Физическое состояние вещества

Вещество в природе может существовать в трех состояниях (фазах): твердом, жидком и газообразном. Но в каком бы состоянии вещество не находилось, оно состоит из вечно движущихся частиц: молекул, атомов, ионов и др., связанных между собой силами взаимодействия (притяжения или отталкивания).

В твердых телах силы притяжения между частицами настолько велики, что такое тело сохраняет свою форму, и чтобы нарушить её, необходимо приложить к телу определенное усилие. В жидкостяхсилы притяжения между частицами существенно меньше, чем в твердых телах. Жидкость не в состоянии сохранять свою форму и поэтому принимает форму того сосуда, в котором она находится. В газообразных телах расстояния между частицами вещества оказываются настолько большими, а силы взаимодействия незначительными, что газы распространяются по всему пространству, в котором они находятся.

В определенных условиях вещество может переходить из одного физического (агрегатного) состояния в другое. Например, вода в твердом состоянии (лед) при нагревании превращается сначала в жидкость, а затем в пар.

Возможные способы перехода однокомпонентного вещества из одной фазы в другую наглядно могут быть показаны на фазовой диаграмме (рис. 1.1). Линиями AB, AC и AD площадь диаграммы разделена на 3 зоны: I – зона твердого состояния; II – зона жидкого состояния; III – зона газа (пара).

Линия 1 – 4 графически изображает процесс, в котором твердое вещество при постоянном давлении путем нагревания превращается вначале в жидкость, а затем в газ (пар). В точке 2 вещество может находиться в двух фазах одновременно: твердой и жидкой. На участке 2 – 3 – вещество находится в жидком состоянии, а на участке 3 – 4 – в состоянии перегретого пара (газа). В точке 3 оно находится в состоянии сухого насыщенного пара.

Если уменьшить давление, при котором происходят эти фазовые превращения, то линии процесса, будут перемещаться влево, и точки 2 и 3 постепенно будут сближаться и, наконец, сольются. Точка А называется тройной, в ней вещество может находиться одновременно в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Если линию процесса передвинуть еще влево, то процесс преобразования вещества из твердого в газообразное изобразится, например, линией 5 – 7. Последний процесс называется возгонкой(сублимацией). По этому процессу происходит, в частности, превращение сухого льда (твердой углекислоты) в углекислый газ.

В тепловыхдвигателях теплота преобразуется в работу. Для такого преобразования используют теплоносители, называемые рабочими телами.

На практике в качестве рабочих тел используют газипар, которые при изменении температуры и давления могут значительно изменять свой удельный объем и при этом совершать большую работу, чем жидкие и твердые тела.

Масса, сила тяжести и вес

В технической термодинамике масса рассматривается как характеристика инертных свойств тела, (такая масса получила название инертной массы). Напомним, что инертность – это свойство тел изменять свою скорость под действием внешних сил. В термодинамических расчетах массу рассматривают как постоянную величину, она получила название массы покоя. Массу покоя макротел определяют на рычажных весах, на которых она уравновешивается массой гири. Так как при этом масса взвешиваемого тела и масса гири оказывается под одинаковым воздействием сил земного притяжения, то результат взвешивания не зависит от местонахождения пункта взвешивания. За единицу массы в СИ принят килограмм (кг).

Сила тяжести – величина векторная, она является мерой земного притяжения. За единицу силы тяжести принята сила, сообщающая массе в 1 кг ускорение равное 1 м/с². Этой силе присвоено наименование – ньютон (Н).

Вес тела также векторная величина и представляет собой силу, с которой тело под действием силы тяжести действует на горизонтальную опору или на нить подвеса. Вес, как и силу тяжести, определяют с помощью динамометра в условиях относительного покоя взвешиваемого тела.

Когда тело неподвижно относительно Земли, либо когда оно движется прямолинейно и равномерно, вес тела равен силе тяжести. При подъеме с ускорением вес тела больше силы тяжести. При спуске с ускорением вес тела меньше силы тяжести. При свободном падении вес тела равен нулю.

1.4. Количество вещества, молярная масса
и молярный объем

Количество вещества () – физическая величина, определяемая числом структурных частиц, составляющих тело. Единицей количества вещества в системе СИ является моль. Моль –количество вещества, число структурных частиц которого равно числу атомов, содержащихся в углероде С¹² массой 0,012 кг.

Относительной молекулярной массой называется масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы. Она показывает, во сколько раз масса молекулы вещества больше 1/12 массы изотопа углерода С¹².

Молярная масса () – величина, равная отношению массы к количеству вещества:

,                                                       (1.1)

где  – масса вещества; – количество вещества.

Значение молярной массы, выраженное в килограммах на моль (кг/моль), равно относительной молекулярной массе, которая находиться по таблице Д.И. Менделеева, деленной на 1000.

Молярный объемпредставляет собой отношение объема, занимаемого веществом, к количеству вещества:

.

где  – молярный объем, м³/моль.