Cietas vielas, šķidrumi un gāzes ir vielas trīs agregātstāvokļi. Viela ir veidota no mazām daļiņām (atomiem vai molekulām).
Būtiski ir noskaidrot sekojošas lietas par agregātstāvokļiem:
• kādas ir agregātstāvokļu vispārējās īpašības;
• kā šīs īpašības ir saistītas ar cietu vielu, šķidrumu un gāzu
izmantošanu;
• kādēļ tām piemīt šādas īpašības un kā tās izskaidrot;
• kādēļ cietas viela sacietē, šķidrumi sasalst vai pārvēršas gāzē,
• kā agregātstāvokļu maiņa tiek izmantota dažādās ierīcēs (ledusskapji,
siltuma sūkņi).
3.1. AGREGĀTSTĀVOKĻU BŪTISKĀS ĪPAŠĪBAS
Cietas vielas:
• saglabā savu formu līdz salaušanai;
• neplūst;
• ir grūti saspiežams (saglabā to pašu tilpumu).
Šķidrumi:
• nesaglabā savu formu, bet pieņem tā trauka formu, kurā tie ir iepildīti;
• plūst no augstākas vietas uz zemāku;
• ir grūti saspiežami (saglabā to pašu tilpumu).
Gāzes:
• nesaglabā savu formu, bet pieņem trauka formu, kurā gāze ir iepildīta;
• plūst un ātri aizņem visu telpu (intensīva difūzija);
• var viegli saspiest mazākā tilpumā.
3.2. AGREGĀTSTĀVOKĻU IZMANTOŠANA
Cietas vielas
Cietas vielas izmanto pielietojumos, kur vielai jāsaglabā sava forma, jeb kaut kas ir jāatbalsta. Tas ir tādēļ, ka cieta viela nemaina savu formu, paliek tajā vietā, kur ir nolikta, un to nevar saspiest. Iedomāsimies krēslu. Iedomāsimies, kas notiktu, ja krēsls būtu veidots no šķidruma, piem. viskoza šķidruma – medus. Vai tas saglabātu savu formu? Vai tas izturētu Jūsu svaru? Vai tas paliktu tajā vietā, kur Jūs krēslu noliktu?
Tagad padomājiet kādēļ velosipēdu rāmji, automobiļu virsbūves un golfa nūjas ir būvētas no cietām vielām.
Šķidrumi
Šķidrumi tiek izmantoti tādos pielietojumos, kur nepieciešama plūstamība, piem. gatavojot dzērienu kokteiļus, jeb kur nepieciešams, lai šķidrums pieņemtu trauka formu sacietēšanas procesā. Labs piemērs ir želejas cietēšana. Ūdenī izšķīduši želeja, kas veido šķidrumu tiek ielieta traukā, kur sacietē un ieņem trauka formu. Šķidrumu plūstamība tiek plaši izmantota lauku mākslīgā apūdeņošanā un minerālmēslu izsēšanā.
Dzērieni ir šķidrumi. Kāda šķidruma īpašība ir būtiska, lai to izmantotu kā dzērienu?
Padomājiet, kādēļ peldbaseins ir piepildīts ar ūdeni un kādēļ šampūns un dušas želeja ir šķidrumi?
Gāzes
Gāzes tiek izmantotas pielietojumos, kur nepieciešams, lai pēc saspiešanas tas dotu impulsu pretējā virzienā (piem. automašīnu riepās), jeb arī vietās, kur daļiņām ir ātri jāizplatās telpā (gaisa atsvaidzinātāji, kukaiņu iznīcinātāji). Tas ir tādēļ, ka gāzes var viegli saspiest, bet ja spēku, kas gāzi saspiež, izslēdz (noņem), tā iet atpakaļ uz sākuma stāvokli. Ja gāzi izlaiž no trauka tā izplatās visā telpā. Ja Jūs izsmidzināt gaisa atsvaidzinātāju vienā istabas stūrī pēc noteikt laika Jūs saodīsiet atsvaidzinātāja smaržu arī pretējā istabas stūrī. Kāda gāzes pamatīpašība ir atbildīga par šo faktu?
