Какое свойство общее для жидкостей и газов
Естественные науки, включающая химию и физику, обычно рассматриваются как науки, изучающие природу и свойства вещества и энергии в неживых системах. Вещество во Вселенной – атомы, молекулы и ионы, которые составляют все физические тела, все, что имеет массу и занимает пространство. Энергия — это способность вызывать изменения. Энергия не может быть создана или уничтожена; он может быть только сохранена и преобразована из одной формы в другую. Потенциальная энергия — это энергия, хранящаяся в объекте из-за его положения – например, ведро с водой, повешенное над дверью, может упасть. Кинетическая энергия — это энергия, движения, любой объект или частица, находящаяся в движении, обладает кинетической энергией, зависящей от массы и скорости тела. Кинетическая энергия может быть преобразована в другие виды энергии, такие как электрическая энергия и тепловая энергия.
Существует пять известных фаз или состояний вещества: твердое тело, жидкость, газ, плазма и бозе-эйнштейновский конденсат. Основное различие в структурах каждого состояния находится в плотностях частиц.
ТВЕРДОЕ ТЕЛО
В твердом теле частицы плотно упакованы, поэтому они не могут двигаться очень сильно. Частицы твердого вещества имеют очень низкую кинетическую энергию. Электроны каждого атома находятся в движении, поэтому атомы имеют небольшую вибрацию, но они фиксируются в своем положении. Твердые тела имеют определенную форму, и могут длительное время ее сохранять. У них также есть определенный объем. Частицы твердого тела уже настолько плотно упакованы вместе, что увеличивающееся давление не будет сжимать твердое тело до меньшего объема.
ЖИДКОСТИ
В жидкой фазе частицы вещества имеют большую кинетическую энергию, чем частицы в твердом теле. Частицы жидкости не удерживаются в регулярном расположении, но все еще очень близки друг к другу, поэтому жидкости имеют определенный объем. Жидкости, как и твердые тела, трудно сжимаемы. Частицы жидкости имеют достаточно места для обтекания друг друга, поэтому жидкости имеют неопределенную форму. Жидкость принимает форму емкости, в которую она помещена. Сила распределяется равномерно по всей жидкости, поэтому, когда объект помещается в жидкость, частицы жидкости перемещаются за объектом.
Величина восходящей плавучей силы равна весу жидкости, в объеме тела. Когда плавучая сила равна силе тяжести, объект будет плавать. Этот принцип плавучести был обнаружен греческим математиком Архимедом, который, согласно легенде, выпрыгнул из своей ванны и побежал обнаженным по улицам, крича «Эврика!», после того, как догадался о выталкивающих силах в жидкости. Эту силу еще называют силой Архимеда, как дань уважения и признания древнему ученому.
Частицы жидкости, как правило, удерживаются слабым межмолекулярным притяжением, а не свободно перемещаются, как частицы газа. Эта сила сцепления соединяет частицы вместе, образуя капли или потоки.
Ученые сообщили, что в апреле 2016 года они создали странное состояние материи, которое, как предполагалось, существовало, но никогда не было видно в реальной жизни. Хотя этот тип материи можно держать в руке, как если бы он был сплошным, увеличение материала выявило бы беспорядочные взаимодействия его электронов, более характерные для жидкости. Это тип материи называют квантовой спиновой жидкостью Китаева, в ней электроны входят в своеобразный квантовый танец, в котором они взаимодействуют или «разговаривают» друг с другом. Обычно, когда вещество остывает, спин его электронов имеет тенденцию выстраиваться в линию. Но в этой квантовой спиновой жидкости электроны взаимодействуют так, что они влияют на то, как другие вращаются и никогда не выравниваются независимо от того, насколько материал холодный. Материал будет вести себя так, как будто его электроны, считающиеся неделимыми, разрушались.
ГАЗЫ
Частицы газа находятся на большом расстоянии друг от друга и имеют высокую кинетическую энергию. Если пространство не ограничено, частицы газа будут разбросаны бесконечно; если оно ограничено, газ будет расширяться, чтобы заполнить весь объем. Когда газ оказывается под давлением, то есть уменьшается объем емкости, пространство между частицами уменьшается, а давление, оказываемое их столкновениями, увеличивается. Если объем сосуда поддерживается постоянным, но температура газа увеличивается, то давление также увеличивается. Частицы газа обладают достаточной кинетической энергией для преодоления межмолекулярных сил, которые удерживают твердые частицы и жидкости вместе, поэтому газ не имеет определенного объема и формы.
