Бид өдөр тутмын амьдралдаа бодисуудын нэг төлөвөөс нөгөөд шилжих үйл явцыг дагалддаг үзэгдэлтэй үе үе тааралддаг. Ихэнхдээ бид ийм үзэгдлийг хамгийн түгээмэл химийн нэгдлүүдийн нэг болох сайн мэддэг, танил усны жишээн дээр ажиглах хэрэгтэй болдог. Шингэн усыг хатуу мөс болгон хувиргах процессыг усны талсжилт гэж нэрлэдэг бөгөөд энэ шилжилтийг ямар онцлог шинж чанартай болохыг нийтлэлээс олж мэдэх болно.
Үеийн шилжилт гэж юу вэ?
Байгальд бодисын хатуу, шингэн, хий гэсэн гурван үндсэн агрегат төлөв (үе шат) байдгийг хүн бүр мэддэг. Ихэнхдээ дөрөв дэх төлөвийг нэмж өгдөг - плазм (үүнийг хийнээс ялгах онцлог шинж чанараас шалтгаалан). Гэсэн хэдий ч хийнээс сийвэн рүү шилжихэд өвөрмөц хурц хил байхгүй бөгөөд түүний шинж чанарыг тийм ч их тодорхойлдоггүй.бодисын бөөмс (молекул ба атом) хоорондын хамаарал, атомын төлөв байдал.
Хэвийн нөхцөлд нэг төлөвөөс нөгөөд шилжиж буй бүх бодисууд шинж чанараа огцом өөрчилдөг (зарим хэт эгзэгтэй төлөвийг эс тооцвол бид энд ярихгүй). Ийм өөрчлөлт нь фазын шилжилт, эс тэгвээс түүний сортуудын нэг юм. Энэ нь фазын шилжилтийн цэг гэж нэрлэгддэг физик параметрүүдийн (температур ба даралт) тодорхой хослолд тохиолддог.
Шингэн нь хий болж хувирах нь ууршилт, урвуу үзэгдэл нь конденсаци юм. Бодис хатуу төлөвөөс шингэн төлөвт шилжих нь хайлах боловч хэрэв процесс эсрэг чиглэлд явагддаг бол үүнийг талстжилт гэж нэрлэдэг. Хатуу бие нь тэр даруй хий болж хувирдаг ба эсрэгээр - эдгээр тохиолдолд тэд сублимация ба десублимацийн тухай ярьдаг.
Тасжилтын явцад ус мөс болж хувирч, физик шинж чанар нь хэр их өөрчлөгдөж байгааг тод харуулдаг. Энэ үзэгдлийн зарим нэг чухал нарийн ширийн зүйлийг авч үзье.
Тасжилтын тухай ойлголт
Хөргөх явцад шингэн хатуурах үед бодисын хэсгүүдийн харилцан үйлчлэл, зохион байгуулалтын шинж чанар өөрчлөгддөг. Бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн санамсаргүй дулааны хөдөлгөөний кинетик энерги буурч, тэдгээр нь хоорондоо тогтвортой холбоо үүсгэж эхэлдэг. Молекулууд (эсвэл атомууд) эдгээр холбоогоор тогтмол, эмх цэгцтэй эгнэх үед хатуу биетийн талст бүтэц үүснэ.
Талсжилт нь хөргөсөн шингэний бүх эзэлхүүнийг нэгэн зэрэг хамардаггүй, харин жижиг талстууд үүсэхээс эхэлдэг. Эдгээр нь талстжилтын төвүүд юм. Тэд өсөн нэмэгдэж буй давхаргын дагуу илүү олон молекул эсвэл бодисын атом нэмж, үе шаттайгаар ургана.
Тасжилтын нөхцөл
Талсжилтын хувьд шингэнийг тодорхой температурт хөргөх шаардлагатай (энэ нь мөн хайлах цэг юм). Тиймээс ердийн нөхцөлд усны талсжих температур 0 °C байна.
Бодис бүрийн хувьд талсжилт нь далд дулааны хэмжээгээр тодорхойлогддог. Энэ нь энэ процессын явцад ялгарсан энергийн хэмжээ (мөн эсрэг тохиолдолд шингэсэн энерги). Усны талсжилтын хувийн дулаан нь 0 ° C-т нэг кг уснаас ялгарах далд дулаан юм. Усны ойролцоох бүх бодисуудаас энэ нь хамгийн өндөр нь бөгөөд ойролцоогоор 330 кЖ / кг юм. Ийм том утга нь усны талсжилтын параметрүүдийг тодорхойлдог бүтцийн онцлогтой холбоотой юм. Бид эдгээр онцлогуудыг авч үзсэний дараа нуугдмал дулааныг тооцоолох томъёог ашиглана.
Нуугдмал дулааныг нөхөхийн тулд болор өсөлтийг эхлүүлэхийн тулд шингэнийг хэт хөргөх шаардлагатай. Хэт хөргөлтийн зэрэг нь талстжих төвүүдийн тоо, өсөлтийн хурдад ихээхэн нөлөөлдөг. Процесс үргэлжилж байх үед бодисын температурын цаашдын хөргөлт өөрчлөгдөхгүй.
Усны молекул
Ус хэрхэн талсждагийг илүү сайн ойлгохын тулд энэ химийн нэгдлийн молекул хэрхэн байрлаж байгааг мэдэх хэрэгтэй.молекулын бүтэц нь түүний үүсгэсэн бондын шинж чанарыг тодорхойлдог.
Нэг хүчилтөрөгч, хоёр устөрөгчийн атом нь усны молекулд нийлдэг. Тэд хүчилтөрөгчийн атом нь 104.45 ° мохоо өнцгийн оройд байрладаг мохоо тэгш өнцөгт гурвалжинг үүсгэдэг. Энэ тохиолдолд хүчилтөрөгч нь электрон үүлсийг өөрийн чиглэлд хүчтэй татдаг бөгөөд ингэснээр молекул нь цахилгаан диполь болно. Түүний доторх цэнэгүүд нь төсөөлөлтэй тетраэдр пирамидын орой дээр тархсан байдаг - ойролцоогоор 109 ° дотоод өнцөг бүхий тетраэдр. Үүний үр дүнд молекул дөрвөн устөрөгчийн (протон) холбоо үүсгэж болох бөгөөд энэ нь мэдээж усны шинж чанарт нөлөөлдөг.
Шингэн ус ба мөсний бүтцийн онцлог
Усны молекулын протоны холбоо үүсгэх чадвар нь шингэн болон хатуу төлөвт хоёуланд нь илэрдэг. Ус шингэн байх үед эдгээр холбоо нь нэлээд тогтворгүй, амархан устдаг, гэхдээ байнга дахин үүсдэг. Тэдний оршихуйн улмаас усны молекулууд нь бусад шингэний хэсгүүдээс илүү хүчтэй холбогддог. Холболт нь тэд тусгай бүтэц үүсгэдэг - кластер. Энэ шалтгааны улмаас усны фазын цэгүүд илүү өндөр температурт шилждэг, учир нь ийм нэмэлт холбоог устгах нь бас эрчим хүч шаарддаг. Түүгээр ч зогсохгүй энерги нь маш их ач холбогдолтой: хэрэв устөрөгчийн холбоо, бөөгнөрөл байхгүй байсан бол усны талсжих температур (түүнчлэн хайлах) -100 ° C, буцалгах +80 ° C байх болно.
Бөөгнөрсөн бүтэц нь талст мөсний бүтэцтэй яг адилхан. Усны молекулууд тус бүрийг дөрвөн хөрштэй холбосноор зургаан өнцөгт хэлбэртэй суурьтай задгай талст бүтцийг бий болгодог. Шингэн уснаас ялгаатай нь бичил талстууд - бөөгнөрөл нь молекулуудын дулааны хөдөлгөөний улмаас тогтворгүй, хөдөлгөөнтэй байдаг тул мөс үүсэх үед тэдгээр нь тогтвортой, тогтмол байдлаар өөрчлөгддөг. Устөрөгчийн холбоо нь болор торны хэсгүүдийн харилцан зохицуулалтыг тогтоодог бөгөөд үүний үр дүнд молекулуудын хоорондох зай нь шингэн фазынхаас арай том болдог. Энэ нөхцөл байдал нь усны талсжих явцад нягтралын үсрэлтийг тайлбарладаг - нягт нь бараг 1 г/см3-аас ойролцоогоор 0.92 г/см3 болж буурдаг..
Нууц дулааны тухай
Усны молекул бүтцийн онцлог шинж чанарт нь маш нухацтай тусгагдсан байдаг. Үүнийг ялангуяа усны талсжилтын өндөр хувийн дулаанаас харж болно. Энэ нь усыг молекулын талст үүсгэдэг бусад нэгдлүүдээс ялгах протоны холбоо байдагтай холбоотой юм. Усанд агуулагдах устөрөгчийн бондын энерги нь нэг моль тутамд 20 кЖ, өөрөөр хэлбэл 18 г-д байдаг нь тогтоогдсон. Эдгээр бондын нэлээд хэсэг нь ус хөлдөх үед "бөөнөөр" үүсдэг - энд ийм их хэмжээний энерги буцаж ирдэг. ирсэн.
Энгийн тооцоо хийцгээе. Усны талсжих явцад 1650 кЖ энерги ялгаръя. Энэ бол маш их зүйл юм: жишээлбэл, зургаан F-1 нимбэгний гранат дэлбэрснээс ижил энергийг олж авах боломжтой. Талсжилтанд орсон усны массыг тооцоолъё. Далд дулааны Q хэмжээ, масс m ба талстжилтын хувийн дулаантай холбоотой томъёоλ нь маш энгийн: Q=– λm. Хасах тэмдэг нь дулааныг физик системээс ялгаруулдаг гэсэн үг юм. Мэдэгдэж буй утгуудыг орлуулснаар бид дараахь зүйлийг авна: m=1650/330=5 (кг). Усны талсжилтын үед 1650 кЖ энерги ялгарахын тулд ердөө 5 литр л хэрэгтэй! Мэдээжийн хэрэг, эрчим хүч тэр дороо гадагшилдаггүй - процесс хангалттай удаан үргэлжилж, дулааныг гадагшлуулдаг.
Жишээ нь олон шувууд усны энэ шинж чанарыг сайн мэддэг бөгөөд нуур, гол мөрний хөлдөж буй усны ойролцоо уусдаг тул агаарын температур хэд хэдэн хэмээр илүү байдаг.
Уусмалын талстжилт
Ус бол гайхалтай уусгагч юм. Үүнд ууссан бодисууд талсжих цэгийг дүрмээр доош шилжүүлдэг. Уусмалын концентраци өндөр байх тусам температур бага хөлдөх болно. Үүний тод жишээ бол олон төрлийн давс ууссан далайн ус юм. Тэдний далайн ус дахь концентраци 35 ppm байдаг бөгөөд ийм ус -1.9 ° C-д талсждаг. Янз бүрийн тэнгис дэх усны давсжилт маш өөр байдаг тул хөлдөх цэг нь өөр өөр байдаг. Тиймээс Балтийн усны давсжилт 8 ppm-ээс ихгүй, талсжих температур нь 0 ° C-тай ойролцоо байна. Мөн эрдэсжсэн гүний ус тэгээс доош температурт хөлддөг. Бид үргэлж зөвхөн усны талсжилтын тухай ярьдаг гэдгийг санах нь зүйтэй: далайн мөс бараг үргэлж шинэхэн, онцгой тохиолдолд бага зэрэг давстай байдаг.
Төрөл бүрийн спиртийн усан уусмал нь мөн бууруулсан байдлаараа ялгаатайхөлдөх цэг ба тэдгээрийн талсжилт нь гэнэт явагдахгүй, харин тодорхой температурын хязгаартай байдаг. Жишээлбэл, 40%-ийн спирт -22.5°С-т хөлдөж, эцэст нь -29.5°C-т талсждаг.
Гэхдээ идэмхий натри NaOH эсвэл идэмхий зэрэг шүлтийн уусмал нь сонирхолтой үл хамаарах зүйл юм: энэ нь талстжих температур нэмэгдсэнээр тодорхойлогддог.
Цэвэр ус яаж хөлддөг вэ?
Нэрмэл усанд нэрэх явцад ууршилтаас болж кластерийн бүтэц эвдэрч, ийм усны молекулуудын хоорондын устөрөгчийн холбоо маш бага байдаг. Үүнээс гадна ийм ус нь болор үүсэх нэмэлт төв болох түдгэлзүүлсэн бичил тоосны тоосонцор, бөмбөлөг гэх мэт хольцыг агуулдаггүй. Ийм учраас нэрмэл усны талсжих цэгийг -42 °C хүртэл бууруулдаг.
Нэрмэл усыг -70 хэм хүртэл хөргөх боломжтой. Энэ төлөвт хэт хөргөсөн ус өчүүхэн сэгсрэх юм уу үл ялиг хольц нэвчсэнээр бүх эзлэхүүн дээр бараг агшин зуур талсжих чадвартай.
Хачирхалтай халуун ус
Халуун ус хүйтэн уснаас хурдан талст хэлбэрт шилждэг гайхалтай баримтыг энэхүү парадоксыг нээсэн Танзанийн сургуулийн сурагчийг хүндэтгэн "Мпемба эффект" гэж нэрлэжээ. Бүр тодруулбал, тэд үүнийг эрт дээр үеэс мэддэг байсан ч тайлбарыг олж чадаагүйн улмаас байгалийн философич, байгалийн эрдэмтэд эцэст нь нууцлаг үзэгдэлд анхаарлаа хандуулахаа больсон.
1963 онд Эрасто Мпемба үүнд их гайхсанДулаан зайрмаг нь хүйтэн зайрмагны хольцоос хурдан болдог. Мөн 1969 онд нэгэн сонирхолтой үзэгдэл физик туршилтаар батлагдсан (дашрамд хэлэхэд Мпемба өөрөө оролцсон). Үр нөлөөг олон янзын шалтгаанаар тайлбарладаг:
- агаарын бөмбөлөг гэх мэт талстжих төвүүд;
- халуун усны өндөр дулаан ялгаралт;
- ууршилтын хурд өндөр, улмаар шингэний хэмжээ багасна.
Тасжилтын хүчин зүйл болох даралт
Усны талсжих процесст нөлөөлдөг гол хэмжигдэхүүн болох даралт ба температурын хамаарлыг фазын диаграммд тодорхой тусгасан болно. Үүнээс харахад даралт ихсэх тусам усны шингэнээс хатуу төлөв рүү шилжих фазын температур маш удаан буурч байгааг харж болно. Мэдээжийн хэрэг, эсрэгээр нь үнэн юм: даралт бага байх тусам мөс үүсэхэд шаардагдах температур өндөр байх тусам энэ нь аажмаар ургадаг. Ус (нэрмэл биш!) -22 хэмийн хамгийн бага температурт энгийн мөс Ih талстжих чадвартай байхын тулд даралтыг 2085 атмосфер хүртэл нэмэгдүүлэх шаардлагатай.
Тасжилтын дээд температур нь усны гурвалсан цэг гэж нэрлэгддэг дараах нөхцлүүдийн хослолд тохирно: 0.006 атмосфер ба 0.01 °C. Ийм үзүүлэлттэй бол талсжих-хайлах ба конденсац буцалгах цэгүүд давхцаж, усны нэгдэх гурван төлөв бүгд тэнцвэрт байдалд (бусад бодис байхгүй үед) оршдог.
Олон төрлийн мөс
Одоогоор 20 орчим өөрчлөлтийг мэдэж байгааусны хатуу төлөв - аморфаас мөс хүртэл XVII. Ердийн Ih мөсөөс бусад нь бүгд дэлхийн хувьд чамин шинж чанартай талстжих нөхцлийг шаарддаг бөгөөд бүгд тогтвортой байдаггүй. Зөвхөн мөс Ic нь дэлхийн агаар мандлын дээд давхаргад маш ховор тохиолддог боловч түүний үүсэх нь усны хөлдөлттэй холбоогүй, учир нь энэ нь маш бага температурт усны уураас үүсдэг. XI мөсийг Антарктидаас олсон боловч энэ өөрчлөлт нь энгийн мөсний дериватив юм.
Усыг маш өндөр даралтаар талсжуулснаар III, V, VI зэрэг мөсний өөрчлөлтийг, мөн температурын нэгэн зэрэг нэмэгдэхэд VII мөсийг олж авах боломжтой. Тэдгээрийн зарим нь манай гаригийн хувьд ер бусын нөхцөлд нарны аймгийн бусад биетүүд дээр: Тэнгэрийн ван, Далай ван эсвэл аварга том гаригуудын том хиймэл дагуулууд дээр үүсч магадгүй юм. Ирээдүйд эдгээр мөсний багахан судлагдсан шинж чанарууд, мөн талсжих үйл явцын онцлогийн талаархи онолын судалгаа, туршилтууд энэ асуудлыг тодорхой болгож, өөр олон шинэ зүйлийг нээх болно гэж бодох ёстой.
