Дата обновления статьи 09.09.2023 г.

ЧТО ТАКОЕ АГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ

Кто из нас не любит наблюдать солнечным днем за облаками? Или, укутавшись в теплый плед, пить чай и смотреть, как за окном бушует непогода, и капли дождя бегут по стеклу? А кто из нас не радуется как ребенок первому снегу? Мы настолько привыкли к этим природным явлениям, что не задумываемся о том, что каждое из них представляет собой результат сложных физических трансформаций.

Любое вещество может менять свое агрегатное состояние, становясь твердым, жидким или газообразным. Это зависит непосредственно от температуры и действующего давления. Нагревание твердого вещества превратит его в жидкость (процесс плавления), а дальнейшее увеличение температуры приведет к его испарению (процесс кипения). Аналогичные процессы, только в обратной последовательности, происходят при уменьшении температуры и охлаждении веществ: сначала пар принимает жидкое агрегатное состояние (конденсация), а затем образовавшаяся жидкость медленно затвердевает, то есть происходит кристаллизация.

Основу процессов смены агрегатного состояния составляет скорость движения молекул вещества. При нагревании молекулы начинают двигаться значительно быстрее, а расстояние между ними увеличивается, за счет чего молекулярная структура становится более хаотичной. В таких условиях молекулам становится проще отделяться друг от друга. При охлаждении происходит обратный процесс: скорость движения молекул существенно снижается, в результате чего молекулярная структура становится более статичной, а жидкость затвердевает.

Каждое вещество имеет индивидуальные параметры, при которых происходит изменение агрегатного состояния. Важно помнить, что температура кипения зависит от давления: чем ниже давление, тем выше становится температура кипения. Поэтому высоко в горах, где воздух разряжен, а атмосферное давление понижено, жидкость начнет закипать при более низкой температуре.

Процесс смены агрегатного состояния может происходить поступательно, когда вещество из твердого состояния переходит в жидкое, а затем – в газообразное. А может осуществляться, минуя жидкую фазу, то есть из твердого сразу принимать форму газообразного (сублимация).

Большинство веществ неспособны изменять свое агрегатное состояние в естественных условиях и зачастую сохраняются в природе в одной форме. Единственное вещество, которое можно встретить в природе сразу в трех фазах – это вода.

ТВЕРДОЕ СОСТОЯНИЕ

Для кого-то это может прозвучать несколько парадоксально, но, тем не менее, вода действительно может затвердеть. Вода в твердом агрегатном состоянии – это лед. В зависимости от условий возникновения выделяют различные виды льда (например, атмосферный или поверхностный лёд). В виде ледников на нашей планете хранится 2/3 запасов пресной воды.

Переход жидкости в твердое состояние (кристаллизация) при нормальном атмосферном давлении 760 мм рт. ст. происходит после того, как температура воздуха опускается до 0 oC и ниже. Кристаллизовавшаяся вода приобретает фиксированный объем и форму.

Обычно при переходе из жидкого в твердое состояние расстояние между молекулами вещества сокращается, за счет чего плотность становится меньше. Однако вода представляет собой уникальную по своим физическим свойствам субстанцию! Ее отличительной особенностью является уменьшение плотности в процессе кристаллизации. Это можно объяснить особенностями молекулярного строения. При замерзании молекулы воды удаляются друг от друга, а не сближаются, в результате плотность льда оказывается приблизительно на 10% ниже плотности воды. За счет этого свойства лед не тонет, а находится на поверхности. Кроме того, объем замороженной воды окажется больше того же количества жидкости.

Твердое состояние вода может также принимать, будучи паром (десублимация). Это возможно при условии одновременного снижения давления и температуры. Десублимацию можно наблюдать в природе, когда, проснувшись морозным утром, видишь, как все вокруг покрылось белым инеем, а на окне читаются причудливые белые узоры. Это атмосферные испарения, затвердевшие под действием низкой температуры и давления.

ЖИДКОЕ СОСТОЯНИЕ

Наиболее распространенное в природе агрегатное состояние воды. В жидком виде воду можно встретить везде: пруды и озера, ручьи и реки, моря и океаны, подземные и дождевые воды. Будучи жидкостью, вода имеет фиксированный объем, однако не имеет собственной формы, а принимает форму сосуда, в котором находится. Простая пресная вода не имеет запаха, вкуса и цвета. На сегодняшний день выделено достаточно много критериев классификации воды. В зависимости от состава и наличия примесей, особенностей происхождения и применения вода может быть мягкой или жесткой, пресной или соленой, талой или дождевой, питьевой или водопроводной.

Фаза жидкости является промежуточной между твердой и газообразной, представляя собой нечто среднее между кристаллами льда и паром. Вследствие этого вода может легко трансформироваться в лед или пар. Вода остается жидкостью при температуре от 0 до 100 oC. Переход за данные температурные границы приведет к замерзанию или кипению соответственно.

Получить жидкое агрегатное состояние возможно как изо льда, так и из пара. Твердый лед начинает таять при нормальном атмосферном давлении 760 мм рт. ст., если температура поднимается выше 0 oC. Этот процесс называют плавлением. Плотность воды после плавления будет выше плотности льда.

Кроме того, газообразный пар может вернуться в состояние жидкости. Этот процесс носит название конденсации. Конденсация происходит в том случае, если температура воздуха достигает так называемой «точки росы». Это такая температурная граница, ниже которой из водяного пара начинают формироваться и оседать капли в виде росы. Это явление возможно при определенных показателях давления и влажности воздуха.

Вода в жидком состоянии обладает уникальным свойством растворять органические и неорганические вещества, что делает ее незаменимой при проведении многих химических исследований. Также вода имеет высокое поверхностное натяжение и высокую теплоемкость, за счет чего осуществляется поддержание температурного баланса. Воду принято считать источником жизни на нашей планете. Без нее невозможно существование всех живых организмов на Земле.

ГАЗООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ

Газообразное агрегатное состояние вода приобретает под воздействием высоких температур. При нормальном атмосферном давлении 760 мм рт. ст. вода становится паром при температуре 100 oC. Вода в газообразном состоянии не имеет собственной формы и объема.

Обычно испарение воды нельзя увидеть невооруженным глазом. Тот пар, который мы можем видеть при кипячении, является результатом начавшегося процесса конденсации. То есть при взаимодействии с более холодным воздухом пар начал постепенно возвращаться к жидкому состоянию. По той же причине нельзя назвать водяным паром туман и облака.

Превращение воды в пар возможно из двух других агрегатных состояний. Из жидкости вода может трансформироваться в пар в процессе кипения в результате нагревания до 100 oC. Кроме того, на водных поверхностях постоянно происходит процесс отделения молекул, которые становятся паром (испарение).

Также вода может принимать газообразное агрегатное состояние сразу из фазы твердого, не проходя стадию жидкости. Данный процесс носит название сублимации. Сублимация (она же взгонка) активно применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для удаления влаги (так называемая сушка). Яркий пример применения сублимации– сублимированный кофе, который получают из замороженного кофейного экстракта через обезвоживание вакуумом.

Все описанные процессы, связанные с изменением агрегатного состояния, происходят поступательно, в связи с чем ученые фиксируют наличие промежуточных состояний жидкости при кристаллизации или испарении. К числу таковых (их называют метастабильными состояниями) следует отнести пересыщенный пар, перегретую жидкость, переохлаждённая жидкость. Однако при соприкосновении с более устойчивой фазой осуществляется переход к конкретному агрегатному состоянию.

Процесс смены агрегатных состояний лежит в основе круговорота воды в природе. За счет того, что вода легко может легко переходить из одной фазы в другую, ее запасы на планете не утрачиваются полностью. Испаряющаяся с водных поверхностей жидкость впоследствии конденсируется и возвращается на землю в виде атмосферных осадков (дождь, снег, град). За этим вновь следует ее испарение.

Вода является незаменимой как в природе, так и в повседневной жизни человека. Сегодня даже простое приготовление пищи сложно осуществить без ее применения. Однако запасы пресной воды ограничены, что является серьезной экологической проблемой и требует активного поиска способов ее разрешения, один из которых, безусловно, является более бережное отношения к жизненно необходимой жидкости.

Удачи!

P.S. Внимание! По вопросам сотрудничества, коммерческие предложения, вопросы и связь с администратором сайта www.ktoskazal.site по электронной почте: ktoskazale@gmail.com