ПЛАЗМА
Плазма не является общим состоянием материи здесь, на Земле, но может быть самым распространенным состоянием материи во Вселенной. Плазма состоит из сильно заряженных частиц с чрезвычайно высокой кинетической энергией. Благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) часто используются для создания светильников, используя электричество для их ионизации в плазменное состояние. Звезды, по сути, являются перегретыми шарами плазмы.
КОНДЕНСАТ БОЗЕ-ЭЙНШТЕЙНА
В 1995 году технология позволила ученым создать новое состояние материи – конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ). Используя комбинацию лазеров и магнитов, Эрик Корнелл и Карл Вейман охладили образец рубидия с точностью до нескольких градусов до абсолютного нуля. При этой чрезвычайно низкой температуре молекулярное движение очень близко к остановке. Так как кинетическая энергия почти не передается от одного атома к другому, атомы начинают сжиматься вместе. Уже не тысячи отдельных атомов, а один «супер атом». КБЭ используется для изучения квантовой механики на макроскопическом уровне. Свет, кажется, замедляется, когда он проходит через КБЭ, что позволяет изучать парадокс частиц/волн. КБЭ также обладает многими свойствами сверхтекучей жидкости без трения, также используются для моделирования условий, которые могут выполняться в черных дырах.
СМЕНА ФАЗЫ
Добавление энергии к веществу приводит к физическому изменению – материя переходит из одного состояния в другое. Например, добавление тепловой энергии – тепла – к жидкой воде приводит к тому, что она становится паром или газом. Извлечение энергии также приводит к физическим изменениям, например, когда жидкая вода становится льдом – твердой – при удалении тепла. Физическое изменение фазы также может быть вызвано движением и давлением.
ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ
Когда тепло прикладывается к твердому веществу, его частицы начинают быстрее вибрировать и склонны двигаться дальше друг от друга. Когда вещество при стандартном давлении достигает определенной точки, называемой точкой плавления, твердое вещество начинает превращаться в жидкость. Точку плавления чистого вещества часто можно определить с точностью до 0,1 градуса Цельсия, точкой, в которой твердая и жидкая фазы находятся в равновесии. Если вы продолжаете нагревать образец, температура не будет повышаться выше точки плавления, пока весь образец не будет сжижен. Тепловая энергия используется для преобразования твердого вещества в жидкую форму. Как только весь образец станет жидким, температура снова начнет расти. Соединения, которые в остальном очень похожи, могут иметь разные точки плавления, поэтому точка плавления может быть полезным способом различения среди них. Например, сахароза имеет точку плавления 186,1 градусов Цельсия, тогда как температура плавления глюкозы составляет 146 градусов Цельсия. Твердая смесь, такая как металлический сплав, часто может быть разделена на ее составные части путем нагревания смеси и извлечения жидкостей по мере достижения ими различных точек плавления.
Точка замерзания – это температура, при которой жидкое вещество достаточно охлаждается для образования твердого вещества. По мере охлаждения жидкости движение частиц замедляется. Во многих веществах частицы выравниваются точными геометрическими узорами для образования кристаллических твердых веществ. Большинство жидкостей сжимаются, когда они замерзают. Одной из важных характеристик воды является то, что она расширяется при замерзании, поэтому лед плавает. Если бы лед не плавал, не было бы жидкой воды под замерзшим льдом, и многие формы водной жизни были бы невозможны.
Температура замерзания часто близка к той же температуре, что и температура плавления, но не считается характерной для вещества, поскольку несколько факторов могут ее изменить. Например, добавление растворенных веществ в жидкость приведет к снижению температуры замерзания. Примером этого является использование суспензии соли для снижения температуры, при которой вода замерзает на наших дорогах. Другие жидкости можно охлаждать до температур, значительно ниже их температуры плавления, до того, как они начнут затвердевать. Такие жидкости называются суперохлаждаемыми и часто требуют наличия пылевой частицы или затравочного кристалла для начала процесса кристаллизации.
СУБЛИМАЦИЯ
Когда твердое вещество превращается непосредственно в газ без прохождения жидкой фазы, процесс известен как сублимация. Сублимация происходит, когда кинетическая энергия частиц больше атмосферного давления, окружающего образец. Это может произойти, когда температура образца быстро увеличивается за точку кипения (испарение вспышки). Чаще всего вещество может быть «высушено в замороженном состоянии» путем его охлаждения в условиях вакуума, так что вода в веществе подвергается сублимации и удаляется из образца. Несколько летучих веществ будут подвергаться сублимации при нормальной температуре и давлении. Наиболее известным из этих веществ является CO2 или сухой лед.
ПАРООБРАЗОВАНИЕ
Испарение представляет собой превращение жидкости в газ. Испарение может происходить путем испарения или кипения.
Поскольку частицы жидкости находятся в постоянном движении, они часто сталкиваются друг с другом, передавая при этом энергию. Этот перенос энергии имеет малое влияние внутри жидкости, но когда достаточная энергия передается частице вблизи поверхности, она может получить достаточную энергию, чтобы полностью удалиться из образца в виде частицы свободного газа. Этот процесс называется испарением, и он продолжается до тех пор, пока остается жидкость. Энергия, передаваемая поверхностным молекулам, вызывающая их вылет, уносится от оставшегося жидкого образца.
Когда к жидкости добавляется достаточно тепла, образуя пузырьки пара ниже поверхности, мы говорим, что жидкость кипит. Температура, при которой жидкость кипит, является переменной. Точка кипения зависит от давления вещества. Жидкость под более высоким давлением будет требовать больше тепла до того, как в ней могут образоваться пузырьки пара. На больших высотах атмосферном давлении ниже, чем при нормальных условиях, поэтому жидкость будет кипеть при более низкой температуре. Такое же количество жидкости на уровне моря находится под большим атмосферным давлением и будет кипеть при более высокой температуре.
КОНДЕНСАЦИЯ И ДЕСУБЛИМАЦИЯ
Конденсация – это когда газ превращается в жидкость. Конденсация происходит, когда газ охлаждается или сжимается до такой степени, что кинетическая энергия частиц больше не может преодолевать межмолекулярные силы. Первоначальный кластер частиц инициирует процесс, который имеет тенденцию дополнительно охлаждать газ, так что конденсация продолжается. Когда газ превращается непосредственно в твердое вещество, не проходя через жидкую фазу, процесс называется осаждением или десублимацией. Примером этого является то, как при пониженных температурах преобразуется водяной пар в атмосфере в иней и лед. Иней имеет тенденцию обрисовывать сплошные листья травы и веток, потому что воздух, касающийся этих твердых веществ, охлаждается быстрее, чем воздух, который не касается твердой поверхности.
Источник
Жидкости:
В отличие от твердого тела жидкость характеризуется малым сцеплением между частицами, вследствие чего она обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который ее помещают.
Жидкости подразделяют на два вида: капельные и газообразные. Капельные жидкости обладают большим сопротивлением сжатию (практически несжимаемы) и малым сопротивлением касательным и растягивающим усилиям (из-за незначительного сцепления частиц и малых сил трения между частицами). Газообразные жидкости характеризуются почти полным отсутствием сопротивления сжатию. К капельным жидкостям относятся вода, бензин, керосин, нефть, ртуть и другие, а к газообразным — все газы.
Гидравлика изучает капельные жидкости. При решении практических задач гидравлики часто пользуются понятием идеальной жидкости — несжимаемой среды, не обладающей внутренним трением между отдельными частицами.
К основным физическим свойствам жидкости относятся плотность, давление, сжимаемость, температурное расширение, вязкость.
Плотность — это отношение массы к объему, занимаемому этой массой. Плотность измеряют в системе СИ в килограммах на кубический метр (кг/м3). Плотность воды составляет 1000 кг/м3.
Используются также укрупненные показатели: – килопаскаль — 1 кПа= 103 Па; – мегапаскаль — 1 МПа = 106 Па.
Сжимаемость жидкости — это ее свойство изменять объем при изменении давления. Это свойство характеризуется коэффициентом объемного сжатия или сжимаемости, выражающим относительное уменьшение объема жидкости при увеличении давления на единицу площади. Для расчетов в области строительной гидравлики воду считают несжимаемой. В связи с этим при решении практических задач сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают.
Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем упругости. Модуль упругости измеряется в паскалях.
Температурное расширение жидкости при ее нагревании характеризуется коэффициентом температурного расширения, который показывает относительное увеличение объема жидкости при изменении температуры на 1 С.
В отличие от других тел объем воды при ее нагревании от 0 до 4 °С уменьшается. При 4 °С вода имеет наибольшую плотность и наибольший удельный вес; при дальнейшем нагревании ее объем увеличивается. Однако в расчетах многих сооружений при незначительных изменениях температуры воды и давления изменением этого коэффициента можно пренебречь.
Вязкость жидкости — ее свойство оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) частиц жидкости. Силы, возникающие в результате скольжения слоев жидкости, называют силами внутреннего трения, или силами вязкости.
Силы вязкости проявляются при движении реальной жидкости. Если жидкость находится в покое, то вязкость ее может быть принята равной нулю. С увеличением температуры вязкость жидкости быстро уменьшается; остается почти постоянной при изменении давления.
Газов:
Физические свойства газов, как и любого вещества начинаем с определений связанных с его массой и энергией. Так плотность газа, в определенном смысле равноправно, определяется следующим образом: • если известны конечные значения массы и размеры объема, то имеем • для бесконечно малых объемов вещества предельное значение плотности равно При расчетах коммерческого расхода газа пользуются относительной плотностью газа, т.е. отношением r – плотности газа к плотности сухого воздуха – ra при стандартных условиях. Относительная плотность газа по воздуху равна Плотность газа при 0°С и атмосферном давлении может быть определена по его молярной массе – Пересчет плотности при разных физических параметрах газа производим по формуле. Плотность газовой смеси определяется по правилу смешения (аддитивности) ai – объемные концентрации газовых компонент в смеси (0 ai 1), – плотности компонентов смеси. Удельный объем газа вычисляется следующим образом Средняя молярная масса смеси равна В термических расчетах, в зависимости от происходящего процесса, применяют понятие теплоемкости вещества – при постоянном давлении cp, и при постоянном объеме cv, для которых справедлива формула Майера Отношение теплоемкостей называется показателем адиабаты Другим важным физическим свойством реального газа является его сжимаемость. По сути сжимаемость газа является определяющим фактором отличающим отклонение газа от идеального. Характеристика сжимаемости определяется коэффициентом сжимаемости , или Z – фактором, в зарубежной терминологии, в модели реального газа. Коэффициент сжимаемости зависит от приведенных температуры и давления (Tm,pm), которые определяются следующим образом T,Tcr – текущая и критическая температура газа, p,pcr – текущее и критическое давление газа, например в трубопроводе Расчет коэффициента сжимаемости (по методике ОНТП 51-1-85) : По Губкинскому университетут: Рассмотрим физические свойства реальных газов связанных с его вязкостью. Как известно, вязкость сплошной среды определяет ее внутренее трение между слоями жидкости или газа при их относительном движении. Определяются из экспериментальных зависимостей между напряжением и градиентом скорости. Для расчета касательных напряжений, используется понятие коэффициента динамической вязкости, который используется при расчете касательных напряжений по формуле: v, n – скорость относительного течения и ее нормаль к линиям тока; – коэффициент динамической вязкости газа (Па с); – напряжения внутреннего трения (Па). Для кинематической вязкости введено обозначение: Практически все природные газы содержат водяные пары. Наличие водяных паров в газе способствуют образованию гидратов на поверхности трубы. Различают w – абсолютную массовую и – объемную влажности Эти формулы не учитывают отклонение законов реального газа от законов идеального газа. Поэтому вводится понятие относительной влажности газа. Относительная влажность газа это отношение фактического количества водяных паров к максимально возможному (при одних и тех же давлениях и температуре) в единице объема: mw,T – максимально возможное количество водяного пара, которое может находится при данной температуре T ; mw -плотность пара; w,T – плотность насыщенного пара; pw – парциальное давление водяного пара в газовой смеси; pw,T – давление насыщенного водяного пара в газовой смеси. Температура, при которой газ становится насыщенным при определенном далении, называется точкой росы. При технологических расчетах газопровода газ должен быть осушен так, чтобы температура его транспортировки была бы на на несколько градусов ниже его точки росы.
