Srednja škola Vrbovec

FIZIKALNA SVOJSTVA AGREGATNIH STANJA

U Vrbovcu, 14.11.2010. Nikola Kudoić 2.a

1

UVOD

Agregatno stanje je stanje tvari opisano kvalitativnim svojstvima koja ovise o temperaturi i tlaku. Promjena agregacijskih stanja ovisi isto tako o veličini čestica i jačini privlačnih sila.Klasična fizika poznaje četiri agregatna stanja:-Kruta tvar ili krutina (S) - Udaljenosti između čestica vrlo male. Nestlačive. Velika gustoća čestica, jake privlačne sile, čestice titraju samo oko središnjeg položaja ne napuštajući geometrijski oblik. Stalan obliki stalna struktura.-Kapljevita tvar ili kapljevina, bolje poznata kao tekućina (L) - Između čestica slabija privlačnost. Nestlačive. Veće i udaljenosti između čestica. Nemaju stalan oblik i volumen. (Anomalija vode). Čestice se relativno slobodno gibaju i poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze.-Plinovita tvar ili plin (G) - Velika udaljenost među česticama. Skoro nikakva privlačna sila. Čestice se slobodno gibaju. Nemaju uređenu strukturu. Plinovi su stlačivi i volumen im ovisi o, i uz utjecaj temperature i tlaka. Bilo kakva posuda se brzo ispunjava plinom. Položaj čestica brzo se mijenja u svim smjerovima u prostoru.-Plazma je u fizici i kemiji naziv za ionizirani plin i uobičajeno je da se zbog različitih svojstava u odnosu na krutine, tekućine i plinove smatra posebnim agregatnim stanjem tvari. Ionizirani plin ima barem po jedan elektron odvojen od dijela svojih atoma ili molekula. Zbog slobodnih nabijenih čestica (iona i elektrona) plazma je dobar vodič električne struje i snažno reagira na električno i magnetsko polje.Većina tvari zagrijavanjem prelazi iz krutog u tekuće stanje (taljenje). Temperaturu pri kojoj počinje taj prijelaz nazivamo talištem. Daljnjim zagrijavanjem tvar prelazi iz tekućeg u plinovito stanje (isparavanje), a odgovarajuću temperaturu nazivamo vrelištem.Tvari prelaze iz plinovitog u tekuće (kondenzacija), a onda iz tekućeg u kruto (kristalizacija). Isto tako tvari mogu prelaziti iz krutog u plinovito i iz plinovitog u kruto (bez tekućeg agregacijskog stanja između u procesu).Iz krutog u plinovito - SublimacijaIz plinovitog u kruto - KristalizacijaNeke tvari prelazi direktno iz krutog u plinovito stanje, tj. ne postoje u tekućem stanju. Tekućine su nestlačive, kao i krute tvari. Ako stlačimo plinovite tvari one kondenziraju (prelaze u tekuće stanje).

Agregatna stanja i međusobni prijelazi.

2

Slika 1. - Viseća kap

RAZRADA

Da bi smo razumjeli svojstva agregatnih stanja povezanih s fizikom, potrebno je objasniti povratnu silu koja utječe na njih i njihova svojstva.

-POVRATNA SILA. Promatrajmo tekućine i čvrsta tijela koji su građeni od molekula. Veća samo postojanje čvrstih tijela i tekućina svjedoči da se njihove molekule privlače. Jer da nema privlačenja, molekule bi se razletjele na sve strane.

U privlačenje molekula možemo se uvjeriti. Na primjer, i gledajući kap rose kako visi na listu, iako ne nju djeluje sila teže. (slika 1.) Naime, privlačenje među molekulama stvara silu suprotnog smjera nego što je smjer sile teže. Ta sila se opire opadanju kapi s lista. Ako pak prevlada sila teža, kap će se prije pada izduljiti, i to zato što se molekule na površini kapi privlače sa susjednim molekulama na listu. S povećanjem udaljenosti između molekula njihovo privlačenje postaje sve slabije i potom iščezne. Doseg međumolekularnog privlačenja iznosi oko 10-9 m, što je desetak puta više od tipičnog promjera molekula. Na većim udaljenostima privlačenje molekula je tako slabo da se može zanemariti.

-1.)POVRATNA SILA I OBLIK ČVRSTOG TIJELA. S obzirom na to da je općenito doseg privlačne međumolekularne sile malen, razlomljene komadiće nekoga tijela ne možemo ponovno sastaviti u čvrstu cjelinu. Hrapavost površina razlomljenih komadića tijela prevelika je da bi se molekule mogle približiti na doseg privlačnih sila i spojiti razlomljene dijelove tijela.

-Može li međudjelovanje molekula biti i odbojno ili je ono uvijek privlačno? Kada se molekule ne bi odbijale, dano bismo tijelo mogli tlačiti na sve manji i manji obujam. Iz iskustva smo naučili da je stlačivost tekućina i čvrstih tijela vrlo mala pa zaključujemo da se molekule na malim udaljenostima odbijaju. Sa smanjivanjem udaljenosti među molekulama ta se odbojna sila naglo povećava. Na oderđenoj udaljenosti, označimo ju sa r0 , sila kojom molekula djelujue jedna na drugu jednaka je nuli. Kažemo da se molekule tada nalazena ravnotežnoj udaljenosti r0 . Ako se molekule samo malo pomaknu iz tog ravnotežnog položaja, sila među njima djeluje tako da ih nastoji vratiti u ravnotežni položaj. Zato tu silu zovemo povratnom silom.

3

rr0

Posljedica ravnotežnog polaožaja moleukula jest stalan oblik čvrstog tijela. Oblik čvrstog tijela će se promjeniti samo i jedino ako na njega djelujemo vanjskom silom. Molekule u čvrstom tijelu titraju oko ravnotežnog položaja. To titranje je termičko gibanje. Što je temperatura viša, to je življe titranje molekula.

-Pomoću povratne sile možemo razumjeti zašto je stlačivost čvrstih tijela malena. Pri određenom obujmu tijela, udaljenost između ravnotežnih položaja susjednih molekula toga tijela je r0 . Smanjivanjem obujma te se udaljenosti ,među molekulama smanjuju, pa se povećava odbojna sila koja se protivi tlačenju tijela. Pri rastezanju tijela udaljenosti među molekulama postaju veće od ravnotežne udaljenosti, pa privlačna povratna sila nastoji vratiti molekule u njihov prijašnji položaj. Stoga čvrstim tijelima ne možemo proizvoljno povećati obujam.

Što uzrujuje silu među molekulama?Ta je sila posljedica električnog međudjelovanja čestica od kojih se satoje molekule (elektrona i atomskih jezgra).

-2.) ZAŠTO TEKUĆINE IMAJU ODREĐEN OBUJAM, ALI NE I OBLIK?Zagrijemo li čvrsto tijelo na dovoljno visoku temperaturu ono će se rastaliti. Što se pri taljenju događa s molekulama? Povišenjem temperature povećavaju se pomaci među molekulama iz ravnotežnih položaja pri titranju i to dovodi do taljenja tijela. Titranje molekula nastavlja se i nakon prijelaza tvari iz čvrstog u tekuće stanje.U tekućini su preskoci molkula između dva ravnotežna položaja mnogo češći nego u čvrstome tijelu. No molekule s površine nastoje povratnim silama spriječiti da ostale molekule napuste tekućinu. Posljedica je takva načina gibanja molekula da tekućina nema stalan oblik, već poprima oblik posude u kojoj se nalazi.

No iako tekućina ima sposobnost prelijevanja, povratne sile među molekulama su dostatno jake da spriječe udaljavanje pojedinih molekula od svih ostalih. Zato se u tekućini zadržava stalna udaljenost među molekulama, pa tekućine zadržavaju stalan obujam. Kako i čvrsto tijelo i tekućina mijenja obujam samo pri promjeni vanjskih uvjeta (djelovanje sile, promjena temperature i sl.).

Utjecaj povratne sile na gibanje molekula u tekućini mnogo je manji nego u čvrstom tijelu. Međudjelovanje molekula u tekućini možemo približno predočiti vrlo rastezljivim molekulama. Međumolekularne veze su labave pa molekule u tekućini klize u svim smjerovima.

4

-3.) ZAŠTO PLINOVI NEMAJU NI ODREĐEN OBLIK NI ODREĐEN OBUJAM?Gustoće plinova mnogo su manje od gustoća čvrstih tvari i tekućina, čak i više od tisuću puta. U danom obujmu plina ima mnogo manje molekula nego u jednakom obujmu čvrstog tijela ili tekućine pa su srednje udaljenosti između susjednih molekula u plinovima mnogo veće nego u čvrstim tijelima i tekućinama.Zbog velikog srednjeg razmaka između susjednih molekula, plinove možemo lako tlačiti. Stlačivost plinova moggo je veća od stlačivosti čvrstih tijela.

Zbog velikog srednjeg razmaka između susjednih molekula u plinovima je utjecaj povratne sile na gibanje molekula izvanredno malen. Zato se molekule plinova gibaju gotovo slobodno od sudara do sudara, bilo međusobnih, bilo sa stijenkama posude.

Posljedica slobodnog gibanja molekula u posudi je širenje plina. Plin se širi u svaki prostor koji mu je dostupan. Plin nema ni određenog oblika ni određenog obujma.

