Todos los objetos y cosas que nos rodean todos los días están compuestos de diversas sustancias. Al mismo tiempo, estamos acostumbrados a considerar objetos y cosas sólo algo sólido: por ejemplo, una mesa, una silla, una taza, un bolígrafo, un libro, etc.

Tres estados de la materia

Pero no consideramos que el agua del grifo o el vapor que sale del té caliente sean objetos y cosas. Pero todo esto también es parte del mundo físico, solo que los líquidos y los gases se encuentran en diferentes estados de la materia. Entonces, Hay tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Y cualquier sustancia puede estar en cada uno de estos estados por turno. Si sacamos un cubito de hielo del congelador y lo calentamos, se derretirá y se convertirá en agua. Si dejamos el fuego encendido, el agua se calentará hasta los 100 grados centígrados y pronto se convertirá en vapor. Así, observamos la misma sustancia, es decir, el mismo conjunto de moléculas, a su vez en diferentes estados de la materia. Pero si las moléculas siguen siendo las mismas, ¿qué cambia entonces? ¿Por qué el hielo es duro y conserva su forma, el agua toma fácilmente la forma de una taza y el vapor se dispersa por completo en diferentes direcciones? Se trata de la estructura molecular.

Estructura molecular de los sólidos. es tal que las moléculas están ubicadas muy cerca unas de otras (la distancia entre las moléculas es mucho menor que el tamaño de las moléculas mismas) y es muy difícil mover las moléculas en esta disposición. Por tanto, los sólidos retienen volumen y mantienen su forma. Estructura molecular del líquido. Se caracteriza por el hecho de que la distancia entre las moléculas es aproximadamente igual al tamaño de las propias moléculas, es decir, las moléculas ya no están tan cerca como en los sólidos. Esto significa que son más fáciles de mover entre sí (razón por la cual los líquidos adoptan formas diferentes con tanta facilidad), pero la fuerza de atracción de las moléculas sigue siendo suficiente para evitar que las moléculas se separen y mantengan su volumen. Y aquí estructura molecular del gas, por el contrario, no permite que el gas mantenga el volumen ni la forma. La razón es que la distancia entre las moléculas de gas es mucho mayor que el tamaño de las moléculas mismas, e incluso la más mínima fuerza puede destruir este sistema inestable.

El motivo de la transición de una sustancia a otro estado.

Ahora averigüemos cuál es el motivo de la transición de una sustancia de un estado a otro. Por ejemplo, ¿por qué el hielo se convierte en agua cuando se calienta? La respuesta es simple: La energía térmica del quemador se convierte en energía interna de las moléculas de hielo. Habiendo recibido esta energía, las moléculas de hielo comienzan a vibrar cada vez más rápido y, al final, quedan fuera del control de las moléculas vecinas. Si apagamos el dispositivo de calefacción, el agua seguirá siendo agua, pero si lo dejamos encendido, el agua se convertirá en vapor por una razón que ya se conoce.

Debido a que los sólidos conservan volumen y forma, son los que asociamos con el mundo que nos rodea. Pero si miramos de cerca, encontraremos que los gases y líquidos también ocupan una parte importante del mundo físico. Por ejemplo, el aire que nos rodea está formado por una mezcla de gases, el principal de los cuales, el nitrógeno, también puede ser líquido, pero para ello es necesario enfriarlo a una temperatura de casi 200 grados centígrados bajo cero. Pero el elemento principal de una pata ordinaria, el filamento de tungsteno, puede fundirse, es decir, convertirse en líquido, por el contrario, sólo a una temperatura de 3422 grados Celsius.

Las ideas cinéticas moleculares sobre la estructura de la materia explican la diversidad de propiedades de líquidos, gases y sólidos. Existen interacciones electromagnéticas entre partículas de materia: se atraen y repelen entre sí mediante fuerzas electromagnéticas. A distancias muy grandes entre moléculas, estas fuerzas son insignificantes.

Fuerzas de interacción molecular

Pero el panorama cambia si se reduce la distancia entre las partículas. Las moléculas neutras empiezan a orientarse en el espacio de manera que sus superficies enfrentadas empiezan a tener cargas de signo opuesto y entre ellas empiezan a actuar fuerzas de atracción. Esto ocurre cuando la distancia entre los centros de las moléculas es mayor que la suma de sus radios.

