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Lo stato di aggregazione di una sostanza è solitamente chiamato la sua capacità di mantenere forma e volume. Una caratteristica aggiuntiva sono i metodi di transizione di una sostanza da uno stato di aggregazione a un altro. In base a ciò si distinguono tre stati di aggregazione: solido, liquido e gassoso. Le loro proprietà visibili sono:

Un corpo solido mantiene sia la forma che il volume. Può passare in un liquido mediante fusione o direttamente in un gas mediante sublimazione.
- Liquido – mantiene il volume, ma non la forma, cioè ha fluidità. Il liquido versato tende a diffondersi indefinitamente sulla superficie su cui viene versato. Un liquido può diventare solido per cristallizzazione e gas per evaporazione.
- Gas – non mantiene né forma né volume. Il gas all'esterno di qualsiasi contenitore tende ad espandersi illimitatamente in tutte le direzioni. Solo la gravità può impedirgli di farlo, grazie alla quale l'atmosfera terrestre non si disperde nello spazio. Il gas passa in un liquido per condensazione e direttamente in un solido per sedimentazione.

Transizioni di fase

La transizione di una sostanza da uno stato di aggregazione a un altro è chiamata transizione di fase, poiché lo stato di aggregazione scientifico è la fase della materia. Ad esempio, l’acqua può esistere nella fase solida (ghiaccio), liquida (acqua naturale) e gassosa (vapore acqueo).

Anche l’esempio dell’acqua è ben dimostrato. Steso in cortile ad asciugare in una giornata gelida e senza vento, gela subito, ma dopo qualche tempo risulta asciutto: il ghiaccio sublima trasformandosi direttamente in vapore acqueo.

Di norma, la transizione di fase da solido a liquido e gas richiede riscaldamento, ma la temperatura del mezzo non aumenta: l'energia termica viene spesa per rompere i legami interni nella sostanza. Questo è il cosiddetto calore latente. Durante le transizioni di fase inversa (condensazione, cristallizzazione), questo calore viene rilasciato.

Questo è il motivo per cui le ustioni da vapore sono così pericolose. Quando viene a contatto con la pelle, si condensa. Il calore latente di evaporazione/condensazione dell'acqua è molto elevato: l'acqua a questo riguardo è una sostanza anomala; Ecco perché la vita sulla Terra è possibile. In un'ustione da vapore, il calore latente della condensazione dell'acqua "scotta" l'area bruciata molto profondamente e le conseguenze di un'ustione da vapore sono molto più gravi che da una fiamma sulla stessa area del corpo.

Pseudofasi

La fluidità della fase liquida di una sostanza è determinata dalla sua viscosità, e la viscosità è determinata dalla natura dei legami interni, che verranno discussi nella sezione successiva. La viscosità del liquido può essere molto elevata e tale liquido può scorrere inosservato dall'occhio.

Un classico esempio è il vetro. Non è un liquido solido, ma molto viscoso. Si ricorda che nei magazzini le lastre di vetro non vengono mai stoccate appoggiate in diagonale al muro. Nel giro di pochi giorni si piegheranno sotto il loro stesso peso e non saranno più adatti al consumo.

Altri esempi di pseudosolidi sono il lucido da scarpe e il bitume da costruzione. Se si dimentica un pezzo spigoloso di bitume sul tetto, durante l'estate si formerà una torta e si attaccherà alla base. I corpi pseudo-solidi possono essere distinti da quelli reali per la natura della fusione: quelli reali o mantengono la loro forma finché non si diffondono immediatamente (saldatura durante la saldatura), oppure galleggiano, rilasciando pozzanghere e corsi d'acqua (ghiaccio). E i liquidi molto viscosi si ammorbidiscono gradualmente, come la pece o il bitume.

Le materie plastiche sono liquidi estremamente viscosi, la cui fluidità non si nota per molti anni e decenni. La loro elevata capacità di mantenere la forma è assicurata dall'enorme peso molecolare dei polimeri, molte migliaia e milioni di atomi di idrogeno.

