Состояния и параметры вещества

Изучение поведения физических тел при изменении внешних условий показало, что механические величины многие возникающие явления не в состоянии описать. Так, например, таяние льда при повышении температуры, замерзание жидкости при понижении давления изменениями механических характеристик тел не объясняется.

При описании таких явлений потребовало введения новых физических величин, не характерных для механики. Одной из основных таких характеристик явилась температура, характеризующая величину внутренней энергии рассматриваемого материального объекта. Появление на арене научных исследований температуры позволило придать наблюдаемым явлениям количественный смысл.

Тепловые процессы, составившие основу термодинамики, изучались по началу на феноменологической основе, когда по экспериментальным проявлениям тех или иных эффектов пытались сформулировать некие обобщающие закономерности. Таким, образом, в основу термодинамики легли три основополагающих принципа (три начала), однако физическую сущность начал термодинамики удалось выявить только при использовании молекулярных представлений о строении вещества с использованием статистических и вероятностных методов.

Термодинамический метод исследования обладает достаточно большой общностью, формальной простотой и наглядностью. Статистический метод, использующий математику более высокого уровня, позволил термодинамические законы обосновать, дать им теоретическую интерпретацию, что, несомненно, расширило возможности самой термодинамики.

Содержание науки о молекулах можно представить в идее следующей структурной схемы (рис.2. 10).

Все вещества в макросостоянии при феноменологическом рассмотрении могут в зависимости от внешних условий находиться в различных агрегатных состояниях.

Все из известных веществ, в зависимости от значений макропараметров {p,V,T} могут находиться в различных агрегатных состояниях, основными из которых являются шесть: твёрдое, жидкое, жидкокристаллическое, газообразное, плазменное и состоянии излучения.

Твёрдые тела характеризуется стабильностью формы и объёма. Структурные элементы вещества в твёрдом состоянии расположены относительно близко друг к другу, они совершают колебательные движения около равновесного состояния и характеризуются достаточно интенсивными связями, имеющими электродинамическое происхождение.

Энергия взаимодействия частиц много больше энергии их теплового движения. Твёрдые тела принято делить на кристаллические и аморфные. В кристаллических телах существует дальний порядок расположения атомов и молекул. В аморфных телах такой строгой упорядоченности нет, колебания частиц происходят вокруг хаотически расположенных центров.

В кристаллических структурах между частицами действуют разные типы связей: ионные, ковалентные, металлические и др., что обеспечивает разнообразие физических и химических свойств твёрдых тел.

Так например, вещества с ионным типом связей хрупки, а металлическая связь обеспечивает веществам пластичность. Физические свойства твёрдых тел зависят от характера взаимодействия валентных электронов с ионами.

Наличие в кристаллических телах большого количества свободных электронов, не связанных с определённым объёмом кристалла, обеспечивает высокую степень теплопроводности и электропроводности, это, как правило, проводники. Аморфные тела имеют малое количество свободных электронов, поэтому обладают незначительной электропроводностью и теплопроводностью.

Жидкое состояние характеризуются тем, что атомы и молекулы расположены менее плотно, чем в твёрдых телах. Молекулы вещества в жидком состоянии сочетают свойства твёрдых тел и частично газов.

Частицы жидкости в большинстве своём совершают колебательные движения, однако некоторые из них, получив результате столкновения порцию энергии, приобретают поступательную составляющую движения.

Если это происходит вблизи поверхности, то поступательно движущаяся молекула может преодолеть силы поверхностного натяжения и перейти в парообразное состояние, чем и объясняется явления текучести и испарения.

Для жидкой фазы веществ характерно примерное равенство кинетической энергии теплового движения молекул или атомов потенциальной энергии межмо- лекулярных или межатомных связей. Жидкости образуют поверхности и принимают форму объёма, в который они помещены.

Жидкие кристаллы представляют собой особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают реологическими свойствами жидкости - текучестью, но при этом сохраняют упорядоченность структуры, характерную для твёрдого состояния.

Жидкие кристаллы демонстрируют анизотропию ряда физических свойств, характерную для кристаллических структур. Жидкие кристаллы были открыты в 1889 г. немецким ботаником Ф. Рейницером и немецким физиком О. Леманом.

К настоящему времени обнаружено более нескольких тысяч модификаций жидких кристаллов. Жидкие кристаллы наблюдаются в виде веществ, молекулы которых имеют удлиненную цилиндрическую форму. Жидкие кристаллы благодаря своим уникальным электрооптическим анизотропным свойствам широко применяются в системах обработки и отображения информации.

Так называемые холестерические жидкие кристаллы способны изменять свой цвет в достаточно широком оптическом спектре под действием переменного электромагнитного поля, что широко используется в последнее время в телевизионных и компьютерных технологиях.

Г азообразное состояние. Даже его название происходит от греческого и французского слова «хаос». Частицы веществ, находящихся в газообразном состоянии либо не взаимодействуют друг с другом вообще, либо взаимодействуют очень слабо.

Молекулы и атомы в газообразном состоянии от столкновения до столкновения движутся поступательно, взаимодействие с соседями происходит только в момент сближения.

Вещества в газообразном состоянии занимают весь предоставленный им объём. Газы широко распространены в природе, они составляют атмосферу Земли, газы входят в состав, практически всех жидкостей и твёрдых тел в растворённом или свободном состоянии.

В значительных количествах газы содержатся в земных горных породах, растворены в водах Мирового океана и рек. Солнце, межпланетное пространство и атмосферы планет тоже состоят из веществ в газообразном состоянии.

В отличие от твёрдых тел и жидкостей объём газов в сильной степени зависит от давления и температуры. Коэффициент объёмного расширения газов на два порядка выше, чем у жидкостей. В принципе, любое из известных к настоящему времени веществ, путём подбора соответствующих значений давлений и температур может быть переведено в газообразное состояние.

Плазма - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов примерно одинаковы. Газы в состояние плазмы можно перевести внешними воздействиями, например, при увеличении температуры интенсивно происходит термическая ионизация, т.е. молекулы вначале распадаются на атомы, которые затем превращаются в ионы.

Процесс принудительной ионизации может протекать под действием электромагнитного излучения, особенно коротковолнового (у - излучение, излучение рентгеновского диапазона, ультрафиолетовое излучение).

Можно ионизировать газ бомбардировкой заряженными частицами. Свободные электрические заряды, присутствующие в плазме, скомпенсированы суммарным положительным зарядов ионов, это непременное условие отсутствие внутри плазмы электрического поля.

Если же при внешнем воздействии такой дисбаланс возникает, то сопутствующее этому электрическое поле стремится восстановить электростатическое равновесие.

Принято классифицировать плазму как низкотемпературную и высокотемпературную. Низкотемпературная плазма характеризуется температурами порядка Т lt; 105 К (0о К = -273,15 оС), высокотемпературная плазма характеризуется температурами Т s 106 - 108 К.

В масштабах галактики плазма распространена более других агрегатных состояний. Солнечный ветер в окрестностях нашей планеты так же представляет собой плазму, заполняющую магнитосферу в виде радиационных поясов и ионосферы. Именно плазмой обусловлены такие явления как северные сияния, магнитные бури и отражение радиоволн ионосферой.

В лабораторных условиях плазма получается при разного рода электрических разрядах в газах: дуговых, искровых и тлеющих. Плазма возникает в процессах горения и взрыва. Молния, включая шаровую, тоже представляет собой плазменное состояние газообразных веществ.

Излучение представляет собой способ передачи энергии посредствам электромагнитных волн в широком диапазоне длин волн. Наибольший энергетический интерес представляют излучения:

• инфракрасного диапазона А = 10-3 - 10 - 6 м;
• видимого света А = 10-6 - 10 - 7 м;
• ультрафиолетового диапазона А = 10 -7 - 10 -9              м;
• мягкого рентгеновского излучения А =10 - 9 -              10 -12 м;
• жёсткого у - излучения А = 10 -12 -10 - 14 м;
• космического излучения А lt; 10 - 14 м.

Изучение электромагнитного излучения привело к возникновению квантовой механики.

Состояние макросистем принято делить на равновесные и на неравновесные. Статистическое равновесие замкнутой термодинамической системы предполагает, что её физические параметры, характеризующие состояние системы не изменяются во времени. Статистическое равновесие не является равновесным в механическом смысле, т.к. в системе допускается возникновение флуктуаций физических величин около равновесных значений.

Термодинамическое равновесие является состоянием системы, в которое она самопроизвольно переходит за длительный промежуток времени при условии изоляции от внешней среды.

При достижении термодинамического равновесия в системе прекращаются все необратимые процессы, связанные с рассеянием (диссипацией) энергии: теплопроводность, диффузия, химические реакции и др.

В отсутствии внешних полей и вращения системы достаточным условием её механического равновесия станет постоянство давления во всём объёме, предоставленного данной системе.

Необходимым условием равновесия является постоянство температуры и химического потенциала. Термодинамическая система находится в состоянии устойчивого равновесия в том случае, когда термодинамический потенциал системы в данных условиях минимален.

Неравновесное состояние термодинамических систем характеризуется протеканием в них необратимых процессов, ход которых направлен на возвращение системы в равновесное состояние.

Достижение состояния равновесия возможно только в том случае, если внешние энергетические источники не дестабилизируют систему, т.е. отсутствуют внешние источники и стоки энергии.

В неравновесных состояниях возможны неравновесные процессы. Так, например, если в изолированной системе имеется градиент температуры, то с течением времени этот градиент будет уменьшаться, со временем, определяемым физическими свойствами системы. Через определённое время температура во всех микрообъёмах системы станет одинаковой.

Для исследования равновесных и неравновесных состояний термодинамических систем используются несколько отличных друг от друга теоретических подходов.

Термодинамический метод исследований ставит своей целью выявление наиболее общих свойств макроскопических физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия и особенностей процессов перехода между равновесными состояниями.

