Stav agregácie- stav hmoty charakterizovaný určitými kvalitatívnymi vlastnosťami: schopnosť alebo neschopnosť udržať objem a tvar, prítomnosť alebo neprítomnosť rádu na dlhé a krátke vzdialenosti a iné. Zmena stavu agregácie môže byť sprevádzaná náhlou zmenou voľnej energie, entropie, hustoty a iných základných fyzikálnych vlastností.
Existujú tri hlavné stavy agregácie: pevná látka, kvapalina a plyn. Niekedy nie je úplne správne klasifikovať plazmu ako stav agregácie. Existujú aj iné stavy agregácie, napríklad tekuté kryštály alebo Bose-Einsteinov kondenzát. Zmeny v stave agregácie sú termodynamické procesy nazývané fázové prechody. Rozlišujú sa tieto odrody: od pevných po kvapalné - topenie; z kvapalného na plynné - odparovanie a varenie; z pevného na plynné - sublimácia; z plynného na kvapalné alebo tuhé - kondenzácia; z kvapaliny na tuhú - kryštalizácia. Charakteristickým znakom je absencia ostrej hranice prechodu do plazmatického stavu.
Definície stavov agregácie nie sú vždy striktné. Existujú teda amorfné telesá, ktoré si zachovávajú štruktúru kvapaliny a majú nízku tekutosť a schopnosť zachovať tvar; tekuté kryštály sú tekuté, no zároveň majú niektoré vlastnosti pevných látok, najmä dokážu polarizovať elektromagnetické žiarenie, ktoré nimi prechádza. Na opis rôznych stavov vo fyzike sa používa širší koncept termodynamickej fázy. Javy, ktoré opisujú prechody z jednej fázy do druhej, sa nazývajú kritické javy.
Stav agregácie látky závisí od fyzikálnych podmienok, v ktorých sa látka nachádza, najmä od teploty a tlaku. Určujúcou veličinou je pomer priemernej potenciálnej energie interakcie molekúl k ich priemernej kinetickej energii. Pre tuhú látku je teda tento pomer väčší ako 1, pre plyny menší ako 1 a pre kvapaliny približne rovný 1. Prechod z jedného stavu agregácie látky do druhého je sprevádzaný náhlou zmenou hodnota tohto pomeru, spojená s náhlou zmenou medzimolekulových vzdialeností a medzimolekulových interakcií. V plynoch sú medzimolekulové vzdialenosti veľké, molekuly medzi sebou takmer neinteragujú a pohybujú sa takmer voľne a vypĺňajú celý objem. V kvapalinách a pevných látkach - kondenzovaných látkach - sú molekuly (atómy) umiestnené oveľa bližšie k sebe a silnejšie interagujú.
To vedie k tomu, že kvapaliny a pevné látky si zachovávajú svoj objem. Charakter pohybu molekúl v pevných látkach a kvapalinách je však odlišný, čo vysvetľuje rozdiel v ich štruktúre a vlastnostiach.
V pevných látkach v kryštalickom stave atómy vibrujú iba v blízkosti uzlov kryštálovej mriežky; štruktúra týchto telies sa vyznačuje vysokým stupňom usporiadania - ďalekonosný a krátkodosahový poriadok. Tepelný pohyb molekúl (atómov) kvapaliny je kombináciou malých vibrácií okolo rovnovážnych polôh a častých skokov z jednej rovnovážnej polohy do druhej. Posledne menované určujú existenciu usporiadania častíc v kvapalinách len s krátkym dosahom, ako aj ich vlastnú pohyblivosť a tekutosť.
A. Pevné- stav charakterizovaný schopnosťou udržiavať objem a tvar. Atómy tuhej látky podliehajú len malým vibráciám okolo rovnovážneho stavu. Existuje objednávka na dlhé aj krátke vzdialenosti.
b. Kvapalina- stav hmoty, v ktorom má nízku stlačiteľnosť, to znamená, že si dobre zachováva svoj objem, ale nie je schopný udržať svoj tvar. Kvapalina ľahko získa tvar nádoby, v ktorej je umiestnená. Atómy alebo molekuly kvapaliny vibrujú v blízkosti rovnovážneho stavu, uzamknuté inými atómami a často preskakujú na iné voľné miesta. Prítomná je len objednávka na krátky dosah.
Topenie- ide o prechod látky z pevného skupenstva agregácie (pozri Súhrnné skupenstvo hmoty) do kvapalného. Tento proces nastáva pri zahrievaní, keď sa telu odovzdáva určité množstvo tepla +Q. Napríklad olovo s nízkou teplotou topenia prechádza z pevného do kvapalného skupenstva, ak sa zahreje na teplotu 327 C. Olovo sa ľahko roztopí na plynovom variči, napríklad v lyžičke z nehrdzavejúcej ocele (je známe, že plameň teplota plynového horáka je 600 - 850 ° C a teplota tavenia ocele - 1 300 - 1 500 ° C).
Ak pri tavení olova zmeriate jeho teplotu, zistíte, že sa spočiatku plynule zvyšuje, no po určitom bode zostáva napriek ďalšiemu zahrievaniu konštantná. Tento moment zodpovedá topeniu. Teplota zostáva konštantná, kým sa všetko olovo neroztopí, a až potom začne opäť stúpať. Keď sa tekuté olovo ochladí, pozorujeme opačný obraz: teplota klesá, kým nezačne tuhnutie a zostáva konštantná po celý čas, kým olovo neprejde do tuhej fázy, a potom opäť klesne.
Všetky čisté látky sa správajú podobne. Stálosť teploty počas topenia má veľký praktický význam, pretože vám umožňuje kalibrovať teplomery a vyrábať poistky a indikátory, ktoré sa topia pri presne stanovenej teplote.
Atómy v kryštáli oscilujú okolo svojich rovnovážnych polôh. S rastúcou teplotou sa amplitúda vibrácií zvyšuje a dosahuje určitú kritickú hodnotu, po ktorej sa kryštálová mriežka zničí. To si vyžaduje dodatočnú tepelnú energiu, takže teplota sa počas procesu tavenia nezvyšuje, hoci teplo ďalej prúdi.
Teplota topenia látky závisí od tlaku. Pri látkach, ktorých objem sa pri topení zväčšuje (a tých je prevažná väčšina), zvýšenie tlaku zvyšuje bod topenia a naopak. Pri roztápaní vody sa jej objem zmenšuje (preto pri zamrznutí praská potrubie) a pri zvýšení tlaku sa ľad topí pri nižšej teplote. Podobne sa správa aj bizmut, gálium a niektoré značky liatiny.
V. Plyn- stav charakterizovaný dobrou stlačiteľnosťou, neschopnosťou udržať si objem aj tvar. Plyn má tendenciu zaberať celý objem, ktorý je mu poskytnutý. Atómy alebo molekuly plynu sa správajú relatívne voľne, vzdialenosti medzi nimi sú oveľa väčšie ako ich veľkosti.
Plazma, často klasifikovaná ako agregovaný stav hmoty, sa líši od plynu vysokým stupňom ionizácie atómov. Väčšina baryónovej hmoty (asi 99,9 % hmotnosti) vo vesmíre je v plazmovom stave.
mesto C superkritická tekutina- Vyskytuje sa pri súčasnom zvýšení teploty a tlaku do kritického bodu, v ktorom sa hustota plynu porovnáva s hustotou kvapaliny; v tomto prípade zaniká hranica medzi kvapalnou a plynnou fázou. Superkritická tekutina má výnimočne vysokú rozpúšťaciu schopnosť.
d. Boseho-Einsteinov kondenzát- vzniká ako výsledok ochladzovania Boseho plynu na teploty blízke absolútnej nule. V dôsledku toho sa niektoré atómy ocitnú v stave s prísne nulovou energiou (teda v najnižšom možnom kvantovom stave). Bose-Einsteinov kondenzát vykazuje množstvo kvantových vlastností, ako je supratekutosť a Fischbachova rezonancia.
e. Fermionový kondenzát- predstavuje Boseho kondenzáciu v BCS režime „atómových Cooperových párov“ v plynoch pozostávajúcich z atómov fermiónov. (Oproti tradičnému režimu Bose-Einsteinovej kondenzácie zložených bozónov).
Takéto fermiónové atómové kondenzáty sú „príbuzné“ supravodičov, ale s kritickou teplotou rádovo izbovej teploty a vyššou.
Degenerovaná hmota – Fermiho plyn Stupeň 1 Elektrón-degenerovaný plyn pozorovaný u bielych trpaslíkov hrá dôležitú úlohu vo vývoji hviezd. 2. stupeň, neutrónový stav, hmota do neho prechádza pri ultravysokom tlaku, ktorý zatiaľ nie je dosiahnuteľný v laboratóriu, ale existuje vo vnútri neutrónových hviezd. Počas prechodu do neutrónového stavu elektróny látky interagujú s protónmi a menia sa na neutróny. Výsledkom je, že hmota v neutrónovom stave pozostáva výlučne z neutrónov a má hustotu rádovo jadrovej. Teplota látky by nemala byť príliš vysoká (v ekvivalente energie nie viac ako sto MeV).
So silným zvýšením teploty (stovky MeV a viac) sa v neutrónovom stave začnú rodiť a anihilovať rôzne mezóny. S ďalším zvýšením teploty nastáva dekonfinácia a látka prechádza do stavu kvark-gluónovej plazmy. Už sa neskladá z hadrónov, ale z neustále sa rodiacich a miznúcich kvarkov a gluónov. Možno, že delimitácia prebieha v dvoch fázach.
Pri ďalšom neobmedzenom zvýšení tlaku bez zvýšenia teploty sa látka zrúti do čiernej diery.
Pri súčasnom zvýšení tlaku a teploty sa ku kvarkom a gluónom pridávajú ďalšie častice. Čo sa stane s hmotou, priestorom a časom pri teplotách blízkych Planckovej, je stále neznáme.
Iné štáty
Počas hlbokého ochladzovania sa niektoré (nie všetky) látky transformujú do supravodivého alebo supratekutého stavu. Tieto stavy sú, samozrejme, samostatnými termodynamickými fázami, ale len ťažko ich možno nazvať novými súhrnnými stavmi hmoty kvôli ich neuniverzálnosti.
Heterogénne látky, ako sú pasty, gély, suspenzie, aerosóly atď., ktoré za určitých podmienok vykazujú vlastnosti tuhých látok, kvapalín a dokonca aj plynov, sa zvyčajne klasifikujú ako disperzné materiály, a nie podľa špecifických agregovaných stavov hmoty.

