Агрегатное состояние

[thumb=left]https://mir-prekrasen.net/uploads/posts/2011-01/1294937479_2Fluessigkeit.svg.png[/img][img=left]https://mir-prekrasen.net/uploads/posts/2011-01/1294937444_3Feststoff.svg.png[/thumb] Серия из трех рисунков иллюстрирует изменение атомного строения трех агрегатных состояний: газа, жидкости и твердого тела Агрегaтний состояние – термодинамический состояние вещества, сильно отличный по своим физическим свойствам от других сословий этого же вещества. Переходы между агрегатными состояниями одной и той же вещества сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии, энтропии, плотности и других физических свойств. Как правило, среди агрегатных состояний выделяют твердое тело, жидкость, газ и плазму. Отличаются они, в первую очередь, характером движения молекул и порядком симметрии.
Термин «агрегатное состояние» довольно размыто, и часто очень огрубляет свойства вещества. Так, почти все вещества в твердом агрегатном состоянии могут иметь, в зависимости от давления и температуры, несколько разных термодинамических фаз. Отличие понятия агрегатного состояния вещества от термодинамического фазы заключается в выделенном выше слове «сильно». Как правило, требуется, чтобы агрегатные состояния «выглядели» сильно по-разному. Термодинамические же фазы могут отличаться «незаметными глазу» величинами, такими как теплоемкость, структура кристаллической решетки и т. д. Однако при аккуратном рассуждении рекомендуется говорить именно в терминах термодинамических фаз.
Три классические агрегатные состояния
Газ, жидкость и твердое тело составляют тройку известных с глубокой древности агрегатных состояний. Эти состояния свойственны для большинства веществ, которые встречаются человеку. Принципиальное отличие между ними в том, как они хранят или не сохраняют объем и форму.
Газ



Газообразное состояние характерно тем, что не сохраняет ни форму, ни объем. Он заполняет весь доступный объем и проникает в любые его закоулки. Это состояние, свойственный веществам с малой плотностью. Большинство веществ переходят в газообразное состояние с жидкого или твердого при повышении температуры. Переход из жидкого в газообразное состояние называют испарением, а противоположный ему переход из газообразного состояния в жидкое – конденсацией. Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое, называют сублимацией.
Некоторые вещества не имеют газообразного состояния. Это вещества со сложной химической строением, при повышении температуры распадаются вследствие химических реакций раньше, чем становятся газом.
С микроскопической точки зрения газ – это состояние вещества, в котором отдельные ее молекулы взаимодействие слабо и двигаются хаотически. Взаимодействие между ними сводится к спорадических столкновений. Кинетическая энергия молекул превышает потенциальную.
Газа свойственна изотропии, т.е. независимость характеристик от направления. Основном, в привычных для человека земных условиях, газ имеет одинаковую плотность в любой точке, однако это не является универсальным законом, во внешних полях, например в поле тяготения Земли, или в условиях различных температур плотность газа может меняться от точки к точке.
Не существует различных газообразных термодинамических фаз одного вещества.
Жидкость



В жидком состоянии вещество сохраняет объем, но не держит форму. Это означает, что жидкость может занимать только часть объема сосуда, но свободно перетекать и проникать, перетекать, во все ее закоулки. Жидкость, в отличие от газа имеет хорошо определенную поверхность. Для большинства веществ жидкость – промежуточное состояние между газом и твердым телом. Вещество переходит в жидкое состояние из твердого в результате процесса, который называется плавлением.
С микроскопической точки зрения молекулы жидкости сильно взаимодействуют между собой таким образом, что образуют связанное состояние, то есть агрегируются. Потенциальная энергия их притяжения больше, чем кинетическая энергия теплового движения. Однако, в отличие от твердого тела, молекулы жидкости достаточно подвижны, чтобы часто менять свое положение. Двигаясь, молекулы жидкости в любой момент имеют более или менее упорядоченное расположение, которое называют ближним порядком, однако, этот порядок не строгий, и на дальних расстояниях не сохраняется.
Как и газ, жидкости тоже большей частью изотропные. Однако, существуют жидкости из анизотропными свойствами – жидкие кристаллы. Кроме изотропной, так называемой нормальной фазы, эти вещества, мезогены, имеют одну или несколько благоустроенных термодинамических фаз, которые называют мезофазы.
Твердое тело



В твердотельном состоянии вещество сохраняет как форму, так и объем. При низких температурах почти все вещества замерзают – превращаются в твердые тела. Твердые тела делятся на кристаллические и аморфные.
С микроскопической точки зрения твердые тела характерны тем, что молекулы или атомы в них на протяжении долгого времени сохраняют свое среднее положение неизменным, только совершая колебания с небольшой амплитудой вокруг них. В кристаллах средние положения атомов или молекул строго упорядочены. Кристаллические тела сохраняют не только ближний, но и дальний порядок. В аморфных телах дальний порядок не сохраняется, как и в жидкостях.
Кристаллические твердые тела имеют анизотропные свойства, т.е. их отклик на приложенные внешние силы зависит от ориентации сил относительно кристаллических осей.
В твердотельном состоянии вещества могут иметь много фаз, отличающихся составлением атомов или иными характеристиками, такими как упорядочение спинов в ферромагнетиках.
Другие состояния
Плазма



Четвертым агрегатным состоянием вещества часто называют плазму. Плазма является частично или полностью йонизованим газом и в равновесном состоянии в основном возникает при высокой температуре, от нескольких тысяч кельвинов и выше. В земных условиях плазма образуется в газовых разрядах. В общем, ее свойства напоминают свойства газообразного состояния вещества, за исключением того факта, что для плазмы принципиальную роль играет электродинамика, т.е. равноправной с ионами и электронами составляющей плазмы является электромагнитное поле.
Плазма наиболее распространенный во Вселенной состояние вещества. В этом состоянии вещество звезд и межпланетного, межзвездной и межгалактического пространства.
Нейтронное состояние



Принципиально отличный от других состояние вещества, которое состоит только из нейтронов. В нейтронное состояние вещество переходит при сверхвысоком давлении, недостижимом пока в лаборатории, но Есть несколько внутри нейтронных звезд. При переходе в нейтронное состояние электроны вещества объединяются с протонами и превращаются на нейтроны. Для этого необходимо, чтобы силы гравитации сжали вещество настолько, чтобы преодолеть отталкивание электронов, обусловленное принципом Паули. В результате, в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть очень высокой (в энергетическом эквиваленте не больше сотни МэВ).
Кварк-глюонная плазма



При сильном повышении температуры (сотни МэВ и выше) в нейтронном состоянии начинают рождаться и аннигилировать разнообразные мезоны. При дальнейшем повышении температуры происходит деконфайнмент, и вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Оно состоит уже не из адронов, а из кварков и глюонов, постоянно рождаются и исчезают.
При дальнейшем неограниченном повышении давления без повышения температуры вещество коллапсирует в черную дыру. При одновременном повышении и температуры, до кварков и глюонов добавляются иные частицы. Что происходит с веществом (а точнее, с веществом + пространством-временем) при температурах, близких к планкивскои температуры, пока неизвестно.
Конденсат Бозе-Эйнштейна



При глубоком охлаждении газы некоторых (далеко не всех) веществ переходят в состояние бозе-конденсата. Некоторые другие вещества при низких температурах переходят в сверхпроводящее или сверхтекучее состояние. Будучи, безусловно являются отдельными термодинамическими фазами, этих состояний вряд ли стоит называть новыми агрегатными состояниями вещества через их неуниверсальности.
Вещества без определенного определенного агрегатного состояния
Неоднородные вещества типа паст, гелей, суспензий, аэрозолей и т. д., которые при определенных условиях демонстрируют свойства как твердых тел, так и жидкостей и даже газов, обычно относят к классу дисперсных материалов, а не к каким-либо конкретных агрегатных состояний вещества.
ПОЛИАГРЕГАТНИЙ – (рус. полиагрегатный, англ. Polyaggregate, нем. Polyaggregat) – тот, состоящий из веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях.