Итак, друзья мои, продолжаем рубрику «Простые понятия». Я напомню, что формат этой рубрики незамысловатый. Мы разбираем в простой форме и в стандартных терминах те понятия, которые чаще всего встречаются в физике и которые могут вызывать у вас вопросы. Глубоко в теорию мы здесь не лезем. Мы, скажем так, делаем этакий справочник стандартных знаний. И вот сегодня мы поговорим про агрегатное состояние вещества.
Что такое агрегатные состояния вещества? Ну, во-первых, это одна из самых простых и ярких тем, с которых начинается физика. Нам рассказывают, что все материалы состоят из частичек, а частички упорядочены определенным образом.
В твердом состоянии у нас, как правило, есть кристаллическая структура или некоторые упорядочивания, которые характеризуются примерно одинаковым расстоянием между частичками.
В жидком состоянии частицы связаны уже не настолько жёстко друг с другом и могут перемещаться, а потому жидкости у нас, собственно, выглядят как жидкости.
А в газообразном состоянии у нас частицы расположены далеко друг от друга, и взаимодействие и связь между частицами является только лишь, скажем так, условной. Откуда берутся такие состояния и что это вообще всё значит?
Самое важное, что здесь нужно понимать, что агрегатное состояние – это следствие существования тепловой энергии. У нас есть такое понятие, как температура. Температура – это мера существования тепловой энергии. И если мы нагреваем какой-то металлический брусок посредством газовой горелки, мы передаем тепловую энергию от газовой горелки этому бруску.
Когда брусок получает энергию, у его частичек появляется этой энергии больше, что совершенно логично. И частички, которые до этого находились в некотором равновесии и балансе, начинают интенсивно двигаться. Здесь стоит отметить, что все частицы всегда находятся в непрерывном тепловом движении. Это совершенно неизбежно, это совершенно стандартный факт. В любом теле, которое нам кажется твердым и статичным, всегда есть некоторое движение, и это всегда будет муравейником.
Когда это движение происходит меняются и показатели. И вот когда температура тела повышается, эти частицы внутри тела, частицы, являющиеся структурой этого тела, начинают двигаться активнее, и структура начинает меняться. В твёрдом состоянии частицы закреплены стационарно, они всегда пульсируют, но пульсируют не настолько интенсивно. Это позволяет рисовать те самые модели, которые вы видели на уроках, и те самые модели, которые характеризуют агрегатное строение твёрдого тела.
Дальше, когда этому телу сообщается большая тепловая энергия, частицы начинают перемещаться активнее, и тело становится жидкостью, меняется агрегатное состояние. Ну и, конечно же, это связано с тем, что мы передали тепловую энергию этой системе, частицы начали двигаться интенсивно, связи начинают рваться, и связи перестают быть относительно жёсткими.
Если в случае кристаллического тела у нас связи были такие, что частицы могли только незначительно вибрировать, то в случае жидкого состояния частицы уже могут вот так перемещаться, но связь всё равно сохраняется. И это будет жидкость или вода, или всё, что мы привыкли называть жидкостями. Если мы будем передавать энергию этой системе дальше, это будет то же самое, что мы кипятим чайник. Мы эту воду превращаем в пар.
Почему это происходит? Потому что взаимодействие между частицами становится уже не столь прочным, интенсивным, плотным, как хотите скажите. Вот это тепловое движение в жидкости меняется тепловым движением, которое значительно превышает силу взаимодействия между частицами. Поэтому частицы газа, они практически друг с другом не связаны. И ключом к пониманию термин агрегатное состояние является понимание поведения частиц при их тепловом движении.
Вот это понимание мы сейчас с вами, собственно говоря, и раскрыли. Здесь есть много интересных сопутствующих вопросов.
Например, что будет на границе, где у нас существует жидкость и газ? Или что у нас будет на границе, где у нас существует твёрдое состояние и жидкое состояние? Это очень интересный и довольно объёмный вопрос. И тут бы стоило рассказать про диаграмму фазового равновесия, Но я думаю, что если вы смотрите про агрегатные состояния, вам пока не стоит погружаться в фазовые равновесия.
Суть простая. На границе существования разных состояниях у нас существует кишмиш. Там вот, например, есть такая штука, как эвтектика. Опять-таки, не буду сейчас к этому переходить. Какой вопрос здесь чаще всего возникает? Если у нас температура достигла того предела, когда у нас прочное, плотное, твёрдое состояние агрегатное меняется на жидкое, у нас сразу все частицы переключаются или только некоторая часть частиц?
Ответ будет таким, что структура меняется постепенно по мере прогревания. Точка перехода, да, единая, но момент перехода всего вещества от состояния твёрдого в жидкое похож на плавнение льда или на приход весны на реке. Вы уже видели, что есть вот это эвтоктическое состояние, когда в воде плавают глыбы льда. Вот это тот момент, когда происходит постепенное перестроение.
А понимание вот этого вот граничного состояния опять отталкивается от количества энергии. Вот получает у нас частица, колеблющаяся в твёрдом теле, большее и большее количество энергии. Вот они начинают всё интенсивнее двигаться, двигаться, двигаться. И в какой-то момент частица отпрыгивает на состояние, характерное для жидкости. И вот в этот момент происходит переключение агрегатного состояния. Это заметно на минимальных размерах. Когда материала много, этот процесс постепенный.
Но вот эти точки, да, они жёсткие. Температуры перехода — они тоже жёсткие. И да, если частица или группа частиц достигает этого энергетического состояния, у нас происходит переход на другое агрегатное состояние. Следующий интересный момент. Вас наверняка интересует, почему частицы организуются именно таким образом. Почему для каждого материала характерно определенное строение в том или ином агрегатном состоянии.
Это напрямую зависит от количества энергии частиц и от распределения субатомных частиц внутри атома. Когда у нас два атома соединяются друг с другом в твердом состоянии, их расположение определяется балансом между теми силами, которые существуют. Мы помним, что у нас все частицы взаимодействуют друг с другом непрерывно. И то строение, которое мы с вами имеем как твёрдое кристаллическое состояние, обусловлено балансом между силами взаимодействия этих частиц.
Силы взаимодействия между частицами как раз-таки заставляют их располагаться в том виде, в котором они есть. Это удобно представлять посредством взаимодействия двух магнитных шариков. Вот можно себе представить такое состояние, что несколько магнитных шариков, не только два, а больше, выстроились в определённой последовательности. Эта последовательность определяется расположением магнитных сил, взаимным притяжением и взаимным отталкиванием. Вот для каждого материала эта структура будет характерной.
А вот эта вот характерная структура определяет расположение частиц в нужном агрегатном состоянии. Собственно, это расположение во многом определяет и тип того материала, с которым мы работаем. Еще один полезный момент, который интересно здесь отметить, это количество агрегатных состояний. Вы, скорее всего, знаете, что агрегатных состояний три. Примерно так написано в учебнике для физики седьмого класса, кажется, или в каком классе начинаются эти темы, я, честно говоря, не помню. Но суть в том, что начинается с того, что обозначено три агрегатных состояния.
Чуть позже мы определяем, что есть четыре агрегатных состояния. К агрегатным состояниям твёрдое, жидкое, газообразное добавляется ещё и плазма. Плазма – это четвёртое состояние вещества. Что такое плазма, останавливаться не будем, большая объёмная тема. Чуть позже, когда вы погружаетесь в физику, вы узнаёте, что есть ещё одно агрегатное состояние, которое характеризуется как конденсат Бозе- Эйнштейна. Про него как раз был ролик, тоже вот недавно — посмотрите.
Это ещё одно состояние, про которое вы узнаёте только при погружении в физику. Оно характеризуется тоже много чем, тоже про это рассказывали. Но на самом деле специфических агрегатных состояний значительно больше, чем вам кажется. Иногда, например, выделяется аморфное состояние как еще одно агрегатное состояние. Что такое аморфное состояние? Это то состояние, когда у нас есть некоторая структура, но эта структура состоит из повторяющихся модулей.
Это значит, что у нас нет четкого линейного упорядочивания как в кристалликах, как в твердом состоянии, но есть некоторое упорядочивание, которое можно выявить. И вот такое состояние является аморфным. Аморфное состояние часто описывают как наполовину замерзшее масло у масленки, масло, которое сливочное, а не машинное, и иногда описывают аморфное состояние как состояние стекла.
Вот стекло, например, которое в окнах не пластик, которое сейчас там используется, а старое доброе стекло, которое холодное, которое на основе кремния, там как раз тоже аморфное состояние. И вот как раз там нет как таковой структуры, но некоторые модули повторяются. Но на самом деле агрегатные состояния можно перечислять очень долго, потому что их значительно больше, чем 5. И их вообще очень много. Вот, например, еще есть вырожденный газ, или глазма, или фермионный конденсат, или нейтронное состояние.
Их больше десятка. Их перечислять в принципе сейчас не имеет смысла, потому что сейчас нам нужно понять самое главное. Откуда вообще берутся агрегатные состояния? Это специфическое расположение частиц. Что определяет это специфическое расположение частиц? Количество энергии, которое есть, поступающее извне тепловой энергии, которое есть у частичек. Чем меньше энергия, тем меньше движение, и чем меньше движение, тем более статичной получается картинка.
Тепловое движение остановиться не может никогда, поэтому всегда есть какая-то минимальная пульсация. Но зато это может получиться что-то статичное, по крайней мере при внешней оценке. Это будут разные твёрдые состояния. Потом вот про жидкости и про всё остальное, у меня уже ругались за то, что я повторяюсь постоянно в роликах, когда записываю, что я это уже проговорил, о том повторяю ещё раз, поэтому я сейчас не буду это ещё раз проговаривать, а отправлю вас к началу видео.
И вот запомните главное, агрегатные состояния характеризуются количеством тепловой энергии, которая связана напрямую с количеством движения, а дальше уж какие там состояния не столь важны. И само в себе состояние – это характерная картина поведения материи. Откуда мы берём вот эти выделенные состояния? Мы смотрим на материал при разных его параметрах, при разных тепловых параметрах частичек этого материала и оцениваем, как этот материал себя ведёт.
И если у нас некоторый паттерн ложится на ту структуру, которую мы видим, мы говорим, что у нас появилось агрегатное состояние. И дальше это может быть хоть конденсат База-Эйнштейна, хоть вырожденный газ. Просто системы при разных температурах будут вести себя или демонстрировать поведение структуры такого типа. И, пожалуй, это самое главное, что нужно знать про агрегатное состояние. Ну а также я напомню, что по ссылочкам в описании много чего интересного. А ещё я напомню, что я провожу дополнительные занятия.
Если вам или вашему ребёнку нужно с чем-то разобраться по физике, то буду рад помочь. До новых встреч, всего самого наилучшего, ну и пока, не забываем ставить лайки.
И, конечно же, мой ролик на Ютубе на тему агрегатных состояний.
Поделиться:
