+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Глава 11. Механические колебания и волны

Колебательным называется любое периодически повторяющееся движение. Поэтому зависимости координаты и скорости тела от времени при колебаниях описываются периодическими функциями времени. В школьном курсе физики рассматриваются такие колебания, в которых зависимости и скорости тела представляют собой тригонометрические функции , или их комбинацию, где — некоторое число. Такие колебания на-зываются гармоническими (функции и часто называют гармоническими функциями). Для решения задач на колебания, входящих в программу единого государственного экзамена по физике, нужно знать определения основных характеристик колебательного движения: амплитуды, периода, частоты, круговой (или циклической) частоты и фазы колебаний. Дадим эти определения и свяжем перечисленные величины с параметрами зависимости координаты тела от времени , которая в случае гармонических колебаний всегда может быть представлена в виде

(11. 1)

где , и — некоторые числа.

Амплитудой колебаний называется максимальное отклонение колеблющегося тела от положения равновесия. Поскольку максимальное и минимальное значение косинуса в (11.1) равно ±1, то амплитуда колебаний тела, совершающего колебания (11.1), равна величине . Период колебаний — это минимальное время, через которое движение тела повторяется. Для зависимости (11.1) период можно установить из следующих соображений. Косинус — периодическая функция с периодом . Поэтому движение полностью повторяется через такое значение , что . Отсюда получаем

(11.2)

Частотой колебаний тела называется число колебаний, совершаемых в единицу времени. Очевидно, что частота колебаний связана с периодом колебаний по формуле

(11.3)

Круговой (или циклической) частотой колебаний называется число колебаний, совершаемых за единиц времени. Из формулы (11.3) заключаем, что круговой частотой является величина из формулы (11.1).

Фазой колебаний называется аргумент тригонометрической функции, описывающей зависимость координаты от времени. Из формулы (11.1) видим, что фаза колебаний тела, движение которого описывается зависимостью (11.1), равна . Значение фазы колебаний в момент времени = 0 называется начальной фазой. Для зависимости (11.1) начальная фаза колебаний равна величине . Очевидно, начальная фаза колебаний зависит от выбора начала отсчета времени (момента = 0), которое всегда является условным. Изменением начала отсчета времени начальная фаза колебаний всегда может быть «сделана» равной нулю, а синус в формуле (11.1) «превращен» в косинус или наоборот.

В программу единого государственного экзамена входит также знание формул для частоты колебаний пружинного и математического маятников. Пружинным маятником принято называть тело, которое может совершать колебания на гладкой горизонтальной поверхности под действием пружины, второй конец которой закреплен (левый рисунок). Математическим маятником называется массивное тело, размерами которого можно пренебречь, совершающее колебания на длинной, невесомой и нерастяжимой нити (правый рисунок). Название этой системы – «математический маятник» связано с тем, что она представляет собой абстрактную математическую модель реального (физического) маятника. Необходимо помнить формулы для периода (или частоты) колебаний пружинного и математического маятников. Для пружинного маятника

(11.4)

где — коэффициент жесткости пружины, — масса груза. Период колебаний математического маятника определяется следующим соотношением

(11.5)

где — длина нити, — ускорение свободного падения. Рассмотрим применение этих определений и законов на примере решения задач.

Чтобы найти циклическую частоту колебаний груза в задаче 11. 1.1 найдем сначала период колебаний, а затем воспользуемся формулой (11.2). Поскольку 10 м 28 с — это 628 с, и за это время груз совершает 100 колебаний, период колебаний груза равен 6,28 с. Поэтому циклическая частота колебаний равна 1 c

-1 (ответ 2). В задаче 11.1.2 груз за 600 с совершил 60 колебаний, поэтому частота колебаний — 0,1 с-1 (ответ 1).

Чтобы понять, какой путь пройдет груз за 2,5 периода (задача 11.1.3), проследим за его движением. Через период груз вернется назад в точку максимального отклонения, совершив полное колебание. Поэтому за это время груз пройдет расстояние, равное четырем амплитудам: до положения равновесия — одна амплитуда, от положения равновесия до точки максимального отклонения в другую сторону — вторая, назад в положение равновесия — третья, из положения равновесия в начальную точку — четвертая. За второй период груз снова пройдет четыре амплитуды, а за оставшиеся половину периода — две амплитуды.

Поэтому пройденный путь равен десяти амплитудам (ответ 4).

Величина перемещения тела — расстояние от начальной точки до конечной. За 2,5 периода в задаче 11.1.4 тело успеет совершить два полных и половину полного колебания, т.е. окажется на максимальном отклонении, но с другой стороны от положения равновесия. Поэтому величина перемещения равна двум амплитудам (ответ 3).

По определению фаза колебаний — это аргумент тригонометрической функции, которой описывается зависимость координаты колеблющегося тела от времени. Поэтому правильный ответ в задаче 11.1.53.

Период — это время полного колебания. Это значит, что возвращение тела назад в ту же точку, из которой тело начало движение, еще не означает, что прошел период: тело должно вернуться в ту же точку с той же скоростью. Например, тело, начав колебания из положения равновесия, за период успеет отклониться на максимальную величину в одну сторону, вернуться назад, отклонится на максимум в другую сторону и снова вернуться назад.

Поэтому за период тело успеет два раза отклониться на максимальную величину от положения равновесия и вернуться обратно. Следовательно, на прохождение от положения равновесия до точки максимального отклонения (задача 11.1.6) тело затрачивает четвертую часть периода (ответ 3).

Гармоническими называются такие колебания, при которых зависимость координаты колеблющегося тела от времени описывается тригонометрической (синус или косинус) функцией времени. В задаче 11.1.7 таковыми являются функции и , несмотря на то, что входящие в них параметры обозначены как

2 и 2. Функция же — тригонометрическая функция квадрата времени. Поэтому гармоническими являются колебания только величин и (ответ 4).

При гармонических колебаниях скорость тела изменяется по закону , где — амплитуда колебаний скорости (начало отсчета времени выбрано так, чтобы начальная фаза колебаний равнялась бы нулю). Отсюда находим зависимость кинетической энергии тела от времени (задача 11. 1.8). Используя далее известную тригонометрическую формулу, получаем

Из этой формулы следует, что кинетическая энергия тела изменяется при гармонических колебаниях также по гармоническому закону, но с удвоенной частотой (ответ

2).

За соотношением между кинетической энергий груза и потенциальной энергией пружины (задача 11.1.9) легко проследить из следующих соображений. Когда тело отклонено на максимальную величину от положения равновесия, скорость тела равна нулю, и, следовательно, потенциальная энергия пружины больше кинетической энергии груза. Напротив, когда тело проходит положение равновесия, потенциальная энергия пружины равна нулю, и, следовательно, кинетическая энергия больше потенциальной. Поэтому между прохождением положения равновесия и максимальным отклонением кинетическая и потенциальная энергия один раз сравниваются. А поскольку за период тело четыре раза проходит от положения равновесия до максимального отклонения или обратно, то за период кинетическая энергия груза и потенциальная энергия пружины сравниваются друг с другом четыре раза (ответ

2).

Амплитуду колебаний скорости (задача 11.1.10) проще всего найти по закону сохранения энергии. В точке максимального отклонения энергия колебательной системы равна потенциальной энергии пружины , где — коэффициент жесткости пружины, — амплитуда колебаний. При прохождении положения равновесия энергия тела равна кинетической энергии , где — масса тела, — скорость тела при прохождении положения равновесия, которая является максимальной скоростью тела в процессе колебаний и, следовательно, представляет собой амплитуду колебаний скорости. Приравнивая эти энергии, находим

(ответ 1), где использовано выражение для круговой частоты колебаний груза на пружине:

По формуле (11.4) получаем в задаче 11.2.1

(ответ 4).

Из формулы (11.5) заключаем (задача 11. 2.2), что от массы математического маятника его период не зависит, а при увеличении длины в 4 раза период колебаний увеличивается в 2 раза (ответ 1).

Часы — это колебательный процесс, который используется для измерения интервалов времени (задача 11.2.3). Слова часы «спешат» означают, что период этого процесса меньше того, каким он должен быть. Поэтому для уточнения хода этих часов необходимо увеличить период процесса. Согласно формуле (11.5) для увеличения периода колебаний математического маятника необходимо увеличить его длину (ответ 3).

Чтобы найти амплитуду колебаний в

задаче 11.2.4, необходимо представить зависимость координаты тела от времени в виде одной тригонометрической функции. Для данной в условии функции это можно сделать с помощью введения дополнительного угла. Умножая и деля эту функцию на и используя формулу сложения тригонометрических функций, получим

где — такой угол, что . Из этой формулы следует, что амплитуда колебаний тела — (ответ 4).

В задаче 11.2.5 имеем при см. Откуда см (ответ 2).

Задачи 11.2.6 и 11.2.7 посвящены механическим волнам. Волна – некоторый колебательный процесс, который может распространяться в среде. При этом каждая точка среды совершает колебания около определенного положения и в среднем не перемещается в пространстве. Волна характеризуется периодом (или связанной с ним частотой ), скоростью и длиной волны , которая определяется как минимальное расстояние между точками, колеблющимися в одинаковой фазе. Для решения задач ЕГЭ по этой теме необходимо помнить формулу, дающую связь между параметрами волны

(11.6)

которую легко запомнить, поскольку эта связь имеет такой же вид как обычное соотношение между расстоянием, скоростью и временем. Например, в задаче 11.2. 6 по формуле (11.6) находим длину волны м (ответ 2).

Как следует из рисунка в задаче 11.2.7 длина волны, распространяющейся по шнуру, равна м. Поэтому по формуле (11.6) имеем Гц (ответ 4).

Поскольку в момент максимального отклонения пружинного маятника, механическая энергия системы равна потенциальной энергии пружины, то

где — амплитуда колебаний, — жесткость пружины. Поэтому при увеличении механической энергии пружинного маятника в 2 раза амплитуда колебаний увеличилась в раз (задача 11.2.8 – ответ 1).

Используя известную тригонометрическую формулу, получим в задаче 11.2.9

Эта зависимость представляет собой гармоническую функцию, но колеблющуюся вокруг точки . Амплитудой этих колебаний является множитель перед косинусом — (так как сам косинус меняется в интервале от -1 до 1). Циклической частотой — величина (ответ 4).

Вертикальный пружинный маятник отличается от горизонтального (задача 11.2.10) наличием силы тяжести. Однако сила тяжести приводит только к сдвигу положения равновесия маятника, а возвращающая сила по прежнему будет зависеть от смещения маятника от положения равновесия по закону (так как возвращающей силой будет разность силы упругости и постоянной силы тяжести). Поэтому период колебаний груза на вертикальной и горизонтальной пружине — одинаков (конечно, при условии, что и сам груз и пружины одинаковы). Правильный ответ в задаче — 3.

‎App Store: Sleep Cycle — Sleep Tracker

Просыпаться стало легко

Sleep Cycle — это интеллектуальный будильник, который отслеживает особенности сна и будит в самую быструю фазу, как если бы человек, отдохнув, легко проснулся сам. Располагать устройство в кровати необязательно — приложение будет анализировать ваш сон с помощью звука.

Принцип работы

• Пока вы спите, медленные фазы сна чередуются с быстрыми. От фазы, во время которой зазвонит будильник, зависит то, насколько вы выспитесь.

• В зависимости от фазы вы по-разному двигаетесь во сне. Запатентованная технология Sleep Cycle с помощью анализа звука или вибраций отслеживает особенности вашего сна и движения в разных фазах.

• Sleep Cycle определяет наиболее подходящее время, чтобы разбудить вас в быструю фазу сна, в течение 30-минутного интервала, окончание которого приходится на заданное время срабатывания будильника. Обычно когда человек выспится, он легко встает именно в самую быструю фазу.

• Нужно лишь включить Sleep Cycle перед сном и положить устройство рядом с собой на тумбочку или на пол.

Приложение постоянно оценивают как лучший умный будильник на рынке. О нас говорили CNN, Wired, The Guardian, The Wall Street Journal, BBC и The New York Times.

—————————

Бесплатные функции

√ Анализ сна с помощью акселерометра или запатентованной технологии анализа звука Sleep Cycle.