Si continúa reduciendo la distancia entre las moléculas, comienzan a repelerse como resultado de la interacción de capas de electrones con carga similar. Esto ocurre cuando la suma de los radios de las moléculas que interactúan es mayor que la distancia entre los centros de las partículas.

Es decir, a distancias intermoleculares grandes predomina la atracción y a distancias cercanas predomina la repulsión. Pero hay una cierta distancia entre las partículas cuando están en una posición de equilibrio estable (las fuerzas de atracción son iguales a las fuerzas de repulsión). En esta posición las moléculas tienen mínima energía potencial. Las moléculas también tienen energía cinética, ya que están en continuo movimiento todo el tiempo.

Así, la fuerza de los enlaces de interacción entre partículas distingue los tres estados de la materia: sólido, gaseoso y líquido, y explica sus propiedades.

Tomemos el agua como ejemplo. El tamaño, la forma y la composición química de las partículas de agua siguen siendo los mismos, ya sea sólida (hielo) o gaseosa (vapor). Pero la forma en que estas partículas se mueven y se posicionan es diferente para cada estado.

Sólidos

Los sólidos conservan su estructura y pueden agrietarse o romperse con fuerza. No puedes atravesar la mesa porque tanto tú como la mesa sois sólidos. Las partículas sólidas tienen la menor cantidad de energía de los tres estados tradicionales de la materia. Las partículas están dispuestas en una secuencia estructural específica con muy poco espacio entre ellas.

Se mantienen unidos en equilibrio y sólo pueden vibrar alrededor de una posición fija. En este sentido, los sólidos tienen alta densidad Y forma y volumen fijos. Si dejas la mesa sola durante unos días, no se expandirá y la fina capa de madera que cubre todo el suelo no llenará la habitación.

Líquidos

Al igual que en un sólido, las partículas en un líquido están muy juntas, pero dispuestas de forma aleatoria. A diferencia de los sólidos, una persona puede atravesar un líquido, esto se debe al debilitamiento de la fuerza de atracción que actúa entre las partículas. En un líquido, las partículas pueden moverse entre sí.

Los líquidos tienen un volumen fijo, pero no tienen una forma fija. Ellos van a fluir bajo la influencia de fuerzas gravitacionales. Pero algunos líquidos son más viscosos que otros. Un líquido viscoso tiene interacciones más fuertes entre moléculas.

Las moléculas líquidas tienen mucha más energía cinética (energía de movimiento) que las sólidas, pero mucho menos que las gaseosas.

gases

Las partículas de los gases están muy separadas y dispuestas al azar. Este estado de la materia tiene la mayor energía cinética, ya que prácticamente no existen fuerzas de atracción entre las partículas.

Las moléculas de gas están en constante movimiento en todas direcciones (pero solo en línea recta), chocan entre sí y con las paredes del recipiente en el que se encuentran, lo que provoca presión.

Los gases también se expanden hasta llenar completamente el volumen de un recipiente, independientemente de su tamaño o forma. Los gases no tienen forma ni volumen fijo.

1. Modelo de estructura de líquidos. Pares saturados e insaturados; dependencia de la presión de vapor saturado de la temperatura; hirviendo. Humedad del aire; punto de rocío, higrómetro, psicrómetro.

Evaporación - vaporización que se produce a cualquier temperatura desde la superficie libre del líquido. Durante el movimiento térmico a cualquier temperatura, la energía cinética de las moléculas líquidas no excede significativamente la energía potencial de su conexión con otras moléculas. La evaporación va acompañada del enfriamiento del líquido. La tasa de evaporación depende de: el área de la superficie abierta, la temperatura y la concentración de moléculas cerca del líquido.

Condensación- el proceso de transición de una sustancia del estado gaseoso al estado líquido.
La evaporación de un líquido en un recipiente cerrado a temperatura constante conduce a un aumento gradual de la concentración de moléculas de la sustancia que se evapora en estado gaseoso. Algún tiempo después del inicio de la evaporación, la concentración de la sustancia en estado gaseoso alcanzará un valor en el que el número de moléculas que regresan al líquido será igual al número de moléculas que abandonan el líquido durante el mismo tiempo. Instalado equilibrio dinámico entre los procesos de evaporación y condensación de la materia.

Una sustancia en estado gaseoso que se encuentra en equilibrio dinámico con un líquido se llama vapor saturado. (El vapor es el conjunto de moléculas que abandonan el líquido durante el proceso de evaporación). El vapor a una presión inferior a la saturada se llama insaturado.

Debido a la constante evaporación del agua de las superficies de los embalses, el suelo y la vegetación, así como a la respiración de humanos y animales, la atmósfera siempre contiene vapor de agua. Por tanto, la presión atmosférica es la suma de la presión del aire seco y el vapor de agua que contiene. La presión del vapor de agua será máxima cuando el aire esté saturado de vapor. El vapor saturado, a diferencia del vapor insaturado, no obedece las leyes de un gas ideal. Por tanto, la presión de vapor saturado no depende del volumen, sino de la temperatura. Esta dependencia no se puede expresar mediante una fórmula simple, por lo que, a partir de un estudio experimental de la dependencia de la presión de vapor saturado de la temperatura, se han elaborado tablas a partir de las cuales se puede determinar su presión a varias temperaturas.

La presión del vapor de agua en el aire a una temperatura determinada se llama humedad absoluta. Dado que la presión de vapor es proporcional a la concentración de moléculas, la humedad absoluta se puede definir como la densidad del vapor de agua presente en el aire a una temperatura determinada, expresada en kilogramos por metro cúbico (p).

Humedad relativa es la relación entre la densidad del vapor de agua (o presión) en el aire a una temperatura determinada y la densidad (o presión) del vapor de agua a esa temperatura. la misma temperatura, expresada en porcentaje, es decir

Lo más favorable para los humanos en latitudes climáticas medias es una humedad relativa del 40 al 60%.

Al reducir la temperatura del aire, el vapor que contiene se puede saturar.

punto de rocíoes la temperatura a la que el vapor del aire se satura. Cuando se alcanza el punto de rocío en el aire o en los objetos con los que entra en contacto, el vapor de agua comienza a condensarse. Para determinar la humedad del aire se utilizan instrumentos llamados higrómetros y psicrómetros.

Modelos de la estructura de gases, líquidos y sólidos.

Todas las sustancias pueden existir en tres estados de agregación.

Gas– un estado de agregación en el que una sustancia no tiene un volumen ni una forma definidos. En los gases, las partículas de una sustancia se eliminan a distancias que superan significativamente el tamaño de las partículas. Las fuerzas de atracción entre partículas son pequeñas y no pueden mantenerlas cerca unas de otras. La energía potencial de interacción de las partículas se considera igual a cero, es decir, es mucho menor que la energía cinética del movimiento de las partículas. Las partículas se dispersan caóticamente ocupando todo el volumen del recipiente en el que se encuentra el gas. Las trayectorias de las partículas de gas son líneas discontinuas (de un impacto a otro, la partícula se mueve de manera uniforme y rectilínea). Los gases se comprimen fácilmente.

Líquido- un estado de agregación en el que una sustancia tiene un cierto volumen, pero no conserva su forma. En los líquidos, las distancias entre las partículas son comparables a sus tamaños, por lo que las fuerzas de interacción entre las partículas en los líquidos son grandes. La energía potencial de la interacción de las partículas es comparable a su energía cinética. Pero esto no es suficiente para una disposición ordenada de partículas. En los líquidos sólo se observa la orientación mutua de las partículas vecinas. Las partículas de líquido oscilan caóticamente alrededor de ciertas posiciones de equilibrio y después de un tiempo cambian de lugar con sus vecinas. Estos saltos explican la fluidez de los líquidos.

