Газы (французское gaz; название предложено голланским учёным Я. Б. Гельмонтом), агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Вещество в газообразном состоянии широко распространено в природе. Газы образуют атмосферу Земли, в значительных количествах содержатся в твёрдых земных породах, растворены в воде океанов, морей и рек. Солнце, звёзды, облака межзвёздного вещества состоят из газов - нейтральных или ионизованных (плазмы). Встречающиеся в природных условиях газы представляют собой, как правило, смеси химически индивидуальных газов.

Обладают рядом характерных свойств. Они полностью заполняют сосуд, в котором находятся, и принимают его форму. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём газов существенно зависит от давления и температуры. Коэффициент объёмного расширения газов в обычных условиях (0-100°С) на два порядка выше, чем у жидкостей, и составляет в среднем 0,003663 град-1.

Любое вещество можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления и температуры. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных: давление - р, температура - Т. При температурах ниже критической Тк эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки)/парообразования. Это означает, что при любом давлении ниже критического рк существует температура Т, определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. Газ в этих состояниях обычно называют паром вещества.

При температурах ниже Тк можно сконденсировать газы - перевести его в другое агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). При этом фазовое превращение газа в жидкость или твёрдое тело происходит скачкообразно: весьма малое изменение давления приводит к конечному изменению ряда свойств вещества (например, плотности, энтальпии, теплоёмкости и др.). Процессы конденсации газов, особенно сжижение газов, имеют важное техническое значение.

В связи с тем, что область газового состояния очень обширна, свойства газов при изменении температуры и давления могут меняться в широких пределах. Так, в нормальных условиях (при 0°С и атмосферном давлении) плотность газов примерно в 1000 раз меньше плотности того же вещества в твёрдом или жидком состоянии. При комнатной температуре, но давлении, в 1017 раз меньшем атмосферного (предел, достигнутый современной вакуумной техникой), плотность газов составляет около 10-20г/см3. В космических условиях плотность газов может быть ещё на 10 порядков меньше (~10-30/см3).

С другой стороны, при высоких давлениях вещество, которое при сверхкритических температурах можно считать газом, обладает огромной плотностью (например, в центре некоторых звёзд ~109 г/см3). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и другие свойства газов - теплопроводность, вязкость и т. д.

Молекулярно-кинетическая теория газов. Молекулярно-кинетическая теория рассматривает газы как совокупность слабо взаимодействующих частиц (молекул или атомов), находящихся в непрерывном хаотическом (тепловом) движении. На основе этих простых представлений кинетической теории удаётся объяснить основные физические свойства газов, особенно полно - свойства разреженных газов.

У достаточно разреженных газов средние расстояния между молекулами оказываются значительно больше радиуса действия межмолекулярных сил. Так, например, при нормальных условиях в 1см3 газа находится 1019 молекул и среднее расстояние между ними составляет ~ 10-6 см.

2. Агрегатное состояние вещества - жидкость

Жидкость, агрегатное состояние вещества, промежуточное между твёрдым и газообразным состояниями. Ж., сохраняя отдельные черты как твёрдого тела, так и газа, обладает, однако, рядом только ей присущих особенностей, из которых наиболее характерная - текучесть. Подобно твёрдому телу, Ж. сохраняет свой объём, имеет свободную поверхность, обладает определённой прочностью на разрыв при всестороннем растяжении и т. д. С другой стороны, взятая в достаточном количестве Ж. принимает форму сосуда, в котором находится. Принципиальная возможность непрерывного перехода Ж. в газ также свидетельствует о близости жидкого и газообразного состояний.

