Агрегатное состояние вещества¶
Агрегатное состояние — качественно однородная форма существования макроскопического объёма вещества, определяемая характером теплового движения его частиц и силами межчастичного взаимодействия. В классической физике различают четыре основных агрегатных состояния: твёрдое, жидкое, газообразное и плазменное; к отдельным формам также относят жидкие кристаллы, сверхтекучесть, сверхпроводимость и конденсаты Бозе — Эйнштейна.
¶Общие сведения
Агрегатное состояние определяется соотношением между кинетической энергией движения частиц и энергией их взаимодействия. При низких энергиях взаимодействие преобладает — вещество упорядочено и занимает определённый объём; при высоких энергиях кинетическое движение разрушает упорядоченность — вещество занимает весь доступный объём. Переход вещества из одного состояния в другое сопровождается поглощением или выделением энергии (теплотой фазового перехода) и изменением плотности, теплоёмкости, сжимаемости и других свойств.
¶Основные состояния
¶Твёрдое тело
Частицы (атомы, ионы или молекулы) расположены в узлах кристаллической решётки и колеблются около них. Твёрдое тело имеет определённый объём и форму, обладает упругостью. Различают кристаллические тела (упорядоченная решётка: металлы, алмаз, лёд) и аморфные (стекло, смолы), у которых упорядоченность есть только на коротких дистанциях.
¶Жидкость
Частицы подвижны, но остаются вблизи друг друга: вещество сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Сжимаемость мала. Молекулярное движение хаотично, ориентационного порядка нет.
¶Газ
Частицы движутся хаотично с большими скоростями, межчастичные расстояния велики, силы взаимодействия практически пренебрежимы. Газ не имеет ни объёма, ни формы, заполняет весь доступный сосуд, легко сжимается.
¶Плазма
Ионизированный газ, в котором положительно и отрицательно заряженные частицы существуют раздельно. Плазма электропроводна, реагирует на магнитные поля. Составляет основную часть видимой материи Вселенной (звёзды, межзвёздная среда), на Земле встречается в молниях, газоразрядных лампах, плазмотронах.
¶Фазовые переходы
Переход между агрегатными состояниями называется фазовым переходом. При постоянном давлении температура перехода остаётся неизменной — это температура плавления (твёрдое ↔ жидкое), кипения (жидкое ↔ газ) или сублимации (твёрдое ↔ газ). Обратный процесс — конденсация, кристаллизация, десублимация. Фазовые переходы I рода (плавление, кипение) сопровождаются поглощением или выделением скрытой теплоты и скачком плотности; переходы II рода (например, переход сверхпроводимости) — лишь изменением теплоёмкости и других производных термодинамического потенциала.
¶Диаграмма состояния
Соотношения между фазами вещества изображают диаграммой состояния (фазовой диаграммой), на которой по осям отложены давление и температура. Линии на диаграмме разделяют области существования фаз; тройная точка — единственная комбинация давления и температуры, при которой три фазы сосуществуют в равновесии. Для воды тройная точка соответствует 0,01 °C и 611,73 Па. Критическая точка — предельная точка, выше которой различие между жидкой и газообразной фазой исчезает (для воды: 374 °C и 22,1 МПа).
¶Переходы между состояниями
- Плавление и кристаллизация — переход твёрдого тела в жидкость и обратно.
- Испарение и конденсация — переход жидкости в пар и обратно; испарение возможно при любой температуре, кипение — при определённом давлении.
- Сублимация и десублимация — переход твёрдого тела непосредственно в газ и обратно (йод, сухой лёд, снег при низком давлении).
- Ионизация и рекомбинация — образование плазмы из газа и обратный процесс.
¶Особые состояния
- Жидкие кристаллы — состояние, сочетающее подвижность жидкости с частичной ориентационной упорядоченностью молекул; применяются в индикаторах и дисплеях.
- Сверхтекучесть — свойство жидких гелия-4 ниже 2,17 K проявлять нулевую вязкость.
- Сверхпроводимость — состояние некоторых металлов и сплавов при сверхнизких температурах с нулевым электрическим сопротивлением.
- Конденсат Бозе — Эйнштейна — квантовое состояние атомов при температурах, близких к абсолютному нулю, когда частицы занимают один и тот же квантовый уровень.
- Квантовая жидкость — жидкий гелий, проявляющий квантовые свойства на макроскопическом уровне.
¶Значение понятия
Понятие агрегатного состояния лежит в основе термодинамики, физической химии и материаловедения. Оно позволяет описывать поведение вещества в широком диапазоне условий — от криогенных температур до температур звёздных ядер, — и объясняет такие явления, как работа тепловых двигателей, поведение атмосферы, образование минералов и протекание химических реакций в разных фазах.
¶Источники
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том II. Термодинамика и молекулярная физика.
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1.
- Глазунов В. П. Термодинамика и статистическая физика.
- Периодическая таблица химических элементов и справочники по физическим свойствам веществ.