Изменения типов состояний и их характеристик (с примерами)



изменения состояния они являются термодинамическим явлением, когда материя претерпевает обратимые физические изменения. Говорят, что он термодинамический, потому что теплообмен происходит между веществом и окружающей средой; или что то же самое, есть взаимодействия между веществом и энергией, которые вызывают перегруппировку частиц.

Частицы, которые испытывают изменение состояния, остаются неизменными до и после него. Давление и температура являются важными переменными в том, как они находятся в той или иной фазе. Когда происходит изменение состояния, образуется двухфазная система, состоящая из одного и того же материала в двух разных физических состояниях..

На верхнем изображении показаны основные изменения состояния материала в нормальных условиях..

Твердый куб голубоватого вещества может стать жидким или газообразным в зависимости от температуры и давления окружающей среды. Само по себе оно представляет только одну фазу: твердую. Но в момент плавления, то есть плавления, устанавливается равновесие твердого тела и жидкости, называемое сплавлением (красная стрелка между кубом и голубоватой каплей)..

Чтобы произошло слияние, куб должен поглощать тепло из окружающей среды, чтобы повысить свою температуру; следовательно, это эндотермический процесс. Как только куб полностью расплавлен, снова появляется только одна фаза: жидкое состояние.

Эта голубоватая капля может продолжать поглощать тепло, что повышает ее температуру и приводит к образованию газообразных пузырьков. Опять же, есть две фазы: одна жидкость и другой газ. Когда вся жидкость испарится до точки кипения, тогда говорят, что она закипела или испарилась.

Теперь голубоватые капли превратились в облака. До сих пор все процессы были эндотермическими. Голубоватый газ может продолжать поглощать тепло до нагревания; однако, учитывая земные условия, это наоборот имеет тенденцию охлаждаться и снова конденсироваться в жидкости (конденсация).

С другой стороны, облака также могут быть нанесены непосредственно на твердую фазу, снова образуя твердый куб (осаждение). Эти два последних процесса являются экзотермическими (синие стрелки); то есть они выделяют тепло в окружающую среду или окружающую среду.

Помимо конденсации и осаждения, изменение состояния происходит, когда голубоватая капля замерзает при низких температурах (затвердевание)..

индекс

  • 1 Виды изменений статуса и их характеристики
    • 1.1 Fusion
    • 1.2 Испарение
    • 1.3 Конденсация
    • 1.4 Отверждение
    • 1.5 Сублимация
    • 1.6 Осаждение
  • 2 Другие изменения статуса
  • 3 Ссылки

Типы изменений статуса и их характеристики

Изображение показывает типичные изменения для трех (наиболее распространенных) состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Изменения, сопровождаемые красными стрелками, являются эндотермическими, они включают поглощение тепла; в то время как те, которые сопровождаются синими стрелками, являются экзотермическими, они выделяют тепло.

Ниже приводится краткое описание каждого из этих изменений, выделяя некоторые его характеристики из молекулярных и термодинамических рассуждений..

слияние

В твердом состоянии частицы (ионы, молекулы, кластеры и т. Д.) Являются «заключенными», расположенными в фиксированных положениях пространства, не способными свободно перемещаться. Тем не менее, они способны вибрировать на разных частотах, и если они очень сильны, строгий порядок, налагаемый межмолекулярными силами, начнет "разрушаться"..

В результате получается две фазы: одна, где частицы остаются ограниченными (твердыми), и другая, где они более свободны (жидкие), достаточные для увеличения расстояний, отделяющих их друг от друга. Для достижения этого твердое тело должно поглощать тепло, и, следовательно, его частицы будут вибрировать с большей силой.

По этой причине синтез является эндотермическим, и когда он начинается, говорят, что происходит баланс между твердо-жидкими фазами.

Тепло, необходимое для возникновения этого изменения, называется теплотой или энтальпией плавления плавления (ΔHFUS). Это выражает количество тепла (энергии, в основном в единицах кДж), которое должно поглотить один моль вещества в твердом состоянии, чтобы расплавиться, а не просто повысить его температуру.

снежок

Имея это в виду, вы понимаете, почему снежный ком тает в вашей руке (верхнее изображение). Это поглощает тепло тела, которого достаточно, чтобы поднять температуру снега выше 0 ° C..

Кристаллы льда, присутствующие в снегу, поглощают тепло только для таяния, и молекулы воды приобретают более разупорядоченную структуру. Пока снег тает, образовавшаяся вода не будет повышать свою температуру, так как весь жар руки используется снегом для завершения его слияния..

парообразование

Продолжая пример с водой, теперь кладя горсть снега в горшок и разжигая огонь, мы видим, что снег быстро тает. Когда вода нагревается, внутри начинают образовываться маленькие пузырьки углекислого газа и других возможных газообразных примесей..

Тепло молекулярно расширяет неупорядоченные конфигурации воды, расширяет ее объем и увеличивает давление пара; следовательно, есть несколько молекул, которые выходят из поверхностного продукта увеличивающегося испарения.

Жидкая вода медленно повышает свою температуру из-за высокой удельной теплоемкости (4,184 Дж / ° C ∙ г). Наступает момент, когда поглощенное тепло больше не использует его для повышения своей температуры, но для начала равновесия жидкость-пар; то есть он начинает кипеть, и вся жидкость переходит в газообразное состояние, поглощая тепло и поддерживая постоянную температуру.

Именно здесь наблюдается интенсивное пузырение на поверхности кипяченой воды (верхнее изображение). Тепло, поглощаемое жидкой водой, так что давление паров ее зарождающихся пузырьков равно внешнему давлению, называется энтальпией испарения (ΔHVap).

Роль давления

Давление также является определяющим в изменениях состояния. Как это влияет на испарение? Чем выше давление, тем больше тепла, которое вода должна поглощать до кипения, и, следовательно, оно испаряется при температуре выше 100 ° C..

Это связано с тем, что повышение давления препятствует выходу молекул воды из жидкости в газовую фазу..

Скороварки используют этот факт в свою пользу для нагрева пищи в воде до температуры выше ее температуры кипения.

С другой стороны, поскольку существует вакуум или понижение давления, жидкой воде требуется более низкая температура для кипения и перехода в газовую фазу. При большом или малом давлении во время кипячения вода должна поглощать соответствующую ей температуру испарения, чтобы завершить изменение состояния..

конденсация

Вода испарилась. Что дальше? Водяной пар все еще может повышать свою температуру, становясь опасным током, способным вызвать сильные ожоги.

Тем не менее, давайте предположим, что он охлаждает вместо этого. Как? Отпускание тепла в окружающую среду и выделение тепла говорят, что происходит экзотермический процесс.

При выделении тепла молекулы высокоэнергетической газообразной воды начинают замедляться. Кроме того, их взаимодействие становится более эффективным, когда температура пара падает. Сначала образуются капли воды, конденсированные из пара, за которыми следуют более крупные капли, которые в конечном итоге притягиваются гравитацией..

Чтобы полностью снизить определенное количество пара, вам нужно выпустить ту же энергию, но с противоположным знаком, к ΔHVap; то есть его энтальпия конденсации ΔHCond. Таким образом, обратное равновесие парожидкостное устойчиво.

Смачиваемые окна

Конденсация может наблюдаться в окнах домов. В холодном климате водяной пар внутри дома сталкивается с окном, которое благодаря своему материалу имеет более низкую температуру, чем другие поверхности.

Там молекулам пара легче группироваться, создавая тонкий беловатый слой, легко удаляемый вручную. Когда эти молекулы выделяют тепло (нагревая стекло и воздух), они начинают образовывать более многочисленные скопления, пока не могут конденсироваться первые капли (верхнее изображение).

Когда капли очень сильно увеличивают свой размер, они скользят через окно и оставляют след от воды.

затвердевание

Какие еще физические изменения могут пострадать от жидкой воды? Затвердевание вследствие охлаждения; другими словами, он замерзает. Для замерзания вода должна выделять такое же количество тепла, которое лед поглощает для таяния. Опять же, это тепло называется энтальпией затвердевания или замерзания, ΔHЦун (-ΔHFUS).

При охлаждении молекулы воды теряют энергию, и их межмолекулярные взаимодействия становятся более сильными и направленными. В результате они упорядочены своими водородными связями и образуют так называемые кристаллы льда. Механизм, с помощью которого растут кристаллы льда, влияет на их внешний вид: прозрачный или белый..

