Глава 1. Агрегатные состояния вещества (стр. 1 )

ГЛАВА 1. АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

1.1.  Основные понятия

Веществом является совокупность большого количества частиц (атомов, молекул, ионов). Вещество может существовать и иметь определенное строение только за счет тех или иных взаимодействий (сил притяжения и отталкивания) между составляющими его частицами. Структура вещества, его физические свойства очень сильно зависят от энергии этих взаимодействий и её соотношения с тепловой энергией движения частиц.

Основные формы, в которых существует вещество, называют агрегатными или фазовыми состояниями. Для большинства веществ существуют три основных состояния, переход между которыми осуществляется при изменении температуры: газ, жидкость, твёрдое.

Газ (греч. chaos – хаос; англ. gas) – состояние вещества, при котором составляющие его частицы свободно движутся в любых направлениях. Силы сцепления между частицами ничтожно малы; частицы находятся сравнительно далеко друг от друга. Газ не имеет ни постоянной формы, ни постоянного объёма. Газ равномерно заполняет любой доступный объём.

Жидкость (англ. liguid, fluid) – состояние вещества, при котором силы сцепления между частицами достаточны для того, чтобы держаться вместе, рядом друг с другом. Расстояния между частицами очень близкие. Жидкость имеет фиксированный объём, но может растекаться, принимая форму сосуда, в котором содержится. В жидкостях наблюдается ближний порядок, т. е. наличие закономерности в расположении соседних атомов или молекул. Жидкое состояние является промежуточным между газообразным и твёрдым.

Твёрдое состояние (англ. solid) – состояние вещества, в котором вещество имеет постоянную форму и объём. Силы сцепления между молекулами достаточно сильны; расстояния между частицами очень маленькие. В твёрдом состоянии во взаимном расположении атомов и молекул наблюдается упорядоченность на неограниченно больших расстояниях (т. н. дальний порядок).

Таблица 1.

Основные свойства газов, жидкостей и твердых веществ

Свойство	Газы	Жидкости	Твердые вещества
Объем	Совпадает с объемом сосуда	Фиксированный	Фиксированный
Форма	Заполняет сосуд, принимая его форму	Нефиксированная – полностью или частично заполняют сосуд	Фиксированная
Сжимаемость	Высокая	Низкая	Отсутствует
Плотность	Низкая	От умеренной до большой	Большая
Притяжение между частицами	Слабое	Умеренное	Сильное
Движение частиц	Сильное	Умеренное	Слабое
Расстояние между частицами	Большое	Малое	Пренебрежимо мало
Упорядоченность структуры	Отсутствует	Невысокая (ближний порядок)	Высокая (дальний порядок)

1.2.  Параметры состояния вещества

Физические величины, характеризующие макроскопическое состояние тел, называются параметрами состояния. Основными параметрами состояния являются давление, температура и удельный объём.

1.2.1.  Давление

Давлением р называют силу, равномерно действующую на единицу площади поверхности:

В общем смысле давление является результатом столкновений молекул газа или жидкости с их окружением - обычно стенками сосуда. Его величина зависит от силы ударов на определенную площадь. В молекулярно-кинетической теории газа давление рассматривается как результат ударов молекул о стенки сосуда. Давление связано со средней кинетической энергией поступательного движения молекул и их числом N в объеме V следующей известной формулой:

где m - масса молекулы; средняя квадратичная скорость молекул.

В практике измерений наиболее часто используют понятия давления: абсолютного рабс, избыточного ризб и вакуумметрического (вакуума) рвак, различие которых состоит в их отноше­нии к атмосферному (барометрическому) давлению ратм.

Давление окружающей среды, например, атмосферного воздуха, называется барометрическим; его измеряют прибором, называемым барометром.

Давление выше барометрического называют избыточным или манометрическим; его измеряют прибором, называемым манометром.

Давление ниже барометрического называют вакуумом или разрежением; для его измерения применяют приборы, называемые вакуумметром.

При измерении давления газа или пара в ёмкости по манометру узнаём, насколько истинное (абсолютное) давление в ёмкости превышает давление окружающей среды. Поэтому для определения абсолютного давления газа или пара нужно к показанию манометра прибавить давление окружающей среды (барометрическое давление):

При измерении давления ниже барометрического (т. е. разрежения или вакуума) для определения абсолютного давления газа или пара нужно от барометрического давления отнять показание вакуумметра:

Простейший манометр (рис. 1) представляет собой изогнутую стеклянную трубку, наполненную ртутью или другой жидкостью (подкрашенными водой или спиртом). Одно из колен трубки соединяется с резервуаром, в котором нужно измерить давление газа, другое остаётся открытым.

Рис. 1. Простейший манометр и вакуумметр

На свободный конец трубки давит столб атмосферного воздуха. Если давление внутри резервуара, с которым соединён манометр, равно атмосферному давлению, жидкость в обоих коленах устанавливается на одном уровне (рис.1.а). Если давление внутри резервуара больше атмосферного (рис.1.б), то ртуть в открытом колене поднимется, а в закрытом опустится. Разность уровней ртути будет тем больше, чем больше измеряемое давление по сравнению с атмосферным. Если же давление внутри резервуара меньше атмосферного (рис.1.в), то ртуть в открытом колене опустится, а в закрытом поднимется. Разность уровней ртути будет тем больше, чем больше вакуум в резервуаре.

Для измерения давления пользуются различными единицами измерения. В международной системе единиц (система СИ) принята основная единица давления - ньютон на квадратный метр (Н/м2, N/m2), названная паскалем (Па). Один паскаль — это такое давление, которое испытывает 1 м2 плоской поверхности под действием равномерно распределенной и перпен­дикулярно направленной к ней силы в 1 Н (ньютон). Единица Па весьма мала, что приводит на практике к использованию килопаскаля (кПа) или мегапаскаля (МПа).

На предприятиях традиционно используют такие единицы давления, как килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см2), миллиметр водяного столба (мм вод. ст., mm Н2О, mm WS), миллиметр ртутного столба или торр (мм рт. ст., мм Hg, Torr), атмосфера (атм). Во многих европейских странах за основную единицу давления принимают бар (bar). В США и Великобритании в качестве единицы измерения давления используют фунт на квадратный дюйм - psi (pound-force per square inch).

Соотношения между различными единицами давления можно найти в соответствующих справочниках.

1.2.2.  Температура

Температура – это мера нагретости тела, характеризующая его состояние. Согласно молекулярно-кинетической теории температура – это мера кинетической энергии движения молекул тела, молекулы движутся тем быстрее, чем выше температура, и всякое движение прекращается при абсолютном нуле.

В международной практике для измерения температуры применяют две температурные шкалы: термодинамическую и международную.

Таблица 1.

Температурные шкалы

Температурная шкала	Температура	Абсолютный ноль	Соотношение между градусами	Переход между шкалами
плавления льда	кипения воды
Международная шкала (шкала Цельсия), ⁰С (t)	0	100	-273,16	1⁰С=1К	t = T-273
Термодинамическая или абсолютная шкала (шкала Кельвина), К (T)	273,16	373,16	0	1К=1⁰С	T = t+273

Разность температур в шкалах Цельсия и Кельвина всегда одна и та же. Например, пусть t1=1000C, t2=2000C, разность температур Δt=200-100=1000C. Эти же температуры в шкале Кельвина будут Т1=373 К, Т2=473 К, разность температур ΔТ=473-373=100 К.