Starea de agregare

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 14 iulie 2021; verificările necesită 16 modificări .

Starea agregată a materiei (din latină  aggrego „eu atașez”) - starea fizică a materiei, în funcție de combinația adecvată de temperatură și presiune . O schimbare a stării de agregare poate fi însoțită de o schimbare asemănătoare unui salt în energia liberă , entropia , densitatea și alte cantități fizice . [unu]

În mod tradițional, există trei stări de agregare: solidă , lichidă și gazoasă . Stările de agregare includ și plasma [2] , în care trec gazele cu creșterea temperaturii și o presiune fixă. O caracteristică distinctivă este absența unei granițe clare a tranziției la starea de plasmă. Există și alte stări de agregare.

Definițiile agregate ale stărilor nu sunt întotdeauna stricte. Deci, există corpuri amorfe care păstrează structura unui lichid și au puțină fluiditate și capacitatea de a păstra forma; Cristalele lichide sunt fluide, dar, în același timp, au unele proprietăți ale solidelor, în special, pot polariza radiația electromagnetică care trece prin ele .

Pentru a descrie diferite stări din fizică, se folosește conceptul mai larg de fază termodinamică . Fenomenele care descriu tranzițiile de la o fază la alta sunt numite fenomene critice .

Principalul semn termodinamic (fenomenologic) al diferenței dintre tipurile de stare agregată a unei substanțe este prezența unei limite de energie între faze: căldura de evaporare ca limită dintre lichid și vaporii acestuia și căldura de fuziune ca limita dintre solid și lichid [3] .

Patru stări de bază

Corp solid

În stare solidă, materia își păstrează atât forma, cât și volumul. La temperaturi scăzute, toate substanțele îngheață - se transformă în solide. Temperatura de solidificare poate fi crescută ușor prin creșterea presiunii. Solidele sunt împărțite în cristaline și amorfe. Din punct de vedere microscopic, solidele se caracterizează prin faptul că moleculele sau atomii din ele își păstrează neschimbată poziția medie pentru o lungă perioadă de timp, oscilând doar cu o amplitudine mică în jurul lor. În cristale, pozițiile medii ale atomilor sau moleculelor sunt strict ordonate. Cristalele se caracterizează prin periodicitate spațială în aranjarea pozițiilor de echilibru ale atomilor, care se realizează prin prezența unei ordine cu rază lungă și se numește rețea cristalină. Forma naturală a cristalelor este poliedrele regulate.

În corpurile amorfe, atomii vibrează în jurul unor puncte situate aleatoriu, le lipsește ordinea pe distanță lungă, dar păstrează ordinea pe distanță scurtă, în care moleculele sunt situate aproape la distanțe comparabile cu distanțele dintre atomi din molecule. Conform conceptelor clasice, o stare stabilă (cu un minim de energie potențială) a unui corp solid este cristalină. Un caz special al stării amorfe este starea sticloasă. Un corp amorf este într-o stare metastabilă și trebuie să treacă într-o stare cristalină în timp, cu toate acestea, timpul de cristalizare este atât de lung încât metastabilitatea nu se manifestă deloc. Un corp amorf poate fi considerat ca un lichid cu o vâscozitate foarte mare (adesea infinit de mare). Solidele cristaline au proprietăți anizotrope, adică răspunsul lor la forțele externe aplicate depinde de orientarea forțelor față de axele cristalografice. În stare solidă, substanțele pot avea multe faze care diferă ca structură sau alte caracteristici, cum ar fi ordonarea spinurilor în feromagneți.

