Właściwości materii

1 i 2. Stany skupienia ciał i właściwości ciał.

Cała otaczająca nas materia, składa się z różnych substancji, które rozróżniamy dzięki ich charakterystycznym właściwościom. Zbieżność podstawowych cech, takich jak trwałość kształtu i objętości pozwala nam podzielić wszystkie substancje na trzy podstawowe grupy, które nazywamy stanami skupienia ciał.

Wyróżniamy trzy główne stany skupienia:

• stały - ciało ma stały kształt (nie zmienia go bez działania zewnętrznej siły deformującej), podobnie zachowuje się jej objętość. Cząsteczki budujące ciało stałe są mocno zbite i wykonują tylko znikome ruchy. Przykład: kamień, lód, węgiel, plastik, drewno.
• ciekły - ciało przybiera kształt naczynia, w którym się znajduje, nie zmienia się jednak jego objętość. Ciecz nie jest już w swej strukturze tak zbita jak ciało stałe, jej cząsteczki mają pewną swobodę ruchu. Przykład: woda.
• lotny (gazowy) - ciało zmienia dowolnie kształt i objętość, gdyż momentalnie rozprzestrzenia się na całą przestrzeń, w której się znajduje. Przykład: powietrze i inne gazy.

Wszystkie substancje mogą znajdować się w trzech stanach skupienia. Oczywiście nie jednocześnie. W zależności od temperatury i ciśnienia otoczenia, przechodzą z jednego stanu do drugiego. Doskonałym przykładem jest woda, która poniżej temperatury 0⁰C przechodzi w stan stały - lód, od 0⁰C do 100⁰C jest ciekła, a powyżej 100⁰C staje się parą, czyli przechodzi w stan lotny. Właśnie woda jest substancją, która w największej ilości występuje na Ziemi we wszystkich stanach skupienia.

Obecnie, oprócz podstawowych stanów skupienia znamy jeszcze:

• plazmę (gaz zjonizowany)
• kondensat Bosego-Einsteina - powstaje z gazu składającego się z atomów rubidu, jest związany ze zjawiskiem nadciekłości.
• kondensat fermionów - twór teoretyczny, którego prototyp udało się wytworzyć w warunkach laboratoryjnych, ale z pewnymi ograniczeniami, które pozwalają na określenie go szczególnym przypadkiem kondensatu Bosego-Einsteina

3.Rozszerzalność temperaturowa ciał.

Rozszerzalność temperaturowa ciał, to zjawisko polegające na zwiększaniu się objętości ciał pod wpływem ich ogrzania oraz kurczenia się w wyniku schładzania. Stopień nasilenia rozszerzalności oraz szybkość jej postępowania zależy bezpośrednio od rodzaju substancji, z której ciało jest zbudowane. Tylko w przypadku, gdy jest to gaz, rozszerzalność nie zależy od jego rodzaju. Jest jednakowa dla wszystkich gazów.

Zdecydowanie najłatwiej i najmocniej rozszerzają się gazy, a najmniej ciała stałe. Wynika to z własności budowy tych ciał. W czasie ogrzewania ciała, jego cząsteczki dostają porcje energii, które pobudzają je do większej ruchliwości i oddalania się od siebie. Dzięki za wszystko temu powiększa się ogólna objętość ciała. Najłatwiej jest rozszerzać się cząsteczkom gazu, gdyż są najluźniej ułożone, a najtrudniej oczywiście cząsteczkom ciał stałych.

Zastosowanie rozszerzalności temperaturowej ciał:

• w termometrach (np. z rtęcią lub alkoholem)
• płytkach bimetalowych wykorzystanych np. w żelazku, palnikach piecyków i kuchenek gazowych, itp. - pod wpływem temperatury bimetal znacznie się odkształca i zamyka, bądź otwiera dopływ prądu lub gazu do danego urządzenia.

