Każda substancja składa się z cząsteczek, a jej właściwości fizyczne zależą od uporządkowania cząsteczek i ich wzajemnego oddziaływania. V zwyczajne życie obserwujemy trzy skupione stany materii - stały, ciekły i gazowy.

Na przykład woda może być w stanie stałym (lód), ciekłym (woda) i gazowym (pary).

Gaz rozszerza się, aż wypełni całą przydzieloną jej objętość. Jeśli uznamy, że gaz jest włączony Poziom molekularny, zobaczymy cząsteczki losowo rzucające się i zderzające się ze sobą oraz ze ściankami naczynia, które jednak praktycznie nie wchodzą ze sobą w interakcje. Jeśli objętość naczynia zostanie zwiększona lub zmniejszona, cząsteczki zostaną równomiernie rozłożone w nowej objętości.

W przeciwieństwie do gazu w danej temperaturze zajmuje on stałą objętość, jednak przybiera również postać naczynia do napełnienia - ale tylko poniżej jego powierzchni. Na poziomie molekularnym ciecz najłatwiej jest przedstawić w postaci kulistych cząsteczek, które chociaż są ze sobą w bliskim kontakcie, mają swobodę toczenia się względem siebie, jak okrągłe kulki w słoiku. Wlej płyn do naczynia - a cząsteczki szybko się rozprzestrzenią i wypełnią dolną część objętości naczynia, w wyniku czego płyn przyjmie swój kształt, ale nie rozprzestrzeni się do pełnej objętości naczynia.

Solidny posiada własny kształt, nie rozlewa się na całej objętości pojemnikai nie przybiera swojej formy. Na poziomie mikroskopowym atomy łączą się ze sobą. wiązania chemiczne, a ich położenie względem siebie jest stałe. Jednocześnie mogą tworzyć zarówno sztywne, uporządkowane struktury - sieci krystaliczne - jak i nieuporządkowaną stertę - ciała amorficzne (takie właśnie mają struktury polimerów, które wyglądają jak splątane i sklejone w misce makarony).

Powyżej opisano trzy klasyczne stany agregacji. Istnieje jednak czwarty stan, który fizycy skłonni są przypisywać liczbie agregatów. To jest stan plazmy. Plazma charakteryzuje się częściowym lub całkowitym oderwaniem elektronów od ich orbit atomowych, podczas gdy same wolne elektrony pozostają wewnątrz substancji.

Zmiany skupionych stanów materii możemy na własne oczy obserwować w przyrodzie. Woda z powierzchni zbiorników paruje i tworzą chmury. W ten sposób ciecz zamienia się w gaz. Zimą woda w zbiornikach zamarza, zamieniając się w stan stały, a wiosną ponownie topi się, zamieniając z powrotem w ciecz. Co dzieje się z cząsteczkami substancji, gdy przechodzi ona z jednego stanu do drugiego? Czy się zmieniają? Na przykład, czy cząsteczki lodu różnią się od cząsteczek pary? Odpowiedź jest jednoznaczna: nie. Cząsteczki pozostają dokładnie takie same. Ich energia kinetyczna zmienia się, a zatem właściwości substancji.

Energia cząsteczek pary jest wystarczająco duża, aby rozpraszać się w różnych kierunkach, a po ochłodzeniu para kondensuje się w ciecz, a cząsteczki wciąż mają wystarczająco dużo energii do prawie swobodnego ruchu, ale nie na tyle, aby oderwać się od przyciągania innych cząsteczek i odlecieć. Przy dalszym chłodzeniu woda zamarza, stając się ciałem stałym, a energia molekuł nie wystarcza już nawet na swobodny ruch wewnątrz ciała. Wibrują w jednym miejscu, utrzymywane przez siły przyciągania innych cząsteczek.

Główny ogólne wykształcenie

Linia UMK A.V. Peryshkin. Fizyka (7-9)

Wprowadzenie: stan skupienia materii

Stan agregacji - stan substancji o określonych właściwościach: zdolność do zachowania kształtu i objętości, uporządkowanie dalekiego lub bliskiego zasięgu i inne. Kiedy to się zmieni zagregowany stan materii jest zmiana właściwości fizyczne, a także gęstość, entropię i energię swobodną.