Fluid

În stare lichidă, o substanță își păstrează volumul, dar nu își păstrează forma. Starea lichidă este de obicei considerată intermediară între un solid și un gaz. Forma corpurilor lichide poate fi determinată total sau parțial de faptul că suprafața lor se comportă ca o membrană elastică. Deci, apa se poate acumula în picături. Cu amestecare și o diferență de temperatură în interiorul lichidului și la suprafață, lichidul este capabil să curgă sub suprafața sa staționară. Moleculele unui lichid nu au o poziție definită, dar, în același timp, nu au libertate totală de mișcare. Există o atracție între ei, suficient de puternică încât să-i țină aproape. O substanță în stare lichidă există într-un anumit interval de temperatură, sub care trece în stare solidă (se produce cristalizarea sau transformarea în stare solidă amorfă - sticlă), deasupra - în stare gazoasă (se produce evaporarea). Limitele acestui interval depind de presiune. De regulă, o substanță în stare lichidă are o singură modificare. (Cele mai importante excepții sunt lichidele cuantice și cristalele lichide.) Prin urmare, în majoritatea cazurilor, lichidul nu este doar o stare de agregare, ci și o fază termodinamică (fază lichidă). Toate lichidele sunt de obicei împărțite în lichide pure și amestecuri. Unele amestecuri de lichide sunt de mare importanță pentru viață: sânge, apă de mare etc. Lichidele pot acționa ca solvenți. Ca și gazele, lichidele sunt, de asemenea, în mare parte izotrope. Cu toate acestea, există lichide cu proprietăți anizotrope - cristale lichide . Pe lângă faza izotropă, așa-numita normală, aceste substanțe, mezogene, au una sau mai multe faze termodinamice ordonate, care se numesc mezofaze . Compoziția în mezofază are loc datorită formei speciale a moleculelor de cristale lichide. De obicei, acestea sunt molecule lungi și înguste care beneficiază de a fi stivuite astfel încât axele lor să coincidă.

Gaz

Starea gazoasă se caracterizează prin faptul că nu păstrează nici formă, nici volum. Mai mult, umple întregul volum disponibil. Aceasta este o stare caracteristică substanțelor cu densitate scăzută. Trecerea de la starea lichidă la starea gazoasă se numește evaporare, iar trecerea opusă de la starea gazoasă la starea lichidă se numește condensare. Trecerea de la starea solidă la starea gazoasă, ocolind starea lichidă, se numește sublimare sau sublimare. Din punct de vedere microscopic, un gaz este o stare a materiei în care moleculele sale individuale interacționează slab și se mișcă aleatoriu. Interacțiunea dintre ele se reduce la ciocniri sporadice. Energia cinetică a moleculelor depășește potențialul. Ca și lichidele, gazele sunt fluide și rezistă la deformare. Spre deosebire de lichide, gazele nu au un volum fix și nu formează o suprafață liberă, dar tind să umple întregul volum disponibil (de exemplu, un vas). Proprietățile chimice ale gazelor și ale amestecurilor lor sunt foarte diverse - de la gaze inerte cu activitate scăzută la amestecuri de gaze explozive. Conceptul de „gaz” este uneori extins nu numai la agregatele de atomi și molecule, ci și la agregatele altor particule - fotoni, electroni, particule browniene și, de asemenea, plasmă. Unele substanțe nu au stare gazoasă. Acestea sunt substanțe cu o structură chimică complexă, care, atunci când temperatura crește, se descompun din cauza reacțiilor chimice înainte de a deveni gaz. Nu există faze termodinamice gazoase diferite ale unei substanțe. Gazele se caracterizează prin izotropie, adică independența caracteristicilor față de direcție. În condițiile pământești familiare oamenilor, gazul are aceeași densitate în orice punct, dar aceasta nu este o lege universală, în câmpurile externe, de exemplu, în câmpul gravitațional al Pământului, sau în condiții de temperaturi diferite, densitatea gazului poate varia de la punct la punct. Starea gazoasă a unei substanțe în condițiile în care existența unei faze lichide sau solide stabile a aceleiași substanțe se numește de obicei vapori.

Plasma

A patra stare de agregare a materiei este adesea numită plasmă. Plasma este un gaz parțial sau complet ionizat și în echilibru apare de obicei la o temperatură ridicată, de la câteva mii K [1] și mai sus. În condiții terestre, plasma se formează în descărcări de gaze. Proprietățile sale seamănă cu proprietățile stării gazoase a materiei, cu excepția faptului că electrodinamica joacă un rol fundamental pentru plasmă, adică câmpul electromagnetic este o componentă egală a plasmei cu ioni și electroni.

Plasma este cea mai comună stare a materiei din univers . În această stare se află materia stelelor și materia care umple spațiul interplanetar , interstelar și intergalactic . Majoritatea materiei barionice (aproximativ 99,9% din masă) din Univers se află în stare de plasmă. [4] .

Tranziție de fază

O tranziție de fază de-a lungul unei diagrame de fază cu o modificare a parametrilor săi intensi ( temperatura , presiunea etc.) are loc atunci când sistemul traversează linia care separă două faze. Deoarece diferite faze termodinamice sunt descrise prin diferite ecuații de stare , este întotdeauna posibil să găsim o mărime care se modifică brusc în timpul unei tranziții de fază.

În timpul unei tranziții de fază de primul fel , cei mai importanți parametri extensivi primari se modifică brusc : volumul specific , cantitatea de energie internă stocată , concentrația componentelor etc. Tranzițiile de fază de al doilea fel apar în cazurile în care simetria structurii o substanță se schimbă ( simetria poate să dispară sau să scadă complet).

Stări de temperatură scăzută

Superfluiditate

Capacitatea unei substanțe într-o stare specială ( lichid cuantic ), care apare atunci când temperatura scade la zero absolut ( fază termodinamică ), de a curge prin fante înguste și capilare fără frecare . Până de curând, superfluiditatea era cunoscută doar în heliul lichid , totuși, în ultimii ani, superfluiditatea a fost descoperită și în alte sisteme: în condensate atomice rarefiate de Bose , heliu solid .

Superfluiditatea este explicată după cum urmează. Deoarece atomii de heliu sunt bosoni , mecanica cuantică permite ca un număr arbitrar de particule să fie în aceeași stare. Aproape de zero absolut, toți atomii de heliu sunt în starea de energie fundamentală. Deoarece energia stărilor este discretă, un atom poate primi nu orice energie, ci doar una care este egală cu decalajul de energie dintre nivelurile de energie adiacente. Dar la temperaturi scăzute , energia de coliziune poate fi mai mică decât această valoare, drept urmare disiparea energiei pur și simplu nu va avea loc. Fluidul va curge fără frecare.

Condens Bose-Einstein

Se obține prin răcirea gazului Bose la temperaturi apropiate de zero absolut. Într-o stare atât de puternic răcită, un număr suficient de mare de atomi se află în stările lor cuantice minime posibile, iar efectele cuantice încep să se manifeste la nivel macroscopic. Condensul Bose-Einstein prezintă o serie de proprietăți cuantice, cum ar fi superfluiditatea și rezonanța Feshbach .

Condens Fermionic

Este o condensare Bose în modul BCS de „perechi atomice Cooper” în gaze formate din atomi de fermion . (Spre deosebire de modul tradițional de condensare Bose-Einstein a bosonilor compuși).

Astfel de condensați atomici fermionici sunt „rude” ale supraconductorilor, dar cu o temperatură critică de ordinul temperaturii camerei și mai mult. [5]

Gaz degenerat

Un gaz ale cărui proprietăți sunt afectate semnificativ de efectele mecanice cuantice care decurg din identitatea particulelor sale. Degenerarea are loc în condițiile în care distanțele dintre particulele de gaz devin proporționale cu lungimea de undă de Broglie ; în funcție de spinul particulelor, se disting două tipuri de gaze degenerate - gazul Fermi format din fermioni (particule cu spin semiîntreg) și gazul Bose format din bozoni (particule cu spin întreg).

Solid superfluid

Faza termodinamică a unui lichid cuantic , care este un corp solid cu proprietățile unui lichid superfluid .

Stări de înaltă energie

Glasma

Starea câmpului hadronic [6] care precede plasma cuarc-gluon în ciocniri . Constă din tuburi de curent colorate. [7] Glasma este o caracteristică a modelului teoretic al condensatului de sticlă colorată , o  abordare pentru a descrie interacțiunea puternică la densități mari [8] .

Glazma se formează atunci când hadronii se ciocnesc între ei (de exemplu, protoni cu protoni, ioni cu ioni, ioni cu protoni). De asemenea, se crede că, în evoluția Universului , starea glasma a precedat plasma de quarc-gluon, care a existat în primele milionimi de secundă imediat după Big Bang . Durata de viață a glasmei este de câteva octo secunde [9] .

Plasmă cuarc-gluon

O stare a materiei în fizica de înaltă energie și a particulelor , în care materia hadronică intră într-o stare similară cu cea a electronilor și ionilor din plasma obișnuită . Este precedat de starea ochiului [10] (ochiul este termicizat, adică distrus, dând naștere la mulți quarci , antiquarci și gluoni care se mișcă aleatoriu : plasmă cuarc-gluon [11] ).