Niekorzystny wpływ rozszerzalności cieplnej:

Chociaż rozszerzalność temperaturowa najtrudniej zachodzi dla ciał stałych, to jednak ma on ogromny wpływ na wiele zjawisk. Należy o tym pamiętać budując np. mosty, tory, przewody elektryczne, czy telefoniczne. Np. bo most może być dłuższy latem nawet o pół metra niż zimą. Aby uniknąć zniszczenia mostu i katastrofy, architekci rozwiązują te problemy przez zostawianie niewielkich szczeliny w konstrukcji mostu lub stosowanie zazębiających się stalowych "grzebieni" - umożliwiających rozszerzanie i kurczenie się pracujących" części mostu. Napowietrzne linie telefoniczne czy elektryczne nie powinny być nigdy bardzo naciągnięte, a raczej w miarę luźno zawieszone. Wszystko po to, aby uniknąć ich się zerwania, gdy będą się kurczyć zimą. Podobnie tory tramwajowe kurczą się w zimie, a rozgrzewają w lecie. W gorące dni nagrzane i powiększone tory powodują, że tramwaj silniej o nie trze i wywołuje charakterystyczny pisk.

Wyjątkowa rozszerzalność wody:

Woda przy ogrzewaniu jej od 0⁰C do 4⁰C zmniejsza swoją objętość. Powyżej temperatury 4⁰C wzrostowi temperatury towarzyszy już wzrost objętości wody.

4.Zmiany stanów skupienia.

Temperatura krytyczna - powyżej tej temperatury dana substancja istnieje tylko w stanie gazowym. Nie możliwe jest skroplenie gazu, nawet jeśli podniesiemy ciśnienie. Temperatura krytyczna jest cechą charakterystyczną danej substancji. Dla pary wodnej wynosi ona 374,2⁰C.

Punkt potrójny - to bardzo interesujący stan, w którym równocześnie mogą istnieć trzy stany skupienia danej substancji, na dodatek w równowadze termodynamicznej. Jest to wielkość charakterystyczna dla danej substancji, uzależniona od temperatury i ciśnienia. Punkt potrójny dla: wody w stanie ciekłym, lodu i pary wodnej ma parametry: temperatura 0,01°C i ciśnienie 611,73 Pa.

Wrzenie to gwałtowne parowanie w całej objętości cieczy. dla danej substancji zachodzi w ściśle określonej, stałej temperaturze, nazywanej temperaturą wrzenia. Temperatura ta zależy od rodzaju cieczy i jej ciśnienia np. przy normalnym ciśnieniu (1 atm = 101 325 Pa ≈ 1013 hPa), woda wrze w 100⁰C, obniżenie ciśnienia powoduje wrzenie wody poniżej 100⁰C. Dlatego też zagotowanie wody na szczytach górskich trwa krócej niż w dolinach, ze względu na spadek ciśnienia wraz ze wzrostem wysokości. Jednak jeśli rozważymy czas ugotowania danego produktu spożywczego, np. makaronu - to proces ten będzie trwał dłużej w górach. Chociaż woda szybciej osiągnie temperaturę wrzenia (< 100⁰C), to jednak więcej będzie potrzeba czasu na odpowiednie zmiękczenie makaronu w tej temperaturze.

Charakterystykę wszystkich procesów przemiany materii z jednego stanu skupienia w drugi, ilustruje poniższa tabelka:

Stan wyjściowy	Stan końcowy	Nazwa procesu	Sprzyjające warunki
ciało stałe	ciecz	topnienie	Głównie wzrost temperatury
ciało stałe	gaz	sublimacja	Temperatura niższa od temperatury topnienia (przy dowolnym ciśnieniu), lub ciśnienie i temperatura poniżej punktu potrójnego.
ciecz	ciało stałe	krzepnięcie, (krystalizacja)	Obniżenie temperatury przynajmniej do wartości tzw. temperatury krzepnięcia. Nieznaczna zależność od ciśnienia.
ciecz	gaz	parowanie	Obniżone ciśnienie zewnętrzne, wzrost temperatury
gaz	ciecz	skraplanie, kondensacja	Odpowiednie zwiększanie ciśnienia i temperatura powyżej temp. krytycznej - tzw. punkt rosy.
gaz	ciało stałe	resublimacja	Zwiększanie ciśnienia, obniżanie temperatury znacznie poniżej temperatury krytycznej.