Какими свойствами обладает вещество в газообразном состоянии

Какими свойствами обладает вещество в газообразном состоянии thumbnail

Агрега́тное состоя́ние вещества (от лат. aggrego «присоединяю») — физическое состояние вещества, зависящее от соответствующего сочетания температуры и давления.
Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других физических величин.[1]

Традиционно выделяют три агрегатных состояния: твёрдое, жидкое и газообразное. К агрегатным состояниям принято причислять также плазму[2], в которую переходят газы при повышении температуры и фиксированном давлении. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию. Существуют и другие агрегатные состояния.

Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела, сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в частности, могут поляризовать проходящее через них электромагнитное излучение.

Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы от одной фазы к другой, называют критическими явлениями.

Основным термодинамическим (феноменологическим) признаком различия видов агрегатного состояния вещества является наличие энергетической границы между фазами: теплота испарения как граница между жидкостью и её паром и теплота плавления как граница между твёрдым веществом и жидкостью[3].

Четыре основных состояния[править | править код]

Твёрдое тело[править | править код]

Кристаллические вещества: атомное разрешение изображения титаната стронция. Яркие атомы — Sr, темнее их Ti.

В твёрдом состоянии вещество сохраняет как форму, так и объём. При низких температурах все вещества замерзают — превращаются в твёрдые тела. Температура затвердевания может быть несколько повышена при увеличении давления. Твёрдые тела делятся на кристаллические и аморфные. С микроскопической точки зрения твёрдые тела характерны тем, что молекулы или атомы в них в течение длительного времени сохраняют своё среднее положение неизменным, только совершая колебания с небольшой амплитудой вокруг них. В кристаллах средние положения атомов или молекул строго упорядочены. Кристаллы характеризуются пространственной периодичностью в расположении равновесных положений атомов, которая достигается наличием дальнего порядка и носит название кристаллической решётки. Естественная форма кристаллов — правильные многогранники.

В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек, у них отсутствует дальний порядок, но сохраняется ближний, при котором молекулы расположены согласованно на расстоянии, сравнимом с их размерами. Согласно классическим представлениям, устойчивым состоянием (с минимумом потенциальной энергии) твёрдого тела является кристаллическое. Частным случаем аморфного состояния является стеклообразное состояние. Аморфное тело находится в метастабильном состоянии и с течением времени должно перейти в кристаллическое состояние, однако время кристаллизации часто столь велико, что метастабильность вовсе не проявляется. Аморфное тело можно рассматривать как жидкость с очень большой (часто бесконечно большой) вязкостью. Кристаллические твёрдые тела имеют анизотропные свойства, то есть их отклик на приложенные внешние силы зависит от ориентации сил относительно кристаллографических осей. В твердотельном состоянии вещества могут иметь много фаз, которые отличаются составлением атомов или другими характеристиками, такими как упорядочение спинов в ферромагнетиках.

Жидкость[править | править код]

Структура классической одноатомной жидкости.

В жидком состоянии вещество сохраняет объём, но не сохраняет форму. Это означает, что жидкость может занимать только часть объёма сосуда, но также может свободно перетекать по всей поверхности сосуда. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом.
Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает изменение формы (внутренних частей жидкого тела).
Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии.
Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твёрдое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние — стекло), выше — в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления.
Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. (Наиболее важные исключения — это квантовые жидкости и жидкие кристаллы.) Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза).
Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси. Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь, морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей.
Как и газ, жидкости тоже в основном изотропные. Однако, существуют жидкости с анизотропными свойствами — жидкие кристаллы. Кроме изотропной, так называемой нормальной фазы, эти вещества, мезогены, имеют одну или несколько упорядоченных термодинамических фаз, которые называют мезофазы. Составление в мезофазы происходит благодаря особой форме молекул жидких кристаллов. Обычно это длинные узкие молекулы, которым выгодно укладываться так, чтобы их оси совпадали.

Газ[править | править код]

Основная статья: Газ

Промежутки между молекулами газа очень большие. Молекулы газа обладают очень слабыми связями. Молекулы в газе могут перемещаться свободно и быстро.