Struttura fase della materia

Nella fase gassosa, le molecole o gli atomi di una sostanza sono molto distanti tra loro, molte volte maggiori della distanza tra loro. Interagiscono tra loro occasionalmente e in modo irregolare, solo durante le collisioni. L'interazione stessa è elastica: si sono scontrati come palline dure e si sono immediatamente disperse.

In un liquido, le molecole/atomi si “sentono” costantemente a causa di legami molto deboli di natura chimica. Questi legami si rompono continuamente e si ripristinano immediatamente; le molecole del liquido si muovono continuamente l'una rispetto all'altra, motivo per cui il liquido scorre. Ma per trasformarlo in gas è necessario rompere tutti i legami contemporaneamente e ciò richiede molta energia, motivo per cui il liquido mantiene il suo volume.

A questo proposito, l'acqua differisce dalle altre sostanze in quanto le sue molecole nel liquido sono collegate dai cosiddetti legami idrogeno, che sono piuttosto forti. Pertanto, l'acqua può essere un liquido a una temperatura normale per la vita. Molte sostanze con un peso molecolare decine e centinaia di volte superiore a quello dell'acqua sono gas in condizioni normali, come il normale gas domestico.

In un solido, tutte le sue molecole sono saldamente al loro posto grazie a forti legami chimici tra loro, formando un reticolo cristallino. I cristalli di forma regolare richiedono condizioni particolari per la loro crescita e quindi sono rari in natura. La maggior parte dei solidi sono conglomerati di cristalli piccoli e minuscoli – cristalliti – strettamente accoppiati da forze meccaniche ed elettriche.

Se il lettore ha mai visto, ad esempio, un semiasse rotto di un'auto o una griglia in ghisa, i granelli di cristalliti sui rottami sono visibili ad occhio nudo. E su frammenti di porcellana o terracotta rotti possono essere osservati sotto una lente d'ingrandimento.

Plasma

I fisici identificano anche un quarto stato della materia: il plasma. Nel plasma, gli elettroni sono separati dai nuclei atomici ed è una miscela di particelle caricate elettricamente. Il plasma può essere molto denso. Ad esempio, un centimetro cubo di plasma proveniente dall'interno delle stelle, le nane bianche, pesa decine e centinaia di tonnellate.

Il plasma è isolato in uno stato di aggregazione separato perché interagisce attivamente con i campi elettromagnetici a causa del fatto che le sue particelle sono cariche. Nello spazio libero il plasma tende ad espandersi, raffreddandosi e trasformandosi in gas. Ma sotto l'influenza dei campi elettromagnetici, può mantenere la sua forma e il suo volume all'esterno della nave, come un corpo solido. Questa proprietà del plasma viene utilizzata nei reattori termonucleari, prototipi delle centrali elettriche del futuro.

Stati aggregati. Liquidi. Fasi in termodinamica. Transizioni di fase.

Lezione 1.16

Tutte le sostanze possono esistere in tre stati di aggregazione: solido, liquido E gassoso. Le transizioni tra loro sono accompagnate da bruschi cambiamenti in una serie di proprietà fisiche (densità, conduttività termica, ecc.).

Lo stato di aggregazione dipende dalle condizioni fisiche in cui si trova la sostanza. L'esistenza di diversi stati di aggregazione in una sostanza è dovuta alle differenze nel movimento termico delle sue molecole (atomi) e nella loro interazione in condizioni diverse.

Gas- lo stato di aggregazione di una sostanza in cui le particelle non sono collegate o sono collegate molto debolmente dalle forze di interazione; l'energia cinetica del movimento termico delle sue particelle (molecole, atomi) supera significativamente l'energia potenziale delle interazioni tra loro, quindi le particelle si muovono quasi liberamente, riempiendo completamente il vaso in cui si trovano e assumendone la forma. Allo stato gassoso una sostanza non ha né un proprio volume né una propria forma. Qualsiasi sostanza può essere convertita in un gas modificando la pressione e la temperatura.

Liquido- stato di aggregazione di una sostanza, intermedio tra solido e gassoso. È caratterizzato da un'elevata mobilità delle particelle e da un piccolo spazio libero tra di loro. Ciò fa sì che i liquidi mantengano il loro volume e assumano la forma del contenitore. In un liquido le molecole si trovano molto vicine tra loro. Pertanto, la densità del liquido è molto maggiore della densità dei gas (a pressione normale). Le proprietà di un liquido sono le stesse (isotrope) in tutte le direzioni, ad eccezione dei cristalli liquidi. Quando riscaldati o la densità diminuisce, le proprietà del liquido, la conduttività termica e la viscosità cambiano, di regola, verso le proprietà dei gas.

Il movimento termico delle molecole liquide consiste in una combinazione di movimenti vibrazionali collettivi e salti di molecole che si verificano di volta in volta da una posizione di equilibrio all'altra.

Corpi solidi (cristallini).- lo stato di aggregazione di una sostanza, caratterizzato dalla stabilità della forma e dalla natura del movimento termico degli atomi. Questo movimento è la vibrazione degli atomi (o ioni) che compongono il solido. L'ampiezza della vibrazione è solitamente piccola rispetto alle distanze interatomiche.

Proprietà dei liquidi.

Le molecole di una sostanza allo stato liquido si trovano quasi vicine l'una all'altra. A differenza dei corpi cristallini solidi, in cui le molecole formano strutture ordinate in tutto il volume del cristallo e possono eseguire vibrazioni termiche attorno a centri fissi, le molecole liquide hanno maggiore libertà. Ogni molecola di un liquido, proprio come in un solido, è “racchiusa” su tutti i lati da molecole vicine e subisce vibrazioni termiche attorno ad una certa posizione di equilibrio. Tuttavia, di tanto in tanto una molecola può spostarsi in un sito libero vicino. Tali salti nei liquidi si verificano abbastanza spesso; quindi le molecole non sono legate a centri specifici, come nei cristalli, e possono muoversi attraverso l'intero volume del liquido. Questo spiega la fluidità dei liquidi. A causa della forte interazione tra molecole vicine, possono formare gruppi ordinati locali (instabili) contenenti diverse molecole. Questo fenomeno si chiama ordine chiuso.

A causa del denso impaccamento delle molecole, la comprimibilità dei liquidi, cioè la variazione di volume con una variazione di pressione, è molto piccola; è decine e centinaia di migliaia di volte inferiore a quella dei gas. Ad esempio, per modificare il volume dell'acqua dell'1%, è necessario aumentare la pressione circa 200 volte. Questo aumento di pressione rispetto a quella atmosferica si ottiene ad una profondità di circa 2 km.

I liquidi, come i solidi, cambiano il loro volume con i cambiamenti di temperatura. Per intervalli di temperatura non molto ampi, la variazione relativa di volume Δ V / V 0 è proporzionale alla variazione di temperatura Δ T:

Si chiama il coefficiente β coefficiente di temperatura di dilatazione volumetrica. Questo coefficiente per i liquidi è decine di volte maggiore che per i solidi. Per l'acqua ad es. alla temperatura di 20 °C β ≈ 2 10 –4 K –1, per acciaio - β st ≈ 3,6 10 –5 K –1, per vetro al quarzo - β kV ≈ 9 10 – 6 K – 1.

L’espansione termica dell’acqua presenta un’anomalia interessante e importante per la vita sulla Terra. A temperature inferiori a 4 °C l’acqua si espande al diminuire della temperatura (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

Quando l'acqua congela, si espande, quindi il ghiaccio rimane a galleggiare sulla superficie di uno specchio d'acqua ghiacciato. La temperatura dell'acqua ghiacciata sotto il ghiaccio è 0 °C. Negli strati d'acqua più densi sul fondo del serbatoio la temperatura è di circa 4 °C. Grazie a ciò, la vita può esistere nell'acqua dei bacini ghiacciati.

La caratteristica più interessante dei liquidi è la presenza superficie libera. Il liquido, a differenza dei gas, non riempie l'intero volume del contenitore in cui viene versato. Tra il liquido ed il gas (o vapore) si forma un'interfaccia che si trova in condizioni particolari rispetto al resto del liquido. Le molecole nello strato limite di un liquido, a differenza delle molecole nella sua profondità, non sono circondate da altre molecole dello stesso liquido su tutti i lati. Le forze di interazione intermolecolare che agiscono su una delle molecole all'interno di un liquido dalle molecole vicine sono, in media, reciprocamente compensate. Qualsiasi molecola nello strato limite è attratta dalle molecole situate all'interno del liquido (le forze che agiscono su una data molecola di liquido dalle molecole di gas (o vapore) possono essere trascurate). Di conseguenza, appare una certa forza risultante, diretta in profondità nel liquido. Le molecole superficiali vengono attratte nel liquido dalle forze di attrazione intermolecolare. Ma tutte le molecole, comprese le molecole dello strato limite, devono essere in uno stato di equilibrio. Questo equilibrio si ottiene riducendo leggermente la distanza tra le molecole dello strato superficiale e quelle più vicine all'interno del liquido. Quando la distanza tra le molecole diminuisce, si creano forze repulsive. Se la distanza media tra le molecole all'interno di un liquido è R 0, allora le molecole dello strato superficiale sono un po' più fitte e quindi hanno una riserva di energia potenziale aggiuntiva rispetto alle molecole interne. Va tenuto presente che, a causa della comprimibilità estremamente bassa, la presenza di uno strato superficiale più denso non porta ad alcun cambiamento evidente nel volume del liquido. Se una molecola si sposta dalla superficie al liquido, le forze dell'interazione intermolecolare svolgeranno un lavoro positivo. Al contrario, per trascinare un certo numero di molecole dalla profondità del liquido alla superficie (cioè aumentare la superficie del liquido), forze esterne deve fare un lavoro positivo UN esterno, proporzionale alla variazione Δ S superficie:

Il coefficiente σ è chiamato coefficiente di tensione superficiale (σ > 0). Pertanto, il coefficiente di tensione superficiale è uguale al lavoro necessario per aumentare di un'unità la superficie di un liquido a temperatura costante.

Nel SI, il coefficiente di tensione superficiale è misurato in joule per metro quadrato (J/m2) o in newton per metro (1 N/m = 1 J/m2).

Di conseguenza, le molecole dello strato superficiale di un liquido hanno un eccesso di energia potenziale. Energia potenziale E p della superficie del liquido è proporzionale alla sua area: (1.16.1)

Dalla meccanica è noto che gli stati di equilibrio di un sistema corrispondono al valore minimo della sua energia potenziale. Ne consegue che la superficie libera del liquido tende a ridurre la sua area. Per questo motivo una goccia libera di liquido assume una forma sferica. Il liquido si comporta come se le forze agenti tangenzialmente alla sua superficie contraessero (tirassero) questa superficie. Queste forze sono chiamate forze di tensione superficiale.

La presenza di forze di tensione superficiale fa sì che la superficie di un liquido assomigli ad una pellicola elastica stirata, con l'unica differenza che le forze elastiche nel film dipendono dalla sua area superficiale (cioè da come il film si deforma) e dalla tensione superficiale le forze non dipendono dalla superficie del liquido.

Le forze di tensione superficiale tendono a ridurre la superficie del film. Possiamo quindi scrivere: (1.16.2)

Pertanto, il coefficiente di tensione superficiale σ può essere definito come il modulo della forza di tensione superficiale che agisce per unità di lunghezza della linea che delimita la superficie ( l- la lunghezza di questa linea).

A causa dell'azione delle forze di tensione superficiale nelle gocce di liquido e all'interno delle bolle di sapone, si verifica una pressione eccessiva Δ P. Se tagli mentalmente una goccia sferica di raggio