-4.) PLAZMA 4. AGREGATNO STANJE:Plazma je stanje tvari koje se ponešto razlikuje od plinovitog, tekućeg ili krutog pa se ponekad uzima kao četvrto agregatno stanje. Ipak to nije pravo agregatno stanje. Zašto? Svaka čista tvar, ako je pri tim uvjetima stabilna, može prelaziti iz jednog agregatnog stanja u drugo. I svaku čistu tvar karakteriziraju čvrste točke prijelaza između agregatnih stanja (zanemarimo sada stakla i sl.). Npr. voda uz tlak od jedne atmosfere pri 0 °C prelazi iz tekućeg stanja u kruto, a na 100 °C iz tekućeg u plinovito (i obratno). Određeni prijelaz u stanje plazme ne postoji (za tvar postoje talište, vrelište, ali ne i 'plazmište'). Također, kao plazma ne mogu postojati kemijski spojevi jer su svi atomi odvojeni.Što je uopće plazma? To je stanje visokoionizirane tvari, 'mješavina' atoma koji su otpustili sve ili gotovo sve elektrone (praktički gole jezgre) i elektrona koji se gibaju slobodno. Plazma obično nastaje na vrlo visokim temperaturama (bar nekoliko tisuća stupnjeva) jer ogromna energija je potrebna da se svi elektroni otrgnu od jezgri i održe u takvom stanju. Može nastati i djelovanjem intenzivnog ionizirajućeg zračenja (ultraljubičastog, roentgenskog, γ-zračenja) na razrijeđeni plin. Elektroni, iako slobodni, ne gibaju se potpuno neovisno od jezgri. Suprotni naboji privlače se jakim Coulombovim silama i ne mogu se odvojiti tako da u nekom dijelu pretekne suvišak pozitivnih ili negativnih naboja. Plazma je ukupno ipak električki neutralna.Iako je na Zemlji plazma rijetka pojava (stvara se na prolazu munje kroz zrak i u visokim slojevima atmosfere pod utjecajem zračenja sa Sunca), većina tvari u Svemiru nalazi se u takvom stanju. Na zvijezdama vladaju temperature od tisućâ stupnjeva na površini do milijuna stupnjeva Celzijevih u unutrašnjosti. Između zvijezda pak može postojati hladna plazma, vrlo razrijeđena pa su sudari između elektrona i jezgri iznimno rijetki. Sunčev vjetar, razrijeđena struja elektrona i protona neprestano teče sa Sunca u okolni Svemir. Međudjelovanjem tih čestica uhvaćenih Zemljinim magnetskim poljem i atoma i molekula u zraku nastaje polarna svjetlost.Plazma se u nekim pogledima ponaša dosta slično običnom plinu, nema stalan oblik niti volumen... Ali u prisutnosti vanjskog magnetskog polja razlike su ogromne jer nabijene čestice 'pokorno' slijede magnetske silnice. Plinovi koji se sastoje od neutralnih čestica ne vode električnu struju, ali plazma vodi izvrsno. Na svojstva utječe i elektrostatska povezanost čestica.Plazma nije zanimljiva samo kao 'zgodna' prirodna pojava (Gle, polarna svjetlost!). U središtu je mnogih istraživanja u fizici, kemiji i astronomiji, a razloga ima jako puno: razumijevanje procesa koji se odvijaju na Suncu i u našoj atmosferi, pitanja oko građe i postanka tvari i Svemira, pokušaj postizanja kontrolirane fuzije (neiscrpan izvor energije), plazma kao intenzivan izvor zračenja... -plazma se stvara pri prolazu munje kroz zrak

5

ZAKLJUČAKPostoje tri osnovna agregatna stanja: kruto, tekuće i plinovto. Uz to, još bi se i plazma, kao ioniziran plin, mogla klasificirati kao agregatno stanje.

U krutom agregatnom stanju, čestice tvari su vrlo gusto međusobno poslagane, te su pod utjecajem jakih međusobnih veza. Upravo zbog tih veza, krutine imaju konstantan oblik i volumen, osim ako se na promjenu istih ne utroši određena količina energije

Tekuće agregatno stanje je karakterizirano nešto slabijim ali još uvijek postojanim vezama koje postoje među česticama. Za tekuće agregatno stanje karakteristično je da imaju kostantan volumen (ako su temperatura i tlak konstantni), ali nemaju konstantan oblik, nego poprimaju oblik bilo kakvog spremnika ili općenito prostora u kojem se nalaze.

Kod plinovitog agregatnog stanja, međusobne sile kojima se čestice privlače, vrlo su male, što uzrokuje slobodno kretanje čestica u prostoru. Tipično svojstvo plinova je da nemaju niti konstantan volumen, niti konstantan oblik. Plinovi se raspršuju u cijelom prostoru kojeg imaju na raspolaganju.

LITERATURA1. Vladimir Paar i Vladimir Šips, Fizika 2, udžbenik za drugi razred gimnazije, Školska knjiga, Zagreb 2007.2. Internetska stranica: http://hr.wikipedia.org/3. Internetska stranica: http://eskola.chem.pmf.hr/

6