Sólido- un estado de agregación en el que una sustancia tiene un cierto volumen y conserva su forma. En los sólidos, las distancias entre las partículas son comparables a los tamaños de las partículas, pero más pequeñas que en los líquidos, por lo que las fuerzas de interacción entre las partículas son enormes, lo que permite que la sustancia mantenga su forma. La energía potencial de interacción de las partículas es mayor que su energía cinética, por lo que en los sólidos existe una disposición ordenada de las partículas, llamada red cristalina. Las partículas sólidas realizan oscilaciones caóticas alrededor de la posición de equilibrio (nodo de la red cristalina) y muy raramente cambian de lugar con sus vecinas. Los cristales tienen una propiedad característica, la anisotropía, la dependencia de las propiedades físicas de la elección de la dirección en el cristal.

>>Física: Estructura de cuerpos gaseosos, líquidos y sólidos

La teoría cinética molecular permite comprender por qué una sustancia puede existir en estado gaseoso, líquido y sólido.
Gases. En los gases, la distancia entre átomos o moléculas es en promedio muchas veces mayor que el tamaño de las moléculas mismas ( Fig.8.5). Por ejemplo, a presión atmosférica el volumen de un recipiente es decenas de miles de veces mayor que el volumen de las moléculas que contiene.

Los gases se comprimen fácilmente y la distancia promedio entre las moléculas disminuye, pero la forma de la molécula no cambia ( Fig.8.6).

Las moléculas se mueven a velocidades enormes (cientos de metros por segundo) en el espacio. Cuando chocan, rebotan entre sí en diferentes direcciones como bolas de billar. Las débiles fuerzas de atracción de las moléculas de gas no pueden mantenerlas cerca unas de otras. Es por eso Los gases pueden expandirse ilimitadamente. No conservan ni forma ni volumen.
Numerosos impactos de moléculas en las paredes del recipiente crean presión de gas.
Líquidos. Las moléculas del líquido están ubicadas casi cerca unas de otras ( Fig.8.7), por lo que una molécula de líquido se comporta de manera diferente a una molécula de gas. En los líquidos existe el llamado orden de corto alcance, es decir, la disposición ordenada de las moléculas se mantiene a distancias iguales a varios diámetros moleculares. Una molécula oscila alrededor de su posición de equilibrio al chocar con moléculas vecinas. Sólo de vez en cuando da otro “salto”, alcanzando una nueva posición de equilibrio. En esta posición de equilibrio, la fuerza de repulsión es igual a la fuerza de atracción, es decir, la fuerza de interacción total de la molécula es cero. Tiempo vida asentada moléculas de agua, es decir, el tiempo de sus vibraciones alrededor de una posición de equilibrio específica a temperatura ambiente, es en promedio de 10 a 11 s. El tiempo de una oscilación es mucho menor (10 -12 -10 -13 s). Al aumentar la temperatura, el tiempo de residencia de las moléculas disminuye.

La naturaleza del movimiento molecular en los líquidos, establecida por primera vez por el físico soviético Ya.I. Frenkel, nos permite comprender las propiedades básicas de los líquidos.
Las moléculas líquidas se encuentran una al lado de la otra. A medida que el volumen disminuye, las fuerzas repulsivas se vuelven muy grandes. Esto explica baja compresibilidad de líquidos.
Como es sabido, Los líquidos son fluidos, es decir, no conservan su forma.. Esto se puede explicar de esta manera. La fuerza externa no cambia notablemente el número de saltos moleculares por segundo. Pero los saltos de moléculas de una posición estacionaria a otra ocurren predominantemente en la dirección de la fuerza externa ( Fig.8.8). Por eso el líquido fluye y toma la forma del recipiente.

La figura 8.11 muestra diamantes Yakut.

El gas tiene una distancia yo entre moléculas es mucho mayor que el tamaño de las moléculas r 0:" l>>r 0 .
En líquidos y sólidos l≈r 0. Las moléculas de un líquido están dispuestas en desorden y de vez en cuando saltan de una posición fija a otra.
Los sólidos cristalinos tienen moléculas (o átomos) dispuestos de manera estrictamente ordenada.

???
1. El gas es capaz de expandirse ilimitadamente. ¿Por qué la Tierra tiene atmósfera?
2. ¿En qué se diferencian las trayectorias de las moléculas de gas, líquido y sólido? Dibuje trayectorias aproximadas de moléculas de sustancias en estos estados.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Física, décimo grado

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