Stări de înaltă presiune

Starea neutronilor

O stare fundamental diferită a materiei, constând doar din neutroni. Materia trece în stare de neutroni la presiune ultraînaltă, care nu este încă disponibilă în laborator, dar care există în interiorul stelelor neutronice. În timpul tranziției la starea neutronică, electronii materiei se combină cu protoni și se transformă în neutroni. Acest lucru necesită ca forțele gravitației să comprima materia suficient pentru a depăși repulsia electronilor datorită principiului Pauli . Ca urmare, în starea de neutroni, materia este formată în întregime din neutroni și are o densitate de ordinul nuclearului. Temperatura substanței în acest caz nu ar trebui să fie foarte mare (în echivalent de energie, variind de la sute de MeV).

Alte state

Materia întunecată

O formă de materie care nu emite și nu interacționează cu radiații electromagnetice . Această proprietate a acestei forme de materie face imposibilă observarea directă a acesteia . Cu toate acestea, este posibil să se detecteze prezența materiei întunecate din efectele gravitaționale pe care le creează .

Descoperirea naturii materiei întunecate va ajuta la rezolvarea problemei masei ascunse , care, în special, constă în viteza anormal de mare de rotație a regiunilor exterioare ale galaxiilor .

Fluid supercritic

O stare a materiei în care dispare distincția dintre faza lichidă și cea gazoasă. Orice substanță la o temperatură și presiune peste punctul critic este un fluid supercritic. Proprietățile unei substanțe în stare supercritică sunt intermediare între proprietățile sale în faza gazoasă și lichidă. Astfel, SCF are o densitate mare, apropiată de un lichid, vâscozitate scăzută, iar în absența limitelor interfaciale dispare și tensiunea superficială. Coeficientul de difuzie în acest caz are o valoare intermediară între lichid și gaz. Substanțele în stare supercritică pot fi utilizate ca înlocuitori pentru solvenții organici în procesele de laborator și industriale. Apa supercritică și dioxidul de carbon supercritic au primit cel mai mare interes și distribuție în legătură cu anumite proprietăți.

Materie degenerată

Vezi și

Note

  1. ↑ 1 2 Stări agregate ale materiei // A - Engob. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1969. - ( Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / redactor-șef A. M. Prokhorov  ; 1969-1978, vol. 1).
  2. ↑ Stări agregate // Enciclopedia fizică  : [în 5 volume] / Cap. ed. A. M. Prohorov . - M . : Enciclopedia Sovietică (vol. 1-2); Marea Enciclopedie Rusă (vol. 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
  3. ↑ Belokon, N.I. Principii de bază ale termodinamicii, 1968. - P. 25.
  4. ↑ Vladimir Zhdanov. Plasma în spațiu . În jurul lumii . Preluat la 21 februarie 2009. Arhivat din original la 22 august 2011.
  5. ↑ „Condens Fermionic” (link inaccesibil) . stiintific.ru. Consultat la 16 iunie 2010. Arhivat din original pe 9 august 2011. 
  6. ↑ C. Fuchs, H. Lenske, H. H. Wolter. Teoria câmpului hadronului dependent de densitate . arxiv.org (29.06.1995). Consultat la 30 noiembrie 2012. Arhivat din original pe 16 noiembrie 2017.
  7. ↑ I. M. Dremin, A. V. Leonidov. Quark-Gluon Medium P. 1172. Progrese în științe fizice (noiembrie 2010). doi : 10.3367/UFNr.0180.201011c.1167 . UFN 180 1167–1196 (2010). Data accesului: 29 martie 2013. Arhivat din original pe 5 aprilie 2013.
  8. ↑ Teoreticienii comentează pentru prima dată descoperirea recentă a CMS . Data accesului: 4 februarie 2015. Arhivat din original pe 4 februarie 2015.
  9. ↑ Igor Ivanov. Cum au împărțit momentul . Elementy.ru (29.06.2009). Consultat la 29 noiembrie 2012. Arhivat din original pe 8 decembrie 2012.
  10. ↑ V.L. Mic de statura. Explozie de materie nucleară fierbinte S. 6. old.sinp.msu.ru. Data accesului: 29 martie 2013. Arhivat din original pe 5 aprilie 2013.
  11. ↑ Explorarea coliziunilor nucleare . Elements.ru . Consultat la 30 octombrie 2013. Arhivat din original la 30 octombrie 2013.
  12. ↑ Topirea nucleelor ​​atomice are loc în două etape? . Consultat la 1 februarie 2008. Arhivat din original pe 21 ianuarie 2015.

Literatură

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice