Зміни типів держав та їх характеристики (з прикладами)



The зміни держави вони є термодинамічним явищем, коли речовина зазнає оборотних фізичних змін. Вона вважається термодинамічною, оскільки теплопередача відбувається між речовиною і оточенням; або те ж саме, існують взаємодії між речовиною і енергією, які індукують перегрупування частинок.

Частинки, які відчувають зміну стану, залишаються такими ж до і після неї. Тиск і температура є важливими змінними в тому, як вони розміщені в тій чи іншій фазі. При зміні стану утворюється двофазна система, що складається з одного і того ж матеріалу в двох різних фізичних станах.

Верхнє зображення показує основні зміни стану, що відчуваються матеріалом в нормальних умовах.

Твердий куб блакитної речовини може стати рідким або газоподібним залежно від температури і тиску навколишнього середовища. Сама по собі вона представляє лише одну фазу: тверду. Але, в момент плавлення, тобто плавлення, встановлюється рівновага твердої рідини, званої злиттям (червона стрілка між кубом і синюватою краплею).

Для того, щоб відбувалося злиття, куб повинен поглинати тепло з оточення, щоб підвищити його температуру; отже, це ендотермічний процес. Після того, як куб повністю розплавиться, знову з'являється лише одна фаза: рідина.

Ця синюшлива крапля може продовжувати поглинати тепло, що підвищує його температуру і призводить до утворення газоподібних бульбашок. Знову ж таки, існують дві фази: одна рідина та інший газ. Коли вся рідина випаровується через точку кипіння, вона говорить, що вона кип'ячена або випаровується.

Тепер блакитні краплі перетворюються на хмари. До цих пір всі процеси були ендотермічними. Синюшний газ може продовжувати поглинати тепло до нагрівання; однак, враховуючи земні умови, це навпаки має тенденцію охолоджуватися і знову конденсуватися в рідині (конденсації).

З іншого боку, хмари також можуть бути нанесені безпосередньо на тверду фазу, знову утворюючи твердий куб (осадження). Ці два останні процеси є екзотермічними (сині стрілки); тобто випускають тепло до навколишнього середовища або навколишнього середовища.

На додаток до конденсації і осадження відбувається зміна стану, коли синювату краплю замерзає при низьких температурах (затвердіння).

Індекс

  • 1 Типи змін стану та їх характеристики
    • 1.1 Fusion
    • 1.2 Випаровування
    • 1.3 Конденсація
    • 1.4 Затвердіння
    • 1.5 Сублімація
    • 1.6 Осадження
  • 2 Інші зміни статусу
  • 3 Посилання

Типи змін стану та їх характеристики

Зображення показує типові зміни для трьох (найбільш поширених) станів речовини: твердого, рідкого і газоподібного. Зміни, що супроводжуються червоними стрілками, є ендотермічними, вони включають поглинання тепла; тоді як ті, які супроводжуються синіми стрілками, є екзотермічними, вони випускають тепло.

Нижче наводиться короткий опис кожного з цих змін, виділяючи деякі його характеристики з молекулярних і термодинамічних міркувань.

Fusion

У твердому стані частинки (іони, молекули, скупчення тощо) є "ув'язненими", розташованими в фіксованих положеннях простору без можливості вільного переміщення. Однак вони здатні вібрувати на різних частотах, і якщо вони дуже сильні, то строгий порядок, накладений міжмолекулярними силами, почне «розсипатися»..

В результаті виходять дві фази: одна, де частинки залишаються замкнутими (твердими), а інша, де вони є більш вільними (рідкими), достатньо для збільшення відстаней, які відокремлюють їх один від одного. Щоб досягти цього, тверде тіло повинно поглинати тепло, і таким чином його частинки будуть вібрувати з більшою силою.

З цієї причини синтез є ендотермічним, і, коли він починається, сказано, що відбувається баланс між твердофазними фазами.

Тепло, необхідне для виникнення цієї зміни, називається ентальпією плавлення (ΔН)Fus). Це виражає кількість тепла (енергії, в одиницях kJ переважно), яка повинна поглинати один моль речовини в твердому стані для плавлення, а не просто підвищувати його температуру.

Сніжок

Маючи це на увазі, ви розумієте, чому сніжний ком тане в руці (верхній образ). Це поглинає тепло тіла, що достатньо для підвищення температури снігу вище 0 ° C.

