Агрэгатны стан

Агрэга́тны ста́н — стан рэчыва, які характарызуецца вызначанымі якаснымі ўласьцівасьцямі, як то здольнасьцю ці няздольнасьцю захоўваць аб’ём і форму, наяўнасьцю ці адсутнасьцю дальняга й бліжняга парадку й іншымі. Зьмяненьне агрэгатнага стану суправаджаецца скачкападобным зьмяненьнем свабоднай энэргіі, энтрапіі, шчыльнасьці й іншых асноўных фізычных уласьцівасьцяў. Агрэгатны стан ёсьць вынікам фазавага пераходу. У сучаснай фізыцы вылучаюць наступныя агрэгатныя станы: цьвёрдае цела, вадкасьць, газ і плязма; раней ім адпавядалі 4 стыхіі альбо першаэлемэнты, як то Зямля, Вада, Паветра й Агонь.

Цьвёрды й вадкі станы рэчыва адносяцца да кандэнсаваных станаў — атамы альбо малекулы рэчыва ў іх знаходзяцца настолькі шчыльна адзіна да аднаго, што яны няздольныя рухацца свабодна. Рэчыва ў газападобным стане мае як зьменны аб’ём, гэтак і форму, прыстасоўваючыся як да сваёй ёмістасьці. Ягоныя часьцінкі не знаходзяцца ані блізка адзін да аднаго, ані замацаваныя на месцы. Рэчыва ў плязмавым стане мае зьменны аб’ём і форму й утрымлівае нэўтральныя атамы, а таксама значную колькасьць іёнаў і электронаў, якія могуць свабодна перасоўвацца.

Зьмяненьні агрэгатнага стану ёсьць тэрмадынамічныя працэсы, якія зьяўляюцца фазавымі пераходамі. Выдзяляюць наступныя іхныя разнавіднасьці: зь цьвёрдага ў вадкі — плаўленьне; з вадкага ў газападобны — выпарэньне й кіпеньне; зь цьвёрдага ў газападобны — сублімацыя; з газападобнага ў вадкі ці цьвёрды — кандэнсацыя. Адметнай асаблівасьцю зьяўляецца адсутнасьць рэзкай граніцы пераходу да плязмавага стану.

Панятак агрэгатнага стану дастаткова ўмоўны, бо існуюць аморфныя целы, якія захоўваюць структуру вадкасьці й валодаюць невялікай цякучасьцю; высокаэлястычныя станы некаторых палімэраў, якія ўяўляюць нешта сярэдняе паміж шклоабразным і вадкім станам, вадкія крышталы й іншыя. Таксама існуюць плыўныя пераходы паміж некаторымі агрэгатнымі станамі. Зь іншага боку, варта адзначыць наяўнасьць некалькіх розных станаў цьвёрдых целаў, накшталт графіта, алмаза і вугля, якія адносяцца да аднаго агрэгатнага стану (алятрапія). Для апісаньня розных агрэгатных станаў у фізыцы часьцей выкарыстоўваецца больш шырокі панятак фазы.

Чатыры фундамэнтальныя станы

Цьвёрдае цела

Выява атамавай сетцы тытанату стронцу — цьвёрдага крышталічага цела. Больш яскравымі пазначаны атамы стронцу, а больш цёмныя — тытану.

У цьвёрдых целах часьцінкі, якія ўваходзяць у ягоны склад, як то іёны, атамы ці малекулы, шчыльна спакаваныя паміж сабой. Сілы паміж імі настолькі моцныя, што часьцінкі ня могуць свабодна рухацца, а могуць толькі вібраваць. У выніку цьвёрдае цела мае ўстойлівую, пэўную форму й займае пэўны аб’ём. Цьвёрдыя целы могуць зьмяняць сваю форму толькі пад узьдзеяньнем зьнешняй сілы, як то разрэз або разбурэньне.