√ Подробная статистика и ежедневные графики сна.

√ Полная интеграция с приложением «Здоровье» от Apple. Обмен данными об анализе сна и пульсе.

√ Тщательно подобранные мелодии будильника

√ Будильник зазвонит позже, если слегка потрясти телефон или нажать на него дважды.

√ Настраиваемый период срабатывания будильника. Запуск в установленное время (обычный будильник) или в интервале продолжительностью до 90 минут.

Премиум-функции

√ Тенденции сна за длительный период.

√ Сравнивайте свой сон со сном других людей во всем мире.

√ Просматривайте тенденции храпа за длительный период.

√ Узнавайте, как погода влияет на ваш сон.

√ Каждое утро замеряйте пульс с помощью камеры устройства.

√ Помощь для сна — способствует скорейшему засыпанию.

√ Примечания ко сну — узнавайте, как различные факторы, например кофе, стресс или тренировки, сказываются на вашем сне.

√ Настроение после сна. Узнавайте, как приложение Sleep Cycle поднимает настроение по утрам.

√ Оперативная архивация — обеспечьте сохранность своих данных в сети.

√ Экспортируйте данные сна в Excel для подробного анализа.

√ Поддержка ламп Philips HUE. Имитация естественного утреннего света, просыпаться с которым станет еще легче.

————————-

ТРЕБОВАНИЯ
Возможность заряжать устройство у кровати.
Возможность положить устройство у кровати, например на тумбочку или на пол.

————————-

Стоимость приобретаемой по желанию расширенной подписки: 2 350 ₽. в год.

Эта сумма будет списана с вашей учетной записи iTunes после оплаты. Подписка продлится автоматически за 24 часа до окончания периода подписки, при этом тарифный план останется тот же. Чтобы подписка не продлялась автоматически, отмените ее хотя бы за 24 часа до истечения ее срока действия. Изменить параметры автоматически продлеваемой подписки или отменить ее можно в пользовательских настройках iTunes после покупки. Пока подписка действует, отменить ее нельзя. Неиспользованная часть периода действия бесплатной пробной версии (при ее наличии) будет утрачена при покупке премиум-подписки. Условия и конфиденциальность: http://www.sleepcycle.com/terms-of-use.html

Названы достоинства и недостатки тестов на коронавирус

МОСКВА, 5 дек – ПРАЙМ. Врач и телеведущий Александр Мясников в своем Telegram-канале рассказал о существующих тестов на коронавирус и назвал их плюсы и минусы. 

Определены наиболее эффективные способы лечения COVID-19 на дому

ПЦР-тест, который берется из носоглотки и основан на полимеразной цепной реакции, представляет собой тест собственно на наличие вируса, а не определение его по косвенным признакам, то есть антителам.

По словам Мясникова, с лабораторной точки зрения этот тест очень точен, он определяет, есть ли в присланном материале вирус или нет. Его недостаток в том, что небрежный забор носоглоточного материала приводит к тому, что тест становится неинформативным. Его достоверность зависит от того, насколько технически правильно был взят мазок. Именно поэтому до 40% таких тестов ложноотрицательны.

То есть, пояснил врач, если имеются клинические проявления вирусной пневмонии, но тест отрицательный, то всё равно болезнь необходимо лечить как COVID-19. Тест также можно повторить после забора материала во время бронхоскопии.

ПЦР-тест требует специальной сложной аппаратуры, его сверхчувствительность приводит к нежелательным последствиям. Он может определять «обрывки», фрагменты вируса и приводить к ложноположительным результатам. 

Врачи назвали причины проблем с памятью и вниманием после коронавируса

Кроме того, при большой нагрузке на лабораторию она становится «загрязненной» с вирусологической точки зрения и выдавать ошибки.

Вирус в носоглотке инфицированного человека появляется примерно за неделю до появления симптомов и продолжает выделяться в среднем еще две недели после их начала.

Как показывает обзор 28 исследований, ПЦР-тест остается положительным в среднем 18 дней, но у примерно 20% людей он положительный еще на протяжении нескольких месяцев, однако при это они никак не являются источниками заражения. Поэтому ВОЗ отказалось от обязательного последующего тестирования методом ПЦР и рекомендует ориентироваться на клиническую картину.

Такой тест берут с большим запасом — не менее десяти суток от начала симптомов, плюс три дня после их исчезновения.

Когда проводится анализ на наличие антител, то определяют не сам вирус, а его «следы» в организме. Антитела к инфекции появляются в среднем спустя 8-12 дней с начала проявления симптомов. Различают антитела «острой фазы» — IgM и антитела «памяти» — IgG. Первые выявляются раньше и через четыре-щесть суток после их появления начинают снижаться, после чего исчезают. Поэтому их наличие свидетельствует о том, что человек в острой фазе болезни. 

Врач рассказал, почему исчезают антитела у переболевших коронавирусом

При этом, как напомнил Мясников, сразу после наступления симптомов IgM не определяются — они появятся в середине болезни и будут сопровождать ее до выздоровления. Вторая же разновидность антител, то есть IgG, появляются несколько позже появления антител острой фазы. Концентрация антител этого типа достигает максимума, затем происходит ее снижение, однако до конца они так и не исчезают. Их наличие свидетельствует о том, что человек уже перенес болезнь и, возможно, имеет иммунитет против нее.

«Варианты: a) IgM+, IgG-, это острая фаза. б)IgM-, IgG+, это перенесенная болезнь, возможен иммунитет. в) IgM+, IgG+, это фаза выздоровления», — отметил врач.

По словам Мясникова, тесты на антитела бывают «качественные» — они просто определяют факт наличия того или иного антитела, они имеют вид быстрых тест-полосок, а также «количественные» — они определяют концентрацию антител, что намного информативнее. Например, считается, что защитная «иммунная» концентрация IgG начинается от десяти. Недостаток «быстрых» тестов — высокий процент ложноположительных результатов, их число достигает 30%.

В то же время «качественные» тесты также имеют довольно большой процент ложноположительных результатов. Также проблема в том, что в фазе восстановления концентрация антител IgM могут оставаться повышенной довольно долгий срок.

«Наши врачи уровень антител IgM более двух расценивают как острый период, что может вести к избыточным дням изоляции больного», — отметил Мясников.

Также существует тест на антиген. По аналогии с тестом ПЦР этот тест определяет не следы вируса — антитела, а вирусные частички, на которые эти антитела вырабатываются. Достоинство таких тестов заключается в быстроте получения результата, не требуется ждать один-два дня, ответ выдается незамедлительно. А его недостаток в том, что он не точен — большой процент ложноотрицательных результатов.

Читайте также:

Ученые предложили сократить карантин для больных COVID-19

Клинические исследования. Фазы, виды, условия.

Департамент Клинических Исследований (Clinical Trial Unit) клинико-диагностического центра «Евромедсервис» рад приветствовать Вас на нашем сайте и рассказать о Клинических Исследованиях.

Клинические исследования лекарственного средства являются необходимым этапом разработки нового препарата, или расширения показаний для применения лекарственного средства, уже известного врачам.

·         На какие этапы делятся клинические исследования?

Выделяют 4 фазы (этапа) клинических исследований:

Фаза I – Проверка механизма действия (длительность: от нескольких месяцев до 1 года):

в исследование включается небольшая группа здоровых добровольцев. Участникам увеличивают дозы препарата, начиная с минимальной и до максимально допустимой. После каждого приема отслеживается состояние пациента. Выясняется предпочтительный вариант применения и уровень дозировки.

Фаза II — Проверка действия на заданную цель (длительность: от нескольких месяцев до 2 лет):

группа пациентов по заболеванию увеличивается, в течение этой фазы определяется краткосрочная безопасность лекарственного препарата (фаза IIa), эффективность лекарственного препарата и его дозировка (фаза IIb), насколько новый препарат эффективнее по сравнению с плацебо или уже существующим лечением.

Фаза III – Подтверждающие исследования (длительность: от года до нескольких лет)

на данном этапе происходит полномасштабная оценка показателя риск/польза. самый длительный этап клинических исследований с самым большим количеством включаемых пациентов (тысячи пациентов в разных странах), которая проводится в разных исследовательских центрах в различных странах. Цель: подтверждение эффективности и безопасности исследуемого вещества на больших выборках. Министерство Здравоохранения РФ принимает решение о выдаче регистрационного удостоверения лекарственного препарата, позволяющего вывести его на рынок.

Фаза IV – проводится после получения регистрационного удостоверения лекарственного препарата с целью получения расширенных данных по его безопасности, а также социо-экономических данных.

Что понимают в клинических исследований под термином «Дизайн»?

Дизайн – это способ проведения научного исследования в клинике, т.е. его организация или архитектура.

По дизайну клинические исследования могут быть:

a) открытыми — пациент и врач знают, какой препарат принимает пациент;

b) слепыми — ни пациент, ни врач не знают, какой препарат принимает пациент;

c) рандомизированными — пациент распределяется в группу лечения исследуемым препаратом, группу лечения плацебо, или группу лечения активным препаратом сравнения согласно изначально определенной схеме;

d) плацебо-контролируемыми – в качестве препарата сравнения используется плацебо — вещество без явных лечебных свойств («пустышка»), используемое для имитации лекарственного средства в исследованиях;

e) сравнительными – применение нового исследуемого лекарственного препарата сравнивается с уже существующими методами лечения или лекарственными препаратами.  

·         Зачем участвовать в клинических исследованиях?

Ни один новый препарат и новый способ лечения в мире не может быть разрешен к широкой продаже без проведения необходимых клинических исследований. Участники клинических исследований получают бесплатный доступ к новым исследуемым видам лечения до их широкого распространения.

·         Каковы риски при участии в клиническом исследовании?

Такие же, как и при лечении заболевания в условиях обычной клинической практики: риск побочных эффектов и риск осложнений от медицинских процедур и манипуляций.

·         Нужно ли платить за участие в КИ?

Участие в исследовании, включая все определенные Протоколом процедуры и терапию, являются бесплатными для участника исследования.

·         Какие права и обязанности есть у участника клинического исследования?

ПРАВА:

Обязательно в письменном виде пациенту предоставляется информация о цели КИ, о том, как оно будет проводиться, какое лекарство будет применяться, и т.д.

Всё изложенное отражено в особом документе — информированном согласии. Информация, позволяющая идентифицировать участника исследования кодируется и сохраняется в тайне на протяжении всего участия в исследовании и после завершения участия в нем.

С момента подписания формы информированного согласия участник исследования застрахован от причинения вреда жизни и здоровью. Пострадавшим в результате участия в исследовании гарантированы соответствующие компенсация и лечение.

ОБЯЗАННОСТИ:

Участник клинического исследования берет на себя обязанность соблюдать все требования врача и Протокола исследования (графики процедур и визитов в клинику, график приема исследуемого лекарственного препарата и т.д.) и сообщать врачу, когда эти требования были нарушены по какой-либо причине.

Участник может покинуть клиническое исследование в любое время, независимо от причины.

Как фитнес браслет определяет фазы сна

Для чего нужен фитнес браслет?

Такие устройства могут учитывать и анализировать параметры различной активности человека. Это активность, например, при занятии определенными видами спорта:

  • езда на велосипеде;
  • плавание;
  • волейбол;
  • пилатес;
  • бег и пр.

Такие гаджеты крайне полезны и актуальны для людей, которые профессионально занимаются какой-либо спортивной деятельностью.

Практически все фитнес трекеры умеют считать шаги, пройденные за определенный отрезок времени. Алгоритмы на устройствах разных производителей отличаются. Эта функция полезна абсолютно каждому, чтобы иметь возможность держать себя в форме и контролировать уровень физической активности.

Отдельные модели фитнес-трекеров считают пульс (постоянно или по запросу). Функция пульсометра также актуальна для спортсменов и людей, которым по той или иной причине нужно постоянно контролировать этот фактор.

Некоторые устройства умеют следить за фазами сна и будить владельца в наиболее подходящий момент.

Если вы пропустили уведомление на своем смартфоне, такой «умный» браслет сообщит вам о нем вибрацией через некоторое время.