Газообразное состояние характерно тем, что оно не сохраняет ни форму, ни объём. Причем заполняет весь доступный ему объём. Это состояние, свойственное веществам с малой плотностью. Переход из жидкого в газообразное состояние называют испарением, а противоположный ему переход из газообразного состояния в жидкое — конденсацией. Переход из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое, называют сублимацией или возгонкой. С микроскопической точки зрения газ — это состояние вещества, в котором его отдельные молекулы взаимодействуют слабо и движутся хаотически. Взаимодействие между ними сводится к спорадическим столкновениям. Кинетическая энергия молекул превышает потенциальную. Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда). По химическим свойствам газы и их смеси весьма разнообразны — от малоактивных инертных газов до взрывчатых газовых смесей. Понятие «газ» иногда распространяют не только на совокупности атомов и молекул, но и на совокупности других частиц — фотонов, электронов, броуновских частиц, а также плазму. Некоторые вещества не имеют газообразного состояния. Это вещества со сложным химическим строением, которые при повышении температуры распадаются вследствие химических реакций раньше, чем становятся газом. Не существует различных газообразных термодинамических фаз одного вещества. Газам свойственна изотропия, то есть независимость характеристик от направления. В привычных для человека земных условиях, газ имеет одинаковую плотность в любой точке, однако это не является универсальным законом, во внешних полях, например в поле тяготения Земли, или в условиях различных температур плотность газа может меняться от точки к точке. Газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твёрдой фазы этого же вещества, обычно называется паром.

Читайте также:  Трава мелисса какими свойствами обладает

Плазма[править | править код]

Плазменная декоративная лампа.

Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто называют плазму. Плазма является частично или полностью ионизированным газом и в равновесном состоянии обычно возникает при высокой температуре, от нескольких тысяч К[1] и выше. В земных условиях плазма образуется в газовых разрядах. Её свойства напоминают свойства газообразного состояния вещества, за исключением того факта, что для плазмы принципиальную роль играет электродинамика, то есть равноправной с ионами и электронами составляющей плазмы является электромагнитное поле.

Плазма — самое распространённое во Вселенной агрегатное состояние вещества. В этом состоянии находится вещество звёзд и вещество, наполняющее межпланетное, межзвёздное и межгалактическое пространство. Бо́льшая часть барионного вещества (по массе около 99,9 %) во Вселенной находится в состоянии плазмы.[4].

Фазовый переход[править | править код]

Фазовый переход по фазовой диаграмме при изменении её интенсивных параметров (температуры, давления и тому подобное) происходит, когда система пересекает линию, разделяющую две фазы. Поскольку разные термодинамические фазы описываются различными уравнениями состояния, всегда можно найти величину, которая скачкообразно меняется при фазовом переходе.

При фазовом переходе первого рода скачкообразно изменяются самые главные, первичные экстенсивные параметры: удельный объём, количество запасённой внутренней энергии, концентрация компонентов и т. п. Фазовые переходы второго рода происходят в тех случаях, когда меняется симметрия строения вещества (симметрия может полностью исчезнуть или понизиться).

Низкотемпературные состояния[править | править код]

Сверхтекучесть[править | править код]

Способность вещества в особом состоянии (квантовой жидкости), возникающем при понижении температуры к абсолютному нулю (термодинамическая фаза), протекать через узкие щели и капилляры без трения. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия, однако в последние годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах: в разреженных атомных бозе-конденсатах, твёрдом гелии.

Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Поскольку атомы гелия являются бозонами, квантовая механика допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа частиц. Вблизи абсолютного нуля температур все атомы гелия оказываются в основном энергетическом состоянии. Поскольку энергия состояний дискретна, атом может получить не любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяния энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.

Конденсат Бозе — Эйнштейна[править | править код]

Получается в результате охлаждения бозе-газа до температур, близких к абсолютному нулю. В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Конденсат Бозе — Эйнштейна проявляет ряд квантовых свойств, таких как сверхтекучесть и резонанс Фешбаха[en].

Фермионный конденсат[править | править код]

Представляет собой Бозе-конденсацию в режиме БКШ «атомных куперовских пар» в газах состоящих из атомов-фермионов.
(В отличие от традиционного режима бозе-эйнштейновской конденсации составных бозонов).

Такие фермионные атомные конденсаты являются «родственниками» сверхпроводников, но с критической температурой порядка комнатной и выше.
[5]

Вырожденный газ[править | править код]

Газ, на свойства которого существенно влияют квантовомеханические эффекты, возникающие вследствие тождественности его частиц. Вырождение наступает в условиях, когда расстояния между частицами газа становятся соизмеримыми с длиной волны де Бройля; в зависимости от спина частиц выделяются два типа вырожденных газов — ферми-газ, образованный фермионами (частицами с полуцелым спином) и бозе-газ, образованный бозонами (частицами с целым спином).

Сверхтекучее твёрдое тело[править | править код]

Термодинамическая фаза квантовой жидкости, представляющей собой твёрдое тело со свойствами сверхтекучей жидкости.

Высокоэнергетические состояния[править | править код]

Глазма[править | править код]

Состояние адронного поля[6], предшествующее при столкновениях кварк-глюонной плазме. Состоит из цветных токовых трубок.[7] Глазма является особенностью теоретической модели «конденсата цветового стекла» (англ. color glass condensate) — подхода к описанию сильного взаимодействия в условиях высоких плотностей[8].

Глазма образуется при столкновении адронов друг с другом (например, протонов с протонами, ионов с ионами, ионов с протонами). Считается также, что в эволюции Вселенной состояние глазмы предшествовало кварк-глюонной плазме, которая существовала в первые миллионные доли секунды сразу после Большого взрыва. Время существования глазмы — несколько иоктосекунд[9].

Читайте также:  Какими особенностями типа связи свойства металлов обусловлены

Кварк-глюонная плазма[править | править код]

Состояние вещества в физике высоких энергий и физике элементарных частиц, при котором адронное вещество переходит в состояние, аналогичное состоянию, в котором находятся электроны и ионы в обычной плазме. Ему предшествует состояние глазмы[10] (глазма термализуется, то есть разрушается, порождая множество хаотично движущихся кварков, антикварков и глюонов: кварк-глюонную плазму[11]).

Состояния при большом давлении[править | править код]

Нейтронное состояние[править | править код]

Принципиально отличное от других состояние вещества, состоящее только из нейтронов. В нейтронное состояние вещество переходит при сверхвысоком давлении, недоступном пока в лаборатории, но которое существует внутри нейтронных звезд. При переходе в нейтронное состояние, электроны вещества объединяются с протонами и превращаются в нейтроны. Для этого необходимо, чтобы силы гравитации сжали вещество настолько, чтобы преодолеть отталкивание электронов, обусловленное принципом Паули. В результате в нейтронном состоянии вещество полностью состоит из нейтронов и имеет плотность порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть очень высокой (в энергетическом эквиваленте, в пределах от сотни МэВ).

Другие состояния[править | править код]

Тёмная материя[править | править код]

Форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение. Однако возможно обнаружить присутствие тёмной материи по создаваемым ею гравитационным эффектам.

Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.

Сверхкритический флюид[править | править код]

Состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки, является сверхкритической жидкостью. Свойства вещества в сверхкритическом состоянии промежуточные между его свойствами в газовой и жидкой фазе. Так, СКФ обладает высокой плотностью, близкой к жидкости, низкой вязкостью и при отсутствии межфазных границ поверхностное натяжение также исчезает. Коэффициент диффузии при этом имеет промежуточное между жидкостью и газом значение. Вещества в сверхкритическом состоянии могут применяться в качестве заменителей органических растворителей в лабораторных и промышленных процессах. Наибольший интерес и распространение в связи с определёнными свойствами получили сверхкритическая вода и сверхкритический диоксид углерода.

Вырожденная материя[править | править код]

  • Ферми-газ — 1-я стадия: электронно-вырожденный газ, наблюдается в белых карликах, играет важную роль в эволюции звёзд.
  • 2-я стадия — нейтронное состояние: в него вещество переходит при сверхвысоком давлении, недостижимом пока в лаборатории, но существующем внутри нейтронных звёзд. При переходе в нейтронное состояние электроны вещества взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. В результате вещество в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. Температура вещества при этом должна быть ниже триллиона градусов (в энергетическом эквиваленте не более сотни МэВ).
  • При повышении температуры выше сотни МэВ в нейтронном состоянии начинают рождаться и аннигилировать разнообразные мезоны. При дальнейшем повышении температуры происходит деконфайнмент, и вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Оно состоит уже не из адронов, а из постоянно рождающихся и исчезающих кварков и глюонов. Возможно[12], деконфайнмент происходит в два этапа.
  • При дальнейшем неограниченном повышении давления без повышения температуры вещество коллапсирует в чёрную дыру.
  • При одновременном повышении и давления, и температуры к кваркам и глюонам добавляются иные частицы. Что происходит с веществом, пространством и временем при температурах, близких к планковской, пока неизвестно.

См. также[править | править код]

  • Тройная точка
  • Нормальные и стандартные условия

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

  • Шульц М. М., Мазурин О. В. Современное представление о строении стёкол и их свойствах. — Л.: Наука, 1988. — ISBN 5-02-024564-X.

Источник

Свободный художник, исследователь. Интересы: окружающий мир, философия, наука…

C позиции coвpeмeннoй нayки, живoe вeщecтвo oблaдaeт нeкoтopыми cпецифичеcкими cвoйcтвaми и выпoлняeт в биосфере определенные биогеохимические функции (энергетическая, газовая, концентрационная, окислительно-восстановительная, деструктивная, средообразующая, транспортная).

К основным уникальным cпocoбнocтям живoгo вeщecтвa можнo oтнecти:

  1. Cпocoбность быcтpo oсвaивaть cвoбoднoe пpocтpaнcтвo.

  2. Не только пассивное движение, но и активное. Нaпpимеp, пpoтив тeчeния вoды, cилы тяжеcти, движeния вoздyшныx пoтoкoв.

  3. Уcтoйчивocть пpи жизни и быстpoe paзлoжeниe пocлe cмepти(включeниe в крyгoвopoты), coxpaняя пpи этoм выcoкyю физикo-xимичecкyю aктивнocть.

  4. Выcoкaя пpиcпocoбительнocть(адаптация) к различным условиям.

  5. Фенoмeнaльнo выcoкaя скopocть пpoтeкaния xимичecкиx peaкций. на несколько порядков значительнее, чем в неживой природе.

  6. Выcoкaя cкopocть oбнoвлeния живoгo вeщecтвa.

  7. Разнooбразие форм, размеров и химических вариантов, значительно превышающее многие контрасты в неживом, косном веществе.

  8. Индивидуальность (в мире нет одинаковых видов и даже особей).

Вce пepeчиcлeнныe и дpyгиe cвoйcтвa живoгo вeщecтвa oбycлoвливaютcя кoнцeнтpaциeй в нeм бoльшиx зaпacoв энеpгии. В.И. Вepнaдский oтмeчaл, чтo пo энеpгeтичecкoй нacыщеннocти c живым веществом может соперничать только лава, образующаяся при извержении вулканов.

Какие вещества в человеческом организме наиболее стабильны, то-есть их в меньшей степени затрагивает обмен веществ с окружающей средой?

Ну, давайте попробуем посоображать на эту тему. Самые инертные вещества должны находиться в тех органах и тканях, которые мало или совсем не кровоснабжаются. Соответственно, при их повреждении они практически не регенерируют. Так что лучше говорить не сколько о веществах, сколько о тканях или органах.

Прежде всего в голову приходят ткани хрусталика. Клетки не делятся, кровоснабжения нет. Потом ногти и волосы. Причем растут то они достаточно активно, но после того как ткань ногтя или волоса созрела, метаболизм там будет минимальный. Далее, эмаль зубов (возможно, что и все ткани зуба кроме пульпы). Затем ткани менисков коленного сустава. Пока это все, что сходу вспомнилось.

Читайте также:  Какие индексы обладают свойствами мультипликативности

Что отделяет живое от неживого?

Недобрый эволюционный биолог

Надо понимать, что жизнь — это процесс, а не кусок материи. Живое вещество — это вещество, в котором идет определенный процесс.

Сам этот процесс должен осуществлять некоторый метаболизм (обмен веществом и энергией средой), за счет которого поддерживать гомеостаз (локальную стабильность условий) в системе и, что наиболее важно, размножаться с наследственной изменчивостью, то есть размножаться и эволюционировать. В принципе, если создать виртуальный объект с данными свойствами, то его вполне можно будет считать живым. Наверное. На самом деле над этим вопросом лучше подумать чуть дольше, чем пару минут.

Прочитать ещё 3 ответа

Среди каких современных видов организмов наблюдаются признаки эволюции?

Среди абсолютного большинства. Эволюция — это постоянный процесс, который не прекращается. Все живые существа от бактерий до млекопитающих эволюционируют. Но проблема в том, что некоторые животные, например слоны, живут по несколько десятилетий, а для того, чтобы изменения стали действительно очевидны, должны смениться сотни, а порой и тысячи поколений. Впрочем, это не всегда так. 

Существует такой факт как уменьшение длины бивней у африканских слонов. Несмотря на то, что этот процесс вызван действием человека, это все же иллюстрация эволюции, причем довольно быстрой. Дело в том, что браконьеры всегда охотились на слонов с как можно более массивными и длинными бивнями ради слоновой кости. Поскольку особи с более короткими бивнями их интересовали меньше, у них было больше шансов избежать гибели и передать свои гены. По этому причине, в течение нескольких десятилетий наблюдений было отмечено постепенное уменьшение длины бивней у слонов.

С другой стороны, надо также иметь в виду, что внешняя неизменчивость не означает, что тот или иной вид перестал эволюционировать. Распространено заблуждение по поводу кистеперой рыбы под названием латимерия. Якобы она не эволюционировала сотни миллионов лет. Латимерия принадлежит к отряду целакантообразных и является единственным живым его представителем сегодня. Однако надо иметь в виду, что латимерия сегодня и целаканты сотни миллионов лет похожи разве что внешне. И то надо признать, что имеются довольно сильные различия. Что касается внутреннего строения, то латимерия скорее ближе к селедке, чем к древним целакантам.

Прочитать ещё 1 ответ

Являются ли неорганические вещества носителями самостоятельных функций в живом организме?

Студент-биотехнолог РХТУ им. Д.И.Менделеева

Само собой, в организме присутствует огромное количество неорганических веществ, выполняющих функции первостепенной важности. В основном они являются кофакторами ферментов подавляющего большинства процессов, где участвуют в виде ионов. Это обусловлено цепочкой развития жизни еще со стадии железо-серного мира. В пример можно привести каскадный механизм свертывания крови, где активация нескольких ступеней каскада невозможна без ионов кальция. Именно поэтому их удаляют перед процессом консервации и хранения крови. Огромную роль в организме играют всевозможные производные и продукты биохимического превращения ортофосфорной кислоты, которые участвуют и образуются реакциях синтеза и распада таких макроэргов как АТФ, ТТФ, ЦТФ, ГТФ, УТФ и не только их. Процесс репликации нуклеиновых кислот не обходится без ионов магния. Да что далеко ходить, плазма крови без органической составляющей — раствор электролитов, необходимый для поддержания осмоса. Или, например, ядовитые вещества, монооксиды углерода и азота и сероводород, необходимы нашему (и не только нашему) организму как незаменимые участники антиоксидантных систем. Ионы калия и натрия, протоны водорода, как уже было сказано Тимуром Денисовым, участвуют в создании градиента потенциалов, необходимого для передачи нервных импульсов или синтеза все тех же макроэргов. 

Вода обуславливает не только саму возможность существования жизни и является универсальным растворителем и средой для всех биохимических процессов, но и участвует в таких важных процессах как гидролиз веществ, выступает донором протонов и электронов.

Да, по одиночке так сказать, большинство веществ как неорганических, так и органических организму мало полезны, но они занимают ключевые позиции в тех или иных биохимических механизмах нашего организма, что делает их роль чрезвычайно важной для существования всей системы  в целом. Ну и не стоит забывать, что в клетках живых организмов ВСЕ вещества присутствуют в виде ионов, поэтому существование скажем молекулы NaCl определяется лишь вероятностью того, что ионы натрия и хлора встретятся друг с другом, и то существовать в таком виде они долго не будут.

Прочитать ещё 1 ответ

Какие вещества из продуктов растительного происхождения могут оказывать противораковую активность, и какой их принцип действия?

Традиционно противораковые препараты, именно старые, которые цитостатики, они тем или иным образом нарушают деление клеток или синтез/копирование ДНК.

То есть принцип максимально грубый — цитотоксический. А потому цель — убить опухоль препаратом прежде чем пациента побочным эффектами этого препарата (которые суть следствие механизма его дейтсвия). А так как опухолевые клетки это практически наши же, то задача далеко не из простых.

Вполне себе существуют в качестве противоопухолевых соединения барвинка, тисового дерева, подофилла. Думаю, достаточно открыть раздел противоопухолевых препаратов в учебнике фармакологии (лучше зарубежном или переводном) и станет ясно, что многие из них растительного или микробного происхождения.

Источник