Источник
ЛЕКЦИИ ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ
М.А.АХМЕТОВ
Продолжение.
Начало см. в № 8, 12, 13, 20, 23, 25-26, 40/2004;
1, 11, 15/2005;
7/2006
Химики изучают превращения веществ,
находящихся в трех агрегатных состояниях –
газообразном (газы), жидком (жидкости) и твердом
(твердые аморфные тела либо кристаллы) (табл. 8.1).
Таблица 8.1
Свойства газов, жидкостей, твердых
веществ
Физическое состояние | Объем | Форма | Сжимаемость | Плотность |
---|---|---|---|---|
Газ | Совпадает с объемом сосуда, | Заполняет сосуд, принимая его | Высокая | Низкая |
Жидкость | Фиксированный | Нефиксированная, полностью или | Малая | От умеренной до большой |
Твердое вещество | Фиксированный | Собственная | Практически отсутствует | Большая |
Газы. Наиболее характерным
свойством является сжимаемость и способность
расширяться. Газы не имеют собственной формы, они
расширяются до тех пор, пока равномерно не
заполнят весь сосуд, куда их поместили. Это
означает, что газы не имеют собственного объема,
т.е. объем газа определяется объемом сосуда, в
котором он находится. Газ оказывает на стенки
сосуда давление, одинаковое во всех
направлениях. Еще одним свойством газов является
их способность смешиваться друг с другом в любых
соотношениях.
Жидкости. Подобно газам, жидкости не имеют
определенной формы. Жидкость принимает форму
того сосуда, в котором она находится, при
установившемся под влиянием силы тяжести
некотором ее уровне. Однако в отличие от газа
жидкость имеет собственный объем. Сжимаемость
жидкостей очень мала. Для того чтобы заметно
сжать жидкость, требуется очень высокое
давление.
Твердые вещества. Твердые тела отличаются
от жидкостей и газов наличием собственной формы
и определенного объема. Сжимаемость твердых тел
чрезвычайно мала даже при очень высоких
давлениях.
8.2. Газы
Газообразному состоянию присущи две
особенности:
1) расстояние между молекулами обычно в
несколько раз превышает их размеры;
2) газы способны занимать весь объем
предоставленного им пространства.
Газы в отличие от жидкостей и твердых тел могут
сравнительно легко сжиматься. Для того чтобы
хорошо понимать особенности строения
газообразного вещества, нужно знать, чему равен
молярный объем газа, какова взаимосвязь между
занимаемым газом объемом и количеством вещества,
температурой и давлением, как определить среднее
расстояние между молекулами газа и как оно
зависит от его давления, с какой скоростью
двигаются молекулы газообразного вещества и от
чего эта скорость зависит.
Молярный объем газа – постоянная
величина, поскольку она мало зависит от природы
вещества. Молярный объем при давлении 1 атм (101,3
кПа) и температуре 0 °С (273 K) по закону Авогадро
равен 22,4 л. Газ, строго подчиняющийся закону
Авогадро, принято называть идеальным.
Выбранные условия (1 атм, 0 °С) названы нормальными
(н.у.). В школьных курсах химии и физики
незначительными отклонениями свойств реальных
газов от вытекающих из закона Авогадро для
идеального газа пренебрегают. Естественно, что
молярный объем газа зависит от температуры и
давления. При 25 °С и давлении 1 атм (эти условия
названы стандартными) молярный объем
идеального газа равен уже 24,4 л.
Молярные объемы реальных газов при одних и тех
же условиях несколько отличаются от молярного
объема идеального газа (табл. 8.2).