Бюджетные варианты устройств учитывают параметры бега и ходьбы человека. На этом, как правило, их функционал заканчивается.

Принцип работы фитнес браслета с определением фаз сна

Одной из наиболее практичных и используемых функций фитнес-трекеров является определение фаз сна.

Браслет, с помощью заложенных производителем алгоритмов, определяет фазы глубокого и активного сна. Это происходит с помощью сенсорных звукозаписывающих микродатчиков. Они записывают все звуки, которые человек издает в процессе сна. В активной фазе, как известно, человек издает больше различных звуков.

Кроме реакции на звуки, в браслеты вмонтированы пульсометры и акселерометры. Первые контролируют работу сердца, вторые отслеживают все (даже самые незначительные) движения спящего. Пульсометры, считывая увеличение частоты сокращения сердечной мышцы, определяют момент выхода человека из фазы глубокого сна.

Эта способность устройств позволяет вычислить оптимальное время для того, чтобы разбудить человека именно в той фазе сна, в которой просыпаться ему будет приятно и легко. Трекер выбирает тот момент, когда организм физически готов проснуться. Если же вам нужно подняться в определенное время, то на браслете устанавливается временной диапазон (как правило, получасовой), в течение которого устройство также выберет оптимальный момент для пробуждения.

Отдельные датчики записывают также информацию о том, храпел человек или нет, разговаривал ли ночью, что также является весомым вкладом в определение качества сна. Современными устройствами отслеживаются даже проявления лунатизма.

Фитнес-браслет не является лечащим медицинским средством, но он является незаменимым в вопросе диагностики храпа, лунатизма, плохого беспокойного сна. Он поможет выявить проблему, если такая есть, и с высокой степенью точности контролировать процесс восстановления.


Хроматографические методы анализа: качественный и количественный анализ, история возникновения

Главная / Статьи / Хроматографические методы анализа

Хроматография применяется для анализа сложных многокомпонентных смесей. Хроматографические методы определяют качественный и количественный состав органических веществ, включая летучие углеводороды и биологические жидкости. Фармацевтика, медицина, нефтеперерабатывающий комплекс, химическое производство и другие промышленные отрасли используют хроматографы для контроля качества сырья и готовой продукции, а также обеспечивают с их помощью соблюдение норм экологической безопасности.

Широкое распространение хроматографических методов анализа обусловлено их разнообразием и спецификой, которые раскрываются в данной статье:

Общие сведения о хроматографии

Хроматографические методы анализа основаны на цикличных актах сорбции‑десорбции, происходящих между подвижной фазой (элюентом) с растворенной пробой и неподвижным сорбентом. Компоненты сложных смесей имеют различную сорбируемость, и проходя вдоль неподвижной фазы, поглощаются с неодинаковой скоростью и в разном количестве. Последующее изучение результатов и их сравнение с эталоном позволяет установить точный состав реактива.

В традиционном методе в качестве неподвижной фазы используется материал с развитой поверхностью, а элюентом выступает поток инертного газа или жидкости. Фильтрация элюента через слой сорбента запускает многократное повторение сорбции и десорбции, что и отличает хроматографические методы анализа от других аналитических методик и обуславливает их эффективность.

Качественный и количественный анализ

Хроматографические методы анализа устанавливают качественный и количественный состав вещества. При качественных испытаниях пробу идентифицируют по ее хроматограмме, сравнивая полученные параметры с эталонными значениями, хранящимися в библиотеке данных.

Количественный метод анализа строится на измерении пиков, формирующихся в зависимости от концентрации примесей. Лаборант изучает хроматограмму одним из следующих методов:

  • Метод абсолютной градуировки. Зависимость параметров пика от концентрации разных веществ определяется экспериментально. Затем составляются графики и таблицы, с которыми в последующем и сравнивается хроматограмма. Благодаря простоте и высокой точности, метод является основным для выявления микропримесей.
  • Метод внутренней нормализации. Сумма выбранных пиковых параметров (например, их высота или площадь) принимается за 100%. Далее рассчитывается отношение высоты отдельного изучаемого пика к суммарному значению, благодаря чему определяется массовая доля конкретного компонента в пробе.
  • Метод внутреннего стандарта. В смесь вводится стандартное вещество, для которого заранее известен калибровочный график. Затем пики изучаемых компонентов сравниваются с пиками «стандарта». Метод применяют в случае исследования составов с переменным, но известным количеством анализируемых компонентов.

Методы постоянно дорабатываются и совершенствуются, что позволяет получать более точные данные при анализе сложных смесей и нивелировать шумы на хроматограммах.

История возникновения метода

Впервые хроматография была описана русским ученым Михаилом Цветом, изучавшим строение хлорофилла. Ботаник предположил, что зеленый пигмент состоит из нескольких отдельных компонентов и нуждался в методе, который позволил бы разделить вещество на составляющие. Для этого он пропустил экстракт хлорофилла через стеклянную колонку, заполненную толченым мелом. Промыв сорбент эфиром, ученый получил несколько зон разного цвета, что позволило подтвердить многокомпонентный состав пробы. Разработанный метод был назван хроматографией.

Цвет описывал принцип хроматографии следующим образом: вещество в подвижной фазе постоянно реагирует с новыми участками адсорбента и частично впитывается, но при этом адсорбированные компоненты «вымываются» свежими порциями поступающего элюента. То есть, ученый открыл только один метод взаимодействия разделяемых компонентов: молекулярную адсорбцию.

Из‑за этого ботаник ошибочно предположил, что основным условием для осуществления хроматографического анализа является разница в адсорбируемости отдельных компонентов. Однако в современной хроматографии помимо молекулярной адсорбции для изучения сложных смесей используются и другие физико‑химические явления. В результате появилось множество хроматографических методов, и для их разграничения была разработана общепринятая классификация.

Классификация хроматографических методов анализа

Хроматографические методы разделяются на несколько групп в зависимости от сравниваемых параметров. По агрегатному состоянию фаз хроматографические методы анализа делятся на:

  • Газожидкостные. Подвижной фазой служит поток инертного газа, который проходит через жидкий сорбент.
  • Газоадсорбционные. Проба в газообразном состоянии пропускается через твердое вещество, на поверхности которого осуществляется адсорбция.
  • Жидкостно‑жидкостные. В качестве элюента и неподвижной фазы используются жидкие среды.
  • Жидкостно‑адсорбционные. Реагент подается вместе с растворителем и проходит через твердый пористый материал.
  • Жидкостно‑гелевые. В этом методе неподвижная фаза представлена гелеобразным веществом.

Вторая классификация касается конструкции хроматографического оборудования. В большинстве методов применяется колоночный хроматограф: адсорбция осуществляется в колонках, заполненных неподвижной фазой. Но иногда используется плоскостная хроматография, в которой используется тонкий срез сорбента или специальная бумага. Также в последнее время получили распространение капиллярный хроматографический метод, при котором разделение происходит в пленке жидкости, и хроматография в полях, требующая для проведения анализа создания дополнительных магнитных, центробежных или иных сил.

Хроматографические методы анализа отличаются особенностями взаимодействия элюента и адсорбента. По механизмам разделения хроматография делится на:

  • адсорбционную — основывается на разнице в адсорбируемости компонентов пробы;
  • распределительную — протекает за счет различной растворимости веществ в фазах;
  • ионообменную — осуществляется благодаря достижению констант ионообменного равновесия;
  • проникающую — строится на разнице в формах и размерах молекул;
  • осадочную — происходит благодаря осаждению нерастворимых соединений;
  • адсорбционно‑комплексообразовательную — выполняется за счет образования на поверхности неподвижной фазы координационных соединений разной прочности.

Следующая классификация разделяет хроматографические метода анализа на три группы по способам перемещения поглощаемых компонентов вдоль адсорбционного слоя. Выделяют проявительный (или элюентный), фронтальный и вытеснительный методы. Рассмотрим их подробнее.

Методы перемещения пробы в неподвижной фазе

К наиболее простым хроматографическим методам анализа относится фронтальный, при котором роль элюента сведена к минимуму. Предположим, что проба представляет собой растворитель Solv, в котором содержатся два компонента: A и B. Анализируемое вещество непрерывным потоком пропускается через сорбционную колонку. После прохождения через хроматографическое оборудование, измеряется концентрация A и B в выходном растворе и учитывается изначальный объем Solv. На основании полученных данных строится график зависимости, который и является выходной кривой (хроматограммой).

Из‑за поглощения неподвижной фазой компонентов A и B, из колонки сначала будет поступать растворитель, затем вещество с меньшим коэффициентом сорбции (допустим, A), и только потом B. В результате спустя некоторое время из хроматографического оборудования будет поступать раствор с неизменным составом (одинаковой пропорцией Solv, A и B). Данный хроматографический метод анализа применяется не только для изучения сложных веществ, но и для их очистки от примесей, при условии, что они поглощаются лучше, чем основные элементы реагента.

В лабораторных испытаниях чаще всего используется проявительный или элюентный хроматографический метод. Специалист добавляет в колонку пробу реагента Solv c растворенными в нем компонентами A и B, после чего под постоянным давлением подает подвижную фазу. Под воздействием физико‑механических сил происходит разделение состава. Вещество с лучшей сорбируемостью займет верхнюю часть колонки, с меньшей — нижнюю. На выходе из оборудования сначала появится компонент A, затем чистый Solv, потом — элемент B, что и отразится в хроматограмме. Количественный анализ проводится измерением высоты и площади пиков: чем они больше, тем выше концентрация изучаемого вещества в составе.

Главное преимущество элюентного хроматографического метода заключается в возможности разделения сложных многокомпонентных реактивов. Однако при изучении хроматограммы необходимо учитывать снижение концентрации выходящих растворов из‑за разбавления подвижной фазой.

Третий метод — вытеснительный. Он предполагает использование вытеснителя (препарата D), который постоянно воздействует на раствор Solv, введенный в хроматографическую колонку. Коэффициент сорбции D должен быть выше, чем у любых компонентов анализируемой пробы. Благодаря этому препарат постепенно вытесняет вещество с худшей сорбируемостью, что и фиксируется при выходе смеси из колонки. Вытеснительный метод не требует применения газа‑носителя, в результате чего сокращаются издержки на проведение исследований. Однако стоит помнить, что анализ полученных данных затрудняется из‑за наложения зон разных веществ друг на друга, поскольку они не разделяются зоной растворителя.

Метод газожидкостной хроматографии

В аналитической химии широко используется газожидкостный хроматографический метод. Благодаря разнообразию применяемых жидких неподвижных фаз, можно создать оптимальные условия для идентификации практически любого вещества, содержащегося в исследуемой пробе в незначительной концентрации. Это обуславливает универсальность метода. Для этого необходимо правильно настроить хроматографическое оборудование и подобрать неподвижную фазу, отвечающую следующим параметрам:

  • высокая способность к растворению элементов, содержащихся в реактиве — в противном случае проба быстро выходит из колонки и не дает достаточный материал для проведения анализа;
  • низкая летучесть — во время исследования фаза не должна испаряться, поскольку это осложнит чтение хроматографического графика;
  • химическая инертность — адсорбент не должен вступать в реакции с компонентами пробы или газом‑носителем;
  • минимальная вязкость — в противном случае замедлится диффузия.

Также для реализации метода важна максимальная разделительная способность компонентов конкретной пробы.

Помимо выбора жидкой среды, в которой будет происходить разделение смеси на отдельные составляющие, во время подготовки хроматографического анализа необходимо подобрать носитель неподвижной фазы. В качестве носителя используется твердый и прочный материал, на котором жидкость образует тонкую однородную пленку. Чаще всего применяется силанизированный хромосорбат, фторуглеродные полимеры и гранулы из высококачественного стекла. Данные носители отличаются следующими преимуществами:

  • легко и равномерно смачиваются неподвижной фазой;
  • практически не впитывают жидкость, то есть не препятствуют нормальному протеканию реакции между жидкой и газообразной средами;
  • не реагируют на повышение температуры в рабочей колонке.

