Агрегатные состояния вещества

В кристаллических телах атомы расположены упорядоченно и образуют кристаллическую решётку. У кристаллов есть определённая температура плавления, а монокристаллы анизотропны: их свойства зависят от направления. В аморфных телах (стекло, смола, пластмасса) такого порядка нет; они изотропны и не имеют определённой температуры плавления, а постепенно размягчаются.

При растяжении стержня длиной $l_0$ абсолютное удлинение $\Delta l = l - l_0$, относительное удлинение $\varepsilon = \frac{\Delta l}{l_0}$. Механическое напряжение — сила упругости, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения: $\sigma = \frac{F}{S}$ (Па). Деформация, которая исчезает после снятия нагрузки, называется упругой, а сохраняющаяся — пластической (остаточной). При малых деформациях выполняется закон Гука:

где $E$ — модуль Юнга (Па), он зависит только от материала.

Диаграмма растяжения — график зависимости напряжения от относительного удлинения. Сначала это прямая (до предела пропорциональности выполняется закон Гука), затем предел упругости, выше которого появляется остаточная деформация. На участке текучести образец удлиняется почти без роста напряжения. Наибольшее напряжение, которое образец выдерживает до разрушения, — предел прочности.

Кристаллическое тело начинает плавиться, когда нагреется до температуры плавления. Во время плавления температура не меняется: подводимая теплота идёт на разрушение кристаллической решётки. Количество теплоты для плавления:

где $\lambda$ — удельная теплота плавления (Дж/кг). При кристаллизации при той же температуре выделяется столько же теплоты.

При полном сгорании топлива выделяется $Q = qm$, где $q$ — удельная теплота сгорания (Дж/кг).

На графике зависимости температуры от количества теплоты или от времени наклонные участки соответствуют нагреванию, а горизонтальные — плавлению и кипению. Длина горизонтального участка пропорциональна $\lambda m$ или $rm$.

Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре: жидкость покидают самые быстрые молекулы, поэтому она охлаждается. Испарение идёт быстрее при более высокой температуре, большей площади поверхности и при ветре, уносящем пар; оно зависит и от рода жидкости. Переход пара в жидкость — конденсация.

Чтобы превратить в пар жидкость, взятую при температуре кипения, нужно $Q = rm$, где $r$ — удельная теплота парообразования (в некоторых учебниках $L$). При конденсации эта теплота выделяется.

В закрытом сосуде, когда число молекул, вылетающих из жидкости и возвращающихся в неё, становится одинаковым, пар становится насыщенным; до этого пар ненасыщенный. Давление насыщенного пара зависит только от температуры и не зависит от объёма. Выше критической температуры газ нельзя превратить в жидкость никаким давлением.

Кипение — образование пузырьков пара во всём объёме жидкости. Оно начинается, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению, и во время кипения температура постоянна. При понижении внешнего давления температура кипения падает (в горах вода кипит ниже $100\,^\circ\text{C}$), при повышении растёт (скороварка).

Молекулы поверхностного слоя притягиваются соседями внутрь жидкости, поэтому поверхность ведёт себя как натянутая плёнка. Вдоль границы поверхности действует сила поверхностного натяжения $F = \sigma l$, где $l$ — длина границы, $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения (Н/м). С ростом температуры и при добавлении примесей вроде мыла $\sigma$ уменьшается.

Если жидкость растекается по твёрдой поверхности, она её смачивает (так вода смачивает чистое стекло), если собирается в капли — не смачивает (ртуть не смачивает стекло). В узких трубках (капиллярах) смачивающая жидкость поднимается, несмачивающая опускается. Высота подъёма:

где $r$ — радиус капилляра: чем тоньше трубка, тем выше поднимается жидкость.

Абсолютная влажность $\rho$ — масса водяного пара в 1 м³ воздуха (обычно в г/м³). Относительная влажность:

где $\rho_0$ и $p_0$ — плотность и давление насыщенного пара при той же температуре. При охлаждении воздуха $p_0$ уменьшается, поэтому относительная влажность растёт. Температура, при которой пар становится насыщенным, называется точкой росы: при ней $\varphi = 100\%$ и выпадает роса.

Влажность измеряют гигрометром и психрометром. В психрометре есть сухой и влажный термометры, влажный охлаждается за счёт испарения. Чем больше разница показаний, тем суше воздух; $\varphi$ находят по психрометрической таблице.