Таблица 8.2
Молярные объемы некоторых газов при
0 °С и 1 атм
Газ | Молярный объем, л |
---|---|
H2 | 22,432 |
О2 | 22,391 |
Cl2 | 22,022 |
CО2 | 22,263 |
NH3 | 22,065 |
SО2 | 21,888 |
Идеальный | 22,41383 |
Поясним понятие молярного объема на
примере следующего мысленного эксперимента. В
цилиндрический сосуд, разделенный на две равные
части резиновой мембраной, помещены равные
количества веществ хлора и водорода (рис. 8.1) (газы
считать идеальными). Произойдет ли выдавливание
резиновой мембраны, разделяющей сосуд, в сторону
одного из газов?
Рис. 8.1. |
При ответе на поставленный вопрос
необходимо иметь в виду, что давление газа
создается за счет ударов его молекул о стенки
сосуда. Поскольку количества молекул с обеих
сторон мембраны равны, а масса молекулы хлора
почти в 35,5 раза больше массы молекулы водорода,
можно предположить, что молекулы хлора создадут
большее давление и перегородка выдавится в
сторону водорода.
Однако этот ответ неверен, потому что не учтено
различие в скоростях движения молекул хлора и
водорода. Молекулы водорода двигаются быстрее.
Увеличение массы молекулы газа компенсируется
уменьшением скорости ее движения. Поэтому
давления, создаваемые различными газами, в итоге
окажутся равными. Формулировку закона Авогадро в
связи с вышеизложенным можно изменить: газы при
одинаковых условиях занимают равные объемы, а
значит, создают равные давления.
Скорость движения молекул газов.
Очевидно, что молекулы газа в один и тот же момент
времени движутся с разными скоростями. В
расчетах скоростей движения молекул воздуха при
20 °С были получены данные, представленные в
табл. 8.3.
Таблица 8.3
Скорости движения молекул воздуха при
20 °С
Диапазон скоростей, м/с | Процент молекул, имеющих данную |
---|---|
0–100 | 1 |
100–300 | 25 |
300–500 | 42 |
500–700 | 24 |
700–900 | 7 |
выше 900 | 1 |
Легко рассчитать среднюю
квадратичную скорость движения молекул газа,
зная зависимость скорости движения молекулы от
ее массы и температуры:
Результаты расчетов для ряда молекул приведены
в табл. 8.4.
Таблица 8.4
Средняя квадратичная скорость () молекул некоторых газов
при 25 °С
Газ | , м/с |
---|---|
H2 | 1930 (~7000 км/ч) |
He | 1365 |
CH4 | 680 |
NH3 | 660 |
H2O | 640 |
N2 | 515 |
О2 | 480 |
CО2 | 410 |
Связь температуры, давления, объема
и количества газообразного вещества. Все
параметры, описывающие состояние газа
(количество вещества, температура, давление),
входят в единое уравнение:
pV = RT,
где p – давление, V – объем, – количество вещества, R
– универсальная газовая постоянная,
Т – абсолютная температура. Это так
называемое уравнение Kлапейрона–Менделеева,
известное также как уравнение состояния
идеального газа. При пользовании данным
уравнением в него необходимо подставлять все
параметры в рамках одной системы единиц.
Рекомендуемой в настоящее время является
система единиц СИ, в которой давление измеряется
в паскалях (Па, 1 атм = 101,3 кПа), объем – в
кубических метрах (м3, 1 м3 = 1000 л),
количество вещества – в молях, температура в
кельвинах (K, 1K = 273 °С), а универсальная газовая
постоянная равна 8,31 Дж•K–1•моль–1.
Из уравнения состояния идеального газа вытекает,
что увеличение давления в два раза при
постоянной температуре приведет к уменьшению
объема газа в два раза (рис. 8.2).
Рис. 8.2. |
Средние расстояния между частицами
газов. Определим в качестве примера среднее
расстояние между атомами гелия при температуре
0 °С и атмосферном давлении. Один моль атомов
гелия в этих условиях займет объем 22,4 л. Найдем
объем, приходящийся на один атом гелия. С этой
целью объем 22,4 л разделим на количество
находящихся в нем атомов (6,02•1023). На один
атом приходится объем 3,72•10–23 л.
Если принять, что каждый атом гелия расположен
в центре кубика такого объема (рис. 8.3), то
ближайшее расстояние между атомами примерно
равно корню кубическому из этого объема:
Рис. 8.3. |
Источник