Fysisk tilstand

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Aggregeringstilstande er grundlæggende manifestationer af materie, der er stærkt forskellige i deres atomers og molekylers mobilitet såvel som i styrken af ​​interaktionerne mellem dem. [1] [2] [3] De klassiske tilstande for aggregering fast , flydende og gasformig kan derfor identificeres sensorisk baseret på deres forskellige makroskopiske mekaniske og reologiske egenskaber. [4] Ud over fysik og mere kaldte man i jordens biosfære lidt eller ingen naturligt forekommende former for stof som en samlet tilstand. For eksempel er plasma , som solen består af, den fjerde samlede tilstand af stof. [5]

Visse stoffer , såsom flydende krystaller , viskoelastiske stoffer eller smeltninger af særligt langkædede polymerer , kan vise egenskaber ved både den faste og flydende aggregeringstilstand. Briller af ataktiske polymerer med høje molekylvægte ses ofte som faste stoffer, selvom disse kun er væsker med en dynamik, der er stærkt bremset i forhold til tidsskalaerne for menneskelig opfattelse. [6] [7]

Udtrykket aggregeret tilstand skal skelnes fra den smallere termfase . En fase er et rumligt begrænset område inden for et materiale, der har kemisk og fysisk ensartede egenskaber. [8] En fysisk tilstand kan omfatte flere faser. F.eks. Kan homogene faste stoffer være til stede ved forskellige temperaturer og tryk i forskellige krystalmodifikationer, som kan omdannes til hinanden ved enantiotrope omdannelser, og som hver repræsenterer en separat fase. Heterogene blandinger kan være ensartet i fast eller flydende fysisk tilstand, men indeholde flere faser af forskellige materialesammensætninger. I tilfælde af gasser og plasmaer kan udtrykkene fysisk tilstand og fase bruges synonymt .

Overførslen af ​​et stof til en anden fysisk tilstand sker gennem en faseovergang , som kan forårsages af en tilstandsændring , for eksempel gennem en ændring i temperatur, tryk eller volumen . Grænserne mellem de forskellige aggregattilstande i et stofs tilstandsrum kan grafisk repræsenteres ved hjælp af fasediagrammer .

De tre klassiske aggregattilstande

Temperaturafhængig frekvens af elementernes aggregerede tilstande (blå: fast, rød: flydende, grøn: gasformig)

Oversigt

Der er tre klassiske aggregattilstande:

  • fast ( f alternativt s ): I denne tilstand bevarer et stof normalt både form og volumen.
  • væske ( fl alternativt l ): Her bevares volumen, men formen er inkonsekvent og tilpasser sig det omgivende rum.
  • gasformig ( g ): Der er heller ingen volumenstabilitet her, en gas fylder fuldstændigt det ledige rum.

For faste stoffer og flydende stoffer er der samlebetegnelsen kondenseret stof . Væsker og gasser er opsummeret i fysik under det generiske udtryk væsker .

For faste stoffer skelnes der også efter andre egenskaber:

De klassiske aggregattilstande kan forklares med en partikelmodel , der reducerer de mindste partikler af et stof (atomer, molekyler, ioner ) til små kugler. Den gennemsnitlige kinetiske energi for alle partikler er et mål for temperaturen i alle tilstande. Bevægelsestypen er helt anderledes i de tre aggregatstater. I gassen bevæger partiklerne sig i en lige linje som billardkugler, indtil de kolliderer med en anden eller med skibets væg. I væsken skal partiklerne presse gennem huller mellem deres naboer ( diffusion , brunisk molekylær bevægelse ). I det faste stof svinger partiklerne kun omkring deres hvileposition.

Rettet

Partikelmodel af et krystallinsk fast stof

Bevæge sig

De mindste partikler i et fast stof er kun lidt i bevægelse. De svinger rundt om en fast position, deres gitterposition og roterer for det meste rundt om deres akser. Jo højere temperaturen er, jo mere voldsomt vibrerer eller roterer de, og afstanden mellem partiklerne stiger (normalt). Undtagelse: tæthedsanomali .

  • Formen af ​​det faste stof forbliver uændret.
  • Fast stof er svært at nedbryde.
  • De er vanskelige at deformere (dårlig deformerbarhed , sprød ).

