Восьмой класс → Материя и ее свойства ↓
Вовлечены изменения состояния и энергии
Материя - это все, что имеет массу и занимает пространство. Все, что мы видим вокруг нас, сделано из материи, и материя существует в различных формах, называемых состояниями. Основные состояния материи - это твердое тело, жидкость и газ. Существуют также менее распространенные состояния, такие как плазма и конденсат Бозе-Эйнштейна, но для простоты мы сосредоточимся на первых трех. Понимание, как материя изменяется из одного состояния в другое, является основой химии. В этом уроке мы исследуем эти изменения состояния и энергию, вовлеченную в такие процессы.
Понимание состояний материи
Прежде чем обсудить изменения состояния, давайте кратко разберем каждое состояние материи:
- Твердое тело: В твердом состоянии материя имеет определенную форму и объем. Частицы близко друг к другу и вибрируют на месте.
- Жидкость: В жидком состоянии вещество имеет фиксированный объем, но принимает форму своего контейнера. Частицы расположены менее плотно, чем в твердых телах, и могут двигаться вокруг друг друга.
- Газ: В газообразном состоянии материя не имеет определенной формы или объема. Газовые частицы расположены далеко друг от друга и могут свободно перемещаться.
Изменения состояния
Изменение состояния относится к преобразованию материи из одного состояния в другое. Эти изменения являются физическими, то есть химический состав материи не изменяется.
Плавление - от твердого к жидкому
Плавление происходит, когда твердое вещество превращается в жидкость. Это происходит, когда твердое вещество поглощает достаточно тепловой энергии, чтобы разрушить жесткую структуру своих частиц. Например, когда лед (твердая вода) поглощает тепло, он плавится и превращается в жидкую воду.
H 2 O (s) → H 2 O (l)
Замерзание льда - от жидкости к твердому
Замерзание - это переход из жидкости в твердое. Это происходит, когда жидкость теряет тепловую энергию, и её частицы замедляются и формируют жесткую структуру. Например, когда вода замерзает, она превращается в лед.
H 2 O (l) → H 2 O (s)
Испарение - от жидкости к газу
Выпаривание происходит, когда жидкость превращается в газ. Это может произойти двумя способами: испарение и кипение. При испарении только поверхностные частицы жидкости получают достаточно энергии, чтобы стать газом. При кипении частицы внутри жидкости получают достаточно энергии.
H 2 O (l) → H 2 O (g)
Рассмотрим образование пара при кипении воды. По мере нагревания частицы движутся быстрее, пока не уходят в газовую фазу.
Конденсация - от газа к жидкости
Конденсация происходит, когда газ превращается в жидкость. Это случается, когда газ теряет тепловую энергию, и его частицы сближаются, чтобы стать жидкостью. Примеры включают образование капель росы из водяного пара на траве.
H 2 O (g) → H 2 O (l)
Сублимация - от твердого к газу
Сублимация - это процесс, при котором твердое вещество непосредственно становится газом, не превращаясь в жидкость. Сухой лед, который является твердым диоксидом углерода, - это общий пример. Он сублимируется при температурах ниже точки замерзания.
CO 2 (s) → CO 2 (g)
Депозиция - от газа к твердому
Депозиция - это обратный процесс сублимации. Здесь газ превращается в твердое вещество. Примером является образование инея на холодных поверхностях, когда водяной пар становится льдом, не превращаясь в воду.
H 2 O (g) → H 2 O (s)
Изменения энергии, связанные с изменением состояния
Каждое изменение состояния связано с энергией. Энергия либо поглощается, либо выделяется в ходе этих процессов:
- Эндотермические процессы: Это изменения, при которых энергия поглощается из окружающей среды. Плавление, испарение и сублимация являются эндотермическими, поскольку требуют поглощения тепла для преодоления притяжения между частицами.
- Экзотермические процессы: Эти изменения включают выделение энергии в окружающую среду. Затвердевание, конденсация и депозиция являются экзотермическими процессами, поскольку выделяют тепло, когда частицы сближаются.
Визуальный пример плавления
На иллюстрации выше вы можете увидеть, как твердое тело (представленное прямоугольником) поглощает энергию и превращается в жидкость (представленную кругом).
Роль температуры и давления в изменении фаз
Изменения состояния зависят от температуры и давления. Температура измеряет кинетическую энергию частиц. Повышение температуры обычно обеспечивает энергию, необходимую для изменений, таких как плавление и испарение.
С другой стороны, давление может влиять на взаимодействие частиц. Например, увеличение давления на газ может привести к конденсации, так как частицы сближаются.
Визуальный пример испарения
В этом простом примере, когда тепло добавляется, жидкость становится газом, увеличивая энергию частиц до тех пор, пока они не уходят в воздух.
Примеры и применения в реальной жизни
Кулинария
Кулинария включает множество различных изменений. Кипячение воды включает переход из жидкости в газ. Замораживание десерта включает переход из жидкости в твердое тело. Кулинария демонстрирует, как теплова энергия изменяет состояния ингредиентов, влияя на текстуру и вкус.
Погода и водный цикл
Водный цикл демонстрирует множество фазовых изменений. Испарение из океанов, рек и озер превращает воду из жидкости в газ, образуя облака (конденсация). Дождь включает переход из газа в жидкость. Снег и лед представляют собой твердые состояния, образованные депозицией или замерзанием.
Промышленные применения
Промышленность также использует эти изменения состояния. Например, дистилляция используется для очистки жидкостей путем испарения и конденсации. Лиофилизация продуктов питания включает сублимацию для удаления воды, что улучшает сохранность пищи.
Заключение
Изменения состояния являются фундаментальными и присутствуют вокруг нас. От простых ежедневных событий до сложных промышленных процессов изучение движения и взаимодействия частиц в этих состояниях углубляет наше понимание физического мира. Будь то плавление льда в вашем напитке или смешивание газов в атмосфере, изменения в материи и энергетические преобразования постоянны и важны в определении свойств материи.
Комментарии