Хроматографические методы анализа, построенные по газожидкостному принципу, относятся к наиболее современным, и применяются в случае необходимости разделения веществ, относящихся к одному классу. Их активно используют в химической и нефтегазовой промышленности для контроля над качеством получаемой продукции. Среди ключевых преимуществ газожидкостного метода анализа можно выделить:

  • экспрессность;
  • максимальная точность;
  • полная автоматизация;
  • небольшие затраты на подготовку пробы и проведение исследования.

Для использования метода требуется подобрать не только жидкую среду и ее носитель, но и решить вопрос с непрерывной подачей элюента. Для минимизации расходов к хроматографу подключается генератор газа (например, водорода), который продуцирует нужное количество вещества и отвечает за его равномерную подачу в оборудование.

Жидкостно‑жидкостный хроматографический метод

По технологии выполнения жидкостно‑жидкостный хроматографический метод анализа похож на газожидкостную хроматографию. На твердый носитель наносится жидкая среда, выступающая в роли неподвижной фазы. Для подготовки пробы используется не инертный газ, а раствор.

Изучаемый реагент вместе с потоком жидкого растворителя движется через сорбент, на поверхности которого происходит разделение компонентов. Чаще всего неподвижной фазой заполняют колонку хроматографа, но для некоторых исследований прибегают к методу тонкослойной хроматографии, при котором адсорбентом смачивают специальную бумагу.

Разделение осуществляется за счет распределения веществ между несмешивающимися растворами. То есть, концентрация одного и того же вещества в подвижной и неподвижной фазах будет различаться и зависеть от коэффициента распределения. Значения коэффициента устанавливаются эмпирически для каждого компонента, в результате чего жидкостно‑жидкостные хроматографические методы анализа позволяют с высокой точностью идентифицировать отдельные элементы в сложном составе.

Для успешной реализации метода необходимо правильно выбрать несмешивающиеся фазы. Обычно они подбираются исходя из опыта прошлых анализов. Чаще всего применяются так называемые «тройные системы», в которые включены два несмешивающихся друг с другом растворителя и третья жидкость, растворимая в обеих фазах. Например, это может быть система из несмешивающихся гептанов и воды, в которую вводится хорошо растворимый в обеих средах этанол.

При выборе составов для подвижной и неподвижной фаз, следует учитывать, что их нерастворимость друг в друге относительна, и при проведении исследования вещества будут вступать во взаимодействие (пусть и в незначительном объеме), что сказывается на значениях, которые показывают хроматографические методы анализа. Для минимизации погрешности используется одна из двух технологий: предварительное насыщение подвижной фазы неподвижной или химическое закрепление жидкости на сорбенте.

Эффективность проведенного хроматографического анализа зависит также от выбора носителя для неподвижной фазы. Требования к нему следующие:

  • развитая поверхность;
  • химическая инертность;
  • высокая способность к удержанию жидкости;
  • устойчивость к используемым растворителям.

Чаще всего в жидкостно‑жидкостных хроматографических методах исследования в качестве носителя выбирается целлюлоза, фторопласт, силикатные гели или полимеры.

Метод распределительной бумажной хроматографии

Помимо вышеописанных носителей, заполняющих колонки, в распределительных хроматографических методах анализа может использоваться специальная бумага, на которой происходит разделение исследуемых компонентов. Данный метод редко применяется в промышленных масштабах (по сравнению с колоночной хроматографией), но достаточно часто используется в аналитической химии.

Технология проведения бумажного хроматографического анализа предполагает вычисление коэффициента Rf, представляющего собой отношение смещения зоны компонента к смещению фронта раствора. В теории коэффициент зависит только от исследуемого вещества, растворителя и параметров бумаги. Однако в действительности при реализации метода на коэффициент также влияют компоненты, присутствующие в пробе в микроконцентрации, и используемая техника. В результате возникает определенная погрешность, которую необходимо учитывать при расшифровке анализа.

Распределительные хроматографические методы анализа чувствительны к характеристикам используемой бумаги. Она должна соответствовать следующим критериям:

  • химическая чистота;
  • нейтральность;
  • инертность по отношению к реагентам в пробе;
  • однородность.

При подборе материала учитывается также ориентация волокон, качество целлюлозы, сорбируемость. Параметры определяют скорость движения раствора и осаждения обнаруживаемых молекул.

В бумажном методе есть еще один нюанс — некоторые вещества могут поменять свойства носителя с гидрофильных на гидрофобные, что полностью нарушит ход эксперимента. В таком случае хроматографическая бумага предварительно пропитывается парафином или растительными маслами.

Растворители в распределительном методе

Большое влияние на точность хроматографических методов анализа оказывает выбранный растворитель. В качестве подвижной фазы необходимо взять жидкость, которая в меньшей степени растворяет обнаруживаемые компоненты, чем неподвижная фаза. Если пренебречь данным условием, метод не сработает: при слишком высокой растворимости проба пройдет вместе с жидкостью, не адсорбируясь на поверхности, при слишком низкой — останется на начальной линии и не даст требуемую для расшифровки градацию.

Если с помощью распределительного метода анализируется водорастворимая смесь, в качестве неподвижной фазы берется очищенная вода, в качестве подвижной — любой удобный органический растворитель. Выбранные жидкости не должны смешиваться, менять свои свойства в процессе исследования, важна их доступность и нетоксичность для человека.

Распределительные хроматографические методы анализа основаны на использовании смешанных фаз: смесей спиртов друг с другом и органическими кислотами, аммиаком, водных растворов фенола или крезола и так далее. Меняя концентрацию, насыщенность и пропорции в растворе удается плавно менять коэффициент Rf, создавать оптимальные условия для анализа, и получать дополнительные данные при расшифровке хроматограммы.

Как и прочие хроматографические методы анализа, бумажная хроматография определяет и качественный, и количественный состав пробы. В первом случае изучается специфическая окраска пятен на хроматограмме и анализируется числовое значение Rf для каждого обнаруживаемого реактива.

Для определения количественного состава смеси исследуется площадь образовавшихся пятен, интенсивность их окраски. Также применяют метод вымывания, при котором каждое цветовое пятно обрабатывают экстрагентом и затем подсчитывают количество вымытого вещества.

Тонкослойный хроматографический метод

Хроматографические методы анализа отличаются информативностью, сложностью проведения и актуальностью для решения практических промышленных задач. Одним из самых распространенных является метод тонкослойной хроматографии (ТСХ), разработанный группой ученых в 1938 году.

Твердая фаза наносится тонким слоем на специально подготовленную стеклянную, металлическую или пластиковую пластину. Затем на ее край лаборант вносит анализируемую пробу и погружает пластинку в жидкий растворитель, выступающий в качестве подвижной фазы. Под действием капиллярных сил исследуемый состав начинает двигаться по сорбенту, разделяясь на свои компоненты. Диффузия в твердом неподвижном слое происходит в двух направлениях: продольном и поперечном, что дает дополнительные сведения для анализа.

Особенность хроматографического метода заключается в относительной простоте исполнения. Для проведения эксперимента требуются:

  • Пластинки для твердого адсорбента. Обычно подложки изготавливаются из алюминиевой фольги, полимерной пленки или стекла.
  • Сорбент. Чаще других в данном методе применяются сорбенты из силикагеля, крахмала и целлюлозы.
  • Растворитель. Выбор подвижной фазы зависит от физико‑химических свойств твердого вещества и исследуемых реагентов. Как и в бумажном методе, допустимо использование многокомпонентных жидкостей.

После окончания работы перед построением хроматографического графика пластинку опрыскивают проявляющим реактивом либо подвергают воздействию ультрафиолета. Затем приступают к определению компонентов пробы и их дальнейшему изучению любым удобным для лаборанта методом.

Качественные и количественные методы анализа в ТСХ

Для качественного исследования пробы одним из самых надежных и показательных является «метод свидетелей». Вместе с составом на линию старта наносятся индивидуальные вещества («свидетели») — предполагаемые компоненты смеси. На все жидкости влияют одинаковые силы, поэтому совпадение коэффициента Rf одного из «свидетелей» с компонентом реагента позволяет предположить наличие в пробе данного вещества.

Что касается количественных определений в данном методе, то они выполняются непосредственно на пластине либо уже после снятия с нее слоя сорбента. В первом случае измеряется площадь цветового пятна и с помощью заранее подготовленного графика вычисляется количество вещества.

Однако более показательным считается спектрофотометрический метод. Сорбент удаляется с пластинки и помещается в специальное оборудование, которое и показывает процентное содержание различных компонентов с высокой точностью.

Ионообменный хроматографический метод

Метод ионообменной хроматографии основан на замене элементарных частиц, входящих в реактив, на атомы, содержащиеся в ионообменнике. Поэтому результативность анализа зависит от параметров используемого оборудования. Современные ионообменники обладают важными преимуществами:

  • Высокая обменная емкость.
  • Воспроизводимые ионообменные свойства.
  • Устойчивость к воздействию кислот и щелочей, любых сильных окислителей.

Для их производства чаще всего используются различные полимерные соединения: например, полистирол с разным набором функциональных групп, определяющим характерные свойства готового материала.

Ионообменный хроматографический метод применяется преимущественно для разделения элементарных частиц, после которого можно провести количественный подсчет анализируемых компонентов. Данная технология используется для обнаружения разнообразных анионов в питьевой и технической воде, продуктах переработки, пищевом, фармацевтическом и химическом сырье. Наиболее показателен метод для определения катионов щелочных и щелочноземельных металлов, и замещенных солей аммония.

Перспективы развития хроматографических методов

Хроматографические методы анализа постоянно совершенствуются и модифицируются. Появляются новые технологии, позволяющие определять компоненты смеси в наноконцентрациях. Благодаря этому удается повысить качество готовой продукции в различных отраслях промышленности, минимизировать экологические риски за счет установления жесткого контроля над составом сточных вод.

Однако возможности хроматографии ограничены не только применяющимися методами, но и используемым оборудованием. Важно, чтобы хроматографы отвечали следующим требованиям:

  • Простая подготовка и введение проб.
  • Быстрое получение результатов и легкая расшифровка хроматографических графиков.
  • Принцип работы, основанный на передовых методах.
  • Максимальная точность анализа.
  • Нивелирование погрешностей, возникающих из‑за физико‑химических свойств используемых подвижных и неподвижных фаз.
  • Минимальные затраты на ввод оборудования в эксплуатацию и его дальнейшее обслуживание.
  • Возможность анализа сырья или продукции без прерывания основного технологического процесса.
  • Определение широкого спектра соединений, включая летучие углеводороды и другие сложные для обнаружения вещества.
  • Быстрое обучение персонала методам работы с лабораторным оборудованием.

Дальнейшее совершенствование хроматографов позволит удешевить хроматографические методы анализа и расширить области их применения. Именно к этому и стремится компания ООО «НПФ Мета‑хром». Мы предлагаем высококлассное оборудование, соответствующее всем стандартам качества. Узнать подробную информацию о методах работы на хроматографах можно у менеджеров по контактному телефону компании или с помощью формы обратной связи в разделе «Контакты».

Как умные часы определяют фазы сна

Дата публикации: 10.07.2019

Как смарт часы определяют фазы сна

Различают две фазы сна – медленную (глубокий сон, который длится 80-90 минут) и быструю (состояние, близкое к пробуждению, длящееся 10-15 минут). Когда человек просыпается в период глубокого сна, он чувствует себя не выспавшимся, испытывает дискомфорт. Пробуждение во время быстрой фазы легкое и комфортное. Для того, чтобы выбрать свою быструю фазу, нужно ложиться спать и просыпаться в одно и то же время, просыпаясь при котором вы чувствуете энергию и бодрость. Помощником в этом вопросе могут стать умные часы. 

Устройства Smart Watch оснащены датчиками движения (акселерометрами). Принцип их работы состоит в отслеживании движений спящего. В период медленной фазы спящий шевелится во сне, а во время быстрой – лежит практически неподвижно. Смарт-часы определяют периоды быстрого сна и в заданный промежуток времени активируют будильник. 

 Кроме акселерометра, смарт-часы оснащены пульсометром и звукозаписывающими датчиками, которые фиксируют и анализируют звуки, которые спящий человек издает во сне. Во время фазы быстрого сна люди издают больше звуков, и устройство определяет изменения. Техника также считывает пульс, проводит анализ частоты сердечного ритма. Все данные анализируются и умные часы определяют оптимальное время для пробуждения, чтобы человек проснулся отдохнувшим и бодрым.