Padomājiet kādēļ cigarešu smēķēšana ir kaitīga nesmēķētājiem cilvēkiem (degšanas produkti pamatā ir gāzes) Kādēļ basketbola bumba ir ļoti atsperīga, bet medicīnas bumba nemaz?
3.3. AGREGĀTSTĀVOKĻU „MOLEKULĀRĀ” STRUKTŪRA
Kādēļ vielas trim agregātstāvokļiem ir tik atšķirīgas īpašības? Lai saprastu to, mums jāiedziļinās cietas vielas uzbūvē. Viela sastāv no mazām daļiņām – atomiem un molekulām. Agregātstāvokļu īpašības ir atkarīgas no daļiņu tipa (atoms vai molekula) un daļiņu sakārtojuma pakāpes.
Vienkāršā modelī daļiņas iedomājās kā bumbiņas, kas atrodas nepārtrauktā kustībā. Jo karstākas tās ir, jo ātrāk tās kustas. Ar to var izskaidrot sasalšanu, vārīšanos, kondensāciju un termisko izplešanos. To apraksta vielas kinētiskā teorija.
Cietas vielas
Kristāliskās cietās vielās daļiņu izvietojums ir periodisks jeb regulārs*) un tās atrodas tuvu viena otrai (saskaras). Daļiņas pievelk viena otru ar lielu spēku (ķīmiskā saite), jo tās ir mazas un atrodas tuvu viena otrai. Tas nozīmē, ka daļiņas nevar savstarpēji mainīties vietām. Vienīgā iespēja daļiņām kustēties ir vibrēt ap līdzsvara stāvokli (3.1a attēls, apakšā).
Analoģija cietai vielai varētu būt skolēnu izkārtojums klasē stundu laikā: katrs skolēns ir savā solā, var kustēties, bet nevar mainīt savstarpējo novietojumu.
• Cietas vielas neplūst. Daļiņas cietā vielā nevar izmainīt savu pozīciju telpā, tādēļ cieta viela saglabā savu formu.
• Cietas vielas nevar saspiest, jo daļiņas (ārējie elektronu mākoņi) praktiski saskaras (3.1a attēls) un tās ciešāk saspiest nav iespējams.
• Cietas vielas ir mehāniski izturīgas, jo daļiņas atrodas tuvu viena otrai, kā rezultātā spēki, kas darbojas starp daļiņām ir lieli.
• Nav iespējams iztriekties cauri cietai vielai, bez tās salaušanas, jo daļiņas ir cieši sapakotas un tās nevar atbrīvot ceļu bultai vai lodei.
Atcerēsimies, ka var būt izņēmumi no augstākminētajām vispārējām likumsakarībām, jo ir arī mehāniski neizturīgas cietas vielas (plastilīns, polietilēns utt.)
Šķidrumi
Šķidrumos daļiņas arī ir tuvu viena otrai, bet ne tik tuvu kā cietās vielās (ārējie elektronu mākoņi nesaskaras). Daļiņu izkārtojums nav regulārs vai periodisks. Tās ir telpā sadalītas haotiski (3.1b attēls). Daļiņas var kustēties visos virzienos un savstarpēji mainīties vietām.
Spēki, kas satur daļiņas kopā šķidrumos (ķīmiskās saites) nav tik spēcīgi kā cietās vielās, jo ir lielāki attālumi starp daļiņām. Daļiņas kustas viena attiecībā pret otru visu laiku, mainot savstarpējo novietojumu.
Analoģija šķidram stāvoklim varētu būt skolēnu izturēšanās starpbrīdī, kad viņi pastaigājas pa gaiteni, mainās vietām, saskrienas.
• Šķidrumi plūst. Tas ir tādēļ, ka šķidrumos daļiņas var paiet garām viena otrai.
• Šķidrumi nevar ieturēt konkrētu, nemainīgu formu, tādēļ, ka daļiņas var brīvi pagriezties, kustēties un mainīt savu vietu. Daļiņas šķidrumā pieņem tā trauka formu, kur šķidrums ir ieliets.
• Šķidrumu ir grūti saspiest, tādēļ, ka daļiņas ir pietiekoši tuvu viena otrai (ne tik tuvu kā cietās vielās).
——————————————————————————————————–
)*amorfās cietās vielās daļiņas ir izkārtotas haotiski, to momentānais izvietojums atbilst attēlam 3.1b. Atšķirībā no šķidrumiem daļiņas amorfā stāvoklī ir „iesalušas” – tās nevar mainīt savu atrašanos telpā.
Gāzes
Gāzes daļiņas ir lielā attālumā viena no otras. Tās kustas ļoti ātri un haotiski dažādos virzienos. Tās nav izvietotas periodiski. Tās visu laiku maina savu atrašanās vietu telpā (3.1c attēls). Spēki, kas satur daļiņas kopā gāzēs, ir ļoti mazi. Tie ir tik mazi, ka praktiski mijiedarbes spēkus var neievērot.
Analoģija gāzveida stāvoklim, ja ar daļiņām apzīmējam skolniekus, varētu būt situācija, kad stundas ir beigušās. Skolnieki pa atsevišķiem ceļiem dodas uz mājām. Skolnieki (daļiņas) ir lielos attālumos viens no otra, nav nekādas mijiedarbes.
• Gāzes plūst. Tas ir tādēļ, ka daļiņas vienmēr var brīvi kustēties. Tās ir pietiekošā daudzumā tukšā telpā.
• Gāzes izplūst telpā un piepilda visu telpu. Tas ir tādēļ, ka daļiņas kustas ļoti ātri, un nav spēku kas traucētu tām kustēties. Vienīgā vieta, kur daļiņas bremzējas ir trauka cietās sienas.
• Gāzes var viegli saspiest. Tas ir tādēļ, ka daļiņas ir lielos attālumos viena no otras. Nelielos spiedienos tās var saspiest tuvāk.
• Gāzes ir „atsperīgas” – tās ieņem iepriekšējo tilpumu, kad Jūs pārtraucat tās spiest. Tas ir izskaidrojams ar daļiņu ātro un haotisko kustību gāzēs.
Paskaidrojiet:
1. Kāpēc vieglāk un ātrāk ir pārvietoties cauri gaisam salīdzinot ar pārvietošanos cauri ūdenim?
2. Kāpēc cilvēks parasti nespēj iziet cauri cietai vielai? Varbūt atsevišķos gadījumos tas ir iespējams?
a) b) c)
3.1.attēls Daļiņu shematisks izvietojums: a – cietās vielas; b – šķidrumos; c – gāzēs
Apakšējā zīmējuma daļā shematiski parādīta daļiņu kustība cietā vielā, šķidrumā un gāzēs.
3.4. AGREGĀTSTĀVOKĻU MAIŅA
Atcerēsimies, ka daļiņas vielās atrodas nepārtrauktā kustībā. Jo karstākas ir vielas, jo ātrāk kustas daļiņas.
Kušana
Ir jāatšķir kušanas un šķīšanas jēdzieni. Kušana parādās tikai vielas karsēšanas procesā. Šķīšana turpretī notiek pie jebkuras temperatūras – cietu vielu sajaucot ar šķīdinātāju.
Ja Jūs karsējat cietu vielu, daļiņas kustas (vibrē) ātrāk un ātrāk. Tās kustas tik ātri, ka individuālās cietās vielas daļiņas aiziet projām viena no otras un sāk kustēties neatkarīgi no kaimiņu daļiņām. Citiem vārdiem – tās var mainīties vietām (3.2.attēls) Bet tā jau ir īpašība, kas piemīt šķidrumiem. Savukārt, ja cietās vielas daļiņas izturas līdzīgi šķidruma daļiņām, tad cietā viela ir izkususi.
Vārīšanās
Turpinot karsēšanu šķidruma daļiņas kustēsies arvien ātrāk un ātrāk. Daļiņas kustēsies tik ātri un trakojoši, ka tās vairāk nepaliks tuvu kopā. Haotiskā termiskā kustība pārvarēs starpmolekulāros spēkus, kas satur daļiņas kopā un tās izplatīsies telpā lielos savstarpējos attālumos ar lielu ātrumu. Tādējādi karsēšanas rezultātā esam šķidrumu pārvērsuši gāzē (3.2.attēls).
Svarīgi atcerēties, ka daļiņas, kas piedalās agregātstāvokļu maiņā ir vienas tās pašas (atomi un molekulas). Karsēšanas ietekmē mainās tikai to mijiedarbības (ķīmiskās saites).
3.2.attēls Shematisks agregātstāvokļu maiņas attēlojums. Lai pārietu no cietas vielas uz šķidrumu, vielai jāpievada enerģija (tā jākarsē). Tas pats arī pie vārīšanās.
Agregātstāvokļu maiņa notiek arī pretējā virzienā. Dzesējot gāzi tā pārvēršas šķidrumā (kondensēšanās), bet pazeminot temperatūru šķidrumam, tas pāriet cietā vielā (sasalšana) (3.3.attēls). Vēl ir iespējams sublimācijas process, kurā cietā viela tieši pāriet gāzveida stāvoklī, vai otrādi, bez pārejas šķidrā stāvoklī. Sublimācijas rezultātā daļiņas no cietās vielas virsmas ir spējīgas atrauties un pāriet gāzveida stāvoklī. Tipisku sublimācijas piemēru var novērot saulainās marta dienās, kad saulainās nogāzēs sniega sega (cietā viela) ātri kļūst plānāka, neveidojoties ūdenim.
3.3.attēls Vielas agregātstāvokļu maiņa
Plašāks jēdziens agregātstāvokļu maiņai ir fāžu pārejas – tās ir vielas pāreja no viena stāvokļa (cietvielas, šķidruma, gāzes, supravadoša, spontāni polarizēta vai magnetizēta utt.) citā. Kamēr notiek šāda maiņa, temperatūra nemainās. Visa saņemtā vai atdotā siltumenerģija tiek patērēta, lai veidotu vai sarautu ķīmiskās saites, kas darbojas starp daļiņām. Eksperiments, kas raksturo cietas vielas naftalīna kušanu ir parādīts 3.4.attēlā. Naftalīna kristāli ir ievietoti mēģenē, kas savukārt tiek iegremdēti vārošā ūdens traukā. Naftalīna temperatūru mēram ar termometru. Temperatūru atliekam atkarībā no laika pēc mēģenes ievietošanas ūdenī.
Kad naftalīns tiek karsēts, tā temperatūra pieaug pa līkni AB (3.4.attēls). Posmā BC temperatūra paliek nemainīga, lai gan siltums naftalīnam tiek pievadīts. Siltums šajā apgabalā tiek izmantots, lai izrautu daļiņas (molekulas) no to fiksētiem stāvokļiem cietā vielā un palielinātu to enerģiju, līdz tās var kustēties viena attiecībā pret otru kā šķidrumā (mainīties vietām).
Naftalīns kūst posmā BC un grafiks parāda, ka kušanas temperatūra ir 78oC. Punktā C naftalīns ir izkusis. Turpmāka siltuma pievadīšana noved pie temperatūras pieaugšanas pa līkni CD, jo pievadītais siltums turpina uzkarsēt šķidrumu. 3.2.attēls parāda, kas notiek ar daļiņām (molekulām) pie kušanas un vārīšanās temperatūrām.