Если ледяные кристаллы растут очень медленно, они не закрывают примеси, такие как газы, которые при низких температурах растворяются в воде. Таким образом, пузырьки вырываются и не могут взаимодействовать со светом; и, следовательно, существует такой же прозрачный лед, как и у необычной ледяной статуи (верхнее изображение).

То же самое происходит со льдом, это может случиться с любым другим веществом, которое затвердевает при охлаждении. Возможно, это самое сложное физическое изменение в земных условиях, поскольку можно получить несколько полиморфов.

сублимация

Может ли вода сублимироваться? Нет, по крайней мере, не в нормальных условиях (Т = 25 ° С, Р = 1 атм). Для того, чтобы произошла сублимация, то есть изменение состояния от твердого тела к газу, давление пара твердого тела должно быть высоким.

Также важно, чтобы их межмолекулярные силы были не очень сильными, предпочтительно, если они состоят только из сил рассеивания.

Наиболее показательным примером является твердый йод. Это кристаллическое твердое вещество серовато-пурпурных тонов с высоким давлением пара. Это так, что в результате этого выделяется пурпурный пар, объем и расширение которого становятся заметными при нагревании.

На верхнем изображении показан типичный эксперимент, в котором твердый йод испаряется в стеклянной посуде. Интересно и поразительно наблюдать, как распространяются пурпурные пары, и инициированный студент может проверить отсутствие жидкого йода.

Это главная характеристика сублимации: жидкой фазы нет. Он также является эндотермическим, так как твердое вещество поглощает тепло, чтобы увеличить давление пара, чтобы оно соответствовало внешнему давлению..

отложение

Параллельно с экспериментом по сублимации йода мы имеем его осаждение. Осаждение является противоположным изменением или переходом: вещество переходит из газообразного состояния в твердое без образования жидкой фазы.

Когда фиолетовые пары йода вступают в контакт с холодной поверхностью, они выделяют тепло, чтобы нагреть его, теряя энергию и перегруппировывая свои молекулы обратно в серо-пурпурное твердое вещество (верхнее изображение). Это тогда экзотермический процесс.

Осаждение широко используется для синтеза материалов, в которых они легированы атомами металла сложными методами. Если поверхность очень холодная, теплообмен между ней и частицами пара происходит резко, пропуская проход через соответствующую жидкую фазу.

Тепло или энтальпия осаждения (а не отложение) обратная сублимация (ΔHсуб= - ΔHDep). Теоретически, многие вещества могут быть сублимированы, но для достижения этого необходимо манипулировать давлениями и температурами, кроме того, у вас должна быть под рукой диаграмма P против T; в котором его отдаленные возможные фазы могут быть визуализированы.

Другие изменения статуса

Хотя о них нет упоминания, существуют другие состояния материи. Иногда они характеризуются наличием «немного каждого», и поэтому являются их комбинацией. Чтобы генерировать их, необходимо манипулировать давлениями и температурами в очень положительных (больших) или отрицательных (малых) величинах..

Так, например, если газы нагреваются слишком сильно, они потеряют свои электроны, и их положительно заряженные ядра в этом отрицательном приливе составят так называемую плазму. Это синоним "электрический газ", так как он имеет высокую электрическую проводимость.

С другой стороны, понижая температуру слишком сильно, вещество может вести себя непредсказуемо; то есть они проявляют уникальные свойства около абсолютного нуля (0 K).

Одним из таких свойств является сверхтекучесть и сверхпроводимость; а также образование конденсатов Бозе-Эйнштейна, где все атомы ведут себя как один.

Даже некоторые исследования указывают на фотонное вещество. В них частицы электромагнитного излучения, фотоны, сгруппированы, чтобы сформировать фотонные молекулы. То есть теоретически это даст массу телу света.

ссылки

  1. Хельменстин, Анна Мари, доктор философии (19 ноября 2018 г.) Список фазовых изменений между состояниями материи. Получено с: мысли
  2. Wikipedia. (2019). Состояние материи Получено с: en.wikipedia.org
  3. Дорлинг Киндерсли. (2007). Смена штатов. Получено с: factmonster.com
  4. Мейерс Ами. (2019). Изменение фазы: испарение, конденсация, замораживание, плавление, сублимация и осаждение. Исследование. Получено с: study.com
  5. Бэгли М. (11 апреля 2016 г.). Материя: определение и пять состояний материи. Получено с: livescience.com
  6. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия. (8-е изд.). CENGAGE Learning.