Jak i dlaczego zachodzą te niesamowite przemiany? Aby to zrozumieć, pamiętaj, że wszystko wokół składa się z... Atomy i molekuły różnych substancji oddziałują ze sobą i to właśnie związek między nimi determinuje jaki jest stan skupienia substancji?.

Istnieją cztery rodzaje substancji zbiorczych:

gazowy

Wygląda na to, że w tych niesamowitych przemianach chemia ujawnia nam swoje sekrety. Jednak tak nie jest. Przejście z jednego stanu skupienia do drugiego, a także dyfuzja, odnoszą się do: zjawiska fizyczne, ponieważ w tych przemianach nie zachodzą zmiany w cząsteczkach substancji, a ich skład chemiczny jest zachowany.

Stan gazowy

Na poziomie molekularnym gaz to chaotycznie poruszające się molekuły, które zderzają się ze ścianami naczynia i ze sobą, które praktycznie nie oddziałują ze sobą. Ponieważ cząsteczki gazu nie są ze sobą połączone, gaz wypełnia całą dostarczoną mu objętość, oddziałując i zmieniając kierunek tylko wtedy, gdy się ze sobą zderza.

Niestety nie da się zobaczyć cząsteczek gazu gołym okiem, a nawet przy pomocy mikroskopu świetlnego. Jednak gazu można dotknąć. Oczywiście, jeśli po prostu spróbujesz złapać cząsteczki gazu latające w twojej dłoni, to ci się nie uda. Ale na pewno każdy widział (lub robił to sam), jak ktoś napompował oponę samochodu lub roweru, a z miękkiej i pomarszczonej stała się napompowana i elastyczna. A pozorna „nieważkość” gazów obali eksperyment opisany na stronie 39 podręcznika „Chemistry Grade 7” pod redakcją O.S. Gabrielian.

Dzieje się tak, ponieważ zamknięta ograniczona objętość opony zostaje duża liczba cząsteczki, które stają się ciasne i zaczynają częściej uderzać o siebie i ściany opony, w wyniku czego łączny wpływ milionów cząsteczek na ściany jest przez nas odbierany jako ciśnienie.

Ale jeśli gaz zajmuje całą dostarczoną mu objętość, dlaczego więc nie leci w kosmos i nie rozprzestrzenia się po całym wszechświecie, wypełniając przestrzeń międzygwiezdną? Czy to oznacza, że ​​coś wciąż zatrzymuje i ogranicza gazy przez atmosferę planety?

Całkiem dobrze. I to - powaga... Aby oderwać się od planety i odlecieć, molekuły muszą rozwinąć prędkość przekraczającą „prędkość ucieczki” lub drugą prędkość kosmiczna, a zdecydowana większość cząsteczek porusza się znacznie wolniej.

Wtedy pojawia się pytanie: dlaczego cząsteczki gazu nie spadają na ziemię, ale nadal lecą? Okazuje się, że dzięki energii słonecznej cząsteczki powietrza mają solidny zapas energii kinetycznej, który pozwala im poruszać się wbrew siłom grawitacji.

Zbiór zawiera pytania i zadania o różnych orientacjach: kalkulacyjne, jakościowe i graficzne; techniczne, praktyczne i historyczne. Zadania są podzielone tematycznie zgodnie ze strukturą podręcznika „Fizyka. Grade 9 „autorzy A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik i pozwalają na wdrożenie wymagań określonych przez Federalne Państwowe Standardy Edukacyjne dla osobiste wyniki uczenie się.

Stan ciekły

Wraz ze wzrostem ciśnienia i/lub spadkiem temperatury gazy mogą przechodzić w stan ciekły. Na początku XIX wieku angielski fizyk a chemikowi Michaelowi Faradayowi udało się zlikwidować chlor i dwutlenek węgla kompresując je w bardzo niskich temperaturach. Jednak część gazów nie uległa wówczas naukowcom i, jak się okazało, nie był to brak ciśnienia, ale niemożność obniżenia temperatury do wymaganego minimum.

Ciecz, w przeciwieństwie do gazu, zajmuje określoną objętość, ale przybiera również postać pojemnika do napełnienia poniżej poziomu powierzchni. Płyn można wizualizować jako okrągłe kulki lub płatki zbożowe w słoiku. Cząsteczki cieczy są ze sobą w bliskiej interakcji, ale poruszają się swobodnie względem siebie.

Jeśli kropla wody pozostanie na powierzchni, po chwili zniknie. Ale pamiętamy, że dzięki prawu zachowania masy-energii nic nie znika i nie znika bez śladu. Ciecz wyparuje, tj. zmieni stan skupienia na gazowy.

Odparowanie - jest to proces transformacji stanu skupienia substancji, w którym cząsteczki, których energia kinetyczna przekracza energię potencjalną oddziaływań międzycząsteczkowych, unoszą się z powierzchni cieczy lub ciała stałego.

Nazywa się parowanie z powierzchni ciał stałych sublimacja lub sublimacja... Bardzo w prosty sposób Obserwuj sublimację to użycie kulek na mole do zwalczania ciem. Jeśli wyczuwasz zapach cieczy lub ciała stałego, następuje parowanie. W końcu nos po prostu wyłapuje aromatyczne cząsteczki substancji.

Płyny otaczają człowieka wszędzie. Wszyscy znają również właściwości płynów - są to lepkość, płynność. Mówiąc o kształcie cieczy, wielu mówi, że ciecz nie ma określonego kształtu. Ale to się dzieje tylko na Ziemi. Dzięki sile grawitacji kropla wody ulega deformacji.

Jednak wielu widziało, jak astronauci łapią kule wodne o różnych rozmiarach w stanie zerowej grawitacji. W przypadku braku grawitacji ciecz przybiera postać kuli. A siła napięcia powierzchniowego nadaje cieczy kulisty kształt. Bąbelki to świetny sposób na poznanie sił napięcia powierzchniowego na Ziemi.

Kolejną właściwością cieczy jest lepkość. Lepkość zależy od ciśnienia, składu chemicznego i temperatury. Większość płynów podlega prawu lepkości Newtona, odkrytemu w XIX wieku. Istnieje jednak szereg cieczy o dużej lepkości, które w pewnych warunkach zaczynają zachowywać się jak ciała stałe i nie podlegają prawu lepkości Newtona. Takie rozwiązania nazywane są płynami nienewtonowskimi. Najprostszym przykładem cieczy nienewtonowskiej jest zawiesina skrobi w wodzie. Jeśli działasz na płyn nienewtonowski za pomocą sił mechanicznych, płyn zacznie nabierać właściwości ciał stałych i zachowywać się jak ciało stałe.

Stan stały

Jeśli w cieczy, w przeciwieństwie do gazu, cząsteczki nie poruszają się już chaotycznie, ale wokół określonych centrów, to w stałym stanie skupienia materii atomy i cząsteczki mają wyraźną strukturę i wyglądają jak zbudowani żołnierze na paradzie. A dzięki sieci krystalicznej ciała stałe zajmują określoną objętość i mają stały kształt.

W pewnych warunkach substancje w stanie skupienia cieczy mogą zamienić się w ciało stałe, a ciała stałe, przeciwnie, stopić się i zamienić w ciecz po podgrzaniu.

Dzieje się tak, ponieważ po podgrzaniu energia wewnętrzna odpowiednio wzrasta, cząsteczki zaczynają poruszać się szybciej, a po osiągnięciu temperatury topnienia sieć krystaliczna zaczyna się zapadać i zmienia się stan skupienia substancji. Bardzo ciała krystaliczne objętość wzrasta podczas topienia, ale są wyjątki, na przykład lód, żeliwo.

W zależności od rodzaju cząstek tworzących sieć krystaliczną ciała stałego wyróżnia się następującą strukturę:

molekularny,

metal.

Niektóre substancje zmiana stanu skupienia dzieje się to łatwo, jak np. w pobliżu wody, inne substancje wymagają specjalnych warunków (ciśnienie, temperatura). Ale w współczesna fizyka naukowcy wyróżniają inny niezależny stan materii - plazmę.

Osocze - zjonizowany gaz o tej samej gęstości ładunków dodatnich i ujemnych... W żywej naturze plazma znajduje się na słońcu lub podczas błysku pioruna. zorza polarna a nawet znajome ognisko, które swoim ciepłem rozgrzewa nas podczas wyjść na łono natury, również nawiązuje do plazmy.

Sztucznie wytworzona plazma dodaje blasku każdemu miastu. Neonowe znaki to po prostu niskotemperaturowa plazma w szklanych rurkach. Świetlówki, do których jesteśmy przyzwyczajeni, są również wypełnione plazmą.

Plazma dzieli się na niskotemperaturowe – o stopniu jonizacji około 1% i temperaturze do 100 tys. stopni oraz wysokotemperaturowe – o jonizacji około 100% i temperaturze 100 milionów stopni (jest to stan plazmy w gwiazdkach).

Plazma niskotemperaturowa w znanych nam świetlówkach jest szeroko stosowana w życiu codziennym.

Plazma wysokotemperaturowa jest wykorzystywana w reakcjach syntezy termojądrowej i naukowcy nie tracą nadziei na wykorzystanie jej jako zamiennika energii atomowej, ale kontrola tych reakcji jest bardzo trudna. A niekontrolowana reakcja termojądrowa stała się bronią o kolosalnej mocy, gdy ZSRR przetestował bombę termojądrową 12 sierpnia 1953 r.

Kupić

Aby sprawdzić przyswajalność materiału, oferujemy mały test.

1. Co nie dotyczy stanów zagregowanych:

płyn

lekki +

2. Lepkość płynów newtonowskich zależy od:

Prawo Boyle-Mariotte

Prawo Archimedesa

Prawo lepkości Newtona +

3. Dlaczego atmosfera ziemska nie leci w kosmos:

ponieważ cząsteczki gazu nie mogą rozwinąć drugiej kosmicznej prędkości

ponieważ na cząsteczki gazu wpływa grawitacja +

obie odpowiedzi są poprawne

4. Co nie dotyczy substancji amorficznych:

• wosk uszczelniający

• żelazo +

5.Podczas chłodzenia objętość wzrasta w:

• lód +

Aby zrozumieć, jaki jest stan skupienia substancji, pamiętaj lub wyobraź sobie siebie latem nad rzeką z lodami w dłoniach. Świetny obraz, prawda?

Tak więc w tej sielance, oprócz czerpania przyjemności, można również prowadzić obserwację fizyczną. Zwróć uwagę na wodę. W rzece jest płynny, w składzie lodów w postaci lodu jest stały, a na niebie w postaci chmur jest gazowy. Oznacza to, że znajduje się jednocześnie w trzech różnych stanach. W fizyce nazywa się to stanem skupienia materii. Istnieją trzy stany skupienia – stały, ciekły i gazowy.

Zmiana zagregowanych stanów materii

Zmiany skupionych stanów materii możemy na własne oczy obserwować w przyrodzie. Woda z powierzchni zbiorników paruje i tworzą chmury. W ten sposób ciecz zamienia się w gaz. Zimą woda w zbiornikach zamarza, zamieniając się w stan stały, a wiosną ponownie topi się, zamieniając z powrotem w ciecz. Co dzieje się z cząsteczkami substancji, gdy przechodzi ona z jednego stanu do drugiego? Czy się zmieniają? Na przykład, czy cząsteczki lodu różnią się od cząsteczek pary? Odpowiedź jest jednoznaczna: nie. Cząsteczki pozostają dokładnie takie same. Ich energia kinetyczna zmienia się, a zatem właściwości substancji. Energia cząsteczek pary jest wystarczająco duża, aby rozpraszać się w różnych kierunkach, a po ochłodzeniu para kondensuje się w ciecz, a cząsteczki wciąż mają wystarczająco dużo energii do prawie swobodnego ruchu, ale nie na tyle, aby oderwać się od przyciągania innych cząsteczek i odlecieć. Przy dalszym chłodzeniu woda zamarza, stając się ciałem stałym, a energia molekuł nie wystarcza już nawet na swobodny ruch wewnątrz ciała. Wibrują w jednym miejscu, utrzymywane przez siły przyciągania innych cząsteczek.

Charakter ruchu i stan cząsteczek w różnych stanach skupienia odzwierciedla poniższa tabela:

Procesy, w których następuje zmiana stanu skupienia substancji, łącznie sześciu.

Nazywa się przejście substancji ze stanu stałego do cieczy topienie, proces odwrotny to krystalizacja... Kiedy substancja przechodzi z cieczy w gaz, nazywa się to odparowanie, od gazu do cieczy - kondensacja... Nazywa się przejście ze stanu stałego bezpośrednio do gazu, z pominięciem stanu ciekłego sublimacja, proces odwrotny to desublimacja.

• 1. Topienie
• 2. Krystalizacja
• 3. Wytwarzanie pary
• 4. Kondensacja
• 5. Sublimacja
• 6. Desublimacja

Przykłady wszystkich tych przejść widzieliśmy więcej niż raz w życiu. Lód topi się tworząc wodę, woda odparowuje tworząc parę. V Odwrotna strona para, kondensując, wraca do wody, a woda zamarzając, staje się lodem. A jeśli myślisz, że nie znasz procesów sublimacji i desublimacji, to nie spiesz się z wnioskami. Zapach ciała stałego to nic innego jak sublimacja. Niektóre cząsteczki są wyrzucane z organizmu, tworząc gaz, który możemy wyczuć. A przykładem procesu odwrotnego są wzory na szkle zimą, kiedy para unosząca się w powietrzu, zamarzając, osadza się na szkle i tworzy dziwaczne wzory.

Definicja 1

Zagregowane stany materii(z łac. „aggrego” oznacza „przyczepić”, „wiązać”) - są to stany tej samej substancji w postaci stałej, ciekłej i gazowej.

Podczas przechodzenia z jednego stanu do drugiego obserwuje się skokową zmianę energii, entropii, gęstości i innych właściwości materii.

Ciała stałe i płynne

Ciała stałe- są to ciała, które wyróżnia niezmienność kształtu i objętości.

W ciałach stałych odległości międzycząsteczkowe są niewielkie, a energię potencjalną cząsteczek można porównać z energią kinetyczną.

Bryły dzielą się na 2 typy:

1. Krystaliczny;
2. Amorficzny.

W stanie równowagi termodynamicznej znajdują się tylko ciała krystaliczne. W rzeczywistości ciała amorficzne są stanami metastabilnymi, które mają podobną strukturę do nierównowagowych, wolno krystalizujących cieczy. W ciele amorficznym zachodzi nadmiernie powolny proces krystalizacji, proces stopniowej przemiany substancji w fazę krystaliczną. Różnica między kryształem a amorficznym ciałem stałym polega przede wszystkim na anizotropii jego właściwości. Właściwości ciała krystalicznego są określane w zależności od kierunku w przestrzeni. Różne procesy(na przykład przewodność cieplna, przewodność elektryczna, światło, dźwięk) rozchodzą się w różnych kierunkach ciała stałego na różne sposoby. Ale ciała amorficzne (na przykład szkło, żywice, tworzywa sztuczne) są izotropowe, podobnie jak ciecze. Różnica między ciałami amorficznymi a cieczami polega tylko na tym, że te ostatnie są płynne, nie występują w nich statyczne odkształcenia ścinające.

Ciała krystaliczne mają prawidłowe struktura molekularna... To dzięki prawidłowej budowie kryształ ma właściwości anizotropowe. Prawidłowe ułożenie atomów kryształu tworzy tak zwaną sieć krystaliczną. W różnych kierunkach układ atomów w sieci jest różny, co prowadzi do anizotropii. Atomy (jony lub całe cząsteczki) w sieci krystalicznej wykonują losowy ruch wibracyjny w pobliżu środkowych pozycji, które są uważane za węzły sieci krystalicznej. Im wyższa temperatura, tym wyższa energia drgań, a co za tym idzie średnia amplituda drgań. Wielkość kryształu określa się w zależności od amplitudy drgań. Wzrost amplitudy drgań prowadzi do wzrostu wielkości ciała. To wyjaśnia rozszerzalność cieplną ciał stałych.

Definicja 3

Ciała płynne- są to ciała, które mają określoną objętość, ale nie mają elastycznego kształtu.

Dla substancji w stan ciekły Charakterystyczne są silne oddziaływania międzycząsteczkowe i niska ściśliwość. Ciecz zajmuje pozycję pośrednią między ciałem stałym a gazem. Ciecze, podobnie jak gazy, mają właściwości izotopowe. Dodatkowo ciecz posiada właściwość płynięcia. W nim, podobnie jak w gazach, nie ma naprężeń stycznych (naprężeń ścinających) ciał. Ciecze są ciężkie, to znaczy ich ciężar właściwy można porównać z ciężarem właściwym ciał stałych. Zbliżone do temperatur krystalizacji, ich pojemność cieplna i inne właściwości termiczne są zbliżone do odpowiednich właściwości ciał stałych. W cieczach obserwuje się prawidłowe ułożenie atomów w określonym stopniu, ale tylko na niewielkich obszarach. Tutaj atomy również oscylują wokół węzłów komórki quasikrystalicznej, jednak w przeciwieństwie do atomów ciała stałego okresowo przeskakują z jednego miejsca na drugie. W efekcie ruch atomów będzie bardzo złożony: wibracyjny, ale jednocześnie środek drgań porusza się w przestrzeni.

Gaz- to stan skupienia, w którym odległości między cząsteczkami są ogromne.

Siły oddziaływania między cząsteczkami przy niskich ciśnieniach można pominąć. Cząsteczki gazu wypełniają całą objętość przewidzianą dla gazu. Gazy są uważane za pary silnie przegrzane lub nienasycone. Szczególnym rodzajem gazu jest plazma (gaz częściowo lub całkowicie zjonizowany, w którym gęstość ładunków dodatnich i ujemnych jest prawie taka sama). Oznacza to, że plazma jest gazem naładowanych cząstek, które oddziałują ze sobą za pomocą sił elektrycznych z dużej odległości, ale nie mają bliskiego i dalekiego położenia cząstek.

Jak wiadomo, substancje mogą przechodzić z jednego stanu skupienia do drugiego.

Definicja 5

Odparowanie Jest procesem zmiany stanu skupienia substancji, w którym cząsteczki wylatują z powierzchni ciała ciekłego lub stałego, którego energia kinetyczna przekształca energię potencjalną oddziaływania cząsteczek.

Parowanie jest przemianą fazową. Po odparowaniu część cieczy lub ciała stałego zamienia się w parę.

Definicja 6

Substancję w stanie gazowym, która znajduje się w dynamicznej równowadze z cieczą, nazywamy nasyconą prom... W tym przypadku zmiana energii wewnętrznej ciała jest równa:

∆ U = ± m r (1),

gdzie m to masa ciała, r to ciepło właściwe parowania (D l / k g).

Definicja 7

Kondensacja to odwrotny proces waporyzacji.

Zmiana energii wewnętrznej jest obliczana ze wzoru (1).

Definicja 8

Topienie Jest procesem przemiany substancji ze stanu stałego w stan ciekły, procesem zmiany stanu skupienia substancji.

Gdy substancja jest podgrzewana, jej energia wewnętrzna rośnie, dlatego zwiększa się szybkość ruchu termicznego cząsteczek. Kiedy substancja osiąga temperaturę topnienia, sieć krystaliczna ciała stałego ulega zniszczeniu. Wiązania między cząstkami również ulegają zniszczeniu, a energia interakcji między cząstkami wzrasta. Ciepło przekazywane do ciała służy do zwiększenia energii wewnętrznej danego ciała, a część energii jest wydatkowana na wykonanie pracy nad zmianą objętości ciała w momencie jego topienia. W wielu ciałach krystalicznych objętość wzrasta podczas topienia, ale są wyjątki (na przykład lód, żeliwo). Ciała amorficzne nie mają określonej temperatury topnienia. Topienie to przemiana fazowa charakteryzująca się nagłą zmianą pojemności cieplnej w temperaturze topnienia. Temperatura topnienia zależy od substancji i pozostaje niezmieniona podczas procesu. Wtedy zmiana energii wewnętrznej ciała jest równa:

∆ U = ± m λ (2),

gdzie λ jest ciepłem właściwym topnienia (D ciecz / kg g).

Definicja 9

Krystalizacja to odwrotny proces topienia.

Zmiana energii wewnętrznej jest obliczana ze wzoru (2).

Zmiana energii wewnętrznej każdego korpusu systemu podczas ogrzewania lub chłodzenia jest obliczana według wzoru:

∆ U = m c ∆ T (3),

gdzie c jest właściwą pojemnością cieplną substancji, D l k g K, △ T jest zmianą temperatury ciała.

Definicja 10

Rozważając przemiany substancji z jednego stanu skupienia do drugiego, nie można obejść się bez tzw równania bilansu cieplnego: całkowita ilość ciepła uwalnianego w systemie z izolacją cieplną jest równa ilości ciepła (całkowitego), które jest pochłaniane w tym systemie.

P1 + P2 + P3 +. ... ... + Q n = Q "1 + Q" 2 + Q "3 +... + Q" k.

W rzeczywistości równanie bilansu ciepła jest prawem zachowania energii dla procesów wymiany ciepła w układach izolowanych termicznie.

Przykład 1

Izolowane naczynie zawiera wodę i lód o temperaturze t i = 0 ° C. Masa wody m υ i lodu m i są odpowiednio równe 0,5 kg i 60 g. Para wodna o masie m p = 10 g jest wtryskiwana do wody o temperaturze t p = 100 ° C. Jaka będzie temperatura wody w naczyniu po ustaleniu się równowagi termicznej? W takim przypadku pojemność cieplna naczynia nie musi być brana pod uwagę.

Obrazek 1

Rozwiązanie

Ustalmy, jakie procesy zachodzą w systemie, jakie zagregowane stany materii zaobserwowaliśmy i co otrzymaliśmy.

Para wodna skrapla się, wydzielając ciepło.

Energia cieplna jest wykorzystywana do topienia lodu i ewentualnie do podgrzewania dostępnej i uzyskanej z lodu wody.

Przede wszystkim sprawdźmy, ile ciepła uwalnia się podczas kondensacji istniejącej masy pary:

Q p = - r m p; Q p = 2, 26 · 10 6 · 10 - 2 = 2, 26 · 10 4 (Dg),

tutaj z materiałów odniesienia mamy r = 2, 26 · 10 6 J l k g - ciepło właściwe parowania (jest ono również wykorzystywane do kondensacji).

Do stopienia lodu potrzebna jest następująca ilość ciepła:

Q i = λ m i Q i = 6 10 - 2 3, 3 10 5 ≈ 2 10 4 (Dg),

tutaj z materiałów odniesienia mamy λ = 3, 3 · 10 5 J l k g - ciepło właściwe topnienia lodu.

Okazuje się, że para oddaje więcej ciepła niż to konieczne, tylko po to, aby stopić istniejący lód, co oznacza, że ​​równanie bilansu cieplnego zapisujemy w następujący sposób:

r m p + c m p (T p - T) = λ m i + c (m υ + m i) (T - T i).

Ciepło uwalniane jest podczas kondensacji pary o masie m p i schładzania wody powstałej z pary od temperatury T p do T pożądanej. Ciepło jest pochłaniane przez topienie lodu o masie m i i podgrzewanie wody o masie m υ + m i od temperatury T i do T. Oznaczamy T - T i = ∆ T dla różnicy T p - T otrzymujemy:

T p - T = T p - T i - ∆ T = 100 - ∆ T.

Równanie bilansu ciepła będzie wyglądało następująco:

r m p + c m p (100 - ∆ T) = λ m i + c (m υ + m i) ∆ T; c (m υ + m i + m p) ∆ T = r m p + c m p 100 - λ m i; ∆ T = r m p + c m p 100 - λ mi c m υ + m i + m p.

Zróbmy obliczenia, biorąc pod uwagę fakt, że pojemność cieplna wody jest tabelaryczna

c = 4,2 10 3 J l k g K, T p = tp + 273 = 373 K, T i = ti + 273 = 273 K: ∆ T = 2, 26 10 6 10 - 2 + 4, 2 · 10 3 · 10 - 2 · 10 2 - 6 · 10 - 2 · 3, 3 · 10 5 4, 2 · 10 3 · 5, 7 · 10 - 1 ≈ 3 (K),

wtedy T = 273 + 3 = 276 K

Odpowiedź: Temperatura wody w naczyniu po ustaleniu się równowagi termicznej wyniesie 276 K.

Przykład 2

Rysunek 2 przedstawia przekrój izotermy, który odpowiada przejściu substancji ze stanu krystalicznego do stanu ciekłego. Co odpowiada tej stronie na diagramie p, T?

Rysunek 2

Odpowiedź: Cały zbiór stanów, które są przedstawione na wykresie p, V za pomocą poziomego odcinka linii na wykresie p, T, przedstawia jeden punkt, który określa wartości p i T, przy których transformacja z jednego stanu agregacji do innego występuje.

Jeśli zauważysz błąd w tekście, zaznacz go i naciśnij Ctrl + Enter

Literatura

1. Korovin N.V. chemia ogólna... - M.: Wyższe. szk. - 1990, 560 s.

2. Glinka N.L. Chemia ogólna. - M.: Wyższe. szk. - 1983, 650 s.

Ugai Ya.A. Ogólne i chemia nieorganiczna... - M.: Wyższe. szk. - 1997, 550

Wykład 3-5 (6 godz.)

Temat 3. Stan fizyczny materii

Cel wykładu: rozważenie ogólnej charakterystyki stanu skupienia materii; szczegółowo przeanalizować stan gazowy materii, prawa gazów doskonałych (równanie stanu gazu doskonałego, prawa Boyle-Mariotte, Gay-Lussaca, Charlesa, Avogadro, Daltona); gazy rzeczywiste, równanie van der Waalsa; scharakteryzować stan ciekły i stały substancji; rodzaje sieci krystalicznych: molekularna, atomowo-kowalencyjna, jonowa, metaliczna i mieszana.

Badane zagadnienia:

3.1. ogólna charakterystyka zagregowany stan materii.

3.2. Gazowy stan materii. Prawa gazów doskonałych. Gazy rzeczywiste.

3.3. Charakterystyka stanu ciekłego materii.

3.4. Charakterystyka stanu stałego.

3.5. Rodzaje sieci krystalicznych.

Prawie wszystko znane substancje w zależności od warunków znajdują się w stanie gazowym, ciekłym, stałym lub plazmowym. To się nazywa stan skupienia ... Stan agregacji nie ma wpływu Właściwości chemiczne oraz strukturę chemiczną substancji, ale wpływa na stan fizyczny (gęstość, lepkość, temperatura itp.) oraz szybkość procesów chemicznych. Na przykład woda w stanie gazowym to para, w stanie ciekłym - ciecz, w stanie stałym - lód, śnieg, szron. Skład chemiczny to samo, ale właściwości fizyczne są inne. Różnica we właściwościach fizycznych jest związana z różnymi odległościami między cząsteczkami substancji i siłami przyciągania między nimi.

Gazy charakteryzują się: długie dystanse między cząsteczkami i małymi siłami przyciągania. Cząsteczki gazu poruszają się chaotycznie. Tłumaczy to fakt, że gęstość gazów jest niska, nie mają własnego kształtu, zajmują całą dostarczoną im objętość, gdy zmienia się ciśnienie, gazy zmieniają swoją objętość.

w stanie płynnym cząsteczki znajdują się bliżej siebie, wzrastają siły przyciągania międzycząsteczkowego, cząsteczki są w chaotycznym ruchu translacyjnym. Dlatego gęstość cieczy jest znacznie większa niż gęstość gazów, objętość jest określana, prawie nie zależy od ciśnienia, ale ciecze nie mają własnej postaci, ale przyjmują postać dostarczonego naczynia. Charakteryzuje je „porządek krótkozasięgowy”, czyli zaczątki struktury krystalicznej (omówione poniżej).

W ciałach stałych cząstki (cząsteczki, atomy, jony) są tak blisko siebie, że siły przyciągania są równoważone siłami odpychania, to znaczy cząstki mają ruchy oscylacyjne, a nie ma translacyjnych. W związku z tym cząstki ciał stałych znajdują się w określonych punktach przestrzeni, charakteryzują się „porządkiem dalekosiężnym” (do omówienia poniżej), bryły mają określony kształt, objętość.

Osocze Czy jakikolwiek obiekt, w którym elektrycznie naładowane cząstki (elektrony, jądra lub jony) poruszają się chaotycznie. Stan plazmy w przyrodzie jest dominujący i powstaje pod wpływem czynników jonizujących: wysokiej temperatury, wyładowania elektrycznego, wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego itp. Istnieją dwa rodzaje plazmy: izotermiczny oraz wyładowanie gazu . Pierwsza powstaje pod wpływem wysokiej temperatury, jest dość stabilna, istnieje od dawna np. słońce, gwiazdy, piorun kulowy... Drugi powstaje pod wpływem wyładowania elektrycznego i jest stabilny tylko w obecności pola elektrycznego, na przykład w lampach gazowych. Plazmę można traktować jako zjonizowany gaz, który podlega prawom gazu doskonałego.