Агрегатно състояние

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Четирите агрегатни състояния и преходите между тях

Агрегатно състояние е състояние на веществото, което се характеризира с определени качествени свойства. Изменението на агрегатното състояние се съпровожда със скокообразно изменение на свободната енергия, плътността, ентропията и други основни физически характеристики. Агрегатното състояние е следствие и резултат на фазов преход.

Агрегатните състояния на веществата са пет: твърдо, течно, газообразно, плазма и Бозе-Айнщайнова кондензация. Те зависят от налягането и температурата. Така например при повишаване на температурата веществото се топи и преминава в течно състояние. Често дадено агрегатно състояние се нарича и фаза, затова при преминаване от едно в друго агрегатно състояние казваме, че настъпват фазови превръщания. Плазмата се счита за четвъртото агрегатно състояние. Като екзотично пето състояние пък може да се разглежда тъй нареченият кондензат на Бозе-Айнщайн, състоящ се от свръхохладени атоми.

Агрегатни състояния[редактиране | edit source]

Класически агрегатни състояния[редактиране | edit source]

Газ[редактиране | edit source]

Газ е едно от четирите агрегатни състояния на веществото, при което частиците са свързани с много слаби връзки помежду си. Тези частици може да са молекули, атоми или йони, които се движат свободно и хаотично и запълват равномерно предоставения им обем. Газ (мъжки род — членувано газът, мн. число газовете) в по-тесен смисъл означава вещество над критичната си температура, което не може да се кондензира при каквото и да е налягане. [1].

Газообразни вещества при температура по-ниска от критичната температура се наричат па̀ри и могат да преминат в течно или твърдо състояние при по-високи налягания. Газовете (и па̀рите) нямат собствен обем и форма, а заемат формата и обема на съда (или пространството) в който (което) се намират. При атмосферно налягане обемът на едно вещество в газообразно състояние е около 1000 пъти по-голям от обема на течността. Ако температурата на газа е значително по-висока от критичната, а налягането — значително по-ниско от критичното за съответния газ, то той се приема за идеален газ.

Течност[редактиране | edit source]

Течността представлява едно от трите класически агрегатни състояния на веществото. Течностите притежават някои свойства както на твърдите вещества, така и на газовете. При обикновени условия течностите имат собствен обем, но нямат определена форма, а приемат формата на съда, в който се намират. Притежават много малка свиваемост, обикновено голяма флуидност (течливост) и молекулите им могат лесно да се преместват една спрямо друга. На границата с другите тела междумолекулните сили се проявяват като повърхностно напрежение. При определени условия настъпва втвърдяване или изпарение на течностите. Течностите са флуиди. Само два химични елемента са течности при стайна температура - живак и бром. Най-важната течност е водата, която е от съществено значение за поддържане живота на Земята.

Твърдо тяло[редактиране | edit source]

Твърдо се нарича агрегатното състояние на веществото, характеризиращо се със способност да запазва обема и формата си. Атомите на телата в твърдо агрегатно състояние извършват само слаби трептения около състоянието им на равновесие. В зависимост от това как са подредени атомите в твърдите тела, се наблюдава по-голяма подреденост (далечен порядък) и по-малка (близък порядък) и веществата се делят съответно на кристални и аморфни.

Твърдите вещества могат да се превръщат в течност чрез топене, а течностите да преминават в твърдо състояние чрез замразяване. Директният преход на твърдо вещество в газ се нарича сублимация.

Некласически агрегатни състояния[редактиране | edit source]

При много високи температури[редактиране | edit source]

Плазма[редактиране | edit source]

Плазма в газоразрядна лампа[2]

Плазмата е цялостно или частично йонизиран газ с голяма относителна концентрация на йоните, еднаква или почти еднаква за положителните и отрицателните йони, чиято скорост на движение под действието на външно електрическо поле е по-малка от топлинната им скорост на движение. Явлението е открито през 1879 година, а названието плазма получава през 1928 г. Състоянието на плазмата се разглежда като четвърто агрегатно състояние на материята заедно с газообразно, течно и твърдо.

Плазмата е най-разпространеното състояние на материята във вселената[3] — среща се в йоносферата, в светкавиците, в звездните атмосфери, където температурата на най-горещите звезди достига до 60 000 K, в планетарни мъглявини и други. Тя играе важна роля в космическите процеси, тъй като в нея протичат естествените термоядрени реакции — източник на звездната енергия. Изкуствено се създава при някои газови разряди, при електрическа дъга, електрическа искра и други. Плазмата изпълва разрядното пространство на газоразрядните лампи. Интересно приложение има в плазмените дисплеи.

