Вещество может находиться в различных формах, называемых агрегатными состояниями. Наиболее привычные — твёрдое, жидкое и газообразное. Эти состояния различаются по характеру теплового движения частиц, их взаимодействию и распределению энергии.
В твёрдом теле частицы (атомы, молекулы или ионы) расположены в строго упорядоченной структуре — кристаллической решётке. Они совершают колебания около положений равновесия, но не перемещаются на большие расстояния. Именно это обеспечивает телу устойчивую форму и объём.
Особенности:
В аморфных телах (например, стекло) отсутствует дальний порядок: структура более хаотична, и переход в жидкое состояние не имеет чёткой температуры плавления.
Частицы в жидкости тесно связаны, но не имеют строго фиксированных положений. Они могут перемещаться, «перетекая» друг мимо друга, что придаёт жидкости текучесть.
Характерные свойства:
Жидкости обладают внутренним трением, которое характеризуется коэффициентом вязкости. На молекулярном уровне это объясняется взаимодействием молекул при их перемещении.
В газах частицы находятся на значительном расстоянии друг от друга и почти не взаимодействуют, за исключением упругих соударений. Движение хаотично и высокоскоростное.
Отличительные черты:
Важной характеристикой является средняя кинетическая энергия молекул, определяемая температурой:
$$ \left\langle \varepsilon \right\rangle = \frac{3}{2}kT $$
где k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура.
Плазма — ионизированное состояние вещества, при котором значительная часть атомов теряет электроны, образуя положительные ионы и свободные электроны. Плазма проявляет свойства как газа, так и проводника тока, реагирует на магнитные и электрические поля.
Основные черты:
Плазму принято делить на термодинамически равновесную (например, в звёздах) и неравновесную (например, в люминесцентных лампах), где температура электронов значительно превышает температуру ионов и нейтральных частиц.
Это состояние реализуется при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю. В нём значительная часть бозонов (частиц с целым спином) оказывается в основном квантовом состоянии. Такое вещество демонстрирует квантовые эффекты в макроскопических масштабах.
Физические особенности:
Бозе–Эйнштейновский конденсат впервые был получен экспериментально в 1995 году на ультрахолодных атомах рубидия.
Сверхтекучесть — состояние жидкости, в котором вязкость становится равной нулю. Это наблюдается, например, у жидкого гелия-4 ниже 2,17 K (точка λ-перехода). Жидкость может беспрепятственно течь по капиллярам и стенкам сосуда, не теряя энергии.
Сверхпроводимость — исчезновение электрического сопротивления в материале при охлаждении ниже критической температуры. Это также сопровождается вытеснением магнитного поля (эффект Мейснера).
Оба явления — макроскопические квантовые состояния, демонстрирующие коллективное поведение частиц.
Изменение агрегатного состояния происходит при определённых условиях температуры и давления и сопровождается либо поглощением, либо выделением энергии. Основные типы переходов:
Энергия, необходимая для фазового перехода без изменения температуры, называется удельной теплотой фазового перехода.
Фазовые переходы и устойчивость различных агрегатных состояний удобно представлять на фазовой диаграмме, где отображаются области существования твёрдой, жидкой и газовой фаз в координатах «давление – температура».
Ключевые элементы диаграммы:
В области выше критической точки находится сверхкритическая жидкость, обладающая свойствами как газа (заполняемость объёма), так и жидкости (высокая плотность и растворяющая способность).
Современная физика расширяет представление об агрегатных состояниях, включая такие формы, как:
Различие между агрегатными состояниями можно объяснить с позиций межмолекулярного взаимодействия и теплового движения. При увеличении температуры средняя кинетическая энергия частиц увеличивается, что приводит к преодолению потенциальных ям межмолекулярного взаимодействия и, как следствие, к переходу в более подвижное состояние.
Качественно это можно проиллюстрировать потенциальной кривой Леннард–Джонса, где:
Для количественного описания агрегатных состояний и переходов между ними применяются:
Агрегатные состояния вещества представляют собой фундаментальное проявление структуры и взаимодействия частиц, определяющее макроскопические свойства материалов и фазовые явления в природе.