Дропшиппинг смарт часов

Купить Smart Watch по выгодным ценам можно в компании АктивДевайс. Это многофункциональная электроника, которая предназначена для повышения комфорта и поддержания здорового образа жизни. В нашем каталоге представлены компьютеризированные наручные устройства от ведущих мировых брендов. Мы работами только с проверенными поставщиками смарт-часов, которые дают гарантии на все свои товары. Чтобы выбрать оптимальную модель, проконсультируйтесь с нашим сотрудником. 

 Мы доставляем заказы в течение 2-7 дней в любой регион Российской Федерации. Оплатить заказ можно удобным способом. 

 Хотите заказать смарт-часы по лучшим ценам? 

Покупайте технику в нашем интернет-магазине!

 

фаза | Определение и факты

Фаза , в термодинамике, химически и физически однородное или гомогенное количество вещества, которое может быть механически отделено от неоднородной смеси и которое может состоять из одного вещества или смеси веществ. Три основных фазы материи — это твердая, жидкая и газовая (пар), но существуют и другие, включая кристаллическую, коллоидную, стеклообразную, аморфную и плазменную фазы. Когда фаза в одной форме изменяется на другую форму, считается, что фазовое изменение произошло.

Британская викторина

Подводки к химии

Возможно, вы знаете, что элементы составляют воздух, которым мы дышим, и воду, которую мы пьем, но знаете ли вы о них больше? Какой элемент почти такой же легкий, как водород? Что вы называете смесью двух химических элементов? Узнайте ответы в этой викторине.

Общие положения

Система — это часть вселенной, выбранная для изучения изменений, происходящих в ней в ответ на меняющиеся условия.Система может быть сложной, такой как планета, или относительно простой, как жидкость в стакане. Те части системы, которые физически отличны и механически отделимы от других частей системы, называются фазами.

изменение фазы

Сублимация, осаждение, конденсация, испарение, замерзание и плавление представляют собой фазовые изменения вещества.

Британская энциклопедия, Inc.

Фазы в системе существуют в газообразном, жидком или твердом состоянии. Твердые вещества характеризуются сильной атомной связью и высокой вязкостью, что приводит к жесткой форме.Большинство твердых тел являются кристаллическими, поскольку они имеют трехмерное периодическое атомное расположение; некоторые твердые тела (например, стекло) не имеют этой периодической структуры и являются некристаллическими или аморфными. Газы состоят из слабо связанных атомов без длительной периодичности; газы расширяются, заполняя все доступное пространство. Жидкости обладают промежуточными свойствами между твердыми телами и газами. Молекулы жидкости конденсируются, как и молекулы твердого тела. Жидкости имеют определенный объем, но их низкая вязкость позволяет им изменять форму со временем.Вещество внутри системы может состоять более чем из одной твердой или жидкой фазы, но система может содержать только одну газовую фазу, которая должна иметь гомогенный состав, поскольку молекулы газов полностью смешиваются во всех пропорциях.

состояний вещества

Три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Системные переменные

Системы реагируют на изменения давления, температуры и химического состава, и, когда это происходит, фазы могут образовываться, удаляться или изменяться по составу.Например, повышение давления может привести к превращению жидкости с низкой плотностью в более плотное твердое вещество, в то время как повышение температуры может вызвать плавление твердого вещества. Изменение состава может привести к изменению состава ранее существовавшей фазы или к усилению или потере фазы.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Классификация и ограничения фазовых превращений описываются правилом фаз, предложенным американским химиком Дж.Уилларда Гиббса в 1876 году и основывались на строгом термодинамическом соотношении. Правило фаз обычно дается в форме P + F = C + 2. Термин P относится к количеству фаз, которые присутствуют в системе, а C — минимальное количество независимые химические компоненты, необходимые для описания состава всех фаз в системе. Термин F , называемый дисперсией или степенями свободы, описывает минимальное количество переменных, которые должны быть зафиксированы для определения конкретного состояния системы.

Унарные системы

Фазовые отношения обычно описываются графически с помощью фазовых диаграмм ( см. Рисунок 1). Каждая точка на диаграмме указывает конкретную комбинацию давления и температуры, а также фазу или фазы, которые стабильно существуют при этом давлении и температуре. Все фазы на Рисунке 1 имеют одинаковый состав — диоксид кремния SiO 2 . Схема представляет собой представление однокомпонентной (унарной) системы в отличие от двухкомпонентной (бинарной), трехкомпонентной (тройной) или четырехкомпонентной (четвертичной) системы.Фазы коэсит, низкий кварц, высокий кварц, тридимит и кристобалит представляют собой твердые фазы, состоящие из диоксида кремния; каждый из них имеет собственное атомное расположение и отличительный набор физических и химических свойств. Самая распространенная форма кварца (встречается в пляжных песках и гранитах) — низкокварц. Область, обозначенная безводным расплавом, состоит из жидкого диоксида кремния.

Различные части системы диоксида кремния могут быть исследованы с точки зрения правила фаз. В точке A существует единственная твердая фаза — малый кварц.Подстановка соответствующих значений в правило фаз P + F = C + 2 дает 1 + F = 1 + 2, поэтому F = 2. Для точки A (или любой точки, в которой стабильна только одна фаза) система дивариантна, т. е. существуют две степени свободы. Таким образом, две переменные (давление и температура) могут быть изменены независимо, и та же самая фазовая совокупность продолжает существовать.

Точка B расположена на граничной кривой между полями устойчивости низкого и высокого кварца.Во всех точках этой кривой эти две фазы сосуществуют. Подстановка значений в правило фаз (2 + F = 1 + 2) приведет к получению дисперсии 1. Это указывает на то, что одна независимая переменная может быть изменена таким образом, что будет сохранена одна и та же пара фаз. Вторую переменную необходимо изменить, чтобы она соответствовала первой, чтобы фазовый комплекс оставался на границе между низким и высоким содержанием кварца. Тот же результат справедлив и для других граничных кривых в этой системе.

Точка C расположена в тройной точке, состоянии, при котором три поля устойчивости пересекаются.Правило фазы (3 + F = 1 + 2) указывает, что дисперсия равна 0. Следовательно, точка C является инвариантной точкой; изменение давления или температуры приводит к потере одной или нескольких фаз. Правило фаз также показывает, что не более трех фаз могут стабильно сосуществовать в однокомпонентной системе, потому что дополнительные фазы могут привести к отрицательной дисперсии.

Фазы — Chemistry LibreTexts

Состояния: газ, жидкость и твердое вещество

Газ, жидкость и твердое тело известны как три состояния вещества или материала, но каждое из твердого и жидкого состояния может существовать в одной или нескольких формах.Таким образом, для описания различных форм требуется еще один термин, и используется термин фаза. Каждая отдельная форма называется фазой; однако концепция фазы, определяемой как однородная часть системы, выходит за рамки одного материала, поскольку фаза может также включать несколько материалов. Например, однородный раствор любого количества веществ — это однофазная система. Фаза — это понятие, используемое для объяснения многих физических и химических изменений (реакций).

  • Твердое тело имеет определенную форму и объем.Жидкость имеет определенный объем, но принимает форму емкости, тогда как газ заполняет весь объем емкости. Вы уже знаете, что алмаз и графит — твердые тела, состоящие из углерода; это две фазы углерода, но обе твердые. Твердые вещества делятся на подклассы аморфных (или стеклообразных) твердых веществ и кристаллических твердых веществ. Расположение атомов или молекул в кристаллических твердых телах регулярно повторяется в очень большом диапазоне, составляющем миллионы атомов, но их расположение в аморфных твердых телах в некоторой степени случайное или короткое, скажем, несколько десятков или сотен атомов.
  • Обычно существует только одна жидкая фаза материала. Однако есть две формы жидкого гелия; у каждого есть уникальные свойства. Таким образом, две формы представляют собой разные (жидкие) фазы гелия. При определенной температуре и давлении две фазы сосуществуют.
  • Пока что все газы ведут себя одинаково, как и смеси газов. Таким образом, газ обычно рассматривается как фаза.

Концепция фазы

Фаза — это отчетливое и однородное состояние системы без видимой границы, разделяющей ее на части.

Вода, \ (\ ce {h3O} \), является настолько распространенным веществом, что ее газовая (паровая), жидкая (вода) и твердая (лед) фазы широко известны. Смесь ледяной воды имеет две фазы, как и системы, содержащие лед и пар, и воду и пар. Чтобы распознать паровую систему в этих системах, может потребоваться пристальное наблюдение, потому что пар обычно смешивается с воздухом и не обнаруживается напрямую.

Вы, вероятно, также знаете, что для вещества может существовать несколько твердых тел, и каждая из этих твердых форм также называется фазой.Алмаз и графит — самые цитируемые примеры; оба являются твердым углеродом, но имеют разные формы, цвета и структуры кристаллов. Они представляют две разные фазы углерода. Другой пример — лед, при давлении ниже 1 атм лед имеет гексагональную симметрию, а кубический лед образуется под высоким давлением. На самом деле существует как минимум восемь различных типов льда, каждый из которых является твердой фазой.

Когда вы смешиваете воду и спирт, независимо от того, какое относительное количество вы используете, они полностью смешиваются.Полученная смесь имеет только одну фазу (раствор). Однако вода и масло обычно не смешиваются, и их граница разделения видна; они образуют двухфазную систему. Иногда вы не можете «увидеть» границу, и вам потребуется научное обоснование, чтобы понять количество фаз, присутствующих в системе.

Что ж, в одном термине заключено столько понятий, что мы не можем сделать определение более простым для вас. Однако этот термин полезен, потому что его можно использовать для объяснения многих явлений.Ему нет замены. Изучите его и используйте для объяснения физических изменений.

Фазовые переходы

Преобразование между этими фазами называется фазовым переходом . Изменение состояния любого материала из-за изменения температуры или давления — это фазовый переход. Фазовый переход — это физическое изменение (или реакция). Следующая диаграмма иллюстрирует ключевые фазовые переходы: Вы должны знать названия процесса этих фазовых переходов.

\ [\ mathrm {ТВЕРДЫЙ \ xrightarrow {\ large {сублимация \:}} ГАЗ \ xrightarrow {\ large {deposition \:}} ТВЕРДЫЙ} \]

\ [\ mathrm {SOLID \ xrightarrow {\ large {melting \:}} LIQUID \ underset {\ large {(solidfication)}} {\ xrightarrow {\ large {\: \: \: freezing \: \: \: \:}}} ТВЕРДЫЙ} \]

\ [\ mathrm {ГАЗ \ xrightarrow {\ large {конденсация \:}} ЖИДКОСТЬ \ xrightarrow {\ large {парообразование \:}} ГАЗ} \]

Понятия фазового перехода и фазового перехода познакомят вас с областями материаловедения.Например, если вы выполните поиск в Интернете по фразе «фазовый переход», вы найдете тысячи веб-сайтов; некоторые из них связаны с концепцией, которую мы здесь обсуждали, но некоторые могут использовать «фазовый переход» как броскую фразу. Концепция фазового перехода также применяется к изучению ядерной материи, такой как протоны и нейтроны.

фаз материи

Вся материя состоит из атомов. Каждое вещество (кислород, свинец, серебро, неон …) имеет уникальный номер протоны, нейтроны и электроны.Кислород, например, имеет 8 протонов, 8 нейтронов и 8 электронов. Водород имеет 1 протон и 1 электрон. Отдельные атомы могут соединяются с другими атомами с образованием молекул. Молекулы воды содержат два атома водорода H и один атом кислорода O . и химически называется h3O . Кислород и азот — основные компоненты воздуха и встречаются в природе как двухатомных (двухатомных) молекул. Независимо от типа молекулы обычно имеет значение существует в виде твердого тела, жидкости или газа .Мы называем это свойство материи фазой материи. Три нормальные фазы материи обладают уникальными характеристиками, которые перечислены на горка.

Цельный

В твердой фазе молекулы тесно связаны друг с другом. молекулярными силами. Твердое тело сохраняет свою форму, и объем твердого тела фиксируется формой твердого тела.

Жидкость

В жидкой фазе молекулярные силы слабее, чем в твердой.Жидкость примет форму своего контейнера со свободной поверхностью в гравитационном поле. В условиях микрогравитации жидкость образует шар внутри свободной поверхности. Несмотря на силы тяжести жидкость имеет фиксированный объем.

Газ

В газовой фазе молекулярная силы очень слабые. Газ наполняет свой контейнер, забирая оба форма и объем емкости.

Жидкости (жидкости и газы)

Жидкости и газы называются жидкостями , потому что их можно заставить течь или двигаться.В любой жидкости сами молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении, сталкиваясь с друг друга и со стенками любой емкости. Описано движение жидкостей и реакция на внешние силы. посредством Уравнения Навье-Стокса, которые выражают сохранение масса, импульс, и энергия. Движение твердых тел и реакция на внешние силы описываются формулами Законы движения Ньютона.

Любое вещество может находиться в любой фазе.Под стандартные атмосферные условия, вода существует в виде жидкости. Но если мы снизим температура ниже 0 градусов Цельсия или 32 градусов по Фаренгейту, вода меняет свой фаза в твердое тело, называемое льдом. Аналогично, если мы нагревать объем воды выше 100 градусов по Цельсию или 212 градусов по Фаренгейту, вода превращает свою фазу в газ, называемый водяным паром. Изменения в фазе материи — это физических изменений , а не химические изменения. Молекула водяного пара имеет такой же химический состав. состав, h3O , в виде молекулы жидкой воды или молекулы льда.

При обучении газы, мы можем исследовать движения и взаимодействия отдельных молекул, или мы можем исследовать крупномасштабное действие газа в целом. Ученые говорят о крупномасштабном движении газ как макроуровень и индивидуальный молекулярный движется как микромасштаб . Некоторое явление легче понимать и объяснять на основе макромасштаба, в то время как другие явления легче объяснить в микромасштабе.Макро шкала расследования основаны на вещах, которые мы можем легко наблюдать и измерить. Но исследования в микромасштабе основаны на довольно простые теории, потому что на самом деле мы не можем наблюдать за движением отдельной молекулы газа. Макро и микро Масштабные исследования — это всего лишь два взгляда на одно и то же.

Плазма — «четвертая фаза»

Три нормальные фазы материи, перечисленные на слайде, были известны. много лет учился на уроках физики и химии.В последнее время мы начали исследуют материалы при очень высоких температурах и давлениях, которые обычно происходят на Солнце или при возвращении из космоса. В этих условиях сами атомы начинают разрушаться; электроны оторваны от их орбита вокруг ядра, оставляя положительно заряженный ион за. Полученная смесь нейтральных атомов, свободных электронов и заряженных ионов называется плазмой . Плазма обладает некоторыми уникальными качествами, которые заставляет ученых относить это к «четвертой фазе» материи.Плазма — это жидкость, такая как жидкость или газ, но из-за присутствующих заряженных частиц в плазме он реагирует на электромагнитные силы и генерирует их. Там уравнения гидродинамики, называемые уравнениями Больцмана, которые включают электромагнитные силы с нормальными жидкостными силами Навье-Стокса уравнения. НАСА в настоящее время проводит исследования по использованию плазмы. для ионной двигательной установки.


Деятельность:

Экскурсии с гидом

Навигация..


Руководство для начинающих Домашняя страница

Фазовые диаграммы | Безграничная химия

Основные характеристики фазовой диаграммы

Фазовые диаграммы полезны, потому что они позволяют нам понять, в каком состоянии материя существует при определенных условиях.

Цели обучения

Опишите основные особенности фазовой диаграммы.

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Основными особенностями фазовой диаграммы являются фазовые границы и тройная точка.
  • Фазовые диаграммы демонстрируют влияние изменений давления и температуры на состояние вещества.
  • На границах фаз сосуществуют две фазы вещества (две из которых зависят от происходящего фазового перехода).
  • Тройная точка — это точка на фазовой диаграмме, в которой три различные фазы материи сосуществуют в равновесии.
Ключевые термины
  • Тройная точка : Уникальная температура и давление, при которых твердая, жидкая и газовая фазы вещества находятся в равновесии друг с другом.
  • граница фаз : линия на фазовой диаграмме, которая указывает условия, при которых существуют два (переходных) состояния вещества в состоянии равновесия.

Фазовая диаграмма — это график, который показывает, при каких условиях температуры и давления возникают различные фазы вещества. Простейшие фазовые диаграммы относятся к чистым веществам. На этих диаграммах по оси ординат показано давление, а по оси абсцисс — температура.

Хотя фазы концептуально просты, их трудно определить точно.Фазу системы обычно определяют как область в пространстве параметров термодинамических переменных системы (для непосредственных целей в пространстве параметров давления-температуры), в которой свободная энергия системы является аналитической (то есть ее можно точно рассчитать из известных параметры системы).

Основными особенностями фазовой диаграммы являются фазовые границы и тройная точка.

  • Фазовые границы или линии равновесия — это границы, которые указывают условия, при которых две фазы вещества могут сосуществовать в равновесии.
  • Тройная точка — это точка на фазовой диаграмме, где пересекаются линии равновесия — точка, в которой сосуществуют все три отдельные фазы вещества (твердое, жидкое, газовое).

Фазовая диаграмма : На этой фазовой диаграмме, которая типична для большинства веществ, сплошные линии представляют границы фаз. Зеленая линия отмечает точку замерзания (или переход от жидкости к твердому телу), синяя линия отмечает точку кипения (или переход от жидкости к газу), а красная линия показывает условия, при которых твердое вещество может быть преобразовано непосредственно в газ. (и наоборот).Пунктирная зеленая линия заменяет сплошную зеленую линию на соответствующей фазовой диаграмме воды. Он иллюстрирует аномальное поведение воды.

Фазовая диаграмма для воды полезна, чтобы научиться анализировать эти диаграммы. Вдоль голубой границы раздела фаз вода существует как в виде пара, так и в виде жидкости. Вдоль пунктирной зеленой границы раздела фаз мы видим аномальное поведение воды: она существует как твердое тело при достаточно низких температурах и достаточно высоких давлениях. В тройной точке сосуществуют вода в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Интерпретация фазовых диаграмм

Фазовые диаграммы иллюстрируют влияние выбранных переменных системы на состояние вещества.

Цели обучения

Расшифровка фазовой диаграммы и объяснение ее назначения

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Фазовые диаграммы можно использовать для понимания диапазона термодинамических переменных, в котором чистый образец вещества существует как определенное состояние / фаза.
  • Фазовые диаграммы разделены на три однофазных области, которые охватывают пространство давление-температура, в котором существует оцениваемое вещество: жидкое, газообразное и твердое состояние.
  • Фазовые диаграммы можно использовать, чтобы понять, при каких условиях чистый образец вещества существует в двух или трех состояниях равновесия, путем изучения фазовых границ и тройной точки.
Ключевые термины
  • критическая точка : Температура и давление, при которых плотность пара в газовой и жидкой фазах флюида равны, в этой точке нет разницы между газом и жидкостью.
  • сверхкритическая жидкость : Вещество с температурой и давлением выше его собственной термодинамической критической точки, которое может диффундировать через твердые тела, как газ, и растворять материалы, как жидкость.

Фазовые диаграммы иллюстрируют влияние выбранных переменных системы на состояние вещества. Фазовые диаграммы разделены на три однофазных области, которые охватывают пространство давление-температура, в котором существует оцениваемое вещество: жидкое, газообразное и твердое состояние. Линии, разделяющие эти однофазные области, называются фазовыми границами. Вдоль фазовых границ оцениваемое вещество одновременно находится в равновесии между двумя состояниями, граничащими с фазовой границей.

Сосредоточив внимание на отдельных однофазных областях, фазовые диаграммы помогают нам понять диапазон, в котором конкретный чистый образец вещества существует как конкретная фаза. Изучая фазовые границы и тройную точку, исследователи могут использовать фазовые диаграммы, чтобы понять, при каких условиях чистый образец вещества существует в двух или трех состояниях равновесия. Фазовые диаграммы также можно использовать для объяснения поведения чистого образца вещества в критической точке.

A Типичная фазовая диаграмма : Типовая фазовая диаграмма, иллюстрирующая основные компоненты фазовой диаграммы, а также критическую точку.Пунктирная зеленая линия обозначает границу твердой и жидкой фаз для воды.

Общие наблюдения на диаграмме показывают, что определенные условия температуры и давления благоприятствуют определенным фазам вещества. Обычно:

  • Условия низкой температуры / высокого давления благоприятствуют твердому состоянию.
  • Условия умеренной температуры / умеренного давления благоприятствуют жидкому состоянию.
  • Условия высокой температуры / низкого давления благоприятствуют газообразному состоянию.

Критическая точка, которая возникает при критическом давлении (P cr ) и критической температуре (T cr ), является особенностью, которая указывает точку в пространстве термодинамических параметров, в которой оцениваются жидкое и газообразное состояния вещества. неотличимы.В этот момент и за его пределами оцениваемое вещество существует как «сверхкритическая жидкость». При температурах выше критической кинетическая энергия молекул достаточно высока, так что даже при высоких давлениях образец не может конденсироваться в жидкую фазу.

При оценке фазовой диаграммы следует отметить, что граница раздела фаз твердое и жидкое состояние на фазовой диаграмме большинства веществ имеет положительный наклон. Это связано с тем, что твердая фаза имеет более высокую плотность, чем жидкость, поэтому увеличение давления увеличивает температуру плавления.Однако фазовая граница твердое тело-жидкость для воды является аномальной, поскольку она имеет отрицательный наклон. Это отражает тот факт, что лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода (хорошо известный факт: лед плавает), в отличие от большинства других веществ, которые обычно имеют более плотные твердые фазы.

Нафталиновые шарики — применение фазовых переходов : Термодинамические свойства нафталиновых шариков, изготовленных из 1,4-дихлорбензола, используются для отпугивания насекомых. 1,4-Дихлорбензол возгоняется (переходит из твердого состояния в газообразное) при комнатной температуре.Выделяемый газ токсичен для насекомых.

Зная основные компоненты фазовых диаграмм и особенности фазовых диаграмм, фазовая диаграмма может использоваться для понимания того, как изменение термодинамических параметров влияет на состояния / фазы вещества, в котором находится образец вещества.

фазовых изменений | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Расшифровать фазовую диаграмму.
  • Закон штата Далтон.
  • Определите и опишите тройную точку газа по его фазовой диаграмме.
  • Опишите состояние равновесия между жидкостью и газом, жидкостью и твердым телом, а также газом и твердым телом.

До сих пор мы рассматривали поведение идеальных газов. Настоящие газы подобны идеальным газам при высоких температурах. Однако при более низких температурах нельзя игнорировать взаимодействия между молекулами и их объемами. Молекулы расположены очень близко (происходит конденсация), и наблюдается резкое уменьшение объема, как показано на рисунке 1.Вещество превращается из газа в жидкость. Когда жидкость охлаждается до еще более низких температур, она становится твердой. Объем никогда не достигает нуля из-за конечного объема молекул.

Рис. 1. График зависимости объема от температуры для реального газа при постоянном давлении. Линейная (прямая) часть графика отображает поведение идеального газа — объем и температура прямо и положительно связаны, а линия экстраполируется к нулевому объему при –273,15 ° C или абсолютному нулю.Однако, когда газ становится жидкостью, в точке ожижения объем фактически резко уменьшается. Объем немного уменьшается, когда вещество становится твердым, но никогда не становится равным нулю.

Высокое давление может также вызвать переход газа из фазы в жидкость. Например, диоксид углерода представляет собой газ при комнатной температуре и атмосферном давлении, но становится жидкостью при достаточно высоком давлении. Если давление снижается, температура падает, и жидкий углекислый газ затвердевает в виде снега при температуре –78ºC.Твердый CO 2 называется «сухой лед». Другой пример газа, который может находиться в жидкой фазе, — жидкий азот (LN 2 ). LN 2 производится путем сжижения атмосферного воздуха (путем сжатия и охлаждения). Он кипит при 77 К ( 196ºC) при атмосферном давлении. LN 2 используется в качестве хладагента и позволяет сохранять кровь, сперму и другие биологические материалы. Он также используется для уменьшения шума в электронных датчиках и оборудовании и для охлаждения их токоведущих проводов.В дерматологии LN 2 используется для замораживания и безболезненного удаления бородавок и других новообразований с кожи.

PV Схемы

Мы можем изучить аспекты поведения вещества, построив график зависимости давления от объема, который называется PV-диаграммой . Когда вещество ведет себя как идеальный газ, закон идеального газа описывает соотношение между его давлением и объемом. То есть PV = NkT (идеальный газ).

Теперь, предполагая, что количество молекул и температура фиксированы, PV = постоянная (идеальный газ, постоянная температура).

Например, объем газа будет уменьшаться с увеличением давления. Если вы построите соотношение PV = константа на диаграмме PV , вы обнаружите гиперболу. На рисунке 2 показан график зависимости давления от объема. Гиперболы представляют поведение идеального газа при различных фиксированных температурах и называются изотермами . При более низких температурах кривые начинают меньше походить на гиперболы — газ ведет себя не идеально и может даже содержать жидкость. Существует критическая точка , то есть критическая температура , выше которой жидкость не может существовать.При достаточно высоком давлении выше критической точки газ будет иметь плотность жидкости, но не будет конденсироваться. Например, диоксид углерода нельзя сжижать при температуре выше 31,0 ° C. Критическое давление — это минимальное давление, необходимое для существования жидкости при критической температуре. В таблице 1 перечислены типичные критические температуры и давления.

Рисунок 2. Диаграммы PV . (а) Каждая кривая (изотерма) представляет соотношение между P и V при фиксированной температуре; верхние кривые — при более высоких температурах.Нижние кривые не являются гиперболами, потому что газ больше не является идеальным газом. (б) Расширенная часть диаграммы для низких температур, где фаза может переходить из газа в жидкость. Термин «пар» относится к газовой фазе, когда она существует при температуре ниже температуры кипения.

Таблица 1. Критические температуры и давления
Вещество Критическая температура Критическое давление
К ºC Па атм
Вода 647.4 374,3 22,12 × 10 6 219,0
Диоксид серы 430,7 157,6 7,88 × 10 6 78,0
Аммиак 405,5 132,4 11,28 × 10 6 111,7
Двуокись углерода 304,2 31,1 7,39 × 10 6 73.2
Кислород 154,8 −118,4 5,08 × 10 6 50,3
Азот 126,2 −146,9 3,39 × 10 6 33,6
Водород 33,3 −239,9 1,30 × 10 6 12,9
Гелий 5,3 −267,9 0,229 × 10 6 2.27

Фазовые диаграммы

Графики зависимости давления от температуры позволяют лучше понять термические свойства веществ. На этих графиках есть четко определенные области, которые соответствуют различным фазам вещества, поэтому графики PT называются фазовыми диаграммами . На рисунке 3 показана фазовая диаграмма для воды. Используя график, если вы знаете давление и температуру, вы можете определить фазу воды. Сплошные линии — границы между фазами — указывают температуры и давления, при которых фазы сосуществуют (то есть они существуют вместе в соотношениях, зависящих от давления и температуры).Например, температура кипения воды составляет 100ºC при 1,00 атм. По мере увеличения давления температура кипения постоянно повышается до 374ºC при давлении 218 атм. В скороварке (или даже в кастрюле с крышкой) пища готовится быстрее, потому что вода может существовать в виде жидкости при температуре выше 100 ° C, не выкипая. Кривая заканчивается в точке, называемой критической точкой , потому что при более высоких температурах жидкая фаза не существует ни при каком давлении. Критическая точка возникает при критической температуре, как вы можете видеть для воды из Таблицы 1.Критическая температура для кислорода составляет –118ºC, поэтому кислород не может сжижаться выше этой температуры.

Рисунок 3. Фазовая диаграмма (график PT ) для воды. Обратите внимание, что оси нелинейны, а график не в масштабе. Этот график упрощен — есть несколько других экзотических фаз льда при более высоких давлениях.

Точно так же кривая между твердой и жидкой областями на рисунке 3 показывает температуру плавления при различных давлениях. Например, температура плавления составляет 0ºC при 1.00 атм, как и ожидалось. Обратите внимание, что при фиксированной температуре вы можете изменить фазу с твердой (лед) на жидкую (вода), увеличив давление. Лед тает от давления в руках снежного кома. Из фазовой диаграммы также можно сказать, что температура таяния льда повышается с повышением давления. Когда автомобиль едет по снегу, повышенное давление в шинах тает снежинки; после этого вода снова замерзает и образует слой льда.

При достаточно низких давлениях жидкая фаза отсутствует, но вещество может существовать как в газообразном, так и в твердом виде.Для воды жидкая фаза отсутствует при давлениях ниже 0,00600 атм. Фазовый переход от твердого тела к газу называется сублимацией . Это объясняет большие потери снежного покрова, который никогда не попадает в реку, обычное автоматическое размораживание морозильника и процесс сублимационной сушки, применяемый ко многим продуктам. С другой стороны, углекислый газ сублимируется при стандартном атмосферном давлении 1 атм. (Твердая форма CO 2 известна как сухой лед, потому что он не тает. Вместо этого он переходит непосредственно из твердого состояния в газообразное.)

Все три кривые на фазовой диаграмме встречаются в одной точке, тройной точке , где все три фазы находятся в равновесии. Для воды тройная точка возникает при 273,16 K (0,01 ° C) и является более точной калибровочной температурой, чем точка плавления воды при 1,00 атм, или 273,15 K (0,0 ° C). См. Таблицу 2 для значений тройной точки для других веществ.

Равновесие

Жидкая и газовая фазы находятся в равновесии при температуре кипения. (См. Рисунок 4.) Если вещество находится в закрытом контейнере при температуре кипения, значит, жидкость кипит, а газ конденсируется с той же скоростью без чистого изменения их относительного количества. Молекулы в жидкости улетучиваются в виде газа с той же скоростью, с которой молекулы газа прилипают к жидкости или образуют капли и становятся частью жидкой фазы. Комбинация температуры и давления должна быть «правильной»; если температура и давление увеличиваются, равновесие сохраняется за счет того же увеличения скорости кипения и конденсации.

Рис. 4. Равновесие между жидкостью и газом при двух разных точках кипения внутри закрытого контейнера. (а) При таком сочетании температуры и давления скорости кипения и конденсации равны, поэтому жидкая и газовая фазы находятся в равновесии. (b) При более высокой температуре скорость кипения выше, и скорость, с которой молекулы покидают жидкость и входят в газ, также выше. Поскольку в газе больше молекул, давление газа выше и скорость, с которой молекулы газа конденсируются и попадают в жидкость, выше.В результате газ и жидкость находятся в равновесии при этой более высокой температуре.

Таблица 2. Температура и давление тройной точки
Вещество Температура Давление
К ºC Па атм
Вода 273,16 0,01 6,10 × 10 2 0,00600
Двуокись углерода 216.55 −56,60 5,16 × 10 5 5,11
Диоксид серы 197,68 −75,47 1,67 × 10 3 0,0167
Аммиак 195,40 −77,75 6,06 × 10 3 0,0600
Азот 63,18 −210,0 1,25 × 10 4 0.124
Кислород 54,36 −218,8 1,52 × 10 2 0,00151
Водород 13,84 −259,3 7,04 × 10 3 0,0697

Одним из примеров равновесия между жидкостью и газом является равновесие воды и пара при 100ºC и 1,00 атм. Эта температура является точкой кипения при таком давлении, поэтому они должны находиться в равновесии.Почему открытая кастрюля с водой при температуре 100ºC полностью выкипает? Газ, окружающий открытый горшок, — это не чистая вода: он смешан с воздухом. Если чистая вода и пар находятся в закрытом контейнере при температуре 100ºC и 1,00 атм, они будут сосуществовать, но с воздухом над горшком конденсируется меньше молекул воды, и вода закипает. А как насчет воды при 20,0ºC и 1,00 атм? Эта температура и давление соответствуют жидкой области, но открытый стакан с водой при этой температуре полностью испарится. Опять же, газ вокруг него — это воздух, а не чистый водяной пар, так что уменьшенная скорость испарения больше, чем скорость конденсации воды из сухого воздуха.Если стакан запломбирован, то жидкая фаза остается. Мы называем газовую фазу паром , когда она существует, как и для воды при 20,0ºC, при температуре ниже температуры кипения.

Проверьте свое понимание

Объясните, почему в стакане воды (или содовой) с кубиками льда сохраняется температура 0ºC даже в жаркий летний день.

Решение

Лед и жидкая вода находятся в тепловом равновесии, так что температура остается на уровне точки замерзания, пока лед остается в жидкости.(Когда весь лед растает, температура воды начнет повышаться.)

Давление паров, парциальное давление и закон Дальтона

Давление пара определяется как давление, при котором газ сосуществует с его твердой или жидкой фазой. Давление пара создается более быстрыми молекулами, которые отрываются от жидкости или твердого тела и переходят в газовую фазу. Давление пара вещества зависит как от вещества, так и от его температуры — повышение температуры увеличивает давление пара.

Парциальное давление определяется как давление, которое мог бы создать газ, если бы он занимал весь доступный объем. В смеси газов полное давление является суммой парциальных давлений составляющих газов , при условии идеального поведения газа и отсутствия химических реакций между компонентами. Этот закон известен как закон парциальных давлений Дальтона в честь предложившего его английского ученого Джона Далтона (1766–1844). Закон Дальтона основан на кинетической теории, согласно которой каждый газ создает свое давление за счет столкновений молекул, независимо от других присутствующих газов.Это согласуется с тем фактом, что давление увеличивается в соответствии с принципом Паскаля. Таким образом, вода испаряется, а лед сублимируется, когда давление их пара превышает парциальное давление водяного пара в окружающей смеси газов. Если их давление пара меньше, чем парциальное давление водяного пара в окружающем газе, образуются жидкие капли или кристаллы льда (иней).

Проверьте свое понимание

Участвует ли передача энергии в фазовом переходе? Если да, то нужно ли будет подавать энергию для перехода от твердой фазы к жидкости и жидкости к газу? А как насчет газа к жидкости и жидкости к твердому телу? Почему во Флориде поливают апельсиновые деревья водой, когда температура близка или чуть ниже нуля?

Решение

Да, передача энергии участвует в фазовом переходе.Мы знаем, что атомы и молекулы в твердых телах и жидкостях связаны друг с другом, потому что мы знаем, что для их разделения требуется сила. Таким образом, при фазовом переходе от твердого тела к жидкости и жидкости к газу должна быть приложена сила, возможно, путем столкновения, чтобы разделить атомы и молекулы. Сила, действующая на расстоянии, — это работа, и энергия необходима для того, чтобы совершить работу, чтобы перейти от твердого тела к жидкости и жидкости к газу. Это интуитивно согласуется с потребностью в энергии для таяния льда или кипячения воды. Обратное также верно.Переход от газа к жидкости или от жидкости к твердому телу включает в себя столкновение атомов и молекул, выполнение работы и высвобождение энергии.

Исследования PhET: состояния вещества — основы

Нагрейте, охладите и сожмите атомы и молекулы и наблюдайте, как они переходят из твердой, жидкой и газовой фаз.

Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

Сводка раздела

  • Большинство веществ имеет три отдельные фазы: газ, жидкость и твердое тело.
  • Фазовые изменения между различными фазами вещества зависят от температуры и давления.
  • Существование трех фаз по отношению к давлению и температуре можно описать на фазовой диаграмме.
  • Две фазы сосуществуют (т. Е. Находятся в тепловом равновесии) при заданном давлении и температуре. Они обозначены линией на фазовой диаграмме.
  • Три фазы сосуществуют при одном давлении и температуре. Это называется тройной точкой и описывается одной точкой на фазовой диаграмме.
  • Газ с температурой ниже точки кипения называется паром.
  • Давление пара — это давление, при котором газ сосуществует с твердой или жидкой фазой.
  • Парциальное давление — это давление, которое мог бы создать газ, если бы он существовал сам по себе.
  • Закон Дальтона гласит, что полное давление — это сумма парциальных давлений всех присутствующих газов.

Концептуальные вопросы

  1. В скороварке вода и пар находятся в равновесии под давлением, превышающим атмосферное. Как это большее давление увеличивает скорость приготовления?
  2. Почему конденсат быстрее всего образуется на самом холодном предмете в комнате — например, на стакане с ледяной водой?
  3. Какое давление паров твердой двуокиси углерода (сухого льда) при –78.5ºC?

    Рисунок 5. Фазовая диаграмма для диоксида углерода. Оси нелинейны, график не в масштабе. Сухой лед представляет собой твердый диоксид углерода и имеет температуру сублимации –78,5 ° C.

  4. Можно ли сжижать диоксид углерода при комнатной температуре (20ºC)? Если да, то как? Если нет, то почему? (См. Рисунок 5)
  5. Кислород нельзя сжижать при комнатной температуре, помещая его под достаточно большое давление, чтобы заставить его молекулы соединиться. Объясните, почему это так.
  6. В чем разница между газом и паром?

Глоссарий

PV диаграмма: график зависимости давления оттом

критическая точка: температура, выше которой жидкость не может существовать

критическая температура: температура, выше которой жидкость не может существовать

критическое давление: минимальное давление, необходимое для существования жидкости при критической температуре

пар: газ с температурой ниже температуры кипения

давление пара: давление, при котором газ сосуществует с его твердой или жидкой фазой

фазовая диаграмма: график зависимости давления оттемпература определенного вещества, показывающая, при каких давлениях и температурах возникают три фазы вещества

тройная точка: давление и температура, при которых вещество находится в равновесии как твердое тело, жидкость и газ

сублимация: фазовый переход из твердого состояния в газ

парциальное давление: давление, которое газ создал бы, если бы занимал весь доступный объем

Закон парциальных давлений Дальтона: физический закон, согласно которому полное давление газа является суммой парциальных давлений составляющих его газов

Фазовые диаграммы

Фазовые диаграммы


На рисунке ниже показан пример фазовой диаграммы , которая обобщает влияние температуры и давления на вещество в закрытой таре.Каждая точка на этой диаграмме представлена ​​возможная комбинация температуры и давления для система. Диаграмма разделена на три области, которые представляют твердое, жидкое и газовые состояния вещества.

Лучший способ запомнить, какая область соответствует каждому из этих состояний, — это запомнить условия температуры и давления, которые, скорее всего, связаны с твердое тело, жидкость и газ. Низкие температуры и высокое давление способствуют образованию твердый.С другой стороны, газы чаще всего встречаются при высоких температурах и низких температурах. давления. Жидкости находятся между этими крайностями.

Таким образом, вы можете проверить, правильно ли вы пометили фазовую диаграмму, нарисовав линия слева направо в верхней части диаграммы, что соответствует увеличению температура системы при постоянном давлении. Когда твердое тело нагревается при постоянном под давлением он плавится, образуя жидкость, которая в конечном итоге закипает, образуя газ.

Фазовые диаграммы можно использовать по-разному. Мы можем сосредоточиться на регионах, разделенных линий на этих диаграммах, и получите некоторое представление об условиях температуры и давление, которое с наибольшей вероятностью приведет к образованию газа, жидкости или твердого вещества. Мы также можем сосредоточиться на линии, разделяющие диаграмму на состояния, которые представляют собой комбинации температура и давление, при которых два состояния находятся в равновесии.

Точки на линии, соединяющие точки A, и B, в фазе. Диаграмма на рисунке выше представляет все комбинации температуры и давления при твердое тело находится в равновесии с газом.При этих температурах и давлениях скорость, с которой твердое вещество возгоняется с образованием газа, равна скорости, с которой газ конденсируется с образованием твердого вещества.

По линии AB :
скорость сублимации твердого вещества с образованием газа = скорость, с которой газ конденсируется с образованием твердого вещества

Сплошная линия между точками B и C идентична графику температурной зависимости пара. давление жидкости.Он содержит все комбинации температуры и давление, при котором жидкость закипает. В каждой точке на этой линии жидкость закипает до образуют газ, и с той же скоростью газ конденсируется с образованием жидкости.

Вдоль линии BC :
скорость, с которой жидкость закипает с образованием газа = скорость, с которой газ конденсируется с образованием жидкости

Сплошная линия между точками B и D содержит комбинации температура и давление, при которых твердое тело и жидкость находятся в равновесии.В каждой точке вдоль этой линии твердое вещество плавится с той же скоростью, с которой замерзает жидкость.

Вдоль линии BD :
скорость плавления твердого вещества с образованием жидкости = скорость, с которой жидкость замерзает с образованием твердого вещества

Линия BD почти вертикальна, потому что точка плавления твердого очень чувствителен к перепадам давления.Для большинства соединений эта линия имеет небольшой положительный наклон, как показано на рисунке выше. Наклон этой линии немного отрицательный для вода, однако. В результате вода может таять при температурах, близких к точке замерзания, когда подвергается давлению. Легкость, с которой фигуристы скользят по замерзшему пруду, может быть объясняется тем, что давление, оказываемое их коньками, плавит небольшую часть лед, лежащий под лезвиями.

Точка B на этой фазовой диаграмме представляет единственную комбинацию температур и давление, при котором чистое вещество может существовать одновременно как твердое тело, жидкость и газ.Поэтому она называется тройной точкой вещества, и представляет собой единственную точку на фазовой диаграмме, в которой все три состояния находятся в равновесие. Точка C — критическая точка вещества, которая является наивысшей температура и давление, при которых газ и жидкость могут сосуществовать в равновесии.

На рисунке ниже показано, что происходит, когда мы проводим горизонтальную линию через фазу. диаграмма при давлении ровно 1 атм. Эта линия пересекает линию между точками B и D при температуре плавления вещества, поскольку твердые вещества обычно плавятся при температуре температура, при которой твердое вещество и жидкость находятся в равновесии при давлении 1 атм.Линия пересекает линию между точками B и C в точке кипения вещества, потому что нормальная точка кипения жидкости — это температура, при которой жидкость и газ находятся в равновесии при давлении 1 атм и давлении пара жидкости поэтому равен 1 атм.

Что определяет фазы Луны? — Небо и телескоп

Прежде чем описывать фазы Луны, давайте опишем, чем они не являются.Некоторые люди ошибочно полагают, что фазы происходят от земной тени, отбрасываемой на Луну. Другие думают, что Луна меняет форму из-за облаков. Это распространенные заблуждения, но они не соответствуют действительности. Вместо этого фаза Луны зависит только от ее положения относительно Земли и Солнца.

Луна не излучает собственный свет, она просто отражает свет Солнца, как это делают все планеты. Солнце всегда освещает одну половину Луны. Поскольку Луна заблокирована приливом, мы всегда видим одну и ту же сторону от Земли, но не существует постоянной «темной стороны» Луны.«Солнце освещает разные стороны Луны, когда вращается вокруг Земли — это та часть Луны, от которой мы видим отраженный солнечный свет, который определяет лунную фазу.

Мы видим, как Луна каждый месяц проходит через цикл смены фаз из-за ее орбитального движения вокруг Земли и изменяющейся геометрии, с которой мы ее видим.
S&T: Ана Асевес

Фазы Луны

Новолуние происходит, когда Луна, Земля и Солнце лежат примерно на одной линии.Поскольку Солнце находится позади Луны с точки зрения Земли, сторона Луны, обращенная к Земле, темная.

В полнолуния три тела также лежат примерно на одной линии, но на этот раз Луна находится на противоположной стороне от Земли, поэтому Солнце освещает всю сторону, обращенную к нам.

В первой четверти и последней четверти Луна лежит на перпендикулярно линии между Землей и Солнцем. Мы видим ровно половину Луны, освещенную Солнцем — другая половина находится в тени.«Четверть», используемая для обозначения этих фаз, относится к соответствующей части орбиты, которую Луна завершила с момента новолуния.

Освещенная часть Луны постепенно переходит между этими фазами. Чтобы запомнить промежуточные фазы, вам необходимо понимать эти термины: полумесяц, полукруг, прибывающий, и убывающий, . Полумесяц относится к фазам, когда Луна освещена менее чем наполовину, в то время как полукруглая означает, что освещена более чем наполовину. Вощение означает «рост» или расширение освещения, а ослабление означает «уменьшение» или уменьшение освещенности.

После новолуния часть отраженного солнечного света становится видимой в виде прибывающего полумесяца . Лунный серп растет до первой четверти Луны. Поскольку освещенная солнцем часть Луны продолжает увеличиваться до более чем половины лица Луны, Луна превращается в прибывающих луны в . Затем, после полнолуния, доля солнечного света снова начинает уменьшаться (хотя она по-прежнему занимает больше половины лица Луны), чтобы сделать убывающей луны , а затем Луны в третьей четверти.Доля солнечного света продолжает уменьшаться, пока Луна не станет убывающим серпом , а затем новой Луной. Весь цикл (от новолуния до новолуния) занимает около 29,5 дней.

Если вам трудно вспомнить, в каком направлении идут фазы луны, просто подумайте: «белый справа, становится ярким!»

Перспектива для пинг-понга

Если держать белый шар на расстоянии вытянутой руки в направлении Луны, это показывает, как фазы Луны зависят от того, где находится Луна на небе по отношению к Солнцу. S&T: J. Kelly Beatty

Фазы Луны на самом деле связаны с орбитальным движением, и есть простое и забавное наблюдение, которое показывает, как они связаны. Все, что вам понадобится, это мяч для пинг-понга, чтобы имитировать Луну — на самом деле, подойдет любая маленькая белая сфера. Затем выйдите на улицу примерно за час до заката или примерно во время первой четверти Луны. Найдите Луну в южной части неба, затем держите мяч на расстоянии вытянутой руки прямо рядом с ней.

Вы увидите, что шар показывает точно такую ​​же фазу, что и Луна.Солнце освещает шар и Луну с одного и того же направления, и вы видите их частично освещенными солнцем и частично в тени, их яркие и темные части идеально имитируют друг друга. Если погода остается ясной, вы можете повторить это наблюдение в следующие несколько дней. Каждый день орбитальное движение Луны уносило ее все дальше на восток, и освещенная солнцем часть ее диска увеличивалась. Если вы поднесете мяч к Луне, то увидите, что ее «фаза» тоже сгустилась.

Чтобы предварительно увидеть появление Луны в грядущие дни, просто переместите шар дальше на восток.И если вы переместите его полностью так, чтобы ваша рука указывала низко в восточном небе, сторона шара, обращенная к вам, будет почти полностью освещена — так сказать, почти «полный мяч». И, конечно же, за день или два до полнолуния Луна низко висит в восточном небе незадолго до заката и почти полностью освещена.

Попробуйте!

Чтобы узнать, в какой фазе Луны сегодня вечером, попробуйте наш калькулятор фаз Луны. Обратите внимание, что фаза Луны одинакова для любого места на Земле, но наблюдатели в южном полушарии будут видеть Луну «вверх ногами» из северного полушария.

Ознакомьтесь с этой таблицей, если вы хотите знать оценку восхода и захода луны для каждой фазы. Имейте в виду, что это всего лишь приближение, предназначенное для руководства случайного наблюдателя, и нет поправки на дневное (или летнее) время. Точное местное время зависит от ряда факторов, включая часовой пояс, время года, форму горизонта, атмосферную рефракцию, среди прочего.

Фаза луны Восход луны Заход луны
Новолуние 6:00 a.м. 18:00
Растущий полумесяц 9:00 21:00
Первый квартал 12:00 12:00
Растущая луна 15:00 3:00 утра
Полнолуние 18:00 6:00 утра
Убывающая луна 9:00 п.м. 9:00
Последняя четверть 12:00 12:00
Убывающий полумесяц 3:00 утра 15:00
Новолуние 6:00 18:00

Сделайте еще один шаг вперед в своих исследованиях Луны с единственной картой, которая вам когда-либо понадобится: Полевая карта Луны.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *