Агрегатные состояния вешеств

Поскольку в газе нет равновесного положения молекул, в газе нельзя рассматривать взаимодействие двух соседних молекул, совершающих регулярные осцилляции. В газе и паре необходимо рассматривать взаимодействие как минимум трёх молекул, причём одна молекула (№2) поочерёдно сталкивается с разными молекулами. При этом взаимодействие молекул носит случайный характер, а движение – хаотично.

На (рис. 6) молекула №2 движется от молекулы №1, с которой уже  произошло упругое столкновение, до молекулы №3, с которой столкновение предстоит. Величина свободного пробега  молекулы №2 составляет . После столкновения с молекулой №3 молекула №2 будет двигаться к другой молекуле (№4) и т.д.

Из графика хорошо видно  макроскопическое свойство газа практически  неограниченного расширения.

При рассмотрении графика (рис.6) видно, что потенциальный барьер достаточно крутой, следовательно, газ  может выдерживать значительное давление, но при этом происходит уменьшение расстояния между молекулами.

На графике видно, что  при уменьшении объема пара меньше критического, возможно попадание молекул  в потенциальную яму. Этот физический феномен отличает состояние пара от состояния газа, в котором вещество ни при каком давлении не переходит  в состояние жидкости.

Рис. 6 Взаимодействие молекул  в газообразном агрегатном состоянии  вещества.

 

График на рисунке 6 позволяет  понять физический принцип существования  вещества в агрегатном состоянии  газа и вывести его физическое определение.

«Газ - это такое состояние  вещества, при котором его атомы (молекулы) не находятся в потенциальной  яме».

При этом следует помнить, что есть два различных состояния  газа – пар и газ. В паре есть силы отталкивания и силы сжатия. Силы отталкивания в паре возникают от движения молекул, связанных с кинетической энергией. Силы притяжения возникают  от потенциальной энергии взаимодействия молекул. Эти силы называются силами Ван – дер – Ваальса. Наличие  этих сил позволяет веществу при  сжатии перейти из газообразного  состояния вещества в жидкость.

                         

                            Аморфное состояние

 

Амо́рфное состоя́ние, твердое конденсированное состояние вещества, характеризующееся изотропией  физических свойств, обусловленной неупорядоченным расположением атомов и молекул.

(конденси́рованное состоя́ние  вещества, жидкое и твердое агрегатные состояния вещества. Переход вещества из газообразного в конденсированное состояние называется конденсацией.)

(изотропи́я (от изо... и греч. tropos — поворот, направление), независимость свойств физических объектов от направления. Характерна для жидкостей, газов и аморфных состояний твердых тел).

Кроме изотропии свойств (механических, тепловых, электрических, оптических и т. д.) для аморфного  состояния вещества характерно наличие  температурного интервала, в котором  аморфное вещество при повышении  температуры переходит в жидкое состояние. Этот процесс происходит постепенно: при нагревании аморфные вещества в отличие от кристаллических, сначала размягчаются, затем начинают растекаться и, наконец, становятся жидкими, т. е. аморфные вещества плавятся в широком интервале температур.

Изотропия свойств характерна и для поликристаллического состояния , но поликристаллы имеют строго определенную температуру плавления, что позволяет отличать поликристаллическое  состояние от аморфного.

 

Поликриста́ллы (от поли... и кристаллы), агрегаты хаотически ориентированных мелких кристаллов разного размера и неправильной формы, которые называются кристаллитами или кристаллическими зернами. Если зерна ориентированы хаотически, а их размеры малы, поликристаллические тела изотропны, т. е. их свойства одинаковы во всех направлениях. Когда кристаллиты имеют ту или иную преимущественную кристаллографическую ориентацию зерен, говорят о наличии текстуры. В этом случае поликристалл обладает анизотропией свойств.

Анизотропи́я (от греч. anisos —  неравный и tropos — направление), зависимость  свойств вещества от направления. Анизотропия  характерна, например, для механических, оптических, магнитных, электрических  и др. свойств кристаллов, т. к. обусловлена  закономерностью и симметрией их внутреннего строения. Все кристаллы в отношении хотя бы некоторых своих свойств обязательно анизотропны. Анизотропия является следствием того, что в структуре кристалла в разных направлениях различны расстояния и силы связи между атомами и проявляется тем сильнее, чем ниже симметрия кристаллов.