Кристали льоду, присутні в снігу, поглинають тепло тільки для того, щоб розплавитися, а молекули води - до більш невпорядкованої структури. Поки сніг тане, вода, що утвориться, не підвищить його температуру, тому що вся тепло рукою використовується снігом для завершення його злиття..

Випаровування

Продовжуючи приклад води, тепер розміщуючи жменю снігу в горщику і запалюючи вогонь, спостерігається, що сніг швидко тане. У міру того як вода нагрівається, всередині утворюються дрібні бульбашки вуглекислого газу та інші можливі газоподібні домішки..

Тепло розширює невпорядковані конфігурації води молекулярно, розширюючи її обсяг і збільшуючи тиск пари; отже, існує кілька молекул, які виходять з поверхні продукту збільшення випаровування.

Рідка вода повільно підвищує свою температуру завдяки високій питомій теплоємності (4,184 Дж / ° С). Настає точка, де поглинене тепло більше не використовує його для підвищення своєї температури, а для початку рівноваги рідин-парів; тобто починає закипати і вся рідина піде в газоподібний стан при поглинанні тепла і підтримці постійної температури.

Тут спостерігається інтенсивне барботирование на поверхні кип'яченої води (верхнє зображення). Тепло, що поглинається рідкою водою таким чином, що тиск парів її початкових бульбашок дорівнює зовнішньому тиску, називається ентальпією пароутворення (ΔH)Vap).

Роль тиску

Тиск також є визначальним у змінах держави. Яке його вплив на випаровування? Що при більш високому тиску, тим більше тепло, яке вода повинна поглинати до кипіння, і тому вона випаровується вище 100 ° C.

Це пояснюється тим, що збільшення тиску перешкоджає виведенню молекул води з рідини в газову фазу.

Скороварки використовують цей факт у свою користь для нагрівання їжі у воді до температури, що перевищує її температуру кипіння.

З іншого боку, оскільки існує вакуум або зниження тиску, рідка вода потребує більш низької температури, щоб кипіти і перейти до газової фази. З великим або малим тиском, під час кип'ятіння вода повинна поглинати свою відповідну теплоту випаровування для завершення зміни стану.

Конденсація

Вода випарувалася. Що далі? Водяна пара все ще може підвищити температуру, стаючи небезпечним струмом, здатним викликати сильні опіки.

Однак припустимо, що він замість цього охолоджується. Як? Випускаючи тепло до навколишнього середовища, і випускаючи тепло, кажуть, що відбувається екзотермічний процес.

При випуску тепла високоенергетичні газоподібні молекули води починають сповільнюватися. Крім того, їх взаємодія починає бути більш ефективним, коли температура пари знижується. Перші краплі води сформуються, конденсуються з парів, за якими слідують великі крапельки, які приваблюють сила тяжіння.

Щоб повністю знизити певну кількість парів, потрібно звільнити ту ж енергію, але з протилежним знаком, до ΔHVap; Її ентальпія конденсації ΔHCond. Таким чином, зворотна рівновага пара-рідина є стабільною.

Змочені вікна

Конденсація може спостерігатися у вікнах будинків. У холодному кліматі водяна пара в будинку стикається з вікном, який завдяки своєму матеріалу має більш низьку температуру, ніж інші поверхні.

Молекули пари легше об'єднати, створюючи тонкий білуватий шар, який легко знімається вручну. Коли ці молекули виділяють тепло (нагріваючи скло і повітря), вони починають утворювати більш численні кластери, поки вони не можуть конденсувати перші краплі (верхнє зображення).

Коли краплі значно збільшують свій розмір, вони ковзають через вікно і залишають сліди води.

Затвердіння

З рідкої води, які інші фізичні зміни ви можете страждати? Затвердіння за рахунок охолодження; іншими словами, він замерзає. Щоб заморозити, вода повинна вивільнити таку ж кількість тепла, яку лід поглинає, щоб розтопити. Знову ж таки, ця теплота називається ентальпією твердіння або заморожування, ΔHCong (-ΔHFus).

При охолодженні молекули води втрачають енергію, а їх міжмолекулярні взаємодії стають сильнішими і спрямованими. У результаті вони упорядковані за своїми водневими зв'язками і утворюють так звані кристали льоду. Механізм росту кристалів льоду впливає на їх зовнішній вигляд: прозорий або білий.

Якщо кристали льоду ростуть дуже повільно, вони не закупорюють домішки, такі як гази, які при низьких температурах солюбілізуються у воді. Таким чином, бульбашки вириваються і не можуть взаємодіяти зі світлом; і, отже, є льоди, прозорі, як у надзвичайної льодової статуї (верхнє зображення).

Те ж саме відбувається і з льодом, це може статися з будь-якою іншою речовиною, яка застигає при охолодженні. Можливо, це найскладніша фізична зміна в земних умовах, оскільки можна отримати кілька поліморфів.

Сублімація

Чи може вода сублімуватися? Ні, принаймні, при нормальних умовах (Т = 25 ° С, Р = 1 атм). Для того щоб відбувалася сублімація, тобто зміна стану від твердого до газу, тиск парів твердого речовини має бути високим.

Також важливо, щоб їхні міжмолекулярні сили не були дуже сильними, бажано, якщо вони складаються тільки з сил розгону

Найбільш емблематичним прикладом є твердий йод. Це кристалічне тверде тіло сірувато-пурпурових тонів, яке має високий тиск парів. Це так, що в акті випускається пурпурний пар, об'єм і розширення якого стають помітними під час нагрівання.

Верхнє зображення показує типовий експеримент, де твердий йод випаровується в скляній тарі. Цікаво і вражає спостереження за тим, як пурпурні пари розсіюються, і ініційований студент може перевірити відсутність рідкого йоду.

Це основна характеристика сублімації: відсутність рідкої фази. Він також є ендотермічним, оскільки тверде речовина поглинає тепло, щоб підвищити тиск пари, щоб відповідати зовнішньому тиску.

Осадження

Паралельно експерименту з сублімації йоду ми маємо його осадження. Осадження є протилежним зміною або переходом: речовина переходить з газоподібного стану в тверде тіло без утворення рідкої фази.

Коли пари пурпурового йоду контактують з холодною поверхнею, вони випускають тепло, щоб нагріти його, втрачаючи енергію і перегрупуючи свої молекули назад у сіро-пурпурне тверде тіло (верхнє зображення). Це тоді екзотермічний процес.

Осадження широко використовується для синтезу матеріалів, де вони леговані атомами металу складними методами. Якщо поверхня дуже холодна, обмін тепла між ним і частками пари є різким, опускаючи проходження через відповідну рідку фазу.

Тепло або ентальпія відкладення (а не депозит) - обернена сублімація (ΔHSub= - ΔHDep). Теоретично, численні речовини можуть бути сублімовані, але для досягнення цього необхідно маніпулювати тисками і температурами, крім того, ви повинні мати під рукою діаграму P проти T; в яких можна виділити його далекі можливі фази.

Інші зміни стану

Хоча про них не згадується, є й інші стани матерії. Іноді вони характеризуються тим, що мають «трохи кожного», а тому є їх комбінацією. Щоб створити їх, маніпулювати тиском і температурою при дуже позитивних (великих) або негативних (малих) величинах.

Так, наприклад, якщо гази нагріваються надмірно, вони втратять свої електрони, а їх позитивно заряджені ядра в цьому негативному припливі будуть представляти собою плазму. Вона є синонімом "електричного газу", оскільки має високу електропровідність.

З іншого боку, зниження температури занадто багато, матерія може вести себе несподівано; тобто вони мають унікальні властивості навколо абсолютного нуля (0 K).

Одним з таких властивостей є надплинність і надпровідність; а також формування Бозе-Ейнштейна конденсатів, де всі атоми ведуть себе як один.

Навіть деякі дослідження вказують на фотонні матерії. У них частинки електромагнітного випромінювання, фотони, групуються з утворенням фотонних молекул. Тобто це було б теоретично давати масу тілам світла.

Список літератури

  1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19 листопада 2018). Перелік фазових змін між станами матерії. Отримано з: thoughtco.com
  2. Вікіпедія. (2019). Стан речовини Отримано з: en.wikipedia.org
  3. Дорлінг Кіндерслі. (2007). Зміна станів. Отримано з: factmonster.com
  4. Мейерс Амі. (2019). Зміна фази: випаровування, конденсація, заморожування, плавлення, сублімація та осадження. Дослідження. Отримано з: study.com
  5. Bagley M. (11 квітня 2016 року). Матерія: визначення і п'ять станів матерії. Отримано з: livescience.com
  6. Уіттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія (8-е изд.). CENGAGE Навчання.