Aggregeringstillstånd

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 14 juli 2021; kontroller kräver 16 redigeringar .

Aggregat tillstånd av materia (från latin  aggrego "jag fäster") - det fysiska tillståndet av materia, beroende på lämplig kombination av temperatur och tryck . En förändring i tillståndet av aggregering kan åtföljas av en hoppliknande förändring i fri energi , entropi , densitet och andra fysiska storheter . [ett]

Traditionellt finns det tre aggregationstillstånd: fast , flytande och gasformig . Aggregeringstillstånden inkluderar även plasma [2] , in i vilken gaser passerar med en ökning av temperaturen och ett fast tryck. Ett särdrag är frånvaron av en skarp gräns för övergången till plasmatillståndet. Det finns andra aggregationstillstånd.

Definitioner av aggregerade tillstånd är inte alltid strikta. Så det finns amorfa kroppar som behåller strukturen hos en vätska och har liten flytbarhet och förmåga att behålla formen; flytande kristaller är flytande, men samtidigt har de vissa egenskaper hos fasta ämnen, i synnerhet kan de polarisera elektromagnetisk strålning som passerar genom dem .

För att beskriva olika tillstånd i fysiken används det bredare begreppet termodynamisk fas . Fenomen som beskriver övergångar från en fas till en annan kallas kritiska fenomen .

Det huvudsakliga termodynamiska (fenomenologiska) tecknet på skillnaden i typerna av aggregattillstånd för ett ämne är närvaron av en energigräns mellan faserna: förångningsvärmet som gränsen mellan vätskan och dess ånga och fusionsvärmet som gränsen mellan det fasta och vätskan [3] .

Fyra grundläggande tillstånd

Solid kropp

I fast tillstånd behåller materia både form och volym. Vid låga temperaturer fryser alla ämnen - förvandlas till fasta ämnen. Stelningstemperaturen kan ökas något genom att öka trycket. Fasta ämnen delas in i kristallina och amorfa. Ur mikroskopisk synvinkel kännetecknas fasta ämnen av det faktum att molekylerna eller atomerna i dem behåller sin genomsnittliga position oförändrad under lång tid, endast oscillerar med en liten amplitud runt dem. I kristaller är medelpositionerna för atomer eller molekyler strikt ordnade. Kristaller kännetecknas av rumslig periodicitet i arrangemanget av atomernas jämviktspositioner, vilket uppnås genom närvaron av en långvägsordning och kallas kristallgittret. Kristallernas naturliga form är vanliga polyeder.

I amorfa kroppar vibrerar atomer runt slumpmässigt placerade punkter, de saknar långvägsordning, men behåller kortdistansordning, där molekylerna ligger tätt på avstånd som är jämförbara med avstånden mellan atomer i molekyler. Enligt klassiska begrepp är ett stabilt tillstånd (med ett minimum av potentiell energi) hos en fast kropp kristallint. Ett specialfall av det amorfa tillståndet är det glasartade tillståndet. En amorf kropp är i ett metastabilt tillstånd och måste övergå i ett kristallint tillstånd med tiden, dock är kristallisationstiden så lång att metastabiliteten inte visar sig alls. En amorf kropp kan betraktas som en vätska med mycket hög (ofta oändligt hög) viskositet. Kristallina fasta ämnen har anisotropa egenskaper, det vill säga deras svar på applicerade yttre krafter beror på orienteringen av krafterna i förhållande till de kristallografiska axlarna. I det fasta tillståndet kan ämnen ha många faser som skiljer sig åt i struktur eller andra egenskaper, såsom ordningen av spinn i ferromagneter.