3.4.attēls
a – eksperimenta shēma kušanas novērošanai naftalīnā
b – naftalīna temperatūras izmaiņa laikā pēc iegremdēšanas vārošā ūdenī
Materiālu kušanas un vārīšanās temperatūras mainās ļoti plašā diapazonā (3.1.tabula)
3.1. tabula
Kušanas un vārīšanās temperatūras dažādiem materiāliem
Materiāls Kušanas temp., oC Vārīšanās temp., oC
Skābeklis (O2)
Ūdens (H20)
Sērs (S)
Polietilēns (CH2)n
Epoksidu sveķi
Alumīnijs (Al)
Varš (Cu)
Dzelzs (Fe)
Ogleklis, grafīts (C) -219
0
119
130
300
660
1083
1540
3730 -183
100
445
2450
2600
3000
4830
3.5. ŠĶIDRUMA IZTVAIKOŠANA UN
LEDUSSKAPJA DARBĪBAS PRINCIPS
Kad šķidrumu karsē, tā temperatūra pieaug līdz ir sasniegta kušanas temperatūra. Kamēr šķidrums vārās, tā temperatūra nemainās, jo ir jāpievada enerģija, lai atdalītu šķidruma daļiņas vienu no otras, lai tās varētu neatkarīgi kustēties ar lielu ātrumu (skat. 3.2.attēlā pāreju šķidrums – gāze).
Ja viela kūst vai iztvaiko, tā absorbē enerģiju (endotermisks process). Ja viela kondensējas vai sacietē tā zaudē enerģiju. Enerģijas maiņu starp šķidrumu un tā tvaikiem (gāze) izmanto ledusskapjos. Pretējo efektu – enerģijas izdalīšanos ja tvaiku stāvoklis kondensējas šķidrumā izmanto siltuma sūkņos.
Ledusskapjos kā šķidrumu izmanto freonu. Tie ir neindīgi C, Cl un F savienojumi ar zemu vārīšanās temperatūru. Piemēram, savienojumam CF2ClBr vārīšanās temperatūra ir -4oC. Šķidrais freons, kas pārvietojas spirālveidīgā caurulē ledusskapja aizmugurē caur izplešanās ventīli nonāk caurulē ar lielāku diametru, kas atrodas ledusskapja saldētavā (3.5.attēla augšējā daļa). Resnākajā caurulē zemāka spiediena dēļ freons iztvaiko. Lai notiktu iztvaikošana papildus siltums tiek ņemts no apkārtnes – respektīvi ledusskapja iekšpuses un produktiem, kas atrodas tajā. Tādējādi produktu temperatūra pazeminās. Tālāk freona tvaiki aiziet līdz elektriski darbināmam kompresoram ledusskapja apakšējā daļā, kur šie tvaiki tiek saspiesti. Tā rezultātā gāze pāriet šķidrumā (kondensējas). Kondensējoties gāze izdala siltumu, tādēļ ledusskapja aizmugurē caurules ir vienmēr karstas. Tālāk šķidrums aiziet līdz caurulēm saldētavā, kur iztvaiko, un viss process atkārtojas.
3.5.attēls Mājas ledusskapja darbības princips
3.6. SILTUMA SŪKŅI
Saules starojums ir sasildījis zemes slāni, gaisu, ūdeņus un tajā akumulētais siltuma daudzums ir milzīgs. Jebkura viela satur siltuma daudzumu Q= CmT, kur C-raksturo doto vielu, m- ir vielas masa, T-absolūtā temperatūra. Istabas temperatūra ir T~300 K. Tā kā ārējā gaisa un zemes masa ir ļoti liela, tad akumulētā siltuma daudzums ir milzīgs. Paņemot tikai nelielu daļu no šī siltuma, varētu sildīt mājas, peldbaseinus un ekonomēt tradicionāli iegūstamo enerģiju. Lai siltumu pārsūknētu no vienas vietas uz otru, izmanto siltuma sūkņus. Siltuma sūknis ļauj siltumu pārsūknēt no vielas ar zemāku temperatūras uz vielu, kura ir siltāka. Siltuma sūkņa darbību var salīdzināt ar ūdens sūkni, kurš paceļ ūdeni no urbuma uz mājas augstākajiem stāviem. Darbinot siltuma sūkni tiek patērēta enerģija, bet sūknis darbojoties pievada mājai no ārējās vides 3 – 4 reizes vairāk enerģijas nekā nepieciešams sūkņa darbināšanai. Izrādās, ka mūsu mājās šādi sūkņi jau ir – labi pazīstamajā ledusskapī. Mājas apsildīšanai ledusskapis ir it kā „jāizvērš uz ārpusi”, proti, tam jāsilda māja un jādzesē āra gaiss vai zeme.