Как отмечалось ранее, термодинамический метод строится на нескольких фундаментальных принципах, являющихся обобщением большого числа экспериментальных фактов, повторяющихся для широкого круга физически неоднородных термодинамических систем, находящихся в различных физических условиях.

В этой связи соотношения между физическими величинами, полученные термодинамическими методами обладают определённой универсальностью и применимы к смежным областям знаний.

Статистический метод изучения термодинамических процессов ставит своей целью обоснование термодинамических законов равновесного состояния вещества на основании статистической механики Дж. Г иббса и вычисления термодинамических характеристик физических систем, таких как термодинамические потенциалы, уравнений состояния и др.

По сути, статистические подходы позволяют устанавливать некие общие свойства термодинамических систем, состоящих из большого числа взаимодействующих структурных элементов, электронов, атомов, ионов и молекул.

Физические параметры вещества, как например, теплоёмкость, коэффициент вязкости и другие, могут быть в рамках термодинамических подходов (феноменологическая методика) измерены экспериментально в каждом конкретном случае, а статистические методы позволяют, в принципе, эти параметры вычислять на основе анализа сил взаимодействия между отдельными атомами и молекулами.

Другими словами статистические методы используют закономерности микроскопического строения вещества и особенности взаимодействия между структурными элементами.

Физическая кинетика представляет собой микроскопическую теорию термодинамических процессов в статистически неравновесных системах. В физической кинетике используются методы классической и квантовой статистической механики для исследования процессов переноса энергии, импульса, момента импульса и вещества в разнообразных физических системах, таких как твердые тела, жидкости, газы, плазма, а так же влияния внешних физических полей.

Синергетика объединяет комплекс знаний, выявляющих общие закономерности процессов возникновения, устойчивости и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравновесных системах различной природы, физической, химической, биологической, экологической и др.

Если сравнить природу и цивилизацию, вернее системы, созданные природой и творения ума и рук человеческих, то сразу бросится в глаза даже не специалистам, они поразительно отличаются.

Характерными свойствами природных систем является их устойчивость к различного рода внешним воздействиям, самообновление и самоусложнение.

Искусственно созданные системы, особенно в последние столетия, будучи исполненные якобы рационализма демонстрируют ухудшение своих эксплуатационных характеристик даже при незначительных изменениях внешних условий.

Возникает естественное желание перенести опыт организации сложных природных систем на повседневный человеческий опыт. Это одна из основных задач синергетики - выявление закономерностей построения организации и возникновения упорядоченности. В рамках синергетики описываются процессы, где целое обладает свойствами не присущими его составным частям.

Наряду с прочим синергетика изучает особенности возникновения организованного поведения структур систем под влиянием воздействий внешних физических полей, а так же зарождение и развития упорядоченности поведения вследствие протекания внутренних процессов в виде локальных неустойчивостей.

Возникновение упорядоченности вследствие неустойчивости внутренних процессов называется самоорганизацией, которая связана с особенностями коллективного поведения подсистем.

Синергетика, таким образом, изучает процессы организации и дезорганизации сложных систем, возникновение «порядка» из «беспорядка» и наоборот.

Так, например, в гидродинамике из хаотического турбулентного движения при определённых условиях могут возникать, так называемые, вихри Тейлора, движение в области которых более упорядочено, чем в остальном турбулизированном пространстве движущейся жидкости.

В синергетике, как правило, рассматриваются модели нелинейных неравновесных с термодинамических позиций систем, подверженных флуктуациям. При перегреве чистых жидкостей причиной возникновения конкурентной фазы (кипения) являются температурные флуктуации, обуславливающие локальные переходы жидкости в пар с образованием паровых кластерных структур.

Рис. 2.11. Влияние флуктуаций на устойчивость системы

Ещё одним примером влияния флуктуаций на упорядоченность системы может служить сферическое тело, расположенное в верхней точке шероховатой синусоидальной поверхности (рис. 2.11).

Теоретически шарик может неопределённо долго находиться в точке 1, однако на практике это положение равновесия будет неустойчивым.

Рис. 2.12. Возникновение условий стабилизации

Под действием разного рода флуктуаций, термодинамических в частности, шарик потеряет устойчивость и под действием силы тяжести переместится либо в точку 2, либо в точку 3. Ввиду шероховатости поверхности и наличию сопротивления движению, шарик после нескольких циклов колебаний положение устойчивого равновесия.

Почему так происходит? Всё дело в возвращающей силе, которая отсутствует в положении 1 и имеет место в положениях 1 и 2 (рис. 2.12). Действительно, при нарушении состояния неустойчивого равновесия 1 геометрическая сумма силы тяжести и нормальной реакции связи даёт результирующую силу, которая стремится переместить шарик в данном случае в положение устойчивого равновесия 2 или 3. При попадании по инерции шарика в

о*

положение 2 возникает упомянутая возвращающая сила, приводящая к возникновению гармонических затухающих колебаний шарика, финалом которых станет состояние его устойчивого равновесия.