Bemærk: Hvis man ser på partiklerne med kvantemekaniske principper, på grund af Heisenbergs usikkerhedsprincip , bør partikler faktisk aldrig stå stille. De har små svingninger, som også er kendt som nulpunktsudsving . Dette svarer til den harmoniske oscillators grundtilstand.

attraktion

Forskellige kræfter virker mellem de mindste partikler, nemlig van der Waals kræfter , den elektrostatiske kraft mellem ioner, hydrogenbindinger eller kovalente bindinger . Krafttypen bestemmes af partiklernes atomstruktur ( ioner , molekyler, dipoler ...). For stoffer, der er faste selv ved høje temperaturer, er tiltrækningen særlig stærk.

arrangement

På grund af den svage bevægelse og den faste sammenhængskraft arrangeres partiklerne regelmæssigt.

  • De fleste faste stoffer har derfor en regelmæssig struktur (krystal), kun få er amorfe .
  • Partikelarrangementet i et amorft fast stof er på samme måde uordnet som i væsken, men det er dimensionelt stabilt, fordi partikelbevægelserne mod hinanden stort set er frosset.

afstand

På grund af den stærke tiltrækning er partiklerne tæt på hinanden (høj pakningstæthed )

Væske

Partikelmodel af en væske eller et amorft fast stof

Bevæge sig

Partiklerne er ikke stationære, som det er tilfældet med faste stoffer, men kan bevæge hinanden. Når temperaturen stiger, bliver partikelbevægelserne hurtigere og hurtigere.

attraktion

Som følge af opvarmningen er partiklernes bevægelse så stærk, at interaktionskræfterne ikke længere er tilstrækkelige til at holde partiklerne på deres sted. Partiklerne kan nu bevæge sig frit.

  • Et flydende stof breder sig selv, hvis det ikke opbevares i en beholder.
  • Et farvestof fordeler sig i en væske ( diffusion ).

afstand

Selvom den hurtigere bevægelse øger afstanden mellem partiklerne (de fleste faste stoffer fylder mere, når de smelter), klæber partiklerne stadig til hinanden. Det samme gælder reduktion af volumenet af en væske ved komprimering som i tilfælde af et fast stof, hvorved det tilsvarende kompressionsmodul af væsken kommer i spil. Når temperaturen falder, bliver volumen også mindre, men i tilfælde af vand kun op til en temperatur på 4 ° C ( vandets anomali ), mens under dette stiger volumen igen til 0 ° C.

arrangement

Selvom partiklerne konstant omarrangerer og ryster / roterer, kan et arrangement bestemmes. Denne rækkefølge med kort rækkevidde ligner den i amorfe faste stoffer, men viskositeten er meget lavere, dvs. partiklerne er mere mobile.

Gasformig

Partikelmodel af en gas

Bevæge sig

I tilfælde af stoffer i en gasformig tilstand bevæger partiklerne sig hurtigt. En gas eller et gasformigt stof spredes hurtigt i et rum. I et lukket rum fører slag af de mindste partikler mod væggene til gasens tryk.

attraktion

Når gasformig tilstand er den kinetiske energi for de mindste partikler er så høj, at de ikke hænger sammen. De mindste partikler af det gasformige stof fordeles jævnt i hele det tilgængelige rum.

afstand

Partiklernes hurtige bevægelse i en gas betyder, at de er langt fra hinanden. De støder kun ind i hinanden nu og da, men de forbliver på stor afstand i forhold til væskefasen. Et gasformigt stof kan komprimeres, dvs. dets volumen kan reduceres.

arrangement

På grund af bevægelsen er partiklerne uordnede.

I fysisk kemi skelnes der mellem damp og gas. Fra et fysisk synspunkt er begge ikke andet end den gasformige aggregeringstilstand; udtrykkene har heller ingen direkte relation til ægte gas og idealgas . Det, der i daglig tale kaldes "damp", er fra et fysisk synspunkt en blanding af flydende og gasformige komponenter, som i tilfælde af vand kaldes våd damp .

En damp i snævrere forstand er en ligevægtstilstand mellem den flydende og gasformige fase. Det kan flydende uden at skulle udføre noget arbejde, det vil sige, at der ikke er nogen trykforøgelse, når det gøres flydende. I teknologien kaldes denne type damp våd damp, i modsætning til såkaldt overophedet damp eller overophedet damp, som faktisk er en rigtig gas, der består af vandmolekyler, og hvis temperatur er over kondensationstemperaturen i væskefasen ved den respektive tryk.

Udvalgte grundstoffer som eksempler

Rene stoffer betegnes som faste, flydende eller gas i henhold til deres fysiske tilstand ved en temperatur på 20 ° C (se stuetemperatur ) og et tryk på 1013,25 hPa ( normalt tryk ). Eksempel: Brom er flydende ved stuetemperatur og normalt tryk (se tabel), så brom betragtes som en væske.

Disse udtryk (fast, flydende, gas) bruges også, når stoffer tager en anden fysisk tilstand under ændrede forhold. I en snævrere forstand henviser klassificeringen imidlertid til de ovennævnte standardbetingelser ; hvert stof tilhører derefter en af ​​kategorierne.

materiale Smeltetemperatur 1 Kogepunkt 1 Fysisk tilstand
i fryseren (−10 ° C) 1
Fysisk tilstand
ved stuetemperatur (25 ° C) 1
Fysisk tilstand
i ovnen (150 ° C) 1
jern 1535 ° C 2750 ° C fast fast fast
kobber 1084 ° C 2567 ° C fast fast fast
Cæsium 28 ° C 671 ° C fast fast væske
ilt −219 ° C −183 ° C gasformig gasformig gasformig
helium −272 ° C −269 ° C gasformig gasformig gasformig
brom −7 ° C 59 ° C fast væske gasformig
chlor −101 ° C −35 ° C gasformig gasformig gasformig
vand 0 ° C 100 ° C fast væske gasformig

1 ved normalt tryk

Aggregeringstilstande i blandinger

Når stoffer blandes, resulterer karakteristiske blandinger , f.eks. Tåge eller skum, afhængigt af komponenternes fysiske tilstand og deres kvantitative andel.

Ændring i den fysiske tilstand

Oversigt over ændringerne i aggregeringstilstanden

Overgangene mellem de forskellige aggregatstater har særlige navne (eoc, omc, eon) og særlige overgangsbetingelser, som i tilfælde af rene stoffer består af tryk og temperatur. Disse overgangsbetingelser svarer til punkter på fasediagrammernes fasegrænselinjer. En vis mængde varme er påkrævet for hver faseovergang eller frigives i processen.

fra ↓ til → Solid væske gas
Solid - Smelte
ved smeltepunktet
( Fusionsvarme )
Sublimering / sublimering
sublimeringspunktet
( Varme af sublimering )
væske Stivning / frysning
ved frysepunktet
( Størkningsvarme )
- Fordampning / kogning
ved kogepunktet
( Fordampningsvarme )
gas Genoplivning / genoplivning
ved genoplivning
( Varme i genoplivning )
kondensation
ved kondensationspunktet
( Kondensvarme )
-

Sublimering og fordampning forekommer også under sublimeringen eller kogepunktet. Man taler her om en fordampning .

Hverdagseksempler

Betegnelser for ændringer i tilstanden til sammenlægning af vand

Alle overgange kan observeres ved hjælp af eksemplet med vand i dagligdagen (se figur):

Smelte

Sne eller is begynder at blive flydende om foråret, så snart temperaturen over smeltetemperaturen hersker.

Fryse

Hvis vandet i søer afkøles under frysepunktet , dannes iskrystaller , som med tiden bliver større og større, indtil overfladen er dækket af et lag is.

Fordampe

Hvis vandet i gryden opvarmes over kogepunktet , bliver vandet gasformigt. "Boblen" i gryden opstår, fordi vandet på grydenes varme bund først når kogetemperaturen - de stigende bobler er vanddampen , som (ligesom de fleste gasformige stoffer) er usynlig. Fordampning , overgangen fra væske til gasform uden at nå kogepunktet, kan let observeres ved sved på huden.

Kondensere

Den klart synlige tåge over kogende vand, som normalt i daglig tale kaldes "damp", er vanddamp kondenseret til små vanddråber. Dug og skyer skabes også ved kondensering af vanddamp.

sublimering

Frosne vandpytter kan gradvist "tørre ud" gennem sublimering om vinteren, selv ved temperaturer langt under frysepunktet, indtil isen er helt sublimeret og vandpollen er forsvundet.

Resublimation

Rim eller is blomster den form om vinteren er forårsaget af den vanddamp, der resublimates fra den omgivende luft.

Partikelmodel af faseovergangene

Smelte

Ved at øge temperaturen (tilføje termisk energi) bevæger de mindste partikler sig mere og mere voldsomt, og deres afstand til hinanden (normalt) øges. Men Van der Waals -styrkerne holder dem stadig i deres position, deres gittersted. Kun fra den såkaldte smeltetemperatur bliver partiklernes oscillationsamplitude så stor, at gitterstrukturen delvis falder sammen. Der dannes grupper af partikler, der kan bevæge sig frit. I dem er der en rækkefølge af kort rækkevidde , i modsætning til partiklernes rækkefølge inden for krystalgitteret af faste stoffer.

Fryse

Når temperaturen falder, falder partiklernes bevægelse, og deres afstand til hinanden bliver mindre og mindre. Rotationsenergien falder også. Ved den såkaldte størkningstemperatur bliver afstanden så lille, at partiklerne blokerer hinanden og interagerer med hinanden på en stadig mere attraktiv måde-de indtager en fast position i et tredimensionelt gitter.

Der er væsker, der udvider sig, når temperaturen falder, såsom vand. Denne adfærd er kendt som en densitetsanomali .

Fordampning og sublimering

Hastigheden af ​​de mindste partikler er ikke den samme. Del er hurtigere, del er langsommere end gennemsnittet. Partiklerne ændrer konstant deres nuværende hastighed på grund af kollisioner .

På grænsen af ​​et fast stof eller en væske, overgangen fra en fase til en gasformig, kan det ske, at en partikel tilfældigvis modtager en så stærk impuls fra sine naboer, at den slipper ud af indflydelsesområdet for den kohæsive kraft . Denne partikel ændres derefter til den gasformige tilstand og tager noget termisk energi med sig i form af kinetisk energi, dvs. den faste eller flydende fase afkøles lidt.

Hvis der tilføres termisk energi til et system, og temperaturen når sublimerings- eller kogetemperaturen, foregår denne proces kontinuerligt, indtil alle de mindste partikler er gået over i gasfasen. I dette tilfælde forbliver temperaturen i fordampningsfasen normalt uændret, indtil alle partikler med en højere temperatur er forsvundet fra systemet. Varmeforsyningen omdannes således til en stigning i entropi .

Hvis kohesionskræfterne er meget stærke, eller hvis det faktisk er en meget stærkere metal- eller ionbinding , vil der ikke være nogen fordampning.

Den stærke volumenforøgelse af et stof på grund af fordampning kan føre til en fysisk eksplosion, hvis der pludselig tilføres meget varme.

Kondens og genoplivning

Den omvendte proces er kondens eller resublimering. En lille partikel rammer ved et uheld et fast eller flydende stof, overfører dets momentum og holdes på plads af de sammenhængende kræfter. Som følge heraf opvarmes kroppen af ​​den energi, som den mindste partikel transporterede mere end gennemsnittet af de mindste partikler i den faste eller flydende fase.

Men hvis partiklen kommer fra et stof, der er gasformigt ved denne temperatur, er kohæsionskræfterne for svage til at holde den på plads. Selvom den tilfældigvis har mistet så meget energi, at den er bundet, vil den næste kollision med små nabopartikler kaste den tilbage i gasfasen. Ved at sænke temperaturen kan de mindste partikler fratages deres energi. Som et resultat, når temperaturen falder under sublimerings- eller størkningstemperaturen, får interaktionskræfterne med andre partikler dem til at klumpe sig sammen og danne et fast stof eller en væske igen.

Fasediagrammer

Fasediagram over et "almindeligt" stof og vand ( tæthedsanomali )

PT -fasediagrammet for et stof beskriver, afhængigt af tryk og temperatur, i hvor mange faser et stof er til stede, og i hvilken sammenlægningstilstand de er. Linjerne viser det tryk og den temperatur, hvormed stofferne ændrer deres fysiske tilstand. I et vist omfang finder faseovergangen mellem aggregattilstande sted på linjerne, hvorfor disse også omtales som fasegrænselinjer. De respektive aggregationstilstande er til stede på dem i form af en dynamisk ligevægt ved siden af ​​hinanden i forskellige faser.

  • Ved et bestemt tryk og en bestemt temperatur, det såkaldte triple point , kan alle tre sammenlægningstilstande eksistere på samme tid. Dette er det punkt i "midten" af fasediagrammet, hvor alle tre fasegrænselinjer mødes. Det tredobbelte punkt er derfor velegnet som udgangspunkt for disse linjer og til at definere mange temperaturskalaer .
  • Over et bestemt tryk og en bestemt temperatur kan det såkaldte kritiske punkt , gas og væske ikke længere differentieres på grund af deres identiske densitet . Ingen fasegrænselinje kan derfor etableres i dette tilstandsrum .
  • For tryk under trippelpunktstrykket kan stoffet kun blive fast, når temperaturen reduceres eller kun i luftform, når temperaturen øges. Skillelinjen mellem de to områder kaldes sublimeringskurven . Faste og gasformige faser kan sameksistere på den. Teoretisk set begynder sublimeringskurven ved absolut nul og slutter ved det tredobbelte punkt.
  • Ved tryk over trippelpunktstrykket er stoffet fast ved temperaturer under smeltepunktet , væske mellem smelte- og kogepunkt og gasformigt over kogepunktet. Skillelinjen mellem den faste og flydende fase, dvs. kurven for smeltepunkterne, kaldes smeltekurven , skillelinjen mellem væske og gas kaldes kogepunktskurven . Begge kurver begynder også ved det tredobbelte punkt, smeltekurven fortsætter teoretisk til uendelig og kogepunktskurven ender ved det kritiske punkt.
  • Frihedsgraderne i fasediagrammet afhænger af det plan, der overvejes. Der er ingen grad af frihed på det tredobbelte punkt og på det kritiske punkt, da både tryk og temperatur har faste værdier, der kun er afhængige af stoffet. Enten tryk eller temperatur kan frit vælges ved fasegrænselinjerne og er indbyrdes afhængige, derfor er der en vis grad af frihed. I det rene tilstandsrum, dvs. i områderne i fasediagrammet, kan tryk og temperatur frit vælges, hvilket svarer til to frihedsgrader.

Ikke-klassiske fysiske tilstande

Ud over de tre klassiske aggregattilstande er der andre materielle tilstande, hvoraf nogle kun forekommer under ekstreme forhold (sorteret efter temperatur, tendens fra højere til lavere).

litteratur

Weblinks

Commons : fysisk tilstand - samling af billeder, videoer og lydfiler
Wiktionary: Aggregation state - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

Individuelle beviser

  1. Ivan Gutzow, Jürn Schmelzer: Den glasagtige stat. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 1995, ISBN 978-3-662-03189-6 , s.   7 , doi : 10.1007 / 978-3-662-03187-2 ( online [adgang 4. februar 2021]).
  2. Aggregeringstilstand. I: Leksikon for fysik. Hentet 4. februar 2021 .
  3. Wolfgang Bechmann, Ilko Bald: Indgang i fysisk kemi for naturforskere (= kemi studiebøger ). 7. udgave. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2020, ISBN 978-3-662-62033-5 , kapitel "1.1 Betingelser for at beskrive materielle tilstande", doi : 10.1007 / 978-3-662-62034-2 ( online [adgang den 5. Februar 2021]).
  4. ^ Charles E. Mortimer, Ulrich Müller: Kemi: Den grundlæggende viden om kemi . 13. udgave. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2020, ISBN 978-3-13-242274-2 , kapitel "1.2 elementer, forbindelser, blandinger", doi : 10.1055 / b-006-163279 ( online [adgang 5. februar 2021]).
  5. Ulrich Stroth: Plasmafysik - fænomener, grundlæggende og applikationer . 2. udgave. Springer-Verlag, Berlin 2018, ISBN 978-3-662-55235-3 , Kapitel "1 Einleitung", doi : 10.1007/978-3-662-55236-0 ( Online [abgerufen am 5. Februar 2021]).
  6. David I. Bower: An introduction to polymer physics . Cambridge University Press, Cambridge 2002, ISBN 0-511-07757-2 , 7.4 Time–temperature equivalence and superposition.
  7. Gert Strobl: The Physics of Polymers – Concepts for Understanding Their Structures and Behavior . 3. Auflage. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2007, ISBN 978-3-540-25278-8 , 6.3 Specific Relaxation Processes and Flow Behavior, doi : 10.1007/978-3-540-68411-4 ( springer.com [abgerufen am 5. Februar 2021]).
  8. JB Clarke, JW Hastie, LHE Kihlborg, R. Metselaar, MM Thackeray: Definitions of terms relating to phase transitions of the solid state (IUPAC Recommendations 1994) . In: Pure and Applied Chemistry . Band   66 , Nr.   3 , 1. Januar 1994, ISSN 1365-3075 , S.   577–594 , doi : 10.1351/pac199466030577 ( Online [abgerufen am 5. Februar 2021]).