46

Лекция 6-8. Агрегатные состояния вещества

1. Агрегатные состояния вещества

Агрегатные состояния вещества (от латинского aggrego — присоединяю, связываю) — это состояния одного и того же вещества, переходам между которыми соответствуют скачкообразные изменения свободной энергии, плотности и других физических параметров вещества.

В зависимости от внешних условий вещества могут находиться в разных агрегатных состояниях: газообразном, жидком, твёрдом. Эти состояния общеизвестны и привычны в земных условиях. Но возможно ещё одно агрегатное состояние – плазма.

Переходы из более упорядоченного по структуре агрегатного состояния в менее упорядоченное могут происходить и непрерывно. В связи с этим вместо понятия агрегатного состояния целесообразно пользоваться более широким понятием — понятием фазы.

Фазой называется совокупность всех частей системы, обладающих одинаковым химическим составом и находящихся в одинаковом состоянии. Это оправдано одновременным существованием термодинамически равновесных фаз в многофазной системе: жидкости со своим насыщенным паром; воды и льда при температуре плавления; двух несмешивающихся жидкостей (смесь воды с триэтиламином), отличающихся концентрациями; существованием аморфных твердых веществ, сохраняющих структуру жидкости (аморфное состояние).

Если вещество находится при очень низкой температуре, частицы его обычно образуют правильную геометрическую структуру, в таком случае энергии связей частиц больше энергий тепловых колебаний, которые не нарушают образовавшуюся структуру, — вещество существует в твердом состоянии.

При повышении температуры энергия тепловых колебаний частиц возрастает, и для каждого вещества имеется температура, начиная с которой энергия тепловых колебаний превышает энергию связей. Связи между частицами постоянно разрушаются и вновь образуются. Частицы могут совершать различные движения (колебательные, вращательные и т. д.), смещаясь относительно друг друга. Однако они еще остаются в контакте, хотя правильная геометрическая структура частиц нарушается — вещество существует в жидком состоянии.

При дальнейшем повышении температуры тепловые колебания увеличиваются, в результате частицы становятся практически не связанными друг с другом. Вещество переходит в газообразное состояние. В “идеальном” газе частицы свободно перемещаются во всех направлениях.

Следовательно, при повышении температуры вещества переходят из упорядоченного состояния (твердое) в неупорядоченное состояние (газообразное); жидкое состояние является промежуточным.

Четвертым состоянием вещества является плазма, которая представляет собой газ, состоящий из смеси нейтральных и ионизованных молекул и электронов.

1.1. Плазма

Особое состояние газообразных веществ - плазма (в переводе с греческого "вылепленное, оформленное). Плазма - частично или полностью ионизированный газ - образуется в результате термической ионизации атомов и молекул при высоких температурах, под действием электромагнитных полей большой напряженности, при облучении газа потоками заряженных частиц высокой энергии.

Между газом и плазмой нет резкой границы. Любое вещество, находящееся первоначально в твердом состоянии, по мере возрастания температуры начинает плавиться, а при дальнейшем нагревании испаряется, т.е. превращается в газ. Если это молекулярный газ (например, водород или азот), то с последующим повышением температуры происходит распад молекул газа на отдельные атомы (диссоциация). При еще более высокой температуре газ ионизуется, в нем появляются положительные ионы и свободные электроны. Свободно движущиеся электроны и ионы могут переносить электрический ток, поэтому одно из определений плазмы гласит: плазма – это проводящий газ. Нагревание вещества не является единственным способом получения плазмы.

Плазма – четвертое состояние вещества, она подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества.

Получение плазмы. Плазма – при нагревании вещества до температур порядка тысяч и миллионов градусов (от 10³ до 10⁹С) ослабевают и нарушаются связи между частицами внутри молекулы и происходит распад молекул на положительные и отрицательные ионы, атомы, электроны и даже атомные ядра – получают как бы смесь непрерывно перемещающихся данных частиц. Тело переходит в новое состояние – плазменное.

Способ создания плазмы путем обычного нагрева вещества – не самый распространенный. Чтобы получить термическим путем полную ионизацию плазмы большинства газов, нужно нагреть их до температур в десятки и даже сотни тысяч градусов. Только в парах щелочных металлов (таких, например, как калий, натрий или цезий) электрическую проводимость газа можно заметить уже при 2000–3000° С, это связано с тем, что в атомах одновалентных щелочных металлов электрон внешней оболочки гораздо слабее связан с ядром, чем в атомах других элементов периодической системы элементов (т.е. обладает более низкой энергией ионизации). В таких газах при указанных выше температурах число частиц, энергия которых выше порога ионизации, оказывается достаточным для создания слабоионизованной плазмы.

Свойства плазмы:

• Квазинейтральность. Одна из важных особенностей плазмы в том, что отрицательный заряд электронов в ней почти точно нейтрализует положительный заряд ионов. При любых воздействиях на нее плазма стремится сохранить свою квазинейтральность. Если в каком-то месте происходит случайное смещение (например, за счет флуктуации плотности) части электронов, создающее избыток электронов в одном месте и недостаток в другом, в плазме возникает сильное электрическое поле, которое препятствует разделению зарядов и быстро восстанавливает квазинейтральность.

(Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы. Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной).

• высокая температура,

• электропроводность (электронная и ионная проводимость) – её ещё называют электропроводящим газом.

В земных условиях плазменное состояние реализуется в молниях и северном сиянии, электрической дуге, светящемся веществе неоновых и аргоновых ламп….

В состоянии плазмы находиться основная масса космического вещества – звёзды, туманности, межзвёздное вещество и другие. Колоссальным сгустком плазмы является Солнце.

Плазма в космосе. В земных условиях из-за сравнительно низкой температуры и высокой плотности земного вещества естественная плазма встречается редко. В нижних слоях атмосферы Земли исключение составляют разве что разряды молнии. В верхних слоях атмосферы на высотах порядка сотен километров существует протяженный слой частично ионизованной плазмы, называемый ионосферой, который создается благодаря ультрафиолетовому излучению Солнца. Наличие ионосферы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на коротких волнах, поскольку электромагнитные волны отражаются на определенной высоте от слоев ионосферной плазмы. При этом радиосигналы благодаря многократным отражениям от ионосферы и от поверхности Земли оказываются способными огибать выпуклую поверхность нашей планеты.

Во Вселенной основная масса вещества (ок. 99,9%) находится в состоянии плазмы. Солнце и звезды образованы из плазмы, ионизация которой вызывается высокой температурой. Так, например, во внутренней области Солнца, где происходят реакции термоядерного синтеза, температура составляет около 16 млн. градусов. Тонкая область поверхности Солнца толщиной порядка 1000 км, называемая фотосферой, с которой излучается основная часть солнечной энергии, образует плазму при температуре порядка 6000 К. В разреженных туманностях и межзвездном газе ионизация возникает под действием ультрафиолетового излучения звезд.

Наибольшее техническое применение в настоящем времени имеет так называемая гибридная плазма, температура которой составляет 400-11000С. Её используют при горячей обработке металлов (плазменная сварка, электросварка), в промышленности огнеупоров и металлургии (высокочастотные индукционно-плазменные факельные горелки).

Особо следует отметить применение плазмы в химии, что привило к развитию новой науки – плазмохимии – в частности высокая скорость реакции идущих в плазме (как катализатор).