Thay đổi các loại trạng thái và đặc điểm của chúng (có ví dụ)

các thay đổi trạng thái chúng là một hiện tượng nhiệt động trong đó vật chất trải qua những thay đổi vật lý có thể đảo ngược. Nó được gọi là nhiệt động lực học vì sự truyền nhiệt xảy ra giữa vật chất và môi trường xung quanh; hoặc giống nhau, có sự tương tác giữa vật chất và năng lượng tạo ra sự sắp xếp lại các hạt.

Các hạt trải qua sự thay đổi trạng thái vẫn giữ nguyên trước và sau nó. Áp suất và nhiệt độ là các biến quan trọng trong cách chúng được điều chỉnh trong pha này hay pha khác. Khi thay đổi trạng thái xảy ra, một hệ thống hai pha được hình thành, bao gồm cùng một vật liệu ở hai trạng thái vật lý khác nhau.

Hình trên cùng cho thấy những thay đổi chính của trạng thái mà vật liệu trải nghiệm trong điều kiện bình thường.

Một khối rắn của một chất màu hơi xanh có thể trở thành chất lỏng hoặc khí tùy thuộc vào nhiệt độ và áp suất của môi trường xung quanh. Tự nó chỉ đại diện cho một giai đoạn: giai đoạn rắn. Nhưng, tại thời điểm tan chảy, nghĩa là tan chảy, một trạng thái cân bằng chất lỏng rắn gọi là phản ứng tổng hợp được thiết lập (mũi tên màu đỏ giữa khối lập phương và giọt xanh.

Để phản ứng tổng hợp xảy ra, khối lập phương cần hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh để tăng nhiệt độ; do đó, nó là một quá trình nội nhiệt. Khi khối lập phương tan chảy hoàn toàn, một lần nữa chỉ có một pha: đó là trạng thái lỏng.

Sự giảm màu xanh này có thể tiếp tục hấp thụ nhiệt, làm tăng nhiệt độ của nó và dẫn đến sự hình thành các bọt khí. Một lần nữa, có hai giai đoạn: một chất lỏng và chất khí khác. Khi tất cả chất lỏng đã bay hơi qua điểm sôi của nó, người ta nói rằng nó đã sôi hoặc bốc hơi.

Bây giờ, những giọt màu xanh biến thành mây. Cho đến nay, tất cả các quá trình đã được nhiệt nội. Khí xanh có thể tiếp tục hấp thụ nhiệt cho đến khi nóng lên; tuy nhiên, với điều kiện trên mặt đất, điều này trái lại có xu hướng làm mát và ngưng tụ lại trong chất lỏng (ngưng tụ).

Mặt khác, các đám mây cũng có thể được lắng đọng trực tiếp trên một pha rắn, một lần nữa tạo thành khối lập phương rắn (lắng đọng). Hai quá trình cuối cùng là tỏa nhiệt (mũi tên màu xanh); nghĩa là, chúng giải phóng nhiệt ra môi trường hoặc môi trường xung quanh.

Ngoài sự ngưng tụ và lắng đọng, một sự thay đổi trạng thái xảy ra khi giọt màu xanh đóng băng ở nhiệt độ thấp (hóa rắn).

Chỉ số

• 1 loại thay đổi trạng thái và đặc điểm của chúng
  • 1.1 Hợp nhất
  • 1.2 hóa hơi
  • 1.3 Ngưng tụ
  • 1.4 Hóa rắn
  • 1.5 Thăng hoa
  • 1.6 lắng đọng
• 2 Thay đổi trạng thái khác
• 3 tài liệu tham khảo

Các loại thay đổi trạng thái và đặc điểm của chúng

Hình ảnh cho thấy những thay đổi điển hình cho ba trạng thái (phổ biến nhất) của vật chất: rắn, lỏng và khí. Những thay đổi kèm theo mũi tên đỏ là phản ứng nhiệt, chúng liên quan đến sự hấp thụ nhiệt; trong khi những người đi kèm với mũi tên màu xanh là tỏa nhiệt, chúng giải phóng nhiệt.

Dưới đây là một mô tả ngắn gọn về từng thay đổi này, nêu bật một số đặc điểm của nó từ lý luận phân tử và nhiệt động lực học.

Hợp nhất

Ở trạng thái rắn, các hạt (ion, phân tử, cụm, v.v.) là "tù nhân", nằm ở những vị trí cố định trong không gian mà không thể di chuyển tự do. Tuy nhiên, chúng có khả năng rung ở các tần số khác nhau và nếu chúng rất mạnh, trật tự nghiêm ngặt được áp đặt bởi các lực liên phân tử sẽ bắt đầu "vỡ vụn"..

Kết quả là, hai pha thu được: một pha mà các hạt vẫn bị giới hạn (rắn) và một pha khác ở đó chúng tự do hơn (lỏng), đủ để tăng khoảng cách tách chúng ra khỏi nhau. Để đạt được điều này, vật rắn phải hấp thụ nhiệt và do đó các hạt của nó sẽ rung động với lực lớn hơn.

Vì lý do này, phản ứng tổng hợp là phản ứng nhiệt và khi bắt đầu, người ta nói rằng sự cân bằng giữa các pha rắn-lỏng xảy ra.

Nhiệt cần thiết để tạo ra sự thay đổi này được gọi là nhiệt hoặc nóng chảy entanpy của phản ứng tổng hợp (ΔH_Fus). Điều này thể hiện lượng nhiệt (năng lượng, tính bằng đơn vị kJ là chủ yếu) phải hấp thụ một mol chất ở trạng thái rắn để tan chảy, và không chỉ đơn giản là tăng nhiệt độ của nó.

Quả cầu tuyết

Với suy nghĩ này, bạn hiểu tại sao một quả bóng tuyết tan chảy trong tay bạn (hình trên cùng). Điều này hấp thụ nhiệt cơ thể, đủ để tăng nhiệt độ của tuyết trên 0 ° C.

Các tinh thể băng có trong tuyết hấp thụ nhiệt chỉ để tan chảy và để các phân tử nước của chúng có cấu trúc rối loạn hơn. Trong khi tuyết tan, nước hình thành sẽ không làm tăng nhiệt độ của nó, vì tất cả sức nóng của bàn tay được tuyết sử dụng để hoàn thành phản ứng tổng hợp của nó.

Bay hơi

Tiếp tục với ví dụ về nước, bây giờ đặt một nắm tuyết vào chậu và thắp lửa, người ta quan sát thấy tuyết nhanh chóng tan chảy. Khi nước nóng lên, các bọt khí carbon dioxide nhỏ và các tạp chất khí có thể khác bắt đầu hình thành bên trong..

Nhiệt làm giãn các cấu hình rối loạn của nước một cách phân tử, mở rộng thể tích và tăng áp suất hơi; do đó, có một số phân tử thoát ra khỏi sản phẩm bề mặt làm tăng sự bốc hơi.

Nước lỏng làm tăng nhiệt độ từ từ do nhiệt dung riêng cao (4.184J / ° C ∙ g). Có một điểm mà nhiệt hấp thụ không còn sử dụng nó để tăng nhiệt độ của nó, mà để bắt đầu cân bằng hơi-lỏng; nghĩa là, nó bắt đầu sôi và tất cả chất lỏng sẽ chuyển sang trạng thái khí trong khi hấp thụ nhiệt và giữ nhiệt độ không đổi.

Đây là nơi quan sát thấy sự sủi bọt dữ dội trên bề mặt nước sôi (ảnh trên cùng). Nhiệt được hấp thụ bởi nước lỏng để áp suất hơi của các bong bóng bất thường bằng với áp suất bên ngoài, được gọi là entanpy hóa hơi (ΔH_Vv).

Vai trò của áp lực

Áp lực cũng là yếu tố quyết định trong những thay đổi của trạng thái. Tác dụng của nó đối với sự hóa hơi là gì? Ở áp suất càng cao, nhiệt mà nước phải hấp thụ càng lớn để đun sôi, và do đó, nó bốc hơi trên 100 ° C.

Điều này là do sự gia tăng áp lực cản trở sự thoát ra của các phân tử nước từ chất lỏng sang pha khí.

Nồi áp suất sử dụng thực tế này để làm nóng thức ăn trong nước đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của nó.

Mặt khác, vì có chân không hoặc giảm áp suất, nước lỏng cần nhiệt độ thấp hơn để đun sôi và chuyển sang pha khí. Với áp lực nhiều hay ít, tại thời điểm đun sôi nước cần hấp thụ nhiệt hóa hơi tương ứng để hoàn thành sự thay đổi trạng thái của nó.

Ngưng tụ

Nước đã bốc hơi. Tiếp theo là gì? Hơi nước vẫn có thể làm tăng nhiệt độ của nó, trở thành một dòng nguy hiểm có khả năng gây bỏng nặng.

Tuy nhiên, hãy giả sử rằng nó nguội đi thay vào đó. Thế nào? Giải phóng nhiệt ra môi trường và giải phóng nhiệt, người ta nói rằng một quá trình tỏa nhiệt đang diễn ra.

Khi giải phóng nhiệt, các phân tử nước có năng lượng cao bắt đầu chậm lại. Ngoài ra, tương tác của chúng bắt đầu hiệu quả hơn khi nhiệt độ hơi nước giảm. Những giọt nước đầu tiên sẽ hình thành, ngưng tụ từ hơi nước, sau đó là những giọt lớn hơn cuối cùng bị hấp dẫn bởi trọng lực.

Để hoàn toàn giảm một lượng hơi nhất định, bạn cần giải phóng cùng một năng lượng, nhưng với dấu hiệu ngược lại, đến H_Vv; đó là entanpy của nó ngưng tụ H_Cond. Do đó, trạng thái cân bằng nghịch đảo, hơi-lỏng ổn định.

Cửa sổ ướt

Sự ngưng tụ có thể được quan sát trong các cửa sổ của ngôi nhà. Trong khí hậu lạnh, hơi nước trong nhà va chạm với cửa sổ, do vật liệu của nó có nhiệt độ thấp hơn các bề mặt khác.

Ở đó, các phân tử hơi dễ dàng nhóm lại với nhau hơn, tạo ra một lớp trắng mỏng dễ dàng tháo lắp bằng tay. Khi các phân tử này giải phóng nhiệt (làm nóng thủy tinh và không khí), chúng bắt đầu hình thành nhiều cụm hơn cho đến khi chúng có thể ngưng tụ những giọt đầu tiên (ảnh trên cùng).

Khi những giọt nước tăng kích thước của chúng rất nhiều, chúng trượt qua cửa sổ và để lại một dòng nước.

Hóa rắn

Từ nước lỏng, bạn có thể chịu đựng những thay đổi vật lý nào khác? Sự hóa rắn do làm mát; nói cách khác, nó đóng băng. Để đóng băng, nước phải giải phóng cùng một lượng nhiệt mà băng hấp thụ để tan chảy. Một lần nữa, nhiệt này được gọi là entanpy của quá trình hóa rắn hoặc đóng băng, ΔH_Công (-ΔH_Fus).

Khi được làm mát, các phân tử nước mất năng lượng và các tương tác liên phân tử của chúng trở nên mạnh mẽ và định hướng hơn. Kết quả là, chúng được sắp xếp theo liên kết hydro của chúng và tạo thành cái gọi là tinh thể băng. Cơ chế mà các tinh thể băng phát triển có tác động đến sự xuất hiện của chúng: trong suốt hoặc trắng.

Nếu các tinh thể băng phát triển rất chậm, chúng không chứa tạp chất, chẳng hạn như các khí ở nhiệt độ thấp được hòa tan trong nước. Do đó, bong bóng đang thoát ra và không thể tương tác với ánh sáng; và do đó, có một tảng băng trong suốt như một bức tượng băng phi thường (ảnh trên).

Điều tương tự cũng xảy ra với nước đá, nó có thể xảy ra với bất kỳ chất nào khác đông cứng bằng cách làm mát. Có lẽ đây là thay đổi vật lý phức tạp nhất trong điều kiện trên cạn, vì có thể thu được một số dạng đa hình.

Thăng hoa

Nước có thể thăng hoa? Không, ít nhất là không trong điều kiện bình thường (T = 25 ° C, P = 1 atm). Để thăng hoa xảy ra, nghĩa là sự thay đổi trạng thái từ rắn sang khí, áp suất hơi của chất rắn phải cao.

Một điều cũng cần thiết là các lực liên phân tử của chúng không mạnh lắm, tốt nhất là nếu chúng chỉ bao gồm các lực phân tán

Ví dụ điển hình nhất là iốt rắn. Nó là một chất rắn kết tinh của các tông màu xám tím, có áp suất hơi cao. Điều này là như vậy, trong hành động của nó, một hơi màu tím được giải phóng, mà khối lượng và sự giãn nở của nó trở nên đáng chú ý khi chịu nhiệt.

Hình trên cho thấy một thí nghiệm điển hình trong đó iốt rắn bị bay hơi trong vật chứa bằng thủy tinh. Thật thú vị và ấn tượng khi quan sát cách các hơi màu tím được khuếch tán, và sinh viên khởi xướng có thể xác minh sự vắng mặt của iốt lỏng.

Đây là đặc điểm chính của sự thăng hoa: không có sự hiện diện của pha lỏng. Nó cũng là phản ứng nhiệt, vì chất rắn hấp thụ nhiệt để tăng áp suất hơi của nó để phù hợp với áp suất bên ngoài.

Lắng đọng

Song song với thí nghiệm thăng hoa của iốt, chúng ta có sự lắng đọng của nó. Sự lắng đọng là sự thay đổi hoặc chuyển tiếp ngược lại: chất chuyển từ trạng thái khí sang chất rắn mà không tạo thành pha lỏng.

Khi hơi iốt màu tím tiếp xúc với bề mặt lạnh, chúng giải phóng nhiệt để làm nóng nó, mất năng lượng và tập hợp lại các phân tử của chúng trở lại chất rắn màu xám tím (ảnh trên cùng). Đó là một quá trình tỏa nhiệt.

Sự lắng đọng được sử dụng rộng rãi để tổng hợp các vật liệu mà chúng được pha tạp với các nguyên tử kim loại bằng các kỹ thuật tinh vi. Nếu bề mặt rất lạnh, sự trao đổi nhiệt giữa nó và các hạt hơi đột ngột, bỏ qua sự đi qua pha lỏng tương ứng.

Nhiệt hoặc entanpy của sự lắng đọng (và không tiền gửi) là nghịch đảo của sự thăng hoa (H_Sub= - H_Dep). Về lý thuyết, nhiều chất có thể được thăng hoa, nhưng để đạt được điều này cần phải thao túng áp lực và nhiệt độ, bên cạnh đó bạn phải có sơ đồ P vs T trong tay; trong đó các pha có thể ở xa của nó có thể được hình dung.

Thay đổi trạng thái khác

Mặc dù không có đề cập đến chúng, nhưng có những trạng thái khác của vật chất. Đôi khi chúng được đặc trưng bởi có "một chút của mỗi người", và do đó là sự kết hợp của chúng. Để tạo ra chúng, áp suất và nhiệt độ phải được thao tác ở cường độ rất dương (lớn) hoặc âm (nhỏ).

Do đó, ví dụ, nếu các khí được đốt nóng quá mức, chúng sẽ mất các electron và hạt nhân tích điện dương của chúng trong thủy triều âm đó sẽ tạo thành cái gọi là plasma. Nó đồng nghĩa với "khí điện", vì nó có độ dẫn điện cao.

Mặt khác, bằng cách hạ thấp nhiệt độ quá nhiều, vật chất có thể hành xử không bị ảnh hưởng; nghĩa là, chúng thể hiện các thuộc tính duy nhất quanh 0 tuyệt đối (0 K).

Một trong những tính chất này là siêu lỏng và siêu dẫn; cũng như sự hình thành các ngưng tụ Bose-Einstein, nơi tất cả các nguyên tử hoạt động như một.

Thậm chí một số nghiên cứu chỉ ra vấn đề quang tử. Trong đó các hạt của bức xạ điện từ, photon, được nhóm lại để tạo thành các phân tử quang tử. Điều đó có nghĩa là, nó sẽ tạo ra khối lượng cho các vật thể ánh sáng, theo lý thuyết.

Tài liệu tham khảo

1. Helmenstine, Anne Marie, Tiến sĩ (Ngày 19 tháng 11 năm 2018). Danh sách các thay đổi pha giữa các quốc gia có vấn đề. Lấy từ: thinkco.com
2. Wikipedia. (2019). Trạng thái của vật chất Lấy từ: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Thay đổi trạng thái. Lấy từ: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Thay đổi pha: bay hơi, ngưng tụ, đóng băng, nóng chảy, thăng hoa và lắng đọng. Học tập. Lấy từ: học.com
5. Bagley M. (ngày 11 tháng 4 năm 2016). Vật chất: Định nghĩa & Năm trạng thái của vật chất. Lấy từ: lifecience.com
6. Whites, Davis, Peck & Stanley. (2008). Hóa học (Tái bản lần thứ 8). Học tập.