Stav agregácie- je to stav látky v určitom rozsahu teplôt a tlakov, charakterizovaný vlastnosťami: schopnosťou (tuhá látka) alebo neschopnosťou (kvapalina, plyn) udržať objem a tvar; prítomnosť alebo neprítomnosť rádu s dlhým dosahom (tuhá látka) alebo s krátkym dosahom (kvapalina) a iných vlastností.

Látka môže byť v troch stavoch agregácie: tuhá, kvapalná alebo plynná, v súčasnosti sa rozlišuje prídavný plazmový (iónový) stav.

IN plynný V tomto stave je vzdialenosť medzi atómami a molekulami látky veľká, interakčné sily malé a častice, pohybujúce sa chaoticky v priestore, majú veľkú kinetickú energiu, ktorá prevyšuje potenciálnu energiu. Materiál v plynnom stave nemá vlastný tvar ani objem. Plyn vypĺňa všetok dostupný priestor. Tento stav je typický pre látky s nízkou hustotou.

IN kvapalina stavu sa zachováva len krátkodosahové usporiadanie atómov alebo molekúl, kedy sa v objeme látky periodicky objavujú jednotlivé oblasti s usporiadaným usporiadaním atómov, ale chýba aj vzájomná orientácia týchto oblastí. Usporiadanie krátkeho dosahu je nestabilné a pod vplyvom tepelných vibrácií atómov môže buď zaniknúť, alebo sa znova objaviť. Molekuly kvapaliny nemajú špecifickú polohu a zároveň nemajú úplnú voľnosť pohybu. Materiál v tekutom stave nemá svoj vlastný tvar, zachováva si len svoj objem. Kvapalina môže zaberať len časť objemu nádoby, ale voľne prúdiť po celom povrchu nádoby. Kvapalné skupenstvo sa zvyčajne považuje za prechod medzi pevnou látkou a plynom.

IN ťažké V látke je usporiadanie atómov prísne definované, prirodzene usporiadané, sily interakcie medzi časticami sú vzájomne vyvážené, takže telesá si zachovávajú svoj tvar a objem. Pravidelne usporiadané usporiadanie atómov v priestore charakterizuje kryštalický stav; atómy tvoria kryštálovú mriežku.

Pevné látky majú amorfnú alebo kryštalickú štruktúru. Pre amorfný telesá sa vyznačujú len krátkodosahovým usporiadaním v usporiadaní atómov alebo molekúl, chaotickým usporiadaním atómov, molekúl alebo iónov v priestore. Príklady amorfných telies sú sklo, smola, var, ktoré sú navonok v pevnom stave, hoci v skutočnosti tečú pomaly, ako kvapalina. Amorfné telesá na rozdiel od kryštalických nemajú špecifickú teplotu topenia. Amorfné pevné látky zaujímajú strednú polohu medzi kryštalickými pevnými látkami a kvapalinami.

Väčšina pevných látok má kryštalickýštruktúra charakterizovaná usporiadaným usporiadaním atómov alebo molekúl v priestore. Kryštalická štruktúra je charakterizovaná usporiadaním na veľké vzdialenosti, keď sa prvky štruktúry periodicky opakujú; pri krátkodobom poradí takéto správne opakovanie neexistuje. Charakteristickým znakom kryštalického telesa je schopnosť udržiavať svoj tvar. Znakom ideálneho kryštálu, ktorého modelom je priestorová mriežka, je vlastnosť symetrie. Symetria sa vzťahuje na teoretickú schopnosť kryštálovej mriežky pevného telesa vyrovnať sa so sebou, keď sa jej body zrkadlia z určitej roviny, nazývanej rovina symetrie. Symetria vonkajšieho tvaru odráža symetriu vnútornej štruktúry kryštálu. Napríklad všetky kovy majú kryštalickú štruktúru a vyznačujú sa dvoma typmi symetrie: kubickou a šesťuholníkovou.

V amorfných štruktúrach s neusporiadaným rozložením atómov sú vlastnosti látky v rôznych smeroch rovnaké, to znamená, že sklovité (amorfné) látky sú izotropné.

Všetky kryštály sa vyznačujú anizotropiou. V kryštáloch sú vzdialenosti medzi atómami usporiadané, ale v rôznych smeroch nemusí byť stupeň usporiadania rovnaký, čo vedie k rozdielom vo vlastnostiach kryštalickej látky v rôznych smeroch. Závislosť vlastností kryštalickej látky od smeru v jej mriežke je tzv anizotropia vlastnosti. Anizotropia sa prejavuje pri meraní fyzikálnych aj mechanických a iných charakteristík. Existujú vlastnosti (hustota, tepelná kapacita), ktoré nezávisia od smeru v kryštáli. Väčšina charakteristík závisí od výberu smeru.

Je možné merať vlastnosti predmetov, ktoré majú určitý objem materiálu: veľkosti - od niekoľkých milimetrov až po desiatky centimetrov. Tieto objekty so štruktúrou identickou s kryštálovou bunkou sa nazývajú monokryštály.

Anizotropia vlastností sa prejavuje v monokryštáloch a prakticky chýba v polykryštalickej látke, pozostávajúcej z mnohých malých náhodne orientovaných kryštálov. Preto sa polykryštalické látky nazývajú kvázi izotropné.

Kryštalizácia polymérov, ktorých molekuly môžu byť usporiadané usporiadané s tvorbou supramolekulových štruktúr vo forme obalov, zvitkov (globúl), fibríl atď., prebieha v určitom teplotnom rozsahu. Zložitá štruktúra molekúl a ich agregátov určuje špecifické správanie polymérov pri zahrievaní. Nemôžu prejsť do kvapalného stavu s nízkou viskozitou a nemajú plynné skupenstvo. V tuhej forme môžu byť polyméry v sklovitom, vysoko elastickom a viskóznom stave. Polyméry s lineárnymi alebo rozvetvenými molekulami sa môžu pri zmene teploty meniť z jedného stavu do druhého, čo sa prejavuje v procese deformácie polyméru. Na obr. Obrázok 9 ukazuje závislosť deformácie od teploty.

Ryža. 9 Termomechanická krivka amorfného polyméru: t c , t T, t p - sklený prechod, tekutosť a nástup teplôt chemického rozkladu; I - III - zóny sklovitého, vysoko elastického a viskózneho stavu; Δ l- deformácia.

Priestorová štruktúra usporiadania molekúl určuje iba sklovitý stav polyméru. Pri nízkych teplotách sa všetky polyméry elasticky deformujú (obr. 9, zóna I). Nad teplotou skleného prechodu t c amorfný polymér s lineárnou štruktúrou prechádza do vysoko elastického stavu ( zóna II) a jeho deformácia v sklovitom a vysoko elastickom stave je reverzibilná. Zahrievanie nad bod tuhnutia t t prenáša polymér do viskózneho tekutého stavu ( zóna III). Deformácia polyméru v stave viskózneho toku je nevratná. Amorfný polymér s priestorovou (sieťovou, zosieťovanou) štruktúrou nemá viskózny tokový stav, teplotná oblasť vysoko elastického stavu expanduje na teplotu rozkladu polyméru t R. Toto správanie je typické pre materiály ako guma.

