Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией. При определенных условиях вещества могут переходить из одного состояния в другое. Переход из одного агрегатного состояния в другое. Процесс, обратный сублимации (переход вещества из газа в твердое состояние), называется десублимация. Существуют некоторые вещества, которые из твердого состояния переходят сразу в газообразное, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией или возгонкой.

Испарение может происходить при любой температуре. Переход жидкости в пар, происходящий по всему объему тела, называется кипением, а температуру, при которой жидкость кипит, – температурой кипения. Если прочие параметры внешней среды (в частности, давление) остаются постоянными, то температура тела в процессе плавления (кристаллизации) и кипения не изменяется.

2. Жидкое состояние

Существуют и другие агрегатные состояния, например, конденсат Бозе - Эйнштейна. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию. Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Твёрдые тела делятся на кристаллические и аморфные. Кристаллы характеризуются пространственной периодичностью в расположении равновесных положений атомов, которая достигается наличием дальнего порядка и носит название кристаллической решётки.

1. Твердое состояние

Согласно классическим представлениям, устойчивым состоянием (с минимумом потенциальной энергии) твёрдого тела является кристаллическое. Частным случаем аморфного состояния является стеклообразное состояние. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом. Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана.

Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. Как и газ, жидкости тоже в основном изотропные. Однако, существуют жидкости с анизотропными свойствами - жидкие кристаллы. Кроме изотропной, так называемой нормальной фазы, эти вещества, мезогены, имеют одну или несколько упорядоченных термодинамических фаз, которые называют мезофазы.

3. Газообразное состояние

Молекулы в газе могут перемещаться свободно и быстро. Газообразное состояние характерно тем, что оно не сохраняет ни форму, ни объём. Газ заполняет всё доступное пространство и проникает в любые его закоулки. Это состояние, свойственное веществам с малой плотностью.

С микроскопической точки зрения газ - это состояние вещества, в котором его отдельные молекулы взаимодействуют слабо и движутся хаотически. Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда). Некоторые вещества не имеют газообразного состояния.

Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто называют плазму. Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости.

Испарение и конденсация

В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы. Поскольку атомыгелия являются бозонами, квантовая механика допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа частиц.

Поскольку энергия состояний дискретна, атом может получить не любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяния энергии попросту не будет происходить.

Считается также, что в эволюции Вселенной состояние глазмы предшествовало кварк-глюонной плазме, которая существовала в первые миллионные доли секунды сразу после Большого взрыва. При глубоком охлаждении некоторые (далеко не все) вещества переходят в сверхпроводящее или сверхтекучее состояние. Принципиально отличное от других состояние вещества, состоящее только из нейтронов.

Коэффициент диффузии при этом имеет промежуточное между жидкостью и газом значение. Вещества в сверхкритическом состоянии могут применяться в качестве заменителей органических растворителей в лабораторных и промышленных процессах.

Материал из Гипермаркет знаний

В результате вещество в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. МэВ и выше) в нейтронном состоянии начинают рождаться и аннигилировать разнообразные мезоны. При дальнейшем повышении температуры происходит деконфайнмент, и вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Оно состоит уже не из адронов, а из постоянно рождающихся и исчезающих кварков и глюонов.

Рассмотрим три агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное и два перехода к ним.

Фазовый переход «твердое тело – жидкость»

Из школьного курса физики известны четыре факта об этом переходе.

Факт первый: переход вещества из твердого состояния (фазы) в жидкое называется плавлением , а обратный – кристаллизацией .

Факт второй: при плавлении система поглощает тепло, а при отвердевании – отдает тепло.

Факт третий: в процессе плавления (кристаллизации) температура системы остается постоянной до тех пор, пока вся система не расплавится. Эта температура называется температурой плавления .

Факт четвертый: закон плавления: количество тепла δQ, которое необходимо для плавления вещества массой dm, пропорционально этой массе:

Коэффициент пропорциональности λ есть константа, зависящая только от вещества системы и называемая удельной теплотой плавления.

Этот закон справедлив и для кристаллизации, правда с одним отличием: δQ в этом случае – тепло выделяемое системой. Поэтому в обобщенном виде закон можно записать:

Это вполне допустимое приближение, если считать, что разность температур между системой и тем объектом, который поставляет системе тепло, не слишком велика, намного меньше температуры плавления. Тогда можно использовать термодинамический смысл энтропии: с точки зрения термодинамики энтропия – это такая функция состояния системы, изменение которой dS в элементарном равновесном процессе равно отношению порции тепла δQ , которое система получает в этом процессе, к температуре системы Т :

Подставим сюда выражение для δQ, получим:

Из этой формулы следует, что при плавлении энтропия возрастает, а при кристаллизации уменьшается. Физический смысл этого результата достаточно ясен: фазовая область молекулы в твердом теле гораздо меньше, чем в жидкости, так как в твердом теле каждой молекуле доступна только малая область пространства между соседними узлами кристаллической решетки, а в жидкости молекулы занимают всю область пространства. Поэтому при равной температуре энтропия твердого тела меньше энтропии жидкости. Это означает, что твердое тело представляет собой более упорядоченную, и менее хаотичную систему, чем жидкость.

Фазовый переход «жидкость – газ»

Этот переход обладает всеми свойствами перехода «твердое тело – жидкость».

Существует четыре факта, знакомые из школьного курса физики.

Факт первый: переход вещества из жидкости в газовую фазу называется испарением, а обратный переход – конденсацией.

Факт второй: при испарении система поглощает тепло, при конденсации – теряет.

Факт третий: процессы испарения и конденсации протекают в широком диапазоне температур, но фазовым переходом они являются лишь тогда, когда процесс захватывает всю массу вещества. Это происходит при определенной температуре Т к , которая называется температурой кипения . Для каждого вещества температура кипения своя. В процессе фазового перехода «жидкость – газ» температура остается постоянной и равной температуре кипения до тех пор, пока вся система не перейдет из одной фазы в другую.

Факт четвертый: закон испарения: количество тепла δQ, необходимое для испарения вещества массой dm, и которое пропорционально этой массе:

Этот закон справедлив и для конденсации, правда с одним отличием: δQ в этом случае – тепло выделяемое системой. Поэтому закон испарения можно записать в общем виде:

Где знак плюс относится к испарению, а знак минус – к конденсации.

Применение энтропии в этом процессе можно найти просто, считая процесс равновесным. И опять это вполне допустимое приближение, при условии, что разность температур между системой и «поставщиком» тепла невелика, т.е. намного меньше температуры кипения. Тогда

Из формулы (6.3.4) следует, что при испарении энтропия возрастает, а при конденсации уменьшается.

Физический смысл этого результата состоит в различии фазовой области молекулы в жидкости и газе. Хотя в жидкости и газе каждой молекуле доступна вся область пространства, занятая системой, но сама эта область для жидкости существенно меньше, чем для газа. В жидкости силы притяжения между молекулами удерживают их на определенном расстоянии друг от друга. Поэтому каждая молекула хотя и имеет возможность свободно мигрировать по области пространства, занятой жидкостью, но не имеет возможности «оторваться от коллектива» остальных молекул: стоит ей оторваться от одной молекулы, как тут же притягивается другая. Поэтому объем жидкости зависит от её количества и никак не связан с объемом сосуда.

Молекулы газа ведут себя иначе. У них гораздо больше свободы, среднее расстояние между ними таково, что силы притяжения очень малы, и молекулы «замечают друг друга» лишь при столкновениях. В результате газ всегда занимает весь объем сосуда.

Поэтому при равных температурах фазовая область молекул газа значительно больше фазовой области молекул жидкости, и энтропия газа больше энтропии жидкости. Газ, по сравнению с жидкостью, гораздо менее упорядоченная, более хаотичная система.

В окружающем нас мире постоянно и непрерывно происходит огромное множество различных физических явлений и процессов. Одним из немаловажных можно считать процесс испарения. Существует несколько обязательных условий для данного явления. В этой статье мы разберем каждый из них более подробно.

Это процесс преобразования веществ в газообразное или парообразное состояние. Оно характерно только для консистенции. Однако нечто похожее наблюдается и у твердых тел, только называется данное явление сублимацией. Это можно заметить при тщательном наблюдении за телами. Например, кусок мыла с течением времени подсыхает и начинает трескаться, это объясняется тем, что капельки воды в его составе испаряются и переходят в газообразное состояние H 2 O.

Определение в физике

Испарение - это эндотермический процесс, при котором источником поглощаемой энергии служит теплота Она включает в себя две составляющие:

• определенное необходимое для преодоления молекулярных сил притяжения, когда происходит разрыв между соединенными молекулами;
• теплота, необходимая при работе расширения молекул в процессе превращения жидких веществ в пар или газ.

Как это происходит?

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное может происходить двумя способами:

1. Испарение - это процесс, при котором с поверхности жидкого вещества улетучиваются молекулы.
2. Кипение - процесс парообразования из жидкости путем доведения температуры до удельной теплоты кипения вещества.

Несмотря на то что оба эти явления преобразуют жидкое вещество в газ, между ними есть существенные различия. Кипение - это активный процесс, который совершается только при определенной температуре, тогда как испарение происходит при любых условиях. Еще одно отличие заключается в том, что кипение характерно для всей толщи жидкости, а второе явление возникает только на поверхности жидких веществ.

Молекулярно-кинетическая теория испарения

Если рассматривать данный процесс на молекулярном уровне, то он происходит следующим образом:

1. Молекулы в жидких веществах находятся в постоянном хаотичном движении, все они имеют абсолютно разные скорости. Между тем частицы притягиваются друг к другу благодаря силам притяжения. Каждый раз когда они сталкиваются друг с другом, их скорости меняются. В какой-то момент у некоторых развивается очень большая скорость, позволяющая преодолеть силы притяжения.
2. Эти элементы, которые оказались на поверхности жидкости, обладают такой кинетической энергией, что способны преодолевать межмолекулярные связи и покидать жидкость.
3. Именно эти самые быстрые молекулы вылетают с поверхности жидкого вещества, причем происходит этот процесс постоянно и непрерывно.
4. Оказавшись в воздухе, они превращаются в пар - называется это парообразованием.
5. Как следствие этого, оставшихся частиц становится все меньше. Этим и объясняется остывание жидкости. Вспомните, как в детстве нас учили дуть на горячую жидкость, чтобы она скорее остыла. Получается, что мы ускоряли процесс и спад температуры происходил намного быстрее.

От каких факторов зависит?

Существует множество условий, необходимых для возникновения данного процесса. Оно происходит отовсюду, где присутствуют частицы воды: это и озера, моря, реки, все влажные предметы, покровы тел животных и людей, а также листья растений. Можно сделать вывод, что испарение - это весьма значимый и незаменимый процесс для окружающего мира и всех живых существ.

Вот какие факторы оказывают влияние на данное явление:

1. Скорость испарения напрямую зависит от состава самой жидкости. Известно, что у каждой из них существуют свои особенности. Например, те вещества, у которых теплота парообразования ниже, будут преобразовываться быстрее. Сравним два процесса: испарение спирта и обычной воды. В первом случае преобразование в газообразное состояние происходит быстрее, потому что удельная теплота парообразования и конденсации у спирта равна 837 кДж/кг, а у воды почти в три раза больше - 2260 кДж/кг.
2. Скорость также зависит от изначальной температуры жидкости: чем она больше, тем быстрее образуется пар. В качестве примера возьмем стакан воды, когда внутри сосуда находится кипяток, то парообразование происходит с гораздо большей скоростью, нежели когда температура воды ниже.
3. Еще один фактор, определяющий скорость протекания данного процесса, - это площадь поверхности жидкости. Вспомните, что в тарелке большого диаметра горячий суп остывает быстрее, чем в маленьком блюдце.
4. Скорость распространения веществ в воздушной среде во многом определяет и скорость испарения, т. е. чем быстрее происходит диффузия, тем скорее происходит парообразование. Например, при сильных ветрах капельки воды быстрее испаряются с поверхности озер, рек и водохранилищ.
5. Температура воздуха в помещении также играет немаловажную роль. Подробнее об этом мы поговорим чуть ниже.

Какова роль влажности воздуха?

Вследствие того что процесс испарения происходит отовсюду непрерывно и постоянно, то в воздухе всегда присутствуют частички воды. В молекулярном виде они выглядят как группа элементов H 2 O. Жидкости могут испаряться в зависимости от показателя объема водяных паров в атмосфере, этот коэффициент и называется влажностью воздуха. Она бывает двух видов:

1. Относительная влажность - это отношение количества водяных паров в воздухе к плотности насыщенного пара при той же температуре в процентном соотношении. Например, показатель 100 % говорит о том, что атмосфера полностью насыщена молекулами H 2 O.
2. Абсолютная же характеризует плотность водяных паров в воздушной среде, обозначается буквой f и показывает, какая масса молекул воды содержится в 1м 3 воздуха.

Связь процесса испарения и влажности воздуха можно определить следующим образом. Чем меньше показатель тем быстрее будет происходить испарение с поверхности земли и других предметов.

Испарение различных веществ

У различных веществ этот процесс протекает по-разному. Например, испарение спирта происходит быстрее, чем у многих жидкостей благодаря его маленькой удельной теплоте парообразования. Зачастую подобные жидкие вещества называются летучими, потому что водяные пары буквально улетучиваются из них практически при любых температурах.

Спирт также может испаряться даже при комнатной температуре. В процессе готовки вина или водки спирт прогоняется через самогонный аппарат, только достигнув температуры кипения, она приблизительно равняется 78 градусам. Однако реальная температура испарения спирта будет немного больше, потому как в исходном продукте (например, браге) он представляет собой соединения с различными ароматическими маслами и водой.

Конденсация и сублимация

Следующее явление можно наблюдать каждый раз, когда закипает вода в чайнике. Обратите внимание, что при кипении вода переходит из жидкого состояния в газообразное. Происходит это таким образом: горячая струя водяного пара с большой скоростью вылетает из чайника через его носик. При этом образовавшийся пар виден не прямо у выхода из носика, а на небольшом расстоянии от него. Данный процесс называется конденсацией, т. е. водяные пары сгущаются до такой степени, что становятся видны для наших глаз.

Испарение твердого тела называется сублимацией. При этом они переходят из агрегатного состояния в газообразное, минуя стадию жидкости. Самый известный случай сублимации связан с кристаллами льда. В первоначальном виде лед является твердым веществом, при температуре выше 0° он начинает таять, принимая жидкое состояние. Однако в некоторых случаях при отрицательных температурах лед переходит в парообразную форму, минуя жидкую фазу.

Влияние испарения на человеческий организм

Благодаря испарению в нашем теле происходит терморегуляция. Происходит данный процесс через систему самоохлаждения. В жаркий знойный день человеку, который занимается определенным физическим трудом, становится очень жарко. Это означает, что в нем увеличивается внутренняя энергия. А как известно, при температуре выше 42° белок в крови человека начинает сворачиваться, если вовремя не остановить этот процесс, он приведет к смерти.

Система самоохлаждения устроена как раз таким образом, чтобы регулировать температуру для нормальной жизнедеятельности. Когда температура становится предельно допустимой, через поры на коже начинается активное потоотделение. А затем уже с поверхности кожи происходит испарение, которое поглощает лишнюю энергию тела. Иными словами, испарение - это процесс, способствующий охлаждению организма до нормального состояния.

Что же такое «тройная точка» и как определить её координаты? Опыты показывают, что для каждого вещества существуют условия (давление и температура), при которых пар, жидкость и кристалл могут сосуществовать одновременно сколь угодно долго. Например, если поместить в закрытый сосуд при нуле градусов воду с плавающим льдом, то в свободное пространство будут испаряться и вода, и лёд. Однако при давлении паров 0,006 атм. (это «собственное» их давление, без учёта давления, создаваемого воздухом) и температуре 0,01 °С увеличение массы пара прекратится. С этого момента лёд, вода и пар будут сохранять свои массы сколь угодно долго. Это и есть тройная точка для воды (левая диаграмма). Если в условия левой области поместить воду или пар, то они станут льдом. Если в «нижнюю область» внести жидкость или твёрдое тело, то получится пар. В правой области вода будет конденсироваться, а лёд плавиться.

Аналогичную диаграмму можно построить для любого вещества. Цель таких диаграмм – дать ответ на вопрос: какое состояние вещества будет устойчивым при таком-то давлении и такой-то температуре. Например, правая диаграмма построена для углекислого газа. Тройная точка для этого вещества имеет координату «давление» 5,11 атм, то есть значительно больше, чем нормальное атмосферное давление. Поэтому при обычных условиях (давление 1 атм) мы можем наблюдать только переходы «ниже тройной точки», то есть самостоятельное превращение твёрдого тела в газ. При давлении 1 атм это будет происходить при температуре –78 °С (см. пунктирные линии координат ниже тройной точки).

Все мы живём «около» значений «нормальных условий», т. е. прежде всего при давлении, близком к одной атмосфере. Поэтому, если атмосферное давление, ниже давления, соответствующего тройной точке, при нагревании тела мы не увидим жидкости, – твёрдое вещество будет превращаться сразу в пар. Именно так и ведёт себя «сухой лёд», что очень удобно для продавцов мороженого. Брикеты мороженого можно перекладывать кусками «сухого льда» и не бояться при этом, что мороженое намокнет. Если же давление, соответствующее тройной точке, меньше атмосферного, то вещество относится к «плавящимся» – при повышении температуры оно сначала превращается в жидкость, а потом закипает.

Как видите, особенности агрегатных превращений веществ напрямую зависят от того, как текущие значения давления и температуры соотносятся с координатами «тройной точки» на диаграмме «давление-температура».

И в заключение назовём известные вам вещества, всегда сублимирующие при нормальных условиях. Это йод, графит, «сухой лёд». При давлениях и температурах, отличных от нормальных, эти вещества вполне можно наблюдать и в жидком, и даже в кипящем состоянии.

(C) 2013. Физика.ru при участии А.В.Кузнецовой (г. Самара)

Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой. В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное.В зависимости от температуры и давления (условий) большинство веществ может находиться в газообразном, жидком или твердом состояниях, называемых агрегатными состояниями вещества. Различие между тремя агрегатными состояниями определяется расстоянием между молекулами и степенью их взаимодействия.

Процессов, в которых происходит изменение агрегатных состояний веществ, всего шесть. Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением , обратный процесс – кристаллизацией . Когда вещество переходит из жидкости в газ, это называется парообразованием , из газа в жидкость – конденсацией . Переход из твердого состояния сразу в газ, минуя жидкое, называют сублимацией , обратный процесс – десублимацией .

· 1. Плавление

· 2. Кристаллизация

· 3. Парообразование

· 4. Конденсация

· 5. Сублимация

· 6. Десублимация

Примеры всех этих переходов мы с вами не раз наблюдали в жизни. Лед плавится, образуя воду, вода испаряется, образуя пар. В обратную сторону пар, конденсируясь, переходит снова в воду, а вода, замерзая, становится льдом. А если вы думаете, что вы не знаете процессов сублимации и десублимации, то не спешите с выводами. Запах любого твердого тела – это и есть не что иное, как сублимация. Часть молекул вырывается из тела, образуя газ, который мы и можем унюхать. А пример обратного процесса – это узоры на стеклах зимой, когда пар в воздухе, замерзая, оседает на стекле и образует причудливые узоры.

Водородная связь

Что такое водородная связь? Известный всем пример этой связи представляет обычная вода (H2O). Из-за того, что атом кислорода (О) более электроотрицателен, чем два атома водорода (Н), он как бы оттягивает от атомов водорода связывающие электроны. В результате создания такой ковалентной полярной связиобразуется диполь. Кислородный атом приобретает не очень большой заряд отрицательный, а водородные атомы – небольшой положительный заряд, который притягивается к электронам (их неподеленной паре) на кислородном атоме соседней молекулы Н2О (то есть воды). Таким образом, можно сказать, что водородная связь – это образующаяся сила притяжения между водородным атомом и электроотрицательным атомом. Важной особенностью водородного атома является то, что при притяжении его связующих электронов оголяется его ядро (то есть протон, другими электронами не экранированный). И хотя водородная связь более слабее, чем ковалентная, именно она обуславливает целых ряд аномальный свойств Н2О (воды).

Чаще всего эта связь образуется с участием атомов следующих элементов: кислород (О), азот (N) и фтор (F). Это происходит по той причине, что атомы данных элементов имеют малые размеры и характеризуются высокой электроотрицательностью. С атомами размера большего (сера S или хлор Cl) образующаяся водородная связь слабее, несмотря на то, что по своей электроотрицательности эти элементы сравнимы с N (то есть с азотом).

Существует два типа водородной связи:

1.Водородная межмолекулярная связь – появляется между двумя молекулами, например: метанол, аммиак, фтороводород

2. Водородная связь внутримолекулярная – появляется внутри одной молекулы, например: 2-нитрофенол.

Также в настоящее время есть мнение, что водородная химическая связь бывает слабой и сильной. Они отличаются друг от друга по энергии и длине связи (расстояние между атомами):

1. Водородные связи слабые. Энергия – 10-30 кДж/моль, длина связи – 30. Все вещества, перечисленные выше, являются примерами нормальной или слабой водородной связи.

2. Водородные связи сильные. Энергия – 400 кДж/моль, длина – 23-24. Данные, полученные экспериментальным путем, свидетельствуют о том, что сильные связи образуются в следующих ионах: ион-водороддифторид -, ион-гидратированный гидроксид -, ион оксония гидратированный +, а также в различных других органических и неорганических соединениях.