Характерно свойство на плазмата е възможността в нея да възникват електромагнитни трептения на йоните с много широк честотен спектър — от звукова честота до честоти от порядъка на милиони трептения в секунда. Тя има диамагнитни свойства и е добър проводник на електрически ток. Интересът към плазмата е силно повишен във връзка с проблемите на управляемите термоядрени реакции, при които е необходимо получаване на плазма с много висока температура. Действието на подходящи силни магнитни полета служи за задържане на плазмата в дадено пространство и откъсване от стените на съда, което води до стабилизиране и термоизолация. Така може да се получи плазма с температура няколко десетки милиона келвина, а се очаква и до няколкостотин милиона градуса, достатъчна за протичане на термоядрена реакция. Засега още не са преодолени всички трудности при образуването на напълно стабилна, дълготрайна, високотемпературна плазма, необходима за получаване на енергия за сметка на ядрен синтез.

При много ниски температури[редактиране | edit source]

Бозе-Айнщайнова кондензация[редактиране | edit source]

Кондензацията на Бозе-Айнщайн е агрегатно състояние на физична система от бозони с температура много близка до абсолютната нула. Така свръхохладените атоми изпадат в квантово състояние, много близко до основното, при което квантовите ефекти стават видими на макроскопично ниво.

Тази форма на материята е предсказана теоретично от индийския физик Сатиендра Нат Бозе през 1924. Бозе първоначално изпраща статията си в Zeitschrift für Physik, но получава отказ за публикуването ѝ. По тази причина, Бозе изпраща работата си на Айнщайн, който разбира важността ѝ и урежда публикуването ѝ. В тази статия, Бозе разглежда фотоните като газ от бозони, на които прилага условието за термодинамично равновесие, и оттам извежда закона на Планк за излъчването на абсолютно черното тяло[4].

Първата кондензация на Бозе-Айнщайн е получена експериментално 70 години след трудовете на Бозе, от Ерик Корнел и Карл Уиман в Обединения институт по лабораторна астрофизика в Боулдър, Колорадо. Бозе-Айнщайновата кондензация е наблюдавана в свръхохладен газ от 2000 рубидиеви атома, охладени до температура от 20 нанокелвина (2.0 × 10 -8K). По-късно, група, водена от Волфганг Кетерле от MIT, постига кондензация от 500 000 натриеви атома. [4]. На тримата експериментатори е присъдена Нобелова награда по физика за 2001.

Други[редактиране | edit source]

Течни кристали[редактиране | edit source]

Течният кристал е органично съединение, което при провеждане на ток през него завърта молекулите си на 90 градуса. Ако пред него се сложи поляризатор се получава ефект на потъмняване. Течните кристали са материали със структура прилична на желе, която е междинна между тази на течностите и кристални твърди вещества. Като в течностите, молекулите на течните кристали могат да текат. Като при твърдите кристали обаче, молекулите им се подреждат по определен начин и свойствата им зависят от посоката (проявяват анизотропия). Както и твърдите кристали, течните кристали показват полиморфизъм; например, те могат да преминат в различни структурни модели, всеки с уникални свойства.

Свръхфлуиди[редактиране | edit source]

Свръхфлуидност е е особено състояние на веществото (термодинамична фаза), възникващо при понижение на температурата до абсолютната нула, при което то придобива свойството да протича през тесни процепи и капиляри без триене. До неотдавна свръхфлуидност беше известна само при течния хелий, но напоследък е открита и при други системи: в разредени атомни бозе-кондензати, твърд хелий.

Промяна на агрегатното състояние, фазови преходи[редактиране | edit source]

Фазов преход е преминаването от една фаза в друга. Преминаването в едно агрегатно състояние в друго е частен случай на смяна на фазата. То се извършва чрез изпарение, втечняване, кристализация, сублимация, топене и други. Извършва се когато се създават или разкъсват значително количество физични връзки между молекулите на веществото при съответно поглъщане или отделяне на енергия. При това се променят физични характеристики като плътност, вискозитет, оптични свойства.

Източници[редактиране | edit source]

  1. Газ (женски род — чл. газта, няма множествено число) има друго значение, вж. газ за осветление
  2. Фотография Luc Viatour
  3. Владимир Жданов. Плазма в космосе. // Кругосвет. Посетен на 2009-02-21.
  4. а б Димо Узунов. Бозе-Айнщайновата кондензация: парадигма и реалност. // сп. Светът на физиката, януари 2002. Посетен на 20.03.2008.