Teplota látky v akomkoľvek stave agregácie charakterizuje priemernú kinetickú energiu jej častíc (atómov a molekúl). Tieto častice v telesách majú hlavne kinetickú energiu vibračných pohybov vzhľadom k stredu rovnováhy, kde je energia minimálna. Po dosiahnutí určitej kritickej teploty stráca pevný materiál svoju pevnosť (stabilitu) a topí sa a kvapalina sa mení na paru: vrie a vyparuje sa. Tieto kritické teploty sú body topenia a varu.

Keď sa kryštalický materiál zahreje na určitú teplotu, molekuly sa pohybujú tak energicky, že sa tuhé väzby v polyméri porušia a kryštály sa zničia – prejdú do tekutého stavu. Teplota, pri ktorej sú kryštály a kvapalina v rovnováhe, sa nazýva teplota topenia kryštálu alebo teplota tuhnutia kvapaliny. Pre jód je táto teplota 114 o C.

Každý chemický prvok má individuálnu teplotu topenia t pl, oddeľujúce existenciu pevnej látky a kvapaliny a bod varu t kip, zodpovedajúci prechodu kvapaliny na plyn. Pri týchto teplotách sú látky v termodynamickej rovnováhe. Zmena stavu agregácie môže byť sprevádzaná náhlou zmenou voľnej energie, entropie, hustoty a pod. fyzikálnych veličín.

Na opis rôznych stavov v fyzika používa širší pojem termodynamická fáza. Javy, ktoré opisujú prechody z jednej fázy do druhej, sa nazývajú kritické.

Pri zahrievaní látky podliehajú fázovým premenám. Keď sa meď topí (1083 o C), mení sa na kvapalinu, v ktorej majú atómy len krátky dosah. Pri tlaku 1 atm meď vrie pri 2310 o C a mení sa na plynnú meď s náhodne usporiadanými atómami medi. Pri teplote topenia sú tlaky nasýtených pár kryštálu a kvapaliny rovnaké.

Materiál ako celok je systém.

systém- skupina látok kombinovaných fyzický, chemické alebo mechanické interakcie. Fáza nazývaná homogénna časť systému, oddelená od ostatných častí hranice fyzikálneho rozhrania (v liatine: grafit + železné zrná; vo vode s ľadom: ľad + voda).Komponenty systémy sú rôzne fázy, ktoré tvoria daný systém. Systémové komponenty- sú to látky, ktoré tvoria všetky fázy (zložky) daného systému.

Materiály pozostávajúce z dvoch alebo viacerých fáz sú rozptýlené systémov Dispergované systémy sa delia na sóly, ktoré svojím správaním pripomínajú správanie kvapalín, a gély s charakteristickými vlastnosťami tuhých látok. V sóloch je disperzné médium, v ktorom je látka distribuovaná, v géloch, prevažuje tuhá fáza. Gély sú semikryštalický kov, betón, roztok želatíny vo vode pri nízkych teplotách (pri vysokých teplotách sa želatína mení na sól). Hydrosól je disperzia vo vode, aerosól je disperzia vo vzduchu.

Stavové diagramy.

V termodynamickom systéme je každá fáza charakterizovaná parametrami, ako je teplota T, sústredenie s a tlak R. Na opis fázových premien sa používa jediná energetická charakteristika – Gibbsova voľná energia ΔG(termodynamický potenciál).

Termodynamika pri opise transformácií je obmedzená na uvažovanie o rovnovážnom stave. Rovnovážny stav termodynamický systém je charakterizovaný nemennosťou termodynamických parametrov (teplota a koncentrácia, pretože v technologických úpravách R= konštanta) v čase a absencia tokov energie a hmoty v ňom - ​​pri stálych vonkajších podmienkach. Fázová rovnováha- rovnovážny stav termodynamického systému pozostávajúceho z dvoch alebo viacerých fáz.

Na matematický opis podmienok rovnováhy systému existuje fázové pravidlo, odvodené od Gibbsa. Spája počet fáz (F) a komponentov (K) v rovnovážnom systéme s variabilitou systému, t.j. počtom termodynamických stupňov voľnosti (C).

Počet termodynamických stupňov voľnosti (rozptyl) systému je počet nezávislých premenných, vnútorných (chemické zloženie fáz) aj vonkajších (teplota), ktorým možno priradiť rôzne ľubovoľné (v určitom rozsahu) hodnoty. aby sa neobjavili nové fázy a nezanikli staré fázy .

Gibbsova rovnica fázového pravidla:

C = K - F + 1.

V súlade s týmto pravidlom sú v systéme dvoch komponentov (K = 2) možné nasledujúce stupne voľnosti:

Pre jednofázový stav (F = 1) C = 2, t.j. môžete zmeniť teplotu a koncentráciu;

Pre dvojfázový stav (F = 2) C = 1, t.j. možno zmeniť iba jeden vonkajší parameter (napríklad teplotu);

Pre trojfázový stav je počet stupňov voľnosti nula, t.j. teplotu nemožno meniť bez narušenia rovnováhy v systéme (systém je invariantný).

Napríklad pre čistý kov (K = 1) počas kryštalizácie, keď sú dve fázy (F = 2), je počet stupňov voľnosti nula. To znamená, že teplotu kryštalizácie nie je možné zmeniť, kým sa proces neskončí a zostane jedna fáza – pevný kryštál. Po ukončení kryštalizácie (Ф = 1) je počet stupňov voľnosti 1, takže môžete meniť teplotu, t.j. pevnú látku ochladiť bez narušenia rovnováhy.

Správanie systémov v závislosti od teploty a koncentrácie je opísané fázovým diagramom. Fázový diagram vody je systém s jednou zložkou H 2 O, preto najväčší počet fáz, ktoré môžu byť súčasne v rovnováhe, sú tri (obr. 10). Tieto tri fázy sú kvapalina, ľad, para. Počet stupňov voľnosti je v tomto prípade nula, t.j. Tlak ani teplotu nie je možné meniť bez toho, aby niektorá z fáz nezmizla. Obyčajný ľad, tekutá voda a vodná para môžu existovať v rovnováhe súčasne len pri tlaku 0,61 kPa a teplote 0,0075 °C. Bod, v ktorom koexistujú tri fázy, sa nazýva trojitý bod ( O).

Krivka OS oddeľuje oblasti pary a kvapaliny a predstavuje závislosť tlaku nasýtenej vodnej pary od teploty. Krivka OS ukazuje tie vzájomne súvisiace hodnoty teploty a tlaku, pri ktorých sú kvapalná voda a vodná para vo vzájomnej rovnováhe, preto sa nazýva rovnovážna krivka kvapalina-para alebo krivka varu.

Obr 10 Schéma stavu vody

Krivka OB oddeľuje oblasť kvapaliny od oblasti ľadu. Je to rovnovážna krivka tuhá látka-kvapalina a nazýva sa krivka topenia. Táto krivka ukazuje tie vzájomne súvisiace dvojice hodnôt teploty a tlaku, pri ktorých sú ľad a tekutá voda v rovnováhe.

Krivka O.A. nazývaná sublimačná krivka a ukazuje vzájomne súvisiace dvojice hodnôt tlaku a teploty, pri ktorých sú ľad a vodná para v rovnováhe.

Fázový diagram je vizuálny spôsob znázornenia oblastí existencie rôznych fáz v závislosti od vonkajších podmienok, ako je tlak a teplota. Stavové diagramy sa aktívne používajú v materiálovej vede v rôznych technologických štádiách výroby produktu.

Kvapalina sa líši od kryštalickej pevnej látky nízkymi hodnotami viskozity (vnútorné trenie molekúl) a vysokými hodnotami tekutosti (recipročná viskozita). Kvapalina pozostáva z mnohých agregátov molekúl, v ktorých sú častice usporiadané v určitom poradí, podobne ako v kryštáloch. Charakter štruktúrnych jednotiek a medzičasticových interakcií určuje vlastnosti kvapaliny. Existujú kvapaliny: monoatomické (skvapalnené vzácne plyny), molekulárne (voda), iónové (roztavené soli), kovové (roztavené kovy), kvapalné polovodiče. Vo väčšine prípadov kvapalina nie je len stavom agregácie, ale aj termodynamickou (kvapalnou) fázou.

Kvapalné látky sú najčastejšie roztoky. Riešenie homogénna, ale nie chemicky čistá látka, pozostáva z rozpustenej látky a rozpúšťadla (príkladom rozpúšťadla je voda alebo organické rozpúšťadlá: dichlóretán, alkohol, tetrachlórmetán a pod.), ide teda o zmes látok. Príkladom je roztok alkoholu vo vode. Roztoky sú však aj zmesi plynných (napríklad vzduch) alebo pevných (zliatiny kovov) látok.

Pri ochladzovaní v podmienkach nízkej rýchlosti tvorby kryštalizačných centier a silného zvýšenia viskozity môže dôjsť k sklovitému stavu. Sklá sú izotropné pevné materiály získané podchladením roztavených anorganických a organických zlúčenín.