По химическому составу различают однокомпонентные, или чистые. Ж. и двух- или многокомпонентные жидкие смеси (растворы). По физической природе Ж. делятся на нормальные (обычные), жидкие кристаллы с сильно выраженной анизотропией (зависимостью свойств от направления) и квантовые жидкости - жидкие 4He, 3He и их смеси - со специфическими квантовыми свойствами при очень низких температурах. Нормальные чистые Ж. имеют только одну жидкую фазу (т. е. существует один единственный вид каждой нормальной Ж.). Гелий 4He может находиться в двух жидких фазах - нормальной и сверхтекучей, а жидкокристаллические вещества - в нормальной и одной или даже двух анизотропных фазах.

Общим для всех нормальных Ж., в том числе и для смесей, является их макроскопическую однородность и изотропность при отсутствии внешних воздействий. Эти свойства сближают Ж. с газами, но резко отличают их от анизотропных кристаллических твёрдых тел. Аморфные твёрдые тела (например, стекла), с современной точки зрения, являются переохлажденными Ж. и отличаются от обычных Ж. только численными значениями кинетических характеристик (существенно большей вязкостью и др.). Область существования нормальной жидкой фазы ограничена со стороны низких температур фазовым переходом в твёрдое состояние - кристаллизацией или (в зависимости от величины приложенного давления) фазовым переходом в сверхтекучее состояние для 4He и в жидко-анизотропное состояние для жидких кристаллов. При давлениях ниже критического давления рк нормальная жидкая фаза ограничена со стороны высоких температур фазовым переходом в газообразное состояние - испарением. При давлениях р > рк фазовый переход отсутствует и по своим физическим свойствам Ж. в этой области неотличима от плотного газа. Наивысшая температура Tk,при которой ещё возможен фазовый переход Ж. - газ, называется критической. Значения pk ?и Tk определяют критическую точку чистой Ж., в которой свойства Ж. и газа становятся тождественными. Наличие критической точки для фазового перехода Ж. - газ позволяет осуществить непрерывный переход из жидкого состояния в газообразное, минуя область, где газ и Ж. сосуществуют. Таким образом, при нагревании или уменьшении плотности свойства Ж. (теплопроводность, вязкость, самодиффузия и др.), как правило, меняются в сторону сближения со свойствами газов. Вблизи же температуры кристаллизации большинство свойств нормальных Ж. (плотность, сжимаемость, теплоёмкость, электропроводность и т. д.) близки к таким же свойствам соответствующих твёрдых тел. В табл. приведены значения теплоёмкости при постоянном давлении (Ср) ряда веществ в твёрдом и жидком состояниях при температуре кристаллизации. Малое различие этих теплоёмкостей показывает, что тепловое движение в Ж. и твёрдых телах вблизи температуры кристаллизации имеет примерно одинаковый характер.

Молекулярная теория жидкости. По своей природе силы межмолекулярного взаимодействия в Ж. и кристаллах одинаковы и имеют примерно одинаковые величины. Наличие в Ж. сильного межмолекулярного взаимодействия обусловливает, в частности, существование поверхностного натяжения на границе Ж. с любой др. средой. Благодаря поверхностному натяжению Ж. стремится принять такую форму, при которой её поверхность (при данном объёме) минимальна. Небольшие объёмы Ж. имеют обычно характерную форму капли. В отсутствии внешних сил, когда действуют только межмолекулярные силы (например, в условиях невесомости), Ж. приобретает форму шара. Влияние поверхностного натяжения на равновесие и движение свободной поверхности Ж., границ Ж. с твёрдыми телами или границ между несмешивающимися Ж. относится к области капиллярных явлений.

3. Агрегатное состояние вещества - твердое тело

Твёрдое тело, одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от др. агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия. Наряду с кристаллическим состоянием Т. т. существует аморфное состояние, в том числе стеклообразное состояние. Кристаллы характеризуются дальним порядком в расположении атомов. В аморфных телах дальний порядок отсутствует .

Т. т. - основной материал, используемый человеком. От кремнёвых орудий неандертальца до современных машин и механизмов - во всех технических приспособлениях, созданных человеком, используются различные свойства Т. т. Если на ранних ступенях развития цивилизации использовались механические свойства Т. т., которые непосредственно ощутимы человеком (твёрдость, масса, пластичность, упругость, хрупкость и т. п.), и Т. т. применялось лишь как конструкционный материал, то в современном обществе используется огромный арсенал физических свойств Т. т. (электрических, магнитных, тепловых и др.), как правило, не доступных непосредственному человеческому восприятию и обнаруживаемых только при лабораторных исследованиях.

Механические свойства Т. т. (реакции на внешние механические воздействия - сжатие, растяжение, изгиб, удар и т. д.) определяются силами связи между его структурными частицами. Многообразие этих сил приводит к разнообразию механических свойств: одни Т. т. пластичны, другие хрупки. Обычно металлы, в которых силы связи определяются коллективным действием электронов проводимости, более пластичны, чем диэлектрики; например, деформация Cu при комнатной температуре в момент разрыва достигает нескольких десятков %, а NaCI разрушается почти без деформации (хрупкость). Механические характеристики изменяются с температурой, например с повышением температуры пластичность обычно увеличивается. У большинства Т. т. реакция на внешнее механическое воздействие зависит от его темпа: хрупкое при ударе Т. т. может выдержать значительно большую статическую нагрузку.

При небольших статических нагрузках у всех Т. т. наблюдается линейное соотношение между напряжением и деформацией (Гука закон). Такая деформация называется упругой. Упругая деформация обратима: при снятии напряжения она исчезает. Для идеального монокристалла (без дефектов) область обратимой деформации наблюдалась бы вплоть до разрушения, причём предел прочности должен был бы соответствовать силам связи между атомами. При больших нагрузках реакция реального Т. т. существенно зависит от дефектности образца (от наличия или отсутствия дислокаций, от размеров кристаллических зёрен и т. п.) - разрушение начинается в самых слабых местах. Дислокация - наиболее подвижный дефект кристалла, поэтому именно дислокации в большинстве случаев определяют его пластичность. Появление (рождение) и перемещение дислокации - элементарные акты пластичности.

Тепловые свойства Т. т. У большинства Т. т. теплоёмкость С при комнатных температурах приближённо подчиняется Дюлонга и Пти закону: С = 3R кал/моль (R - газовая постоянная). Закон Дюлонга и Пти - следствие того, что за тепловые свойства Т. т. при высоких температурах ответственны колебательные движения атомов, подчиняющиеся закону равнораспределения (средняя энергия, приходящаяся на одну колебательную степень свободы, равна kT). Наблюдаемые при высоких температурах отклонения от закона Дюлонга и Пти объясняются повышением роли ангармонизма колебаний. Понижение температуры приводит к уменьшению теплоёмкости; благодаря квантовому "замораживанию" средняя энергия колебания Ek, определяемая выражением: , меньше kT. При самых низких температурах часть теплоёмкости, обусловленная колебаниями решётки, С ~ T3. Колебательная часть теплоёмкости Т. т. может быть представлена как теплоёмкость газа фононов.

Теплопроводность зависит от типа Т. т. Металлы обладают значительно большей теплопроводностью, чем диэлектрики, что связано с участием электронов проводимости в переносе тепла (см. ниже). Теплопроводность - структурно чувствительное свойство. Коэффициент теплопроводности зависит от кристаллического состояния (моно- или поликристалл), наличия или отсутствия дефектов и т. п. Явление теплопроводности удобно описывать, используя концепцию квазичастиц. Все квазичастицы (прежде всего фононы) переносят тепло, причём, согласно кинетической теории газов, вклад каждого из газов квазичастиц в коэффициент теплопроводности можно записать в виде: , где g - численный множитель, С - теплоёмкость, ?- средняя тепловая скорость, l - длина свободного пробега квазичастиц. Величина l определяется рассеянием квазичастиц, которое в случае фонон-фононных столкновений - следствие ангармоничности колебаний.

4. Четвертое состояние вещества - плазма

Плазма (от греч. plбsma - вылепленное, оформленное), частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.

Свободные заряженные частицы - особенно электроны - легко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии равновесия пространственные заряды входящих в состав П. отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внутри П. было равно нулю. Именно отсюда вытекает необходимость практически точного равенства плотностей электронов и ионов в П.- её "квазинейтральности". Нарушение квазинейтральности в объёме, занимаемом П., ведёт к немедленному появлению сильных электрических полей пространственных зарядов, тут же восстанавливающих квазинейтральность. Степенью ионизации П. a называется отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма П. В зависимости от величины a говорят о слабо, сильно и полностью ионизованной П.

Термин "Плазма" в физике был введён в 1923 американским учёными И. Ленгмюром и Л. Тонксом, проводившими зондовые измерения (см. ниже) параметров низкотемпературной газоразрядной П. Кинетика П. рассматривалась в работах Л. Д. Ландау в 1936 и 1946 и А. А. Власова в 1938. В 1942 Х. Альфвен предложил уравнения магнитной гидродинамики для объяснения ряда явлений в космической П. В 1950 И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров, а также американский физик Л. Спицер предложили идею магнитной термоизоляции П. для осуществления УТС. В 50-70-е гг. 20 в. изучение П. стимулировалось различными практическими применениями П., развитием астрофизики и космофизики (наблюдение космической П. и объяснение процессов в ней) и физики верхней атмосферы Земли - особенно в связи с полётами космических летательных аппаратов, а также интенсификацией исследований по проблеме УТС.

В резком отличии свойств П. от свойств нейтральных газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействие частиц П. между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (т. е. значительно более "дальнодействующими"), чем силы взаимодействия нейтральных частиц. По этой причине взаимодействие частиц в П. является, строго говоря, не "парным", а "коллективным" - одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц. Во-вторых, электрические и магнитные поля очень сильно действуют на П. (в то время как они весьма слабо действуют на нейтральные газы), вызывая появление в П. объёмных зарядов и токов и обусловливая целый ряд специфических свойств П. Эти отличия позволяют рассматривать П. как особое, четвёртое состояние вещества.

П. называется идеальной, если потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их тепловой энергией. Это условие выполняется, когда число частиц в сфере радиуса D велико: ND = (4/3) pD3n >> 1. В молнии Т ~ 2 х 104 К, n~ 2,5 Ч1019 (плотность воздуха) и, следовательно, D ~ 10-7 см, но ND ~ 1/10 Такую П. называют слабонеидеальной.

Заключение

Подведем итоги проделанной работы:

Газы - агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Вещество в газообразном состоянии широко распространено в природе. Газы образуют атмосферу Земли, в значительных количествах содержатся в твёрдых земных породах, растворены в воде океанов, морей и рек.

Жидкость - агрегатное состояние вещества, промежуточное между твёрдым и газообразным состояниями. Ж., сохраняя отдельные черты как твёрдого тела, так и газа, обладает, однако, рядом только ей присущих особенностей, из которых наиболее характерная - текучесть. Подобно твёрдому телу, Ж. сохраняет свой объём, имеет свободную поверхность, обладает определённой прочностью на разрыв при всестороннем растяжении и т. д.

Твёрдое тело - одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от др. агрегатных состояний стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия. Кристаллы характеризуются дальним порядком в расположении атомов. В аморфных телах дальний порядок отсутствует.

Плазма - частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы.

Список использованной литературы

1. Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, 3 изд., М., 2002;

2. Франк-Каменецкий Д. А., Лекции по физике состояний вещества, М., 2003 (переиздание);

3. Френкель Я. И., Собрание избранных трудов, т. 3, М., 2001;

4. Фишер И.3., Статистическая теория жидкостей, М., 2003;

5. Физика простых жидкостей. Экспериментальные исследования, пер. с англ., М., 2002 [в печати].