У крышталічных цьвёрдых рэчывах часьцінкі скампанаваны ў рэгулярна ўпарадкаваны паўтаральны малюнак. Існуюць розныя крышталічныя структуры, і адное й тое ж рэчыва можа мець больш адной структуры альбо цьвёрдай фазы. Напрыклад, жалеза мае аб’емава-цэнтраваную кубічную крышталічную структуру пры тэмпэратуры ніжэй 912 °C і гранева-цэнтраваную кубічную крышталічную структуру пры тэмпэратуры паміж 912 і 1394 °C. Лёд мае пятнаццаць вядомых крыштальных структураў, альбо пятнаццаць цьвёрдых фазаў, якія існуюць пры розных тэмпэратурах і цісках^[1].

Шкло й іншыя некрышталічныя, аморфныя цьвёрдыя рэчывы без дальнага парадку не зьяўляюцца цеплавымі раўнаважнымі зямнымі станамі; таму яны апісваюцца ніжэй як неклясычны стан рэчываў.

Цьвёрдыя рэчывы могуць ператварацца ў вадкасьці шляхам плаўленьня, а вадкасьці могуць ператварацца ў цьвёрдыя рэчывы шляхам замарожваньня. Цвёрдыя рэчывы могуць таксама непасрэдна пераходзіць у газы ў працэсе сублімацыі, і газы могуць таксама зьмяняцца непасрэдна ў цьвёрдыя рэчывы шляхам дэсублімацыі.

Вадкасьць

Структура клясычнай аднатоннай вадкасьці. Атамы даволі шчыльна месьцяцца адносна адзін аднаго, аднак дальны парадак не назіраецца.

Вадкасьць ёсьць практычна невыціскальным флюідам, які адпавядае форме ёмістасьці, але захоўвае амаль сталы аб’ём, незалежны ад ціску. Аб’ём пэўны, калі тэмпэратура й ціск ёсьць сталымі. Калі цьвёрдае цела награваецца вышэй за ягоную тэмпэратуру плаўленьня, яно становіцца вадкім, улічваючы, што ціск вышэйшы за патроены пункт рэчыва. Міжмалекулярныя альбо міжатамныя сілы, альбо сілы, якія ўзьнікаюць паміж іёнамі, па-ранейшаму важныя, але ў малекулаў уласна хапае энэргіі, каб рухацца адносна адзін аднаго, таму іхная структура ёсьць рухомай. Гэта азначае, што форма вадкасьці ня пэўная, але вызначаецца ейнае ёмістасьцю. Аб’ём звычайна большы, чым у адпаведнага цьвёрдага рэчыва, найбольш вядомым выключэньнем з’яўляецца вада (H₂O). Самая высокая тэмпэратура, пры якой можа існаваць дадзеная вадкасьць, зьяўляецца ейнай крытычнай тэмпэратурай^[2].

Газападобны стан

Прамежкі паміж малекуламі газу вельмі вялікія. Яны маюць вельмі слабыя сувязі або зусім ня зьвязаныя паміж сабой. Малекулы ў газе могуць рухацца свабодна й хутка.

Газ ёсьць сьцісканым флюідам. Газ ня толькі будзе адпавядаць форме ёмістасьці, але й будзе пашырыцца, каб запоўніць яе. У газах малекулы маюць дастатковую кінэтычную энэргію, так што эфэкт міжмалекулярных сілаў невялікі альбо роўны нулю для ідэальнага газу, а тыповая адлегласьць паміж суседнімі малекуламі значна большая за памер малекулы. Вадкасьць можа ператварацца ў газ, награваючыся пры сталым ціску да тэмпэратуры кіпеньня, альбо калі ціск зьніжаецца пры сталай тэмпэратуры.

Пры тэмпэратуры ніжэй за крытычную тэмпэратуру, газ таксама называюць парай, і яго можна зваджваць шляхам сьціску самастойна без астуджэньня. Пара можа існаваць у раўнавазе з вадкасьцю (або цьвёрдым рэчывам); у гэтым выпадку ціск газу роўны ціску пары вадкасьці (або цьвёрдага рэчыва).

Звышкрытычная вадкасьць ёсьць газам, тэмпэратура й ціск якога вышэй за крытычную тэмпэратуру й крытычны ціск адпаведна. У гэтым стане адрозьненьне паміж вадкасьцю й газам зьнікае. Звышкрытычная вадкасьць валодае фізычнымі ўласьцівасьцямі газу, але ейная высокая шчыльнасьць у шэрагу выпадкаў надае ўласьцівасьці растваральніка, што прыводзіць да карыснага ўжытку на практыцы. Напрыклад, звышкрытычны вуглякіслы газ выкарыстоўваецца для здабываньня кофэіну пры вытворчасьці кавы без кафэіну^[3].

Плязма

У плязьме электроны вырываюцца з сваіх ядраў, утвараючы электроннае «мора». Гэта дазваляе плязьме праводзіць электраэнэргію.

Як і газ, плязма ня мае пэўнае формы або аб’ёму. У адрозьненьне ад газаў, плязмы зьяўляюцца электраправоднымі, вырабляюць магнітныя палі, электрычныя токі й моцна рэагуюць на электрамагнітныя сілы. Дадатна зараджаныя ядры плаваюць у «моры» свабодна перамяшчанных адмежаных электронаў, падобна таму, як зарады існуюць у токаправодным мэтале, такім чынам гэтае электроннае «мора» дазваляе рэчыву ў плязмавам стане праводзіць электрычнасьць.

Газ звычайна ператвараецца ў плязму адным з двух спосабаў. Напрыклад, гэта можа адбыцца празь велізарную розьніцу напругі паміж двума пунктамі, альбо пад узьдзеяньнем вельмі высокіх тэмпэратураў газу. Нагрэў рэчыва да высокіх тэмпэратураў прымушае электроны пакідаць атамы, што прыводзіць да стварэньня свабодных электронаў. Гэта прыводзіць да ўтварэньня гэтак званай часткова іянізаванай плязмы. Пры вельмі высокіх тэмпэратурах, прысутных у зорках, мяркуецца, што па сутнасьці ўсе электроны ёсьць свабоднымі, а вельмі высокая энэргія плязмы па сутнасьці зьяўляецца ядрамі, якія плаваюць у «моры» электронаў. Гэта ўтварае гэтак званую цалкам іянізаваную плязму.

Стан плязмы часта незразуметы, і хаця ён не існуе ў звычайных умовах на Зямлі, ён, як правіла, узьнікае альбо з маланкай, а таксама ўтрымліваецца ў флюарэсцэнтных і нэонавых агеньчыках, а таксама ў плязмавых тэлевізарах. Карона Сонца, некаторыя віды полымя й зоркі ёсьць усё прыкладамі асьветленага рэчыва ў плязмавым стане.

Крыніцы

^ M.A. Wahab (2005). «Solid State Physics: Structure and Properties of Materials». Alpha Science. — С. 1—3. — ISBN 978-1-84265-218-3.
^ F. White (2003). «Fluid Mechanics». McGraw-Hill. — С. 4. — ISBN 978-0-07-240217-9.
^ G. Turrell (1997). «Gas Dynamics: Theory and Applications». John Wiley & Sons. — С. 3—5. — ISBN 978-0-471-97573-1.

Вонкавыя спасылкі

Тры агрэгатныя станы. Lumen Learning (анг.).
Агрэгатны стан. Live Science (анг.).
Агрэгатны стан. Purdue University (анг.).
Агрэгатны стан. Chem4Kids (анг.).

[1] M.A. Wahab (2005). «Solid State Physics: Structure and Properties of Materials». Alpha Science. — С. 1—3. — ISBN 978-1-84265-218-3.

[2] F. White (2003). «Fluid Mechanics». McGraw-Hill. — С. 4. — ISBN 978-0-07-240217-9.

[3] G. Turrell (1997). «Gas Dynamics: Theory and Applications». John Wiley & Sons. — С. 3—5. — ISBN 978-0-471-97573-1.

[1]

[2]

[3]