Existuje mnoho známych látok, ktorých prechod z kryštalického stavu do izotropnej kvapaliny prebieha cez prechodný kvapalný kryštalický stav. Je typický pre látky, ktorých molekuly majú tvar dlhých tyčiniek (tyčiniek) s asymetrickou štruktúrou. Takéto fázové prechody sprevádzané tepelnými účinkami spôsobujú prudké zmeny mechanických, optických, dielektrických a iných vlastností.

Tekuté kryštály, ako kvapalina, môže mať formu podlhovastej kvapky alebo tvar nádoby, má vysokú tekutosť a je schopný splynutia. Sú široko používané v rôznych oblastiach vedy a techniky. Ich optické vlastnosti sú veľmi závislé od malých zmien vonkajších podmienok. Táto funkcia sa používa v elektro-optických zariadeniach. Tekuté kryštály sa používajú najmä pri výrobe elektronických náramkových hodiniek, vizuálnych zariadení atď.

Medzi hlavné stavy agregácie patrí plazma- čiastočne alebo úplne ionizovaný plyn. Na základe spôsobu vzniku sa rozlišujú dva druhy plazmy: tepelná, ktorá vzniká pri zahriatí plynu na vysoké teploty, a plynná, ktorá vzniká pri elektrických výbojoch v plynnom prostredí.

Plazmovo-chemické procesy zaujali pevné miesto v mnohých odvetviach techniky. Používajú sa na rezanie a zváranie žiaruvzdorných kovov, syntézu rôznych látok, široké uplatnenie majú plazmové svetelné zdroje, perspektívne je využitie plazmy v termonukleárnych elektrárňach atď.

Najbežnejšie poznatky sú o troch stavoch agregácie: kvapalné, tuhé, plynné niekedy si pamätajú plazmu, menej často kvapalné kryštalické; Nedávno sa internetom rozšíril zoznam 17 fáz hmoty, prevzatých od slávneho () Stephena Frya. Preto vám o nich povieme podrobnejšie, pretože... mali by ste vedieť o hmote trochu viac, už len preto, aby ste lepšie pochopili procesy prebiehajúce vo vesmíre.

Nižšie uvedený zoznam agregovaných stavov hmoty sa zvyšuje od najchladnejších po najteplejšie atď. môže pokračovať. Zároveň by sa malo chápať, že od plynného stavu (č. 11), najviac „nestlačeného“, na obe strany zoznamu, stupeň stlačenia látky a jej tlak (s určitými výhradami pre takéto nepreskúmané hypotetické stavy ako kvantové, lúčové alebo slabo symetrické) po texte je zobrazený vizuálny graf fázových prechodov hmoty.

1. Kvantové- stav agregácie hmoty, dosiahnutý pri poklese teploty na absolútnu nulu, v dôsledku čoho zanikajú vnútorné väzby a hmota sa rozpadá na voľné kvarky.

2. Boseho-Einsteinov kondenzát- stav agregácie hmoty, ktorej základom sú bozóny, ochladené na teploty blízke absolútnej nule (menej ako milióntina stupňa nad absolútnou nulou). V takomto silne ochladenom stave sa dostatočne veľký počet atómov ocitne vo svojich minimálnych možných kvantových stavoch a kvantové efekty sa začnú prejavovať na makroskopickej úrovni. Bose-Einsteinov kondenzát (často nazývaný Boseho kondenzát alebo jednoducho „beck“) vzniká, keď ochladzujete chemický prvok na extrémne nízke teploty (zvyčajne tesne nad absolútnou nulou, mínus 273 stupňov Celzia, je teoretická teplota, pri ktorej je všetko). prestane sa pohybovať).
Tu sa s látkou začínajú diať úplne zvláštne veci. Procesy zvyčajne pozorované iba na atómovej úrovni sa teraz vyskytujú na dostatočne veľkých mierkach, aby sa dali pozorovať voľným okom. Napríklad, ak vložíte „späť“ do laboratórnej kadičky a poskytnete požadovanú teplotu, látka sa začne plaziť po stene a nakoniec vystúpi sama.
Zjavne tu máme dočinenia s márnym pokusom látky znížiť svoju vlastnú energiu (ktorá je už na najnižšej zo všetkých možných úrovní).
Spomalenie atómov pomocou chladiaceho zariadenia vytvára jedinečný kvantový stav známy ako Bose alebo Bose-Einsteinov kondenzát. Tento jav predpovedal v roku 1925 A. Einstein, ako výsledok zovšeobecnenia práce S. Boseho, kde bola zostavená štatistická mechanika pre častice od bezhmotných fotónov po atómy nesúce hmotnosť (objavený bol Einsteinov rukopis, považovaný za stratený v knižnici Leidenskej univerzity v roku 2005). Výsledkom úsilia Boseho a Einsteina bol Boseho koncept plynu podliehajúceho Bose-Einsteinovej štatistike, ktorý popisuje štatistické rozloženie identických častíc s celočíselným spinom nazývaných bozóny. Bozóny, čo sú napríklad jednotlivé elementárne častice – fotóny, aj celé atómy, môžu byť navzájom v rovnakých kvantových stavoch. Einstein navrhol, že ochladenie atómov bozónu na veľmi nízke teploty by spôsobilo ich transformáciu (alebo, inými slovami, kondenzáciu) do najnižšieho možného kvantového stavu. Výsledkom takejto kondenzácie bude vznik novej formy hmoty.
Tento prechod nastáva pod kritickou teplotou, čo je pre homogénny trojrozmerný plyn pozostávajúci z neinteragujúcich častíc bez akýchkoľvek vnútorných stupňov voľnosti.

3. Fermiónový kondenzát- stav agregácie látky, podobný podložke, ale líšiaci sa štruktúrou. Keď sa atómy blížia k absolútnej nule, správajú sa odlišne v závislosti od veľkosti ich vlastného momentu hybnosti (spin). Bozóny majú celočíselné rotácie, zatiaľ čo fermióny majú rotácie, ktoré sú násobkami 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Fermióny sa riadia Pauliho vylučovacím princípom, ktorý hovorí, že žiadne dva fermióny nemôžu mať rovnaký kvantový stav. Pre bozóny takýto zákaz neexistuje, a preto majú možnosť existovať v jednom kvantovom stave a tým vytvárať takzvaný Bose-Einsteinov kondenzát. Proces tvorby tohto kondenzátu je zodpovedný za prechod do supravodivého stavu.
Elektróny majú spin 1/2 a preto sú klasifikované ako fermióny. Spájajú sa do párov (nazývaných Cooperove páry), ktoré potom tvoria Boseho kondenzát.
Americkí vedci sa pokúsili získať určitý druh molekúl z atómov fermiónov hlbokým chladením. Rozdiel od skutočných molekúl spočíval v tom, že medzi atómami nebola žiadna chemická väzba – jednoducho sa spolu pohybovali korelovaným spôsobom. Väzba medzi atómami sa ukázala byť ešte silnejšia ako medzi elektrónmi v Cooperových pároch. Výsledné páry fermiónov majú celkový spin, ktorý už nie je násobkom 1/2, preto sa už správajú ako bozóny a môžu vytvárať Boseho kondenzát s jediným kvantovým stavom. Počas experimentu bol plyn so 40 atómami draslíka ochladený na 300 nanokelvinov, pričom plyn bol uzavretý v takzvanej optickej pasci. Potom sa aplikovalo vonkajšie magnetické pole, pomocou ktorého bolo možné zmeniť charakter interakcií medzi atómami - namiesto silného odpudzovania sa začala pozorovať silná príťažlivosť. Pri analýze vplyvu magnetického poľa sa podarilo nájsť hodnotu, pri ktorej sa atómy začali správať ako Cooperove páry elektrónov. V ďalšej fáze experimentu vedci očakávajú, že získajú účinky supravodivosti pre fermiónový kondenzát.

4. Supratekutá látka- stav, v ktorom látka nemá prakticky žiadnu viskozitu a počas prúdenia nedochádza k treniu s pevným povrchom. Dôsledkom toho je napríklad taký zaujímavý efekt, akým je úplné samovoľné „vyplazenie“ supratekutého hélia z nádoby po jej stenách proti sile gravitácie. K porušeniu zákona o zachovaní energie tu samozrejme nedochádza. Pri absencii trecích síl pôsobí na hélium iba gravitačné sily, sily medziatómovej interakcie medzi héliom a stenami nádoby a medzi atómami hélia. Takže sily medziatómovej interakcie prevyšujú všetky ostatné sily dohromady. Výsledkom je, že hélium má tendenciu šíriť sa čo najviac po všetkých možných povrchoch, a preto „cestuje“ po stenách nádoby. V roku 1938 sovietsky vedec Pyotr Kapitsa dokázal, že hélium môže existovať v supratekutom stave.
Stojí za zmienku, že mnohé nezvyčajné vlastnosti hélia sú známe už pomerne dlho. Tento chemický prvok nás však v posledných rokoch rozmaznáva zaujímavými a nečakanými účinkami. V roku 2004 teda Moses Chan a Eun-Syong Kim z Pennsylvánskej univerzity zaujali vedecký svet oznámením, že sa im podarilo získať úplne nový stav hélia – supratekutú pevnú látku. V tomto stave môžu niektoré atómy hélia v kryštálovej mriežke obtekať iné a hélium tak môže prúdiť cez seba. Efekt „supertvrdosti“ bol teoreticky predpovedaný už v roku 1969. A potom sa v roku 2004 zdalo, že došlo k experimentálnemu potvrdeniu. Neskoršie a veľmi zaujímavé experimenty však ukázali, že nie všetko je také jednoduché a možno je táto interpretácia javu, ktorý bol predtým akceptovaný ako supratekutosť pevného hélia, nesprávna.
Experiment vedcov pod vedením Humphreyho Marisa z Brown University v USA bol jednoduchý a elegantný. Vedci umiestnili prevrátenú skúmavku do uzavretej nádrže obsahujúcej tekuté hélium. Zmrazili časť hélia v skúmavke a v zásobníku tak, že hranica medzi kvapalinou a pevnou látkou vo vnútri skúmavky bola vyššia ako v zásobníku. Inými slovami, v hornej časti skúmavky bolo tekuté hélium, v dolnej časti bolo pevné hélium, plynulo prechádzalo do tuhej fázy zásobníka, nad ktorým bolo naliate trochu tekutého hélia - nižšie ako kvapalina hladinu v skúmavke. Ak by tekuté hélium začalo unikať cez pevné hélium, potom by sa rozdiel hladín zmenšil a vtedy môžeme hovoriť o pevnom supratekutom héliu. A v zásade v troch z 13 experimentov sa rozdiel v hladinách skutočne znížil.

5. Supertvrdá látka- stav agregácie, v ktorom je hmota priehľadná a môže „tečúť“ ako kvapalina, ale v skutočnosti nemá viskozitu. Takéto kvapaliny sú známe už mnoho rokov, nazývajú sa supratekutiny. Faktom je, že ak sa supertekutina premieša, bude cirkulovať takmer navždy, zatiaľ čo normálna tekutina sa nakoniec upokojí. Prvé dve supratekutiny vytvorili výskumníci pomocou hélia-4 a hélia-3. Ochladili sa takmer na absolútnu nulu – mínus 273 stupňov Celzia. A z hélia-4 sa americkým vedcom podarilo získať superpevné teleso. Zmrznuté hélium stlačili viac ako 60-násobným tlakom a pohár naplnený látkou potom umiestnili na rotujúci disk. Pri teplote 0,175 stupňa Celzia sa disk zrazu začal voľnejšie točiť, čo podľa vedcov naznačuje, že hélium sa stalo supertelesom.

6. Pevné- stav agregácie látky, vyznačujúci sa tvarovou stálosťou a charakterom tepelného pohybu atómov, ktoré vykonávajú malé vibrácie okolo rovnovážnych polôh. Stabilný stav pevných látok je kryštalický. Existujú pevné látky s iónovými, kovalentnými, kovovými a inými typmi väzieb medzi atómami, čo určuje rozmanitosť ich fyzikálnych vlastností. Elektrické a niektoré ďalšie vlastnosti pevných látok sú určené najmä povahou pohybu vonkajších elektrónov ich atómov. Pevné látky sa na základe ich elektrických vlastností delia na dielektrika, polovodiče a kovy na základe magnetických vlastností, pevné látky sa delia na diamagnetické, paramagnetické a telesá s usporiadanou magnetickou štruktúrou; Štúdium vlastností pevných látok sa zlúčilo do veľkého odboru – fyziky pevných látok, ktorej rozvoj je stimulovaný potrebami techniky.

7. Amorfná tuhá látka- kondenzovaný stav agregácie látky, vyznačujúci sa izotropiou fyzikálnych vlastností v dôsledku neusporiadaného usporiadania atómov a molekúl. V amorfných pevných látkach atómy vibrujú okolo náhodne umiestnených bodov. Na rozdiel od kryštalického stavu dochádza k prechodu z tuhej amorfnej látky na kvapalinu postupne. V amorfnom stave sú rôzne látky: sklo, živice, plasty atď.

8. Tekutý kryštál je špecifický stav agregácie látky, v ktorom súčasne vykazuje vlastnosti kryštálu a kvapaliny. Hneď je potrebné poznamenať, že nie všetky látky môžu byť v kvapalnom kryštalickom stave. Niektoré organické látky so zložitými molekulami však môžu vytvárať špecifický stav agregácie – tekutý kryštalický. Tento stav nastáva, keď sa kryštály určitých látok roztopia. Pri ich roztavení vzniká tekutá kryštalická fáza, ktorá sa líši od bežných kvapalín. Táto fáza existuje v rozmedzí od teploty topenia kryštálu po nejakú vyššiu teplotu, pri ktorej sa tekutý kryštál po zahriatí zmení na obyčajnú kvapalinu.
Ako sa líši tekutý kryštál od tekutého a obyčajného kryštálu a ako sa im podobá? Ako obyčajná kvapalina, tekutý kryštál má tekutosť a má tvar nádoby, v ktorej je umiestnený. Tým sa líši od kryštálov, ktoré pozná každý. Avšak napriek tejto vlastnosti, ktorá ho spája s kvapalinou, má vlastnosť charakteristickú pre kryštály. Toto je usporiadanie v priestore molekúl, ktoré tvoria kryštál. Je pravda, že toto usporiadanie nie je také úplné ako v bežných kryštáloch, no napriek tomu výrazne ovplyvňuje vlastnosti tekutých kryštálov, čo ich odlišuje od bežných kvapalín. Neúplné priestorové usporiadanie molekúl tvoriacich tekutý kryštál sa prejavuje tým, že v tekutých kryštáloch neexistuje úplný poriadok v priestorovom usporiadaní ťažísk molekúl, aj keď čiastočné usporiadanie môže byť. To znamená, že nemajú tuhú kryštálovú mriežku. Preto tekuté kryštály, rovnako ako bežné kvapaliny, majú vlastnosť tekutosti.
Povinnou vlastnosťou tekutých kryštálov, ktorá ich približuje k bežným kryštálom, je prítomnosť poradia priestorovej orientácie molekúl. Toto poradie v orientácii sa môže prejaviť napríklad tak, že všetky dlhé osi molekúl vo vzorke tekutých kryštálov sú orientované rovnako. Tieto molekuly musia mať predĺžený tvar. Okrem najjednoduchšieho pomenovaného usporiadania molekulových osí sa v tekutom kryštáli môže vyskytovať aj zložitejšie orientačné usporiadanie molekúl.
V závislosti od typu usporiadania molekulárnych osí sa tekuté kryštály delia na tri typy: nematické, smektické a cholesterické.
Výskum fyziky tekutých kryštálov a ich aplikácií sa v súčasnosti realizuje na širokom fronte vo všetkých najvyspelejších krajinách sveta. Domáci výskum je sústredený v akademických aj priemyselných výskumných inštitúciách a má dlhoročnú tradíciu. Diela V.K., dokončené v tridsiatych rokoch v Leningrade, sa stali všeobecne známymi a uznávanými. Fredericks V.N. Tsvetkovej. Rýchly výskum tekutých kryštálov zaznamenal v posledných rokoch aj domáci výskumníci, ktorí významne prispeli k rozvoju štúdia tekutých kryštálov vo všeobecnosti a najmä optiky tekutých kryštálov. Teda diela I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovský, S.A. Pikina, L.M. Blinov a mnohí ďalší sovietski výskumníci sú vedeckej komunite všeobecne známi a slúžia ako základ pre množstvo účinných technických aplikácií tekutých kryštálov.
Existencia tekutých kryštálov bola založená už dávno, konkrétne v roku 1888, teda takmer pred storočím. Hoci sa vedci s týmto stavom hmoty stretli už pred rokom 1888, oficiálne bol objavený až neskôr.
Prvý, kto objavil tekuté kryštály, bol rakúsky botanik Reinitzer. Pri štúdiu novej látky cholesterylbenzoátu, ktorú syntetizoval, zistil, že pri teplote 145 °C sa kryštály tejto látky topia a vytvárajú zakalenú kvapalinu, ktorá silne rozptyľuje svetlo. Ako pokračuje zahrievanie, po dosiahnutí teploty 179 °C sa kvapalina stáva čírou, t.j. začne sa opticky správať ako bežná kvapalina, napríklad voda. Cholesterylbenzoát vykazoval neočakávané vlastnosti v zakalenej fáze. Pri skúmaní tejto fázy pod polarizačným mikroskopom Reinitzer zistil, že vykazuje dvojlom. To znamená, že index lomu svetla, teda rýchlosť svetla v tejto fáze, závisí od polarizácie.

9. Kvapalina- stav agregácie látky, spájajúci znaky pevného skupenstva (zachovanie objemu, určitá pevnosť v ťahu) a plynného skupenstva (tvarová variabilita). Kvapaliny sa vyznačujú krátkodosahovým usporiadaním v usporiadaní častíc (molekúl, atómov) a malým rozdielom v kinetickej energii tepelného pohybu molekúl a ich potenciálnej interakčnej energii. Tepelný pohyb molekúl kvapaliny pozostáva z kmitov okolo rovnovážnych polôh a s tým sú spojené pomerne zriedkavé skoky z jednej rovnovážnej polohy do druhej;

10. Superkritická tekutina(SCF) je stav agregácie látky, v ktorom sa stráca rozdiel medzi kvapalnou a plynnou fázou. Akákoľvek látka pri teplote a tlaku nad jej kritickým bodom je superkritická tekutina. Vlastnosti látky v nadkritickom stave sú medzi jej vlastnosťami v plynnej a kvapalnej fáze. SCF má teda vysokú hustotu blízku kvapaline a nízku viskozitu ako plyny. Difúzny koeficient má v tomto prípade hodnotu medzi kvapalinou a plynom. Látky v nadkritickom stave môžu byť použité ako náhrada organických rozpúšťadiel v laboratórnych a priemyselných procesoch. Superkritická voda a superkritický oxid uhličitý si získali najväčší záujem a distribúciu kvôli určitým vlastnostiam.
Jednou z najdôležitejších vlastností superkritického stavu je schopnosť rozpúšťať látky. Zmenou teploty alebo tlaku kvapaliny môžete meniť jej vlastnosti v širokom rozsahu. Tak je možné získať tekutinu, ktorej vlastnosti sú blízke buď kvapaline alebo plynu. Rozpúšťacia schopnosť kvapaliny sa teda zvyšuje so zvyšujúcou sa hustotou (pri konštantnej teplote). Keďže hustota sa zvyšuje so zvyšujúcim sa tlakom, zmena tlaku môže ovplyvniť schopnosť rozpúšťania tekutiny (pri konštantnej teplote). V prípade teploty je závislosť vlastností tekutiny o niečo zložitejšia - pri konštantnej hustote sa rozpúšťacia schopnosť tekutiny tiež zvyšuje, ale v blízkosti kritického bodu môže mierne zvýšenie teploty viesť k prudkému poklesu v hustote, a teda v rozpúšťacej schopnosti. Nadkritické kvapaliny sa navzájom bez obmedzenia miešajú, takže keď sa dosiahne kritický bod zmesi, systém bude vždy jednofázový. Približnú kritickú teplotu binárnej zmesi možno vypočítať ako aritmetický priemer kritických parametrov látok Tc(mix) = (molárny zlomok A) x TcA + (molárny zlomok B) x TcB.

11. Plynný- (franc. gaz, z gr. chaos - chaos), stav agregácie látky, v ktorom kinetická energia tepelného pohybu jej častíc (molekúl, atómov, iónov) výrazne prevyšuje potenciálnu energiu interakcií medzi nimi, a preto častice sa voľne pohybujú a rovnomerne vypĺňajú celý objem, ktorý im bol poskytnutý, bez vonkajších polí.

12. Plazma- (z gréckeho plazma - vytvarovaná, tvarovaná), stav hmoty, ktorá je ionizovaným plynom, v ktorom sú koncentrácie kladných a záporných nábojov rovnaké (kvázi-neutralita). Prevažná väčšina hmoty vo vesmíre je v plazmovom stave: hviezdy, galaktické hmloviny a medzihviezdne médium. V blízkosti Zeme existuje plazma vo forme slnečného vetra, magnetosféry a ionosféry. Študuje sa vysokoteplotná plazma (T ~ 106 - 108K) zo zmesi deutéria a trícia s cieľom realizovať riadenú termonukleárnu fúziu. Nízkoteplotná plazma (T Ј 105K) sa používa v rôznych plynových výbojoch (plynové lasery, iónové zariadenia, MHD generátory, plazmotróny, plazmové motory atď.), ako aj v technike (pozri Plazmová metalurgia, Plazmové vŕtanie, Plazma technológia).

13. Degenerovaná hmota— je medzistupňom medzi plazmou a neutróniom. Pozoruje sa u bielych trpaslíkov a hrá dôležitú úlohu vo vývoji hviezd. Keď sú atómy vystavené extrémne vysokým teplotám a tlakom, strácajú svoje elektróny (stávajú sa elektrónovým plynom). Inými slovami, sú úplne ionizované (plazma). Tlak takéhoto plynu (plazmy) je určený tlakom elektrónov. Ak je hustota veľmi vysoká, všetky častice sú pritlačené bližšie k sebe. Elektróny môžu existovať v stavoch so špecifickými energiami a žiadne dva elektróny nemôžu mať rovnakú energiu (pokiaľ nie sú ich rotácie opačné). V hustom plyne sú teda všetky nižšie energetické hladiny naplnené elektrónmi. Takýto plyn sa nazýva degenerovaný. V tomto stave elektróny vykazujú degenerovaný elektrónový tlak, ktorý pôsobí proti silám gravitácie.

14. Neutrónium- stav agregácie, do ktorého prechádza hmota pod ultravysokým tlakom, ktorý je zatiaľ v laboratóriu nedosiahnuteľný, ale existuje vo vnútri neutrónových hviezd. Počas prechodu do neutrónového stavu elektróny látky interagujú s protónmi a menia sa na neutróny. Výsledkom je, že hmota v neutrónovom stave pozostáva výlučne z neutrónov a má hustotu rádovo jadrovej. Teplota látky by nemala byť príliš vysoká (v ekvivalente energie nie viac ako sto MeV).
So silným zvýšením teploty (stovky MeV a viac) sa v neutrónovom stave začnú rodiť a anihilovať rôzne mezóny. S ďalším zvýšením teploty nastáva dekonfinácia a látka prechádza do stavu kvark-gluónovej plazmy. Už sa neskladá z hadrónov, ale z neustále sa rodiacich a miznúcich kvarkov a gluónov.

15. Kvarkovo-gluónová plazma(chromoplazma) - stav agregácie hmoty vo fyzike vysokých energií a fyzike elementárnych častíc, pri ktorom hadrónová hmota prechádza do stavu podobného stavu, v akom sa nachádzajú elektróny a ióny v bežnej plazme.
Hmota v hadrónoch je zvyčajne v takzvanom bezfarebnom („bielom“) stave. To znamená, že kvarky rôznych farieb sa navzájom rušia. Podobný stav existuje v bežnej hmote - keď sú všetky atómy elektricky neutrálne, tj.
kladné náboje v nich sú kompenzované negatívnymi. Pri vysokých teplotách môže dôjsť k ionizácii atómov, počas ktorej sa oddelia náboje a látka sa stane, ako sa hovorí, „kvázi neutrálnou“. To znamená, že celý oblak hmoty ako celok zostáva neutrálny, ale jeho jednotlivé častice prestávajú byť neutrálne. To isté sa zrejme môže stať s hadrónovou hmotou – pri veľmi vysokých energiách sa farba uvoľňuje a látka je „kvázi bezfarebná“.
Hmota vesmíru bola v prvých okamihoch po veľkom tresku pravdepodobne v stave kvark-gluónovej plazmy. Teraz môže kvark-gluónová plazma na krátky čas vzniknúť pri zrážkach častíc s veľmi vysokou energiou.
Kvark-gluónová plazma bola experimentálne vyrobená v urýchľovači RHIC v Brookhaven National Laboratory v roku 2005. Maximálna teplota plazmy 4 bilióny stupňov Celzia tam bola dosiahnutá vo februári 2010.

16. Zvláštna látka- stav agregácie, v ktorom je hmota stlačená na maximálne hodnoty hustoty, môže existovať vo forme „kvarkovej polievky“. Kubický centimeter hmoty v tomto stave bude vážiť miliardy ton; okrem toho premení akúkoľvek normálnu látku, s ktorou príde do kontaktu, na rovnakú „čudnú“ formu s uvoľnením značného množstva energie.
Energia, ktorá sa môže uvoľniť, keď sa jadro hviezdy zmení na „podivnú hmotu“, povedie k supersilnej explózii „kvarkovej novy“ – a podľa Leahyho a Uyeda je to presne to, čo astronómovia pozorovali v septembri 2006.
Proces vzniku tejto látky sa začal obyčajnou supernovou, na ktorú sa zmenila masívna hviezda. V dôsledku prvého výbuchu vznikla neutrónová hviezda. Podľa Leahyho a Uyeda to však netrvalo veľmi dlho – keďže sa jeho rotácia zdalo byť spomalená vlastným magnetickým poľom, začala sa ešte viac zmenšovať a vytvárať zhluk „čudnej hmoty“, čo viedlo k rovnomernému silnejšie pri obyčajnom výbuchu supernovy, uvoľnení energie – a vonkajších vrstiev hmoty bývalej neutrónovej hviezdy, letiacich do okolitého priestoru rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla.

17. Silne symetrická látka- ide o látku stlačenú do takej miery, že mikročastice v nej sú navrstvené na seba a samotné telo sa zrúti do čiernej diery. Pojem „symetria“ sa vysvetľuje takto: Vezmime si agregačné stavy hmoty známe každému zo školy – pevné, kvapalné, plynné. Pre istotu uvažujme ideálny nekonečný kryštál ako pevnú látku. Existuje určitá, takzvaná diskrétna symetria vzhľadom na prenos. To znamená, že ak posuniete kryštálovú mriežku o vzdialenosť rovnajúcu sa intervalu medzi dvoma atómami, nič sa v nej nezmení – kryštál sa zhoduje sám so sebou. Ak sa kryštál roztopí, potom bude symetria výslednej kvapaliny iná: zvýši sa. V kryštáli boli ekvivalentné iba body vzdialené od seba v určitých vzdialenostiach, takzvané uzly kryštálovej mriežky, v ktorých sa nachádzali rovnaké atómy.
Kvapalina je v celom svojom objeme homogénna, všetky jej body sú od seba nerozoznateľné. To znamená, že kvapaliny môžu byť posunuté o ľubovoľné vzdialenosti (a nielen o nejaké diskrétne, ako v kryštáli) alebo môžu byť natočené o ľubovoľné uhly (čo sa v kryštáloch vôbec nedá urobiť) a bude sa to zhodovať samo so sebou. Jeho stupeň symetrie je vyšší. Plyn je ešte symetrickejší: kvapalina zaberá v nádobe určitý objem a vo vnútri nádoby je asymetria, kde je kvapalina, a body, kde nie je. Plyn zaberá celý objem, ktorý je mu poskytnutý, a v tomto zmysle sú všetky jeho body navzájom nerozoznateľné. Napriek tomu by tu bolo správnejšie hovoriť nie o bodoch, ale o malých, ale makroskopických prvkoch, pretože na mikroskopickej úrovni stále existujú rozdiely. V niektorých bodoch v danom časovom okamihu sú atómy alebo molekuly, zatiaľ čo v iných nie. Symetria sa pozoruje len v priemere, buď cez niektoré makroskopické objemové parametre alebo v priebehu času.
Stále však neexistuje okamžitá symetria na mikroskopickej úrovni. Ak je látka stlačená veľmi silno, na tlaky, ktoré sú v každodennom živote neprijateľné, stlačená tak, že sa atómy rozdrvia, ich obaly preniknú do seba a jadrá sa začnú dotýkať, vzniká symetria na mikroskopickej úrovni. Všetky jadrá sú identické a natlačené na seba, existujú nielen medziatómové, ale aj medzijadrové vzdialenosti a látka sa stáva homogénnou (čudná látka).
Existuje však aj submikroskopická úroveň. Jadrá sa skladajú z protónov a neutrónov, ktoré sa pohybujú vo vnútri jadra. Medzi nimi je tiež určitý priestor. Ak budete pokračovať v stláčaní tak, aby sa jadrá rozdrvili, nukleóny sa k sebe tesne pritlačia. Potom sa na submikroskopickej úrovni objaví symetria, ktorá neexistuje ani vo vnútri bežných jadier.
Z toho, čo bolo povedané, je možné rozoznať veľmi jasný trend: čím vyššia je teplota a čím väčší tlak, tým je látka symetrickejšia. Na základe týchto úvah sa látka stlačená na maximum nazýva vysoko symetrická.

18. Slabo symetrická hmota- stav opačný k silne symetrickej hmote vo svojich vlastnostiach, prítomný vo veľmi ranom vesmíre pri teplote blízkej Planckovej, možno 10-12 sekúnd po Veľkom tresku, keď silné, slabé a elektromagnetické sily predstavovali jedinú supersilu. V tomto stave je látka stlačená do takej miery, že sa jej hmota zmení na energiu, ktorá sa začne nafukovať, teda donekonečna expandovať. Zatiaľ nie je možné dosiahnuť energie na experimentálne získanie superschopnosti a prenos hmoty do tejto fázy v pozemských podmienkach, hoci takéto pokusy boli urobené na Veľkom hadrónovom urýchľovači na štúdium raného vesmíru. Vzhľadom na absenciu gravitačnej interakcie v supersile, ktorá tvorí túto látku, nie je supersila dostatočne symetrická v porovnaní so supersymetrickou silou obsahujúcou všetky 4 typy interakcií. Preto tento stav agregácie dostal takýto názov.

19. Lúčová látka- to už v skutočnosti nie je hmota, ale energia vo svojej čistej forme. Presne do tohto hypotetického stavu agregácie sa však dostane teleso, ktoré dosiahlo rýchlosť svetla. Dá sa získať aj zahriatím tela na Planckovu teplotu (1032 K), teda zrýchlením molekúl látky na rýchlosť svetla. Ako vyplýva z teórie relativity, keď rýchlosť dosiahne viac ako 0,99 s, hmotnosť telesa začne rásť oveľa rýchlejšie ako pri „normálnom“ zrýchlení, navyše sa teleso predĺži, zohreje, teda začne vyžarovať v infračervenom spektre. Pri prekročení prahu 0,999 s sa telo radikálne zmení a začne rýchly fázový prechod až do stavu lúča. Ako vyplýva z Einsteinovho vzorca ako celku, rastúca hmota konečnej látky pozostáva z hmôt oddelených od tela vo forme tepelného, ​​röntgenového, optického a iného žiarenia, pričom energia každej z nich je opísaná ďalší výraz vo vzorci. Teleso, ktoré sa blíži rýchlosti svetla, teda začne vyžarovať vo všetkých spektrách, bude rásť do dĺžky a časom sa spomaľuje, stenčuje sa na Planckovu dĺžku, čiže po dosiahnutí rýchlosti c sa teleso zmení na nekonečne dlhé a tenký lúč, pohybujúci sa rýchlosťou svetla a pozostávajúci z fotónov, ktoré nemajú žiadnu dĺžku a jeho nekonečná hmotnosť sa úplne premení na energiu. Preto sa takáto látka nazýva lúč.

Aby ste pochopili, aký je stav agregácie látky, spomeňte si alebo si predstavte seba v lete pri rieke so zmrzlinou v rukách. Nádherný obrázok, však?

Takže v tejto idylke môžete okrem potešenia vykonávať aj fyzické pozorovanie. Venujte pozornosť vode. V rieke je tekutý, v zmrzline pevný a na oblohe vo forme mrakov plynný. To znamená, že je súčasne v troch rôznych stavoch. Vo fyzike sa to nazýva súhrnný stav hmoty. Existujú tri stavy agregácie - pevné, kvapalné a plynné.

Zmeny agregovaných stavov hmoty

Zmeny v súhrnných stavoch hmoty môžeme v prírode pozorovať na vlastné oči. Voda z povrchu nádrží sa vyparuje a tvoria sa oblaky. Takto sa kvapalina mení na plyn. V zime voda v nádržiach zamŕza, prechádza do tuhého stavu a na jar sa opäť topí a mení sa späť na kvapalinu. Čo sa stane s molekulami látky, keď prechádza z jedného stavu do druhého? Menia sa? Líšia sa napríklad molekuly ľadu od molekúl pary? Odpoveď je jasná: nie. Molekuly zostávajú úplne rovnaké. Ich kinetická energia sa mení a tým aj vlastnosti látky. Energia molekúl pary je dostatočne vysoká na to, aby sa rozletela v rôznych smeroch a po ochladení para kondenzuje na kvapalinu a molekuly majú stále dostatok energie na to, aby sa pohybovali takmer voľne, ale nie dostatočnú na to, aby sa odtrhli od príťažlivosti iných molekúl. a odletieť. Pri ďalšom ochladzovaní voda mrzne, stáva sa pevnou látkou a energia molekúl už nestačí ani na voľný pohyb vnútri tela. Vibrujú okolo jedného miesta, držané príťažlivými silami iných molekúl.

Charakter pohybu a stavu molekúl v rôznych stavoch hmoty možno odraziť v nasledujúcej tabuľke:

Stav hmoty	Vlastnosti hmoty	Vzdialenosť častíc	Interakcia častíc	Povaha pohybu	Poradie aranžovania
	Nezachováva tvar ani objem	Oveľa väčšia ako veľkosť samotných častíc		Chaotické (neporiadne) nepretržité. Lietajú voľne, niekedy sa zrazia.	chaotický
Kvapalina	Nezachováva tvar, zachováva objem	Porovnateľné s veľkosťou samotných častíc		Oscilujú okolo rovnovážnej polohy a neustále skáču z jedného miesta na druhé.	chaotický
Pevné	Udržuje tvar a objem	Malé v porovnaní s veľkosťou samotných častíc	Veľmi silný	Neustále osciluje okolo rovnovážnej polohy	V určitom poradí

Procesy, v ktorých dochádza k zmene súhrnných stavov látok, celkovo šesť.

Prechod látky z pevnej látky na kvapalinu sa nazýva topenie, spätný proces - kryštalizácia. Keď sa látka zmení z kvapaliny na plyn, nazýva sa to odparovanie z plynu na kvapalinu - kondenzácia. Prechod z tuhého skupenstva priamo do plynného, ​​obchádzajúc kvapalné skupenstvo, sa nazýva sublimácia, spätný proces - desublimácia.

• 1. Topenie
• 2. Kryštalizácia
• 3. Odparovanie
• 4. Kondenzácia
• 5. Sublimácia
• 6. Desublimácia

Príklady všetkých týchto prechodov Vy a ja sme to videli viac ako raz v živote. Ľad sa topí a vytvára vodu, voda sa odparuje a vytvára paru. V opačnom smere sa para, ktorá kondenzuje, premení späť na vodu a voda, ktorá zamrzne, sa zmení na ľad. A ak si myslíte, že nepoznáte procesy sublimácie a desublimácie, potom sa neponáhľajte so závermi. Vôňa akéhokoľvek pevného tela nie je nič iné ako sublimácia. Niektoré molekuly unikajú z tela a vytvárajú plyn, ktorý cítime. Príkladom opačného procesu sú vzory na skle v zime, keď sa para vo vzduchu, mrazivá, usadzuje na skle a vytvára bizarné vzory.

>> Súhrnný stav hmoty

• Boli ste niekedy v zime na brehoch rýchlej horskej rieky? Pozrite sa na obrázok nižšie (obr. 2.23). Všade naokolo je sneh, na brehu sú zamrznuté stromy, pokryté námrazou, ktorá sa leskne v slnečných lúčoch a rieka nezamŕza. Mimoriadne čistá, priezračná voda naráža na zamrznuté skaly. Prečo sa objavil mráz? Aký je rozdiel medzi vodou a ľadom? Sú medzi nimi nejaké podobnosti? V tomto odseku určite nájdete odpovede na tieto otázky.

1. Pozorujeme rôzne stavy hmoty

Už viete, že voda a ľad (sneh, mráz) sú dva rôzne fyzikálne stavy vody: kvapalné a pevné. Vzhľad námrazy na stromoch sa vysvetľuje jednoducho: voda z hladiny rieky sa vyparuje a mení sa na vodnú paru. Vodná para zase kondenzuje a usadzuje sa ako mráz. Vodná para je tretie skupenstvo vody – plynné.

Uveďme si ďalší príklad. Určite viete o nebezpečenstve rozbitia lekárskeho teplomera: obsahuje ortuť – hustú kvapalinu striebornej farby, ktorá po odparení vytvára veľmi jedovatú paru. Ale pri teplotách pod -39 ° C sa ortuť mení na pevný kov. Ortuť teda môže byť podobne ako voda v pevnom, kvapalnom a plynnom skupenstve.

Takmer každá látka, v závislosti od fyzikálnych podmienok, môže byť v troch stavoch agregácie: tuhá, kvapalná a plynná.

Ryža. 2.23 Rôzne fyzikálne stavy vody

V našom príklade s horskou riekou (obr. 2.23) sú prítomné všetky tri agregované stavy vody.

2. Pozorujte a vysvetlite fyzikálne vlastnosti tuhých látok

Pozrite sa pozorne na obr. 2.24. Všetky pevné látky na ňom zobrazené sa navzájom líšia: farbou, vzhľadom atď., Sú vyrobené z rôznych látok. Zároveň majú tiež spoločné vlastnosti, ktoré sú vlastné všetkým tuhým látkam.

Pevné látky si zachovávajú objem a tvar. Vysvetľuje to skutočnosť, že atómy a molekuly pevných látok sú umiestnené v rovnovážnych polohách. Príťažlivé a odpudzujúce sily medzi molekulami (atómami) v týchto polohách sú si navzájom rovné. Ak sa pokúsi zväčšiť alebo zmenšiť vzdialenosť medzi časticami (t. j. zväčšiť alebo zmenšiť veľkosť telesa), dôjde k medzimolekulárnej príťažlivosti alebo odpudzovaniu (pozri § 14).

Viete, že podľa atómovo-molekulárnej teórie sú atómy (molekuly) vždy v pohybe. Častice pevných telies sa prakticky nepohybujú z miesta na miesto - neustále sa pohybujú okolo určitého bodu, to znamená, že kmitajú. Pevné látky si preto zachovávajú nielen objem, ale aj tvar.

Ryža. 2.24. Napriek vonkajším rozdielom si každé pevné telo zachováva svoj tvar a objem.

Ryža. 2.25 Modely kryštálových mriežok: o - diamant, 6 - grafit. Guľôčky predstavujú stredy atómov; čiary spájajúce atómy v skutočnosti neexistujú; sú nakreslené len na vysvetlenie podstaty priestorového usporiadania atómov

3. Rozlišujte kryštalické a amorfné látky

V priebehu štúdia štruktúry pevných látok pomocou moderných metód bolo možné zistiť, že molekuly a atómy väčšiny látok v pevnom stave sú usporiadané v striktne definovanom poradí fyzici: tvoria kryštálovú mriežku; Takéto látky sa nazývajú kryštalické. Príklady kryštalických látok zahŕňajú diamant, grafit (obr. 2.25), ľad, soľ (obr. 2.26), kovy atď.

Usporiadanie atómov v kryštálovej mriežke látky určuje jej fyzikálne vlastnosti. Napríklad diamant a grafit pozostávajú z rovnakých atómov - atómov uhlíka, ale tieto látky sa navzájom veľmi líšia, pretože atómy v nich sú umiestnené inak (pozri obr. 2.25).

Ryža. 2.26. Modely kryštálových mriežok: a - ľad b - kuchynská soľ (malé guľôčky - atómy sodíka, veľké - atómy chlóru)

Ryža. 2.27. V kvapalnom stave si látka zachováva svoj objem, no nadobúda tvar nádoby, v ktorej sa nachádza.

Ryža. 2.28. Molekuly kvapaliny sú umiestnené takmer blízko seba. V malom objeme kvapaliny je pozorovaná vzájomná orientácia susedných molekúl (existuje poradie krátkeho dosahu). Vo všeobecnosti sú molekuly kvapaliny usporiadané chaoticky

Existuje skupina pevných látok (sklo, vosk, živica, jantár atď.), ktorých molekuly (atómy) netvoria kryštálovú mriežku a sú vo všeobecnosti usporiadané náhodne. Takéto látky sa nazývajú amorfné.

Za určitých podmienok sa tuhé látky topia, to znamená, že prechádzajú do kvapalného stavu. Kryštalické látky sa topia pri určitej teplote. Napríklad ľad zvyčajne prechádza do kvapalného stavu, ak je teplota 0 °C, naftalén – ak dosiahne 80 °C, ortuť – ak klesne na -39 °C. Na rozdiel od kryštalických látok nemajú amorfné látky špecifickú teplotu topenia. Ak sa teplota zvýši, postupne prechádzajú do tekutého stavu (topenie voskovej sviečky).

4. Pozorovať a vysvetliť fyzikálne vlastnosti kvapalín

Kvapaliny ľahko menia svoj tvar a nadobúdajú tvar nádoby, v ktorej sú obsiahnuté, objem kvapaliny však zostáva nezmenený (obr. 2.27). Navyše, ak sa pokúsime tekutinu stlačiť, nepodarí sa nám to. Na preukázanie nestlačiteľnosti kvapalín vedci vykonali experiment: voda sa naliala do olovenej gule, ktorá sa utesnila a potom sa stlačila silným lisom. Voda sa nezmršťovala, ale presakovala cez steny lopty.

Schopnosť kvapalín udržať si svoj objem sa vysvetľuje tým, že podobne ako v tuhých látkach, aj v kvapalinách sú molekuly umiestnené blízko seba (obr. 2.28). Molekuly kvapaliny sú celkom pevne zbalené, ale nielenže vibrujú na rovnakom mieste obklopenom svojimi najbližšími „susedmi“, ale môžu sa tiež celkom ľahko pohybovať v celom objeme, ktorý kvapalina zaberá. Kvapaliny si preto zachovávajú objem, ale nezachovávajú tvar – sú tekuté.

Ryža. 2.29 Pohyb a usporiadanie molekúl v plynoch: a - mení sa smer pohybu molekúl v dôsledku ich zrážky s inými molekulami; b - približná dráha molekuly vzduchu pri normálnom tlaku (miliónnásobné zvýšenie)

5. Vysvetlite fyzikálne vlastnosti plynov

• Experimentálne úlohy

1. Pomocou pohára vody dokážte, že v gumovej banke je vzduch.

2. Amorfné telesá sa nazývajú veľmi viskózne kvapaliny. Pomocou sviečky a napríklad fixky dokážte, že vosk, aj keď veľmi pomaly, steká. Za týmto účelom umiestnite značku na parapet, položte sviečku na vrch - kolmo na značku - a nechajte ju tam niekoľko dní. Vysvetlite výsledky svojho experimentu.