Не все свойства в кристаллах анизотропны. Некоторые свойства, такие  как, например, плотность и удельная теплоемкость, изотропны и не зависят  от направления. Изотропные свойства описываются  скалярными величинами. В то же время, многие свойства, например, теплопроводность, диэлектрическая восприимчивость, магнитная восприимчивость, показатель преломления света и др., существенно зависят от направления, по отношению к которому они определены. Наглядное описание анизотропии некоторых свойств дает построение указательных поверхностей, величина радиус-вектора которых соответствует значению измеряемого свойства в данном направлении.

Естественная анизотропия  — наиболее характерная особенность  кристаллов. Она проявляется в  различии скоростей роста кристаллов в разных направлениях. Именно поэтому  кристаллы вырастают в виде правильных многогранников: шестиугольные призмы кварца, кубики каменной соли, восьмиугольные кристаллы алмаза, разнообразные, но всегда шестиугольные звёздочки  снежинок. В случае изотропности скорости роста, кристалл вырастал бы в форме  шара.

Механическая анизотропия  состоит в различии механических свойств — прочности, твердости, вязкости, упругости — в разных направлениях. Количественно упругую  анизотропию оценивают по максимальному  различию модулей упругости. Проявлением  анизотропии механических свойств  являются особенности пластической деформации кристаллов. Кристалл деформируется  не по направлению действующей силы, а только в некоторых кристаллографических плоскостях по определенным кристаллографическим направлениям, зависящим от структуры кристалла

 

В аморфных веществах, в отличие  от кристаллических, отсутствует дальний порядок в расположении частиц вещества, но присутствует ближний порядок, соблюдаемый на расстояниях, соизмеримых с размерами частиц. Поэтому аморфные вещества не образуют правильной геометрической структуры, представляя собой структуры неупорядоченно расположенных молекул.

Да́льний поря́док и Бли́жний поря́док, наличие пространственной корреляции микроструктуры вещества:

- корреляция в пределах  всего микроскопического образца  — дальний порядок. 

- корреляция в области  с конечным радиусом — ближний  порядок. 

То есть дальний порядок  характеризует упорядоченность, повторяющуюся  на неограниченно больших расстояниях, ближний порядок — упорядоченность  на расстояниях, сравнимых с межатомными. Понятие дальний и ближний  порядок применимо к  конденсированному состоянию вещества.

Структурное отличие аморфного  вещества от кристаллического обнаруживается с помощью рентгенограмм. Монохроматические  рентгеновские лучи, рассеиваясь  на кристаллах, образуют дифракционную  картину в виде отчетливых линий  или пятен . Для аморфного состояния  это не характерно.

В отличие от кристаллического состояния, аморфное состояние вещества не является равновесным. Оно возникает  в результате кинетических факторов и со структурной точки зрения эквивалентно жидкому состоянию: аморфное вещество представляет собой переохлажденную  жидкость, обладающую очень большой  вязкостью. Обычно аморфное состояние  образуется при быстром охлаждении расплава, когда не успевает пройти кристаллизация вещества. Такой процесс  характерен для получения стекол, поэтому аморфное состояние часто  называют стеклообразным состоянием. Однако чаще всего даже самое быстрое  охлаждение недостаточно быстро для  того, чтобы помешать образованию  кристаллов. В результате этого большинство  веществ получить в аморфном состоянии  невозможно.

Самопроизвольный процесс  перестройки аморфного вещества в равновесную кристаллическую структуру за счет диффузионных тепловых смещений атомов практически бесконечен. Но иногда такие процессы можно достаточно легко осуществить. Например, аморфное стекло после выдержки при определенной температуре «расстекловывается», т.е. в нем появляются мелкие кристаллики и стекло мутнеет.

