Какие свойства газов отличаются от твердых тел и жидкостей

• 2019

Все, что нас окружает, такие как воздух, еда, вода, растения, животные, транспортные средства, одежда и т. Д., Состоит из материи. Вещество – это совокупность частиц, и все, что имеет массу и занимает пространство. Существует три основных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Состояния вещества происходят из-за изменений в молекулах вещества. Размер и форма твердого объекта являются определенными.

Тем не менее, если мы говорим о двух других состояниях вещества, то есть жидкости и газа, то жидкости текут, принимая форму стакана, и газы диффундируют, чтобы полностью заполнить имеющийся объем. Основное различие между твердым телом, жидкостью и газом заключается в их свойствах, которые мы собираемся обсудить в этой статье.

Сравнительная таблица

Определение твердого тела

Под термином «твердый» мы понимаем тип материи, которая имеет жесткую структуру и противостоит изменению ее формы и объема. Частицы твердого тела плотно связаны и хорошо расположены в правильном порядке, что не позволяет частицам свободно перемещаться из одного места в другое. Частицы постоянно вибрируют и крутятся, но движения нет, так как они находятся слишком близко друг к другу.

Как межмолекулярное притяжение максимально в твердых телах, так и потому, что их форма фиксирована, а частицы остаются там, где они установлены. В дополнение к этому сжатие твердого тела очень жесткое, так как пространства между молекулами уже очень меньше.

Определение жидкости

Свободно текучее вещество постоянного объема, имеющее консистенцию, называется жидкостью. Это тип материи, который не имеет своей формы, но принимает форму сосуда, в котором он находится. Он содержит мелкие частицы, которые крепко удерживаются межмолекулярными связями. Одним из уникальных свойств жидкости является поверхностное натяжение, явление, при котором жидкость обладает минимальной площадью поверхности.

Сжатие жидкости практически затруднено из-за меньшего зазора между частицами. Частицы тесно связаны, но не так тесно, как в случае твердого тела. Таким образом, частицы могут двигаться и смешиваться друг с другом.

Определение газа

Газ описывается как состояние вещества, которое свободно распространяется во всех направлениях и заполняет все доступное пространство, независимо от количества. Он состоит из частиц, которые не имеют определенной формы и объема. Частицы могут быть отдельными атомами или элементарными молекулами или составными молекулами.

В газах молекулы слабо удерживаются, и поэтому между молекулами много свободного пространства для свободного и постоянного движения. Благодаря этой характеристике, газ обладает способностью заполнять любой контейнер, а также может быть легко сжат.

Основные различия между твердым веществом, жидкостью и газом

Разница между твердым веществом, жидкостью и газом может быть четко определена по следующим причинам:

1. Вещество, обладающее структурной жесткостью и имеющее твердую форму, которую трудно изменить, называется твердым веществом. Водоподобная жидкость, которая течет свободно, имеет определенный объем, но не имеет постоянной формы, называется жидкостью. Газ относится к состоянию вещества, не имеет какой-либо формы, но полностью соответствует форме контейнера, в который он помещен.
2. Хотя твердые вещества имеют определенную форму и объем, жидкости имеют только определенный объем, но не форму, газы не имеют ни формы, ни объема.
3. Уровень энергии самый высокий в газах, средний в жидкости и самый низкий в твердых веществах.
4. Сжатие твердых частиц затруднено, жидкости почти несжимаемы, но газы легко сжимаются.
5. Молекулярное расположение твердых веществ является регулярным и близким, но жидкости имеют неправильное и редкое молекулярное расположение, а газы также имеют случайное и более редкое расположение молекул.
6. Молекулярное расположение в твердых телах хорошо организовано. Однако в случае жидкостей слои молекул скользят и скользят друг над другом. Напротив, частицы в газах совсем не организованы, из-за чего частицы движутся случайно.
7. Когда дело доходит до текучести, твердые вещества не могут течь, однако жидкости могут течь, и это также от более высокого уровня до более низкого уровня. В отличие от этого газы текут во всех направлениях.
8. Пространства между молекулами и кинетической энергией минимальны в твердых телах, средние в жидких и максимальные в газах. Таким образом, движение молекул незначительно в твердых телах, тогда как в жидкостях наблюдается беспорядочное, случайное движение молекул. В отличие от газов, которые имеют свободное, постоянное и случайное движение молекул.
9. В твердых телах частицы плотно удерживаются сильным межмолекулярным притяжением, хотя в жидкостях притяжение между частицами является промежуточным. В отличие от этого частицы слабо удерживаются, потому что межмолекулярное притяжение слабое.
10. Скорость звука самая высокая в твердых телах, а скорость немного ниже в жидкостях и минимальная в газах.
11. Поскольку твердые вещества имеют определенную форму и размер, им не требуется контейнер для хранения. Жидкости нельзя хранить без контейнера. И наоборот, для хранения газов необходим закрытый контейнер.

Изменение в состоянии материи

Вещество меняет свое состояние от одной формы к другой, когда нагревается или охлаждается, что подпадает под физическое изменение. Итак, ниже приведены некоторые процессы, посредством которых состояние вещества может быть изменено:

• Плавление : процесс превращения твердого вещества в жидкость.
• Замораживание : процесс, который помогает в превращении жидкости в твердое вещество.
• Испарение : процесс, используемый для превращения жидкости в газ.
• Конденсация : процесс, при котором газ превращается в жидкость.
• Сублимация . Когда твердое вещество превращается в газ, оно называется сублимацией.
• Описание : процесс, посредством которого газ превращается в твердое вещество.

Заключение

Следовательно, в этой статье мы узнали, что вещество присутствует в трех состояниях: твердое тело, жидкость и газ. Кроме того, состояние вещества являются взаимозаменяемыми, то есть форма может быть изменена путем изменения температуры или давления.

Жидкость — это агрегатное состояние вещества, промежуточное между газообразным и твердым.

Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком (рисунок 12.2).

Рисунок 12.2 – Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед.

Из-за большого молекулярного давления жидкость практически не­сжимаема. Жидкость обладает свойством текучести, приобретает форму сосуда, в котором она находится.

Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. Для не очень больших интервалов температур относительное изменение объема ΔV / V0 пропорционально изменению температуры ΔT:

(12.6)

Коэффициент β называют температурным коэффициентом объемного расширения. Этот коэффициент у жидкостей в десятки раз больше, чем у твердых тел.

Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Если молекула переместиться с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т. е. увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил ΔAвнеш, пропорциональную изменению ΔS площади поверхности:

(12.7)

Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией. Потенциальная энергия Ep поверхности жидкости пропорциональна ее площади:

(12.8)

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение — это физическая величина, равная отношению силы F поверхностного натяжения, приложенной к границе, поверхностного слоя жидкости и направленной по касательной к по­верхности, к длине l этой границы:

(12.9)

Единица поверхностного натяжения — ньютон на метр (Н/м).

Поверхностное натяжение различно для разных жидкостей и зави­сит от температуры.

Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела. Если эти силы больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом θ, характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол θ называется краевым углом.

Рисунок 12.3 – Краевые углы смачивающей (1) и несмачивающей (2) жидкостей

Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол θ оказывается тупым (рис. 12.3). В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании θ = 0, при полном не смачивании θ = 180°. Искривленная поверхность жидкости называется мениском

Особенно хорошо наблюдается искривление мениска жидкости в тонких трубках, называемых капиллярами.

Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются.

На рисунке 12.4 изображена капиллярная трубка некоторого радиуса r, опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ. Верхний конец капилляра открыт.

Рисунок 12.4 – Подъем смачивающей жидкости в капилляре

Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести т, действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей Fн сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: Fт = Fн, где Fт = mg = ρhπr2g, Fн = σ2πr cos θ.

Отсюда следует:

При полном смачивании θ = 0, cos θ = 1. В этом случае

(12.10)

При полном не смачивании θ = 180°, cos θ = –1 и, следовательно, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде.

Кристаллические и аморфные тела. По своим физическим свойствам и молекулярной структуре твердые тела разделяются на два класса – аморфные и кристаллические тела.

Характерной особенностью аморфных тел является их изотропность, т. е. независимость всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от направления. Молекулы и атомы в изотропных твердых телах располагаются хаотично, образуя лишь небольшие локальные группы, содержащие несколько частиц (ближний порядок). По своей структуре аморфные тела очень близки к жидкостям. Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т. д. Если аморфное тело нагревать, то оно постепенно размягчается, и переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.

В кристаллических телах частицы располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры во всем объеме тела.

Рисунок 12.5 – Кристаллическая решетка поваренной соли.

Для наглядного представления таких структур используются пространственные кристаллические решетки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул данного вещества. Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных) атомов, которые входят в состав молекулы данного вещества. Например, решетка поваренной соли содержит ионы Na+ и Cl–, не объединенные попарно в молекулы NaCl (рис. 12.5). Такие кристаллы называются ионными.

В каждой пространственной решетке можно выделить структурный элемент минимального размера, который называется элементарной ячейкой. Вся кристаллическая решетка может быть построена путем параллельного переноса (трансляции) элементарной ячейки по некоторым направлениям.

Теоретически доказано, что всего может существовать 230 различных пространственных кристаллических структур. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно.

Кристаллические решетки металлов часто имеют форму шестигранной призмы (цинк, магний), гранецентрированного куба (медь, золото) или объемно центрированного куба (железо).

Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Поликристаллические тела состоят из многих сросшихся между собой хаотически ориентированных маленьких кристалликов, которые называются кристаллитами. Большие монокристаллы редко встречаются в природе и технике. Чаще всего кристаллические твердые тела, в том числе и те, которые получаются искусственно, являются поликристаллами.

В отличие от монокристаллов, поликристаллические тела изотропны, т. е. их свойства одинаковы во всех направлениях. Поликристаллическое строение твердого тела можно обнаружить с помощью микроскопа, а иногда оно видно и невооруженным глазом (чугун).

Многие вещества могут существовать в нескольких кристаллических модификациях (фазах), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом. Переход из одной модификации в другую называется полиморфным переходом. Интересным и важным примером полиморфного перехода является превращение графита в алмаз. Этот переход при производстве искусственных алмазов осуществляется при давлениях 60–100 тысяч атмосфер и температурах 1500–2000 К.

Структуры кристаллических решеток экспериментально изучаются с помощью дифракции рентгеновского излучения на монокристаллах или поликристаллических образцах.

На рисунке 12.6 приведены примеры простых кристаллических решеток. Следует помнить, что частицы в кристаллах плотно упакованы, так что расстояние между их центрами приблизительно равно размеру частиц. В изображении кристаллических решеток указывается только положение центров частиц.

Рисунок 12.6 – Простые кристаллические решетки: 1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка.

В простой кубической решетке частицы располагаются в вершинах куба. В гранецентрированной решетке частицы располагаются не только в вершинах куба, но и в центрах каждой его грани. Изображенная на рисунке 12.5 решетка поваренной соли состоит из двух вложенных друг в друга гранецентрированных решеток, состоящих из Na+ и Cl–. В объемно-центрированной кубической решетке дополнительная частица располагается в центре каждой элементарной кубической ячейки.

Кристаллические структуры металлов имеют важную особенность. Положительно заряженные ионы металла, образующие кристаллическую решетку, удерживаются вблизи положений равновесия силами взаимодействия с «газом свободных электронов» (рисунок 12.7).

Электронный газ образуется за счет одного или нескольких электронов, отданных каждым атомом. Свободные электроны способны блуждать по всему объему кристалла.

Рисунок 12.7 – Структура металлического кристалла.