7.1: Стани матерії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22801

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Результати навчання

Перерахуйте три стани матерії та наведіть приклади кожного.
Опишіть властивості кожного стану речовини.
Визначте і опишіть кожен тип зміни стану.
Визнайте, що температури кипіння та плавлення різняться залежно від кожної речовини.
Визнайте, що температура кипіння речовини залежить від тиску.

Стани матерії

Ще одним способом, яким ми можемо описати властивості речовини, є стан (також званий фазою). Кількість енергії в молекулах речовини визначає стан речовини. Матерія може існувати в одному з декількох різних станів, включаючи газ, рідкий або твердий стан. Ці різні стани речовини мають різні властивості, які проілюстровані на малюнку нижче.

Газ - це стан речовини, в якому атоми або молекули мають достатньо енергії, щоб вільно рухатися. Молекули контактують один з одним лише тоді, коли вони випадковим чином стикаються. Сили між атомами або молекулами недостатньо сильні, щоб утримувати їх разом.
Рідина - це стан речовини, в якому атоми або молекули постійно контактують, але мають достатньо енергії, щоб продовжувати змінювати положення відносно один одного. Сили між атомами або молекулами досить сильні, щоб зберегти молекули відносно близько один до одного, але недостатньо сильні, щоб запобігти їх переміщенню один одного.
Тверде тіло - це стан речовини, в якому атомам або молекулам не вистачає енергії для переміщення. Вони постійно знаходяться в контакті і в фіксованих положеннях відносно один одного. Сили між атомами або молекулами досить сильні, щоб зберегти молекули разом і не дати їм рухатися повз один одного.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Стани матерії. Всі три ємності містять речовину з однаковою масою, але речовини знаходяться в різних станах. У лівій ємності речовина являє собою газ, який поширився, щоб заповнити свою ємність. Він приймає як форму, так і обсяг ємності. У середній ємності речовина являє собою рідину, яка поширилася, щоб прийняти форму своєї ємності, але не об'єму. У правій ємності речовина являє собою тверду речовину, яка не приймає ні форми, ні обсягу своєї ємності.

Що визначає стан речовини?

В якому стані знаходиться речовина, частково залежить від температури і тиску повітря. Наприклад, при тиску повітря, виявленому на рівні моря, вода існує у вигляді рідини при температурах між\(0^\text{o} \text{C}\) і\(100^\text{o} \text{C}\). Зверху\(100^\text{o} \text{C}\) вода існує у вигляді газу (водяної пари). \(0^\text{o} \text{C}\)Внизу вода існує як тверда речовина (лід). Різні речовини мають різний діапазон температур, при яких вони існують в кожному стані. Наприклад, кисень - це газ вище\(-183^\text{o} \text{C}\), а ось залізо - газ тільки вище\(2861^\text{o} \text{C}\). Ці відмінності пояснюють, чому деякі речовини завжди є твердими речовинами при нормальній температурі Землі, тоді як інші завжди є газами або рідинами.

Вода може приймати різні форми. При низьких температурах (нижче\(0^\text{o} \text{C}\)) він являє собою тверду речовину. Це рідина між\(0^\text{o} \text{C}\) і\(100^\text{o} \text{C}\). У той час як при температурі вище\(100^\text{o} \text{C}\), вода є газом (парою). Стан, в якому знаходиться вода, залежить від температури. Кожен стан (тверде, рідке, газове) має свій унікальний набір фізичних властивостей.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Характеристики кожної фази речовини
	Газ	Рідина	Тверді
Форма	немає певної форми (приймає форму свого контейнера)	немає певної форми (приймає форму свого контейнера)	певна форма (жорстка)
Обсяг	частинки рухаються у випадковому русі з невеликим або зовсім відсутнім потягом один до одного	має певний обсяг	певний обсяг
Мобільність	частинки рухаються у випадковому русі з невеликим або зовсім відсутнім потягом один до одного	частинки вільно переміщаються один над одним, але все одно притягуються один до одного	частинки вібрують навколо нерухомих осей
стисливість	високо стисливий	слабо стисливий	слабо стисливий

Технічно кажучи, четвертий стан речовини, який називається плазмою, існує, але він природним чином не зустрічається на землі, тому ми опустимо його з нашого дослідження тут.

Зміна станів

Матерія постійно проходить цикли, які передбачають зміну станів (також званих фазами зміни). Вода і всі важливі для організмів елементи, включаючи вуглець і азот, постійно переробляються на Землі. Оскільки речовина рухається через свої цикли, вона неодноразово змінює стан. Наприклад, у циклі води вода неодноразово змінюється з газу на рідину або тверду речовину і знову на газ. Як це відбувається?

Додавання енергії до речовини дає її атомам або молекулам здатність протистояти деяким силам, що тримають їх разом. Наприклад, нагрівання льоду до температури плавлення дає його молекулам достатньо енергії для переміщення. Лід тане і стає рідкою водою. Аналогічно, нагрівання рідкої води до температури кипіння дає її молекулам достатньо енергії, щоб витягнути один від одного, щоб вони більше не мали контакту. Рідина вода випаровується і стає водяною парою.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Матерія може переміщатися між будь-якими двома станами (або фазами) речовини залежно від тиску та температурних умов. Хоча на малюнку показані стани для води, ці назви відносяться до всіх речовин. *Використання слова fusion для плавлення засноване на його латинських коренях.*

Температура плавлення і кипіння залежать від ідентичності речовини і атмосферного тиску. Кожна речовина має свої температури кипіння і плавлення, які залежать від властивостей речовини, в тому числі і від сили його міжмолекулярних сил. Як приклад значення для води наведені в табл\(\PageIndex{1}\). Зверніть увагу, як температура кипіння води сильно змінюється в залежності від тиску.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Температура кипіння води як функція тиску
Висота над рівнем моря\(\left( \text{ft} \right)\)	Тиск\(\left( \text{atm} \right)\)	Точка кипіння\(\left( ^\text{o} \text{C} \right)\)
\ (\ left (\ text {ft}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; вирівнювання тексту: центр; ">-500	\ (\ left (\ text {atm}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; вирівнювання тексту: центр; ">1.05	\ (\ left (^\ text {o}\ text {C}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; вирівнювання тексту: центр; ">100.5
\ (\ left (\ text {ft}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; вирівнювання тексту: центр; "> 0	\ (\ left (\ text {atm}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; вирівнювання тексту: центр; ">1.00	\ (\ left (^\ text {o}\ text {C}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; вирівнювання тексту: центр; ">100
\ (\ left (\ text {ft}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; вирівнювання тексту: центр; "> 4000	\ (\ left (\ text {atm}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; вирівнювання тексту: центр; "> 0.892	\ (\ left (^\ text {o}\ text {C}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; вирівнювання тексту: центр; ">96
\ (\ left (\ text {ft}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; вирівнювання тексту: центр; "> 7000	\ (\ left (\ text {atm}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; вирівнювання тексту: центр; "> 0.797	\ (\ left (^\ text {o}\ text {C}\ праворуч)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; вирівнювання тексту: центр; ">93