В природе аморфное состояние  менее распространено, чем кристаллическое. В аморфном состоянии находятся: опал, обсидиан, янтарь, смолы природные, битумы. В аморфном состоянии могут находиться не только вещества, состоящие из отдельных атомов и обычных молекул, такие, как стекла неорганические и жидкости (низкомолекулярные соединения), но и вещества, состоящие из длинноцепочечных макромолекул — высокомолекулярные соединения, или полимеры.

Стекло́ неоргани́чесекое, квазиаморфное твердое вещество, у которого при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц.

В современном понимании  понятие «стекло» определяется не просто как материал, а как некоторое  особое стеклообразное состояние твердого тела. Стекло — это такое состояние  аморфного вещества, которое получается при затвердевании переохлажденной  жидкости. Стекло неравновесно по отношению  к кристаллическому состоянию, которое  может реализовываться при том  же составе и при тех же внешних  условиях.

В стеклообразное состояние  можно перевести вещества различной  природы. Это и расплавы ряда чистых оксидов и их смесей в бесчисленных вариантах, и солеобразные расплавы — галогенидные, нитратные и др. В стеклообразном состоянии легко  могут быть получены и многие органические вещества. Стекла легко образуются водными растворами многих солей и их смесей. В последнее десятилетие стали известны металлические стекла, полученные особо быстрым охлаждением сплавов разных металлов. Таким образом, в стеклообразном состоянии могут находиться вещества самого разного химического типа, с самыми разными видами химических связей — ковалентных, ионных, металлических и разнообразными физико-химическими свойствами.

Впервые человечество познакомилось  с природным стеклообразным веществом  — обсидианом

Обсидиа́н (вулканическое  стекло), стекловатая вулканическая горная порода (красная, черная, серая, иногда с красивым отливом) с раковистым, режущим изломом. Образуется при застывании вязкой кислой лавы . Легко полируется; применяется для поделок

Аморфные  полимеры

 

Аморфны́е полиме́ры, конденсированное состояние полимеров, не имеющих  кристаллического строения, характеризующееся  отсутствием трехмерного  дальнего порядка в расположении макромолекул и ближним порядком в расположении звеньев или сегментов макромолекул, быстро исчезающим по мере их удаления друг от друга. Молекулы полимеров как бы образуют «рои», время жизни которых очень велико из-за огромной вязкости полимеров и больших размеров молекул. Поэтому в ряде случаев такие рои остаются практически неизменными. В аморфном состоянии находятся также растворы полимеров и полимерные студни.

Аморфные полимеры однофазны  и построены из цепных молекул, собранных  в пачки. Пачки являются структурными элементами и способны перемещаться относительно соседних элементов. Некоторые  аморфные полимеры могут быть построены  из глобул.

Аморфные полимеры в зависимости  от температуры могут находиться в трех состояниях, отличающихся характером теплового движения: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Стадия, в которой находится полимер, определяется изменением его структуры и силами сцепления между макромолекулами линейных полимеров.

При низких температурах аморфные полимеры находятся в стеклообразном состоянии. Сегменты молекул не обладают подвижностью, и полимер ведет себя как обычное твердое тело в аморфном состоянии. В этом состоянии материал хрупок. Переход из высокоэластического состояния в стеклообразное при уменьшении температуры, называется стеклованием, а температура такого перехода — температурой стеклования.

Высокоэластическое состояние, характеризующееся способностью полимера легко растягиваться и сжиматься, возникает при достаточно высоких температурах, когда энергия теплового движения становится достаточной для того, чтобы вызвать перемещение сегментов молекулы, но еще недостаточной для приведения в движение молекулы в целом. В высокоэластичном состоянии полимеры, при сравнительно небольших механических напряжениях, обладают весьма большой упругой деформацией. Например, каучуки могут растягиваться почти в 10 раз.

В вязкотекучем состоянии могут перемещаться не только сегменты, но и вся макромолекула. Полимеры приобретают способность течь, но, в отличие от обычной жидкости, их течение всегда сопровождается развитием высокоэластической деформации. Материал в этом состоянии под влиянием небольших усилий проявляет необратимую пластическую деформацию, что может быть использовано для его технологической обработки.

При линейном строении макромолекул полимеры в аморфном состоянии являются упруговязкими телами, а при образовании прочной пространственной структуры вязкоупругими телами.