Siltuma sūknis ir sistēma, kas piepildīta ar speciālu gāzi (freonu). Gāzi saspiežot un dzesējot to var sašķidrināt. Gāzei sašķidrinoties izdalās siltums, bet šķidrumam iztvaikojot, tas atdziest. Šajā darbības ciklā kompresors ir galvenais siltuma sūkņa elements, kura darbināšanai ir nepieciešama elektriskā enerģija. Kompresors saspiež gāzi, kā rezultātā gāze sasilst un nonāk iekštelpu siltuma apmaiņas spolē (2). Atdodot siltumu telpām gāze atdziest un, tā kā tā ir saspiesta, tad sašķidrinās. Kondensējoties izdalās papildus siltums, kurš arī apsilda telpas. Atdzisušais šķidrums (sašķidrinātā gāze) pa cauruli tiek novadīts uz ārējo siltuma apmaiņas kontūru. Ārējais kontūrs (7) var būt novietots mājas ārpusē, bet labāk ja tas ierakts kādu metru zemē vai ievietots dziļurbumā. Šķidrums pirms nokļūšanas ārējā siltuma apmaiņas kontūrā tiek iztvaikotājā pārvērsts gāzē, kā rezultātā tas atdziest. Ejot caur ārējo siltuma apmaiņas kontūru aukstā gāze saņem siltumu no gaisa vai zemes slāņa un uzsilst. Uzsildītā gāze atkal nonāk kompresorā un cikls var atkārtoties. Tādā veidā siltums no ārpuses tiek pārsūknēts mājā. Tā kā ārpusē visā gaisa slānī vai zemes masā ir akumulēts liels siltuma daudzums, tad atdodot daļu siltuma ārējās vides temperatūra gandrīz nemainās, toties telpas ar šo siltuma daudzumu var tikt uzsildītas līdz nepieciešamajai temperatūrai.
Siltuma sūkņa darbināšanai izmanto vienu enerģijas vienību, bet sūknis, darbojoties mājā, pārsūknē no vides trīs līdz četras enerģijas vienības
3.6.attēls Siltuma sūkņa shematisks attēls.
Attēls no http://www.dhclimatecontrol.com/hp.htm
Par siltuma sūkņiem lasi internetā:
http://energyoutlet.com/res/heatpump/
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
http://www.heatpumpcentre.org/default.asp
http://www.dhclimatecontrol.com/hp.htm
3.7. PLAZMA – CETURTAIS VIELAS AGREGĀTSTĀVOKLIS
Pakāpeniski palielinot vielas temperatūru virs iztvaikošanas temperatūras var panākt, ka gāzes atomi jonizējas: tām tiek atrautas ārējās elektronu čaulas. Šo jonizācijas procesu ietekmē elektromagnētiskais starojums (fotojonizācija), kā arī gāzu atomu bombardēšana ar lādētām daļiņām.
Plazma ir daļēji jeb pilnīgi jonizēta gāze, kurā pozitīvie un negatīvie lādiņi ir praktiski vienādi.
Plazma ir Visumā visvairāk izplatītais vielas stāvoklis. Saule, zvaigznes un galaktikas miglāji sastāv no pilnīgi jonizētas plazmas. Uz Zemes plazma sastopama galvenokārt atmosfēras augšējos slāņos (jonosfērā) un magnetosfērā (veido Zemes radiācijas joslas)
Mākslīgi plazmu iegūst elektriskajā gāzu izlādē, degšanas procesos un sprādzienos. Zemas temperatūras plazmu ( T<105K) izmanto gāzu izlādes gaismas avotos, gāzu lāzeros un plazma apstrādē.