Fluid

I flytande tillstånd behåller ett ämne volym, men behåller inte sin form. Det flytande tillståndet anses vanligtvis vara mellanliggande mellan ett fast ämne och en gas. Formen på flytande kroppar kan helt eller delvis bestämmas av att deras yta beter sig som ett elastiskt membran. Så vatten kan samlas i droppar. Med blandning och en skillnad i temperatur inuti vätskan och på ytan kan vätskan rinna under sin stationära yta. Molekylerna i en vätska har inte en bestämd position, men samtidigt har de inte fullständig rörelsefrihet. Det finns en attraktion mellan dem, stark nog att hålla dem nära. Ett ämne i flytande tillstånd finns i ett visst temperaturområde, under vilket det övergår i ett fast tillstånd (kristallisation sker eller omvandling till ett fast amorft tillstånd - glas), ovanför - till ett gasformigt tillstånd (avdunstning sker). Gränserna för detta intervall beror på trycket. Som regel har ett ämne i flytande tillstånd endast en modifiering. (De viktigaste undantagen är kvantvätskor och flytande kristaller.) Därför är vätskan i de flesta fall inte bara ett aggregationstillstånd, utan också en termodynamisk fas (vätskefas). Alla vätskor brukar delas in i rena vätskor och blandningar. Vissa blandningar av vätskor har stor betydelse för livet: blod, havsvatten etc. Vätskor kan fungera som lösningsmedel. Liksom gas är vätskor också mestadels isotropa. Det finns dock vätskor med anisotropa egenskaper - flytande kristaller . Förutom den isotropa, så kallade normala fasen, har dessa ämnen, mesogener, en eller flera ordnade termodynamiska faser, som kallas mesofaser . Sammansättning till mesofas uppstår på grund av den speciella formen av flytande kristallmolekyler. Vanligtvis är dessa långa, smala molekyler som tjänar på att staplas så att deras axlar sammanfaller.

Gas

Det gasformiga tillståndet kännetecknas av att det inte bibehåller vare sig form eller volym. Dessutom fyller den hela den tillgängliga volymen. Detta är ett tillstånd som är karakteristiskt för ämnen med låg densitet. Övergången från flytande till gasform kallas förångning, och den motsatta övergången från gasform till flytande kallas kondensation. Övergången från ett fast tillstånd till ett gasformigt tillstånd, förbi det flytande tillståndet, kallas sublimering eller sublimering. Ur mikroskopisk synvinkel är en gas ett materiatillstånd där dess individuella molekyler interagerar svagt och rör sig slumpmässigt. Interaktion mellan dem reduceras till sporadiska sammandrabbningar. Molekylernas kinetiska energi överstiger potentialen. Precis som vätskor är gaser flytande och motstår deformation. Till skillnad från vätskor har gaser inte en fast volym och bildar inte en fri yta, utan tenderar att fylla hela den tillgängliga volymen (till exempel ett kärl). De kemiska egenskaperna hos gaser och deras blandningar är mycket olika - från lågaktiva inerta gaser till explosiva gasblandningar. Begreppet "gas" utvidgas ibland inte bara till aggregat av atomer och molekyler, utan också till aggregat av andra partiklar - fotoner, elektroner, Brownska partiklar och även plasma. Vissa ämnen har inte ett gasformigt tillstånd. Det är ämnen med en komplex kemisk struktur, som, när temperaturen stiger, sönderdelas på grund av kemiska reaktioner innan de blir en gas. Det finns inga olika gasformiga termodynamiska faser av ett ämne. Gaser kännetecknas av isotropi, det vill säga oberoendet av egenskaper från riktning. Under jordiska förhållanden som är bekanta för människor har gas samma densitet när som helst, men detta är inte en universell lag, i yttre fält, till exempel i jordens gravitationsfält, eller under förhållanden med olika temperaturer kan gasdensiteten variera från punkt till punkt. Ett ämnes gasformiga tillstånd under förhållanden där förekomsten av en stabil flytande eller fast fas av samma ämne brukar kallas ånga.

Plasma

Det fjärde tillståndet av aggregation av materia kallas ofta plasma. Plasma är en delvis eller helt joniserad gas och i jämvikt sker vanligtvis vid en hög temperatur, från flera tusen K [1] och uppåt. Under markförhållanden bildas plasma i gasutsläpp. Dess egenskaper liknar egenskaperna hos materiens gasformiga tillstånd, förutom det faktum att elektrodynamik spelar en grundläggande roll för plasma, det vill säga det elektromagnetiska fältet är en lika stor komponent av plasma med joner och elektroner.

Plasma är det vanligaste materiatillståndet i universum . I detta tillstånd är frågan om stjärnor och den materia som fyller det interplanetära , interstellära och intergalaktiska rymden . Det mesta av baryonmateria (cirka 99,9 viktprocent) i universum är i plasmatillstånd. [4] .

Fasövergång

En fasövergång längs ett fasdiagram med en förändring av dess intensiva parametrar ( temperatur , tryck , etc.) inträffar när systemet korsar linjen som separerar två faser. Eftersom olika termodynamiska faser beskrivs av olika tillståndsekvationer , är det alltid möjligt att hitta en kvantitet som förändras abrupt under en fasövergång.

Under en fasövergång av det första slaget ändras de viktigaste, primära omfattande parametrarna abrupt : specifik volym , mängd lagrad intern energi , koncentration av komponenter, etc. Fasövergångar av det andra slaget inträffar i fall där strukturens symmetri av ett ämne förändras ( symmetri kan helt försvinna eller minska).

Låg temperaturtillstånd

Superfluidity

Förmågan hos ett ämne i ett speciellt tillstånd ( kvantvätska ), som uppstår när temperaturen sjunker till absolut noll ( termodynamisk fas ), att strömma genom smala slitsar och kapillärer utan friktion . Fram till nyligen var superfluiditet endast känd i flytande helium , men under de senaste åren har superfluiditet också upptäckts i andra system: i försålda atomära Bose-kondensat , fast helium .

Superfluiditet förklaras enligt följande. Eftersom heliumatomer är bosoner tillåter kvantmekaniken att ett godtyckligt antal partiklar är i samma tillstånd. Nära absoluta nolltemperaturer är alla heliumatomer i markenergitillståndet. Eftersom energin i tillstånden är diskret kan en atom inte ta emot någon energi, utan bara en som är lika med energigapet mellan intilliggande energinivåer. Men vid låga temperaturer kan kollisionsenergin vara mindre än detta värde, vilket leder till att energiförlust helt enkelt inte kommer att inträffa. Vätskan kommer att flöda utan friktion.

Bose-Einstein-kondensat

Det erhålls genom att kyla Bose-gasen till temperaturer nära absolut noll. I ett så starkt kylt tillstånd befinner sig ett tillräckligt stort antal atomer i sina minsta möjliga kvanttillstånd, och kvanteffekter börjar manifestera sig på makroskopisk nivå. Bose-Einstein-kondensatet uppvisar ett antal kvantegenskaper som superfluiditet och Feshbach-resonans .

Fermioniskt kondensat

Det är en Bose-kondensation i BCS -läget av "atomic Cooper-par" i gaser som består av fermionatomer . (Till skillnad från det traditionella sättet för Bose-Einstein-kondensering av sammansatta bosoner).

Sådana fermioniska atomkondensat är "släktingar" till supraledare, men med en kritisk temperatur i storleksordningen rumstemperatur och högre. [5]

Degenererad gas

En gas vars egenskaper påverkas avsevärt av kvantmekaniska effekter som uppstår från dess partiklars identitet. Degeneration uppstår under förhållanden när avstånden mellan gaspartiklar blir proportionerliga med de Broglie-våglängden ; beroende på partiklarnas spinn särskiljs två typer av degenererade gaser - Fermi-gasen som bildas av fermioner (partiklar med halvheltalsspin) och Bose-gasen som bildas av bosoner (partiklar med heltalsspinn).

Superfluid fast

Den termodynamiska fasen av en kvantvätska , som är en fast kropp med egenskaperna hos en superfluid vätska .

Högenergitillstånd

Glasma

Tillståndet för det hadroniska fältet [6] som föregår kvark-gluonplasman vid kollisioner . Består av färgade strömrör. [7] Glasma är ett särdrag i den teoretiska modellen för färgglaskondensat , ett tillvägagångssätt  för att beskriva den starka interaktionen vid höga tätheter [8] .

Glazma bildas när hadroner kolliderar med varandra (till exempel protoner med protoner, joner med joner, joner med protoner). Man tror också att i universums utveckling föregick glasmatillståndet kvark-gluonplasman, som existerade under de första miljondelar av en sekund omedelbart efter Big Bang . Glasmas livslängd är några okto sekunder [9] .

Quark-gluon plasma

Ett tillstånd av materia i högenergi- och partikelfysik , där hadronisk materia går in i ett tillstånd som liknar det för elektroner och joner i vanlig plasma . Det föregås av ögats tillstånd [10] (ögat termaliseras, det vill säga förstört, vilket ger upphov till många slumpmässigt rörliga kvarkar , antikvarkar och gluoner : kvarg-gluonplasma [11] ).

Högtryckstillstånd

Neutrontillstånd

Ett fundamentalt annorlunda tillstånd av materia, som bara består av neutroner. Materia övergår till neutrontillståndet vid ultrahögt tryck, vilket ännu inte är tillgängligt i laboratoriet, men som finns inuti neutronstjärnor. Under övergången till neutrontillståndet kombineras materiens elektroner med protoner och förvandlas till neutroner. Detta kräver att gravitationskrafterna komprimerar materien tillräckligt mycket för att övervinna avstötningen av elektroner på grund av Pauli-principen . Som ett resultat, i neutrontillståndet, består materia helt av neutroner och har en densitet av storleksordningen kärnkraft. Temperaturen på ämnet i detta fall bör inte vara särskilt hög (i energiekvivalenter, allt från hundratals MeV).

Andra stater

Mörk materia

En form av materia som inte avger eller interagerar med elektromagnetisk strålning . Denna egenskap hos denna form av materia gör det omöjligt att direkt observera den . Det är dock möjligt att upptäcka närvaron av mörk materia från gravitationseffekterna den skapar .

Upptäckten av mörk materias natur kommer att hjälpa till att lösa problemet med dold massa , som i synnerhet består av den onormalt höga rotationshastigheten för galaxernas yttre regioner .

Superkritisk vätska

Ett materiatillstånd där distinktionen mellan flytande och gasfas försvinner. Varje ämne vid en temperatur och ett tryck över den kritiska punkten är en superkritisk vätska. Egenskaperna hos ett ämne i superkritiskt tillstånd ligger mellan dess egenskaper i gas- och vätskefasen. Sålunda har SCF en hög densitet, nära en vätska, låg viskositet, och i frånvaro av gränssnittsgränser försvinner också ytspänningen. Diffusionskoefficienten har i detta fall ett mellanvärde mellan vätska och gas. Ämnen i superkritiskt tillstånd kan användas som substitut för organiska lösningsmedel i laboratorie- och industriprocesser. Överkritiskt vatten och överkritisk koldioxid har fått störst intresse och spridning i samband med vissa egenskaper.

Degenererad materia

Se även

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 Aggregat tillstånd av materia // A - Engobe. - M .  : Soviet Encyclopedia, 1969. - ( Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 volymer]  / chefredaktör A. M. Prokhorov  ; 1969-1978, vol. 1).
  2. ↑ Aggregerade tillstånd // Fysisk uppslagsverk  : [i 5 volymer] / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia (vol. 1-2); Great Russian Encyclopedia (bd 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
  3. ↑ Belokon, N.I. Grundläggande principer för termodynamiken, 1968. - S. 25.
  4. ↑ Vladimir Zhdanov. Plasma i rymden . Jorden runt . Hämtad 21 februari 2009. Arkiverad från originalet 22 augusti 2011.
  5. ↑ "Fermioniskt kondensat" (otillgänglig länk) . scientific.ru. Hämtad 16 juni 2010. Arkiverad från originalet 9 augusti 2011. 
  6. ↑ C. Fuchs, H. Lenske, H. H. Wolter. Dencity Dependen Hadron Field Theory . arxiv.org (29.06.1995). Hämtad 30 november 2012. Arkiverad från originalet 16 november 2017.
  7. ↑ I. M. Dremin, A. V. Leonidov. Quark-Gluon Medium S. 1172. Advances in Physical Sciences (november 2010). doi : 10.3367/UFNr.0180.201011c.1167 . UFN 180 1167–1196 (2010). Datum för åtkomst: 29 mars 2013. Arkiverad från originalet den 5 april 2013.
  8. ↑ Teoretiker kommenterar första gången på CMS-upptäckten . Datum för åtkomst: 4 februari 2015. Arkiverad från originalet 4 februari 2015.
  9. ↑ Igor Ivanov. Hur de delar upp ögonblicket . Elementy.ru (29.06.2009). Hämtad 29 november 2012. Arkiverad från originalet 8 december 2012.
  10. ↑ V.L. Kort. Explosion av het kärnämne S. 6. old.sinp.msu.ru. Datum för åtkomst: 29 mars 2013. Arkiverad från originalet den 5 april 2013.
  11. ↑ Utforska kärnkraftskollisioner . Elements.ru . Hämtad 30 oktober 2013. Arkiverad från originalet 30 oktober 2013.
  12. ↑ Smältning av atomkärnor sker i två steg? . Hämtad 1 februari 2008. Arkiverad från originalet 21 januari 2015.

Litteratur

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger