Агрегатні стани речовини

Коротко

• Тверде тіло зберігає форму й об’єм, рідина — тільки об’єм, газ не зберігає ні того, ні іншого.
• Плазма — іонізована речовина; у цьому стані перебуває, за різними оцінками, від 99 до 99,9 % баріонної речовини Всесвіту.
• Переходи між агрегатними станами — фазові переходи першого роду: стрибкоподібно змінюються густина, ентропія, енергія.
• Поза класичною четвіркою існують рідкі кристали, надкритичні рідини, конденсат Бозе — Ейнштейна, нейтронна речовина.

Лід, вода й пара — одна й та сама речовина, але поводяться вони зовсім по-різному. Цю різницю фізики описують поняттям агрегатного стану. Воно здається інтуїтивно зрозумілим, проте його межі доволі розмиті, і в строгих міркуваннях науковці частіше говорять про термодинамічні фази.

Тверде тіло

У твердому стані речовина зберігає і форму, і об’єм. Атоми чи молекули тривалий час займають одні й ті самі середні положення, лише коливаючись навколо них. У кристалах ці положення строго впорядковані, тож зберігається і ближній, і далекий порядок, а властивості залежать від напрямку (анізотропія). В аморфних тілах, як-от склі, далекого порядку немає.

Рідина

Рідина зберігає об’єм, але не форму: вона перетікає, заповнює закутки посудини й має чітку поверхню. Молекули сильно притягуються одна до одної, проте досить рухливі, щоб постійно змінювати положення. Тому в рідині є лише ближній порядок. Особливий випадок — рідкі кристали: вони течуть, але мають упорядковані фази й можуть, наприклад, поляризувати світло.

Газ

Газ не зберігає ні форми, ні об’єму й займає весь доступний простір. Молекули взаємодіють слабко, здебільшого лише стикаючись, і їхня кінетична енергія перевищує потенціальну. Нижче критичної температури газ називають парою. Якщо ж температура й тиск перевищують критичні значення, різниця між рідиною й газом зникає — виникає надкритичний флюїд. Надкритичний вуглекислий газ, наприклад, використовують для вилучення кофеїну з кави.

Плазма

Плазма — іонізований квазінейтральний стан, у якому електрони відірвані від ядер. У природі це зорі, туманності, іоносфера, у техніці — газові розряди, лампи, термоядерні установки. Плазма — найпоширеніший стан речовини у Всесвіті: у ній перебуває, за різними оцінками, від 99 до 99,9 % маси баріонної (звичайної) речовини.

Переходи між станами

Перехід	Назва
тверде → рідке	плавлення
рідке → тверде	кристалізація
рідке → газ	випаровування
газ → рідке	конденсація
тверде → газ	сублімація

Ці переходи належать до фазових переходів першого роду: стрибком змінюються густина, ентропія, вільна енергія, а для їх здійснення потрібна теплота плавлення чи випаровування.

Незвичайні стани

За дуже низьких температур деякі гази утворюють конденсат Бозе — Ейнштейна, інші речовини стають надпровідними чи надплинними. У надрах нейтронних зір за величезного тиску електрони зливаються з протонами, і речовина складається майже з самих нейтронів, маючи густину атомного ядра. Через неуніверсальність їх зазвичай розглядають як окремі термодинамічні фази, а не нові агрегатні стани.

Запитання

Чим агрегатний стан відрізняється від фази?

Фаза — ширше й точніше поняття. Одна речовина у твердому стані може мати кілька фаз з різною кристалічною ґраткою чи магнітним упорядкуванням, які на око не відрізнити. Агрегатними станами називають лише ті, що відрізняються дуже сильно: тверде, рідке, газоподібне, плазмове.

Чому плазму називають четвертим станом речовини?

У плазмі атоми іонізовані: електрони відірвані від ядер, тож речовина проводить струм і сильно реагує на електромагнітні поля. Між частинками діє далекосяжна кулонівська взаємодія, якої немає в газах. Чіткої межі переходу газу в плазму немає: іонізація зростає поступово з нагріванням.

Що таке сублімація?

Перехід речовини з твердого стану одразу в газоподібний, минаючи рідкий.

Див. також

• Азот Атомна маса — 14,007; молекула N₂ з потрійним зв’язком дуже міцна, тому за звичайних умов азот хімічно інертний.
• Ландау Лев Давидович У 1932–1937 роках очолював теоретичний відділ Українського фізико-технічного інституту в Харкові й створив там власну наукову школу.
• Бор Нільс Генрік Давид 1913 року запропонував модель атома водню зі стаціонарними орбітами й квантовими стрибками електрона.
• Розділ «Фізика» Механіка, оптика, електроніка, ядерна фізика та фізики.

Джерела

1. Агрегатний стан — Вікіпедія (українська)
2. State of matter — Wikipedia (англійська)

Статтю написано редакцією словника за наведеними джерелами; дати й факти звірено між ними. Якщо джерела розходяться, це сказано в тексті.