Такие внешние факторы, как температура и давление, определяют агрегатные состояния вещества, к которым традиционно относят твёрдые тела, жидкости, газы, а также плазму. При изменении условий одна фаза может достаточно легко переходить в другую, и резкая граница у этого явления бывает не всегда, поэтому и определение состояния порой не является строгим.
Твёрдое тело
Твёрдое тело определяется характеристиками, отличающими его от других агрегатных состояний. К ним относятся:
- стабильность формы и объёма;
- характер теплового движения частиц (в течение продолжительного времени они сохраняют положения равновесия и совершают лишь малые колебания около него).
От внешних факторов зависит, в каких состояниях находится вещество, поэтому между последними существуют переходы. Твёрдое тело имеет следующие связи:
- при плавлении превращается в жидкость;
- при возгонке — в газ.
Необходимым условием обоих переходов является повышенная температура. В газообразное состояние переходят далеко не все вещества. Те, что характеризуются сложным строением, могут просто распасться при повышении температуры вследствие протекания химических реакций.
У твёрдых тел есть внутренняя классификация. Они делятся на следующие виды:
- Кристаллические. Назвать вещество кристаллом можно при наличии соответствующей решётки, то есть пространственной периодичности с упорядоченным взаимным расположением атомов и молекул, повторяющимся на неограниченно больших расстояниях. Естественная форма кристалла — правильный многогранник. Это наиболее устойчивый вид, характеризующийся минимумом потенциальной энергии, а также анизотропными свойствами.
- Аморфные. Этот класс веществ характеризуется колебанием атомов вокруг беспорядочно расположенных точек. При этом закономерность в расположении сохраняется только для соседних частиц. Иногда аморфное вещество представляют как жидкость с бесконечно большой вязкостью. Примером является стекло. Состояние является метастабильным, но его кристаллизация происходит не всегда.
Такие механические свойства, как твёрдость, пластичность, упругость, делают твёрдое тело прекрасным конструкционным материалом.
Жидкие вещества
Жидкое вещество обычно содержится в каком-либо сосуде. При этом оно может занимать только его часть, но перетекать по всей поверхности. Это объясняется тем, что жидкость имеет следующие свойства:
- сохраняет объём;
- неограниченно меняет форму под действием механических напряжений.
Поскольку её поверхность можно сравнить с упругой мембраной, тело собирается во временную форму (например, вода образует капли). Молекулы при этом не имеют определённого положения, но на близком расстоянии друг от друга их удерживает притяжение.
Жидкость — промежуточное состояние между твёрдым и газообразным. Её связи с ними следующие:
- при испарении (с помощью нагрева, уменьшения атмосферного давления или вакуумирования) превращается в газ;
- при замерзании — в твёрдое тело.
Переход между фазами обусловлен не только температурой, но и давлением.
Газы и плазма
Газообразные вещества характеризуются малой плотностью, поэтому заполняют весь доступный им объём и не сохраняют форму. Их молекулы движутся свободно и хаотически, имеют преобладающую над потенциальной кинетическую энергию, а слабые взаимодействия между ними сводятся к спорадическим столкновениям, сопровождающимся резким изменением характера перемещения.
Для газов характерны следующие фазовые переходы:
- при десублимации переходят в твёрдое состояние;
- при конденсации — в жидкое;
- при ионизации — в плазму.
Жидкое и газообразное состояния близки друг другу. Их отличия и сходства перечислены в таблице.
| Сходства | Отличия |
|---|---|
| Текучесть | Отсутствие фиксированного объёма |
| Сопротивляемость деформации | Неспособность к образованию свободной поверхности (стремление заполнить весь доступный объём) |
Химические свойства газов и их смесей варьируются от инертности до взрывчатости. Кроме того, для них характерна изотропия (одинаковость характеристик во всех направлениях).
Частично или полностью ионизированный при высокой температуре газ называется плазмой. Резкая граница перехода отсутствует, поэтому такую фазу не всегда считают одним из основных состояний. Зачастую указываются только 3 из них.
Свойства плазмы и газа сходны, однако четвёртым агрегатным состоянием её делают следующие отличия:
- очень высокая электрическая проводимость;
- несколько сортов частиц;
- возможность немаксвелловского распределения скоростей;
- коллективные взаимодействия частиц.
Плазма очень распространена во Вселенной. Она входит в состав следующих объектов:
- звёзды, существующие за счёт термоядерных реакций (в том числе Солнце);
- солнечный ветер;
- межпланетная среда;
- межзвёздное и межгалактическое пространство;
- туманности.
В земных условиях в природе она содержится в молниях, огнях святого Элмо, ионосфере, полярном сиянии, огне. Кроме того, её создают искусственно в следующих видах:
- вещество люминесцентных и неоновых ламп;
- электрическая дуга;
- плазменная лампа;
- мониторы и экраны телевизоров.
Плазма состоит из заряженных частиц (в первую очередь, свободных электронов, положительных и отрицательных ионов). Их подвижность делает её способной проводить электрический ток.
Более сложные состояния
Помимо основных состояний, в физике существуют и несколько более сложных фаз. Они делятся на следующие виды:
- низкотемпературные;
- высокоэнергетические;
- обусловленные большим давлением.
Низкотемпературные и высокоэнергетические
При температурах, близящихся к минимальному пределу, измеряемому менее, чем в миллионной доле Кельвина, у некоторых веществ проявляются особые способности. Например, жидкий гелий может протекать через узкие отверстия без трения. В таких условиях возникают новые агрегатные состояния, например:
- Бозе-эйнтштейновский конденсат — вещество, состоящее в основном из бозонов, у которого квантовые эффекты можно наблюдать невооружённым глазом.
- Фермионный конденсат — сверхпроводимое вещество, в чей состав входят атомы-фермионы (к примеру, кварки, лептоны, дырки).
- Вырожденный газ — вещество с одинаковыми частицами, свойства которого определяются эффектами квантовой механики.
- Сверхтекучее твёрдое тело — кристалл, обладающий нулевой вязкостью и другими свойствами текучей жидкости.
Энергия столкновения микрообъектов может быть существенно выше, чем их массы. Физике известны 2 высокоэнергетических состояния со следующими характеристиками:
- Глазма — плотная система линейных связанных полей, образующаяся при высокоскоростных столкновениях адронов между собой.
- Кварк-глюонная плазма — разрушенная материя, породившая множество беспорядочно движущихся частиц (предполагается, что именно в виде такой плазмы вещество Вселенной состояло в первые мгновения своего расширения).
Другие фазы
При сверхвысоком давлении, сжатии силами гравитации и не очень большой температуре отрицательно заряженные частицы вещества объединяются с положительными, и оно принимает нейтронное состояние.
Воспроизвести это в лабораторных условиях пока невозможно, но известно, что такая сердцевина содержится в нейтронных звёздах.
Ещё одной интересной формой вещества является тёмная материя, главная характеристика которой заключается в отсутствии испускания и взаимодействия с электромагнитным излучением. Из-за этого её непосредственное наблюдение, а также исследование природы и состава не представляется возможным, а существование обнаружено только благодаря имеющимся гравитационным эффектам.
Когда тело подвергают температуре и давлению выше конечной точки сосуществования фаз, оно превращается в сверхкритическую жидкость. В этом состоянии стирается разница между свойствами жидкого и газообразного веществ и приобретаются следующие характеристики:
- высокая плотность;
- низкая вязкость;
- неимение поверхностного натяжения.
Примерами таких веществ выступают сверхкритические вода и диоксид углерода. Они используются вместо заменителей органических растворителей в лабораториях и на производствах.
Знать все состояния вещества человечество пока что не может. Это легко проиллюстрировать на примере вырожденной материи.
Идеальный газ Ферми-Дирака (вещество звёзд, относящихся к Белым карликам) при сверхвысоком давлении приобретает состав из одних нейтронов, а при поднятии температуры становится кварк-глюонной плазмой. При дальнейшем увеличении давления тело сжимается в чёрную дыру. Однако, что произойдёт с ним при одновременном повышении этих параметров и достижении планковской температуры, учёным до сих пор неизвестно.
Таким образом, физические свойства окружающих человека тел, а тем более космических объектов, не ограничиваются тремя или четырьмя агрегатными состояниями. Их гораздо больше, что открывает огромное поле для исследований.
