциальной ямы круче, чем  у твёрдого тела, из чего следует  макроскопический вывод о практической несжимаемости жидкости.

Рассматривая правую часть  графика, видно, что выход из потенциальной  ямы очень пологий, что говорит  о незначительном сопротивлении  жидкости растяжению. Оно проявляется  в виде поверхностного натяжения.

Таким образом, мы можем вывести  физическое определение жидкости, имеющий  чёткий критерий.

«Жидкость - это такое  состояние вещества, при котором  все составляющие её атомы (молекулы, ионы) находятся в «потенциальной

яме», но в своем колебательном  движении имеют возможность её покидать».

 

  

 

 Третье агрегатное состояние вещества - газ

 

Существующее физическое определение агрегатного состояния  газа является описательным, и не раскрывает причину существования вещества в этом агрегатном состоянии.

«Газ - 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».[2]

В молекулярной физике есть приблизительный критерий, по которому это агрегатное состояние нельзя однозначно определить.

«Если , то вещество находится в газообразном состоянии, так как интенсивное тепловое движение молекул препятствует соединению молекул, сблизившихся до расстояния , т.е. вероятность образования агрегатов из молекул достаточно мала». [1]

Привязка критерия агрегатного  состояния газа только к температуре  не даёт возможности однозначно определить это агрегатное состояние, так как  не учитываются другие важные физические факторы, влияющие на агрегатное состояние - давление и концентрация молекул. Например, для воды температура фазового перехода жидкость - пар при давлении равняется , а при давлении - . Это означает, что в диапазоне температур от 0 до 374 градусов вода может находиться как в жидком, так и в газообразном состоянии, в зависимости от давления. Любой критерий, привязанный к температуре, не сможет однозначно ответить на основной вопрос, для которого он был выведен – в каком агрегатном состоянии находится вода. Такие же проблемы существуют и для всех остальных веществ.

Агрегатное состояние  вещества - газ принципиально отличается от твёрдого и жидкого агрегатных состояний вещества тем, что на графике  изменения потенциальной энергий  от расстояния, атомы (молекулы) вещества в этом агрегатном состоянии не находятся  в потенциальной яме. В агрегатном состоянии газа свойства вещества определяются только графиком потенциального барьера.