Агрегатные состояния вещества и их характеристика с точки зрения МКТ. Плазма. Вакуум.

Агрегатное состояние – это состояние вещества, которое определяется взаимным расположением частиц, характером движения и взаимодействия (лёд, вода и водяной пар).

Вещество в природе может находиться в трёх агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твёрдом, но основная часть вещества во Вселенной находится в четвёртом особом состоянии, которое называется плазма.

Плазма (от греч. plasma – оформленное, вылепленное)– это частично или полностью ионизированный газ, в котором количество свободных положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Таким образом, плазма является электрически нейтральной системой.

Термин “плазма” в физике был введен в 1923 г. американскими учеными И. Ленгмюром и Л. Тонксом.

Виды плазмы:

1) Средние кинетические энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут быть разными. Поэтому в общем случае плазму характеризуют не одним значением температуры, а несколькими – различают электронную температуру Т_е, ионную температуру Т_i и температуру нейтральных атомов Т_а. Плазму с ионной температурой Т_i < 10⁵ К называют низкотемпературной, а с Т_i > 10⁶ К – высокотемпературной.

2) Носителями заряда в плазме являются электроны и ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема плазмы называют степенью ионизации плазмы (а). В зависимости от величины а говорят о слабо ионизованной (а – доли процента), частично ионизованной (а – несколько процентов) к полностью ионизованной (а близка к 100%) плазме.

Свойства плазмы:

1) Так как плазма состоит из заряженных частиц, то ею легко управлять с помощью электрических и магнитных полей.

2) Из-за большой подвижности заряженных частиц плазма обладает высокой проводимостью, которая увеличивается с ростом ионизации. При очень высокой температуре полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

3) Каждая частица взаимодействует сразу со многими окружающими ее частицами. Поэтому в плазме легко возбуждаются колебания и волны.

Плазма в природе:

Наше Солнце и все звезды представляют собой высокотемпературную плазму. Низкотемпературная плазма заполняет всю Вселенную в виде галактических туманностей, межзвездной и межпланетной среды. Плазма окружает нашу Землю в виде ионосферы. В космосе около Земли плазма существует в виде солнечного ветра (поток заряженных частиц, движущихся от Солнца со скоростями в сотни км/с). Солнечный ветер заполняет магнитосферу Земли, образуя радиационные пояса Земли. Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури и полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной плазмы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.

Получение плазмы в лабораторных условиях:

- плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва.

Применение плазмы:

Высокотемпературная плазма из дейтерия и трития является основным объектом исследования по УТС (управляемому термоядерному синтезу).

Низкотемпературная плазма находит применение в газоразрядных трубках, газовых лазерах, МГД – генераторах, в плазмотронах, в плазменной металлургии, плазменном бурении, плазменные технологии и др.

Например, в электромагнитном ракетном двигателе рабочее тело находится в виде плазмы и разгоняется с помощью воздействия на него электромагнитного поля.

Вакуум – (от лат. vacuum — пустота) — состояние материи в отсутствии вещества. Также его иногда называют безвоздушным пространством, хотя это и неверно.

Виды вакуума:

1) физический вакуум - пространство, в котором отсутствуют частицы вещества и установилось низшее энергетическое состояние, когда среднее число квантов физических полей равно нулю. Даже если бы удалось получить это состояние на практике, он не был бы абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Так, например, в вакууме экспериментально обнаружены рождающиеся и тут же исчезающие виртуальные элементарные частицы, влияющие на протекающие физические процессы. Например, реально зарегистрирована поляризация электромагнитного излучения на этих частицах.

2) технический вакуум – состояние газа при его давлении ниже стандартного атмосферного давления, равного 101 325 Паскалей. Приняты следующие степени - градации технического вакуума:

Степень (градация) вакуума	Диапазон давлений, Па	Диапазон высот над поверхностью Земли с таким же диапазоном давлений, км
Низкая	выше 100	ниже 50
Средняя	от 100 до 0,1	от 50 до 85
Высокая	от 0,1 до 1∙10^-5	от 85 до 250
Сверхвысокая	менее 1∙10^-5	выше 250

Применяется обычно к газу, заполняющему ограниченный объём. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.

3) космический вакуум – на высоте 50 тысяч километров над поверхностью Земли давление составляет около 1∙10^-19 паскалей, т.е. концентрация молекул равна примерно четырем штукам в 1 см³. Такая концентрация уже близка к состоянию космического вакуума. В околоземном межпланетном пространстве концентрация атомов порядка нескольких штук в 1 см³. В основном они являются компонентами солнечного ветра и поэтому ионизированы. В межзвездном пространстве, вне газовых облаков, концентрация атомов раз в десять меньше. Внутри газовых облаков она примерно такая же, как в межпланетном пространстве. Таким образом, да еще с учетом существования космической пыли, космический вакуум - это отнюдь не пустота.

Физическая характеристика вакуума:

Соотношение между длиной свободного пробега молекул газа λ и размером сосуда d. В зависимости от величины соотношения различают низкий вакуум ( ), средний вакуум (), высокий вакуум (). Понятие сверхвысокого вакуума не связано с величиной . Оно связано со временем t, необходимым для образования слоя газа толщиной в одну молекулу на поверхности твердого тела в вакууме, которое обратно пропорционально давлению.

Получение вакуума: аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами.

Вакуумный насос — гидравлическая машина, обеспечивающая высокий вакуум в системе пневматического транспорта и служащая для удаления (откачки) газов или паров из замкнутого объема.

Основные типы вакуумных насосов:

- Механические

- Поршневые

- Пластинчато-роторные

- Винтовые

- Рутса

- Золотниковые

- Спиральные

- Турбомолекулярные

- Магниторазрядные

- Струйные

- Водокольцевые

- Паромасленные дифузионные

- Паромасленные бустерные

- Сорбционные

- Криогенные

Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере, и т. д.

Применение вакуума:

1. Вакуумная упаковка является современной упаковкой пищевых продуктов. Вакуумная упаковка замедляет развитие бактерий, вызывающих порчу продуктов, значительно увеличивая сроки хранения товаров.

Вакуумная упаковка пищевых продуктов используется от ресторанов до крупных пищевых производств (мясо, птица, рыба, сыр, овощи, орехи и т.д.).

Она способствует

- увеличению срока годности продукта;

- предотвращению усушки, заветривания продукта;

- улучшению качества продукта (дозревание в упаковке, сохранение аромата);

- увеличению товарооборота, ассортимента, а также снижению издержек вследствие увеличения срока годности продукта;

- возможности профессионального представления продукта, созданию бренда.

- безопасности пищевого продукта.

2. Вакуумные приборы: лампы, кинескопы телевизоров и осциллографов.

3. Вакуумная печь – служит для нагрева и плавки металла в вакууме. Различают дуговые, индукционные, электронно-лучевые и плазменные вакуумные печи. Она позволяет эффективно очистить металл от газов, примесей, неметаллических включений. Применяют для получения металла и сплавов особо ответственного назначения.

4. Вакуум-формование – способ изготовления изделий из листовых термопластов. Изделие требуемой конфигурации получают за счет разности давлений, возникающей вследствие разрежения в полости формы, над которой закреплен лист. Применяется в производстве емкостей, деталей холодильников, корпусов приборов.

Сравнительная характеристика трех агрегатных состояний вещества представлена в таблице.

Вопросы	Газообразное	Жидкое	Твёрдое
1.Свойства     Вывод:	1.Легко сжимаемое, не имеет формы и своего объёма, текучее, плохая теплопроводность, нет электропроводности	1.Мало сжимаемое, сохраняет объём, но не имеет формы, текучее, упругое, хрупкое, теплопроводность и электропроводность лучше чем у газа. Изотропия.	1.Несжимаемое, сохраняет форму и объём, пластичность, упругость, твёрдость, мягкость, хорошая теплопроводность, некоторая электропроводность Кристаллы - анизоторпия
Жидкость занимает промежуточное состояние между твёрдым и газообразным состоянием.
2.Строение с точки зрения МКТ	1) Молекулы расположены на больших расстояниях. Порядка в расположении нет, полный хаос. 2) Движение поступательное. 3)Взаимодействие практически отсутствует.	1) Молекулы расположены почти вплотную друг к другу. Имеется ближний порядок, но отсутствует дальний порядок. 2) Во время оседлой жизни (≈10^-8 секунды) совершает колебательные движения, но может совершать и поступательные.   3) Взаимодействие есть, но оно слабее, чем в твердых телах.	1. 1) Бывают аморфные и кристаллические. Аморфные вещества по своему строению такие же, как жидкость. В кристаллических веществах молекулы расположены на расстояниях равных размерам этих частиц и в строгом порядке. Имеется дальний порядок. Типы кристаллических решёток: Ø атомная (алмаз), Ø молекулярная (лед) Ø ионная (повар.соль), Ø металлическая (Al, Cu, Zn)   2) Поступательное движение отсутствует, характерно колебательное движение около положения устойчивого равновесия. 3) Взаимодействие сильное.
3.Соотношения между энергиями.	>> ЕП	≈ ЕП	<< ЕП

---

Дата добавления: 2015-07-07