Понятие о веществе и его свойствах

 

В классической физике вещество отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами – удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.

Каждое вещество (физическое тело) может находиться в одном из четырех агрегатных состояний – твердом, жидком, газообразном и плазменном.

Твердые тела и их свойства

 

Твердое вещество используется человеком с давних пор. Это основной материал, из которого создаются орудия труда и различные приспособления, использующиеся в нашей жизни. На заре человеческой истории человек мог использовать лишь механические свойства этих тел. В наши дни используются также электрические, магнитные, тепловые и другие свойства твердого вещества. Благодаря широкому использованию твердых тел человечество накопило большой эмпирический материал об их свойствах, который лег с основу теории твердого тела, созданной в классической науке.

Твердые вещества – это тела, отличающиеся постоянством формы и объема.

Твердые тела могут существовать в двух состояниях – кристаллическом и аморфном. Кристаллы характеризуются так называемым дальним порядком расположения атомов, который выражается в строгой повторяемости во всех направлениях одного и того же структурного элемента на протяжении сотен и тысяч периодов кристаллической решетки. Кристаллическое состояние является устойчивым состоянием всех твердых тел. Существуют монокристаллы – тела, имеющие форму правильных многогранников. Но большинство твердых тел являются поликристаллами, имеющими мелкокристаллическую структуру и состоящими из большого числа сросшихся, мелких, хаотично расположенных кристаллических зерен.

В аморфных телах дальний порядок отсутствует (согласованность расположения частиц соблюдается лишь на малых расстояниях), поэтому аморфные тела можно рассматривать как жидкости с очень большой вязкостью. В аморфном состоянии могут находиться обычное стекло, сера, глицерин, а также многие полимеры, состоящие из большого числа повторяющихся групп атомов. Аморфные вещества при определенных условиях переходят в твердое состояние.

Твердые тела обладают механическими свойствами, которые проявляются в ответ на внешние механические воздействия -сжатие, растяжение, изгиб, удар и т.д. В зависимости от внутреннего строения, наличия дефектов, специфики обработки твердые тела могут быть хрупкими или пластичными.

С точки зрения электрических свойств все твердые тела делятся на металлы, полупроводники и диэлектрики.

По магнитным свойствам выделяют диамагнетики (вода, соль, золото), парамагнетики (алюминий, литий, калий), ферромагнетики (железо) и антиферромагнетики (некоторые редкоземельные элементы).

При повышении температуры твердые тела увеличивают свои линейные размеры и объем – это так называемое тепловое расширение твердых тел. Сильное нагревание может привести к переходу вещества в жидкую (плавление) или газообразную (сублимация, возгонка) фазу.

Твердые тела способны деформироваться при изменении температуры или внешнем силовом воздействии. После прекращения воздействия деформация может исчезнуть (упругая деформация) или остаться (остаточная деформация).

Жидкости и их свойства

 

Жидкость – это агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным состояниями.

Жидкости – это тела, имеющие определенный объем, но не имеющие упругости формы.

Поэтому у жидкостей есть свойства как твердых тел, так и газов. Так подобно твердому телу жидкость сохраняет свой объем, имеет свободную поверхность, обладает прочностью на разрыв. Но, как и газы, жидкость принимает форму сосуда, в котором находится. Кроме того, жидкость легко переходит в газ. При нагревании ее свойства сближаются со свойствами газов, а вблизи температуры кристаллизации – со свойствами твердых тел.

Жидкости однородны и изотропны при отсутствии внешних воздействий. Благодаря поверхностному натяжению жидкость на границе с любой другой средой принимает форму, при которой ее поверхность минимальна. Поэтому небольшие объемы жидкостей имеют форму капли, а в невесомости – форму шара. Если жидкость соприкасается с твердыми телами или другими несмешивающимися жидкостями, возникают капиллярные явления.

Однако главное свойство жидкости, обеспечивающее ее специфичность, это текучесть– смещение в направлении действия силы. В жидкостях наблюдается ближний порядок – упорядоченная взаимная ориентация соседних частиц внутри малых объемов.

С поверхности жидкости при любой температуре происходит испарение – процесс парообразования. Парообразование идет вследствие вылета с поверхностного слоя жидкости молекул, обладающих наибольшей скоростью (кинетической энергией), поэтому в результате жидкость охлаждается.

Свойства жидкостей изучаются и описываются в различных разделах механики, физики и физической химии, а также в гидродинамике.

Газы и их свойства

 

Газы широко распространены в природе – они образуют атмосферу Земли, содержатся в твердых породах, растворены в водах Мирового океана. Солнце, звезды, облака межзвездного вещества также состоят из газов.

Газ – это агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, занимая весь предоставленный им объем.

Любое вещество можно перевести в газообразное состояние при определенном давлении и температуре. Таким образом, условия, в которых могут существовать газы, весьма разнообразны – от почти полного вакуума до нейтронных звезд. Поэтому свойства газов (их теплопроводность, вязкость и т.д.) меняются в широких пределах. Но при одинаковых давлениях и температурах равные объемы различных газов содержат равное число молекул и занимают одинаковые объемы.

Плазма и ее свойства

 

Представление о четвертом агрегатном состоянии вещества появилось лишь в 1923 г., когда американские физики И. Ленгмюр и Л. Тонкс ввели термин «плазма».

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если температура будет увеличиваться и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, молекулы газа начнут распадаться на составляющие атомы, а затем превращаться в ионы – электрически заряженные частицы. Причиной ионизации может также стать воздействие электромагнитного излучения (фотоионизация) или бомбардировка газа заряженными частицами.

В состоянии плазмы находится большая часть вещества Вселенной – звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра, также она образует радиационные пояса Земли и ионосферу. Кроме того, плазму получают в лабораторных и промышленных условиях при дуговом, искровом и тлеющем разрядах.

Важнейшей характеристикой плазмы является степень ионизации – отношение числа ионизированных атомов к полному их числу в единице объема плазмы. Поэтому в отличие от нейтральных газов на плазму сильно действуют электрические и магнитные поля.

Высокотемпературная плазма из дейтерия и трития используется в установках управляемого термоядерного синтеза (токамаках). Низкотемпературная плазма находит широкое применение в газоразрядных источниках света, в газовых лазерах, а также в магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах). С помощью плазматронов, создающих струи плотной низкотемпературной плазмы, режут и сваривают металлы, наносят покрытия. В плазмохимии низкотемпературная плазма используется для получения некоторых соединений, потому что высокие температуры плазмы ускоряют химические реакции.