Вещество изменяет свое состояние в зависимости от температуры и давления, переходя из твердого в жидкое, из жидкого в газообразное и наоборот. Принято выделять и четвертое состояние вещества - плазму, в которую переходят газы при очень высокой температуре и давлении. Переход из одного состояние в другое может сопровождаться изменением свободной энергии, плотности и других физических величин. Твердые тела спобосны сохранять объем и форму, жидкие - объем (форму принимают сосуда, в который налиты), газ не сохраняет ни форму, ни объем - стремится заполнить все возможное пространство. Существуют и аморфные тела - например, жидкости с очень небольшой текучестью и способностью сохранять форму. Переходы из одного состояния в другое называются термодинамическими фазами, основной характеристикой выступает температура. Так, переход из твердого состояния в жидкое называется температурой плавления, из жидкой в газообразную - температура испарения.

 Твёрдое тело

Твердые тела сохраняют форму и объём. При очень низких температурах все вещества становятся твердыми, с поправкой на давление - чем давление выше, тем ниже температура замерзания. Твёрдые тела делятся на кристаллические и аморфные. Молекулы или атомы в твердых телах совершают слабые колебания с небольшой амплитудой, в течение длительного времени сохраняют своё среднее положение неизменным.

Кристаллические твердые тела имеют строго упорядоченные средние положения атомов или молекул. Кристаллическая решетка - пространственная периодичность в расположении равновесных положений атомов, которая достигается наличием дальнего порядка. Естественная форма кристаллов — правильные многогранники.

Аморфные тела не имеют дальнего порядка у атомов, которые колеблются вокруг хаотически расположенных точек. От жидкостей отличаются ближним порядком атомов, при котором молекулы расположены согласованно на расстоянии, сравнимом с их размерами.

Устойчивым состоянием твёрдого тела (с минимумом потенциальной энергии)  считается кристаллическое. Частным случаем аморфного состояния является стеклообразное состояние. Аморфное тело находится в метастабильном состоянии и с течением времени должно перейти в кристаллическое состояние, однако время кристаллизации часто столь велико, что метастабильность вовсе не проявляется.

Аморфное тело можно рассматривать как жидкость с очень большой (часто бесконечно большой) вязкостью. Кристаллические твёрдые тела имеют анизотропные свойства, то есть их отклик на приложенные внешние силы зависит от ориентации сил относительно кристаллографических осей.

В твердотельном состоянии вещества могут иметь много фаз, которые отличаются составлением атомов или другими характеристиками, такими как упорядочение спинов в ферромагнетиках.


Жидкость


В жидком состоянии вещество сохраняет объём, но не сохраняет форму. Жидкость может занимать только часть объёма сосуда, может свободно перетекать по всей поверхности сосуда.

Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом. Поверхность жидких тел ведёт себя как упругая мембрана, благодаря чему вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает изменение формы (внутренних частей жидкого тела).

Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но между ними существует притяжение, достаточное, чтобы удержать их на близком расстоянии. Жидкое состояние определяется интервалом температур, с зависимостью от давления. Понижение температуры приводит к переходу в твёрдое состояние (кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние — стекло), повышение — в газообразное (испарение). 

Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию, исключения — это квантовые жидкости и жидкие кристаллы. Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза).

Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси. Жидкости могут выполнять функцию растворителей. Как и газ, жидкости тоже в основном изотропные.

Жидкие кристаллы - это жидкости с анизотропными свойствами. Кроме изотропной, так называемой нормальной фазы, эти вещества, мезогены, имеют одну или несколько упорядоченных термодинамических фаз, которые называют мезофазы. Составление в мезофазы происходит благодаря особой форме молекул жидких кристаллов. Обычно это длинные узкие молекулы, которым выгодно укладываться так, чтобы их оси совпадали.


Газ

Газообразное состояние не сохраняет ни форму, ни объём из-за малой плотности. Газ заполняет всё доступное пространство. Испарение - переход из жидкого в газообразное состояние. Конденсация - переход из газообразного состояния в жидкое, противоположно испарению. Сублимация - переход из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое.

Пар - это газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твердой фазы этого же вещества.

В газообразном состоянии вещества отдельные молекулы взаимодействуют слабо и движутся хаотически. Взаимодействие между молекулами газа сводится к спорадическим столкновениям. Кинетическая энергия молекул превышает потенциальную. Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. Газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности.

По химическим свойствам газы и их смеси весьма разнообразны — от малоактивных инертных газов до взрывчатых газовых смесей. Понятие «газ» иногда распространяют не только на совокупности атомов и молекул, но и на совокупности других частиц — фотонов, электронов, броуновских частиц, а также плазму.

Некоторые вещества не имеют газообразного состояния. Это вещества со сложным химическим строением, которые при повышении температуры распадаются вследствие химических реакций раньше, чем становятся газом. Не существует различных газообразных термодинамических фаз одного вещества.

Газы изотропны, то есть не меняют характеристик от направления воздействия.


Плазма


Плазма является частично или полностью ионизированным газом и в равновесном состоянии обычно возникает при высокой температуре, от нескольких тысяч К и выше. В земных условиях плазма образуется в газовых разрядах. Её свойства напоминают свойства газообразного состояния вещества, за исключением того факта, что для плазмы принципиальную роль играет электродинамика, то есть равноправной с ионами и электронами составляющей плазмы является электромагнитное поле.

Плазма — самое распространённое во Вселенной агрегатное состояние вещества. В этом состоянии находится вещество звёзд и вещество, наполняющее межпланетное, межзвёздное и межгалактическое пространство. Бо́льшая часть барионного вещества (по массе около 99,9 %) во Вселенной находится в состоянии плазмы.


Фазовый переход

При фазовом переходе первого рода скачкообразно изменяются самые главные, первичные экстенсивные параметры: удельный объём, количество запасённой внутренней энергии, концентрация компонентов и т. п. Фазовые переходы второго рода происходят в тех случаях, когда меняется симметрия строения вещества (симметрия может полностью исчезнуть или понизиться).

При незначительном нагреве твердого вещества молекулы увеличивают амплитуду колебаний - они лишь начинают «трястись» вокруг своей фиксированной позиции (чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний). При дальнейшем нагревании вещества молекулы расшатываются всё сильнее, пока, наконец, не срываются засчет нарушений дальнего и ближнего порядка. Это и есть плавление или таяние твердого вещества в жидкость.

Теплота плавления - это поступление энергии, необходимой для "таяния" вещества.

Переход точки плавления характеризуется фазой, когда дальнейшее повышение температуры не является необходимым, при этом фазовый переход уже начался. Поглощаемое тепло уходит на разрушение межмолекулярных связей. В качестве примера можно привести кубик льда в горячей воде.

Скрытая теплота плавления (испарения)) - это количество теплоты, необходимое для плавления (испарения) единицы объема твердого вещества или жидкости, измеряется в джоулях (Дж). Энергия, затрачиваемая на фазовый переход выше, чем затраченная на простое нагревание. Например, для нагревания 1 кг воды от 0°С до 100°С требуется «всего» 420 000 джоулей (Дж) тепловой энергии, а для испарения этой воды при сохранении температуры в 100°С, — 2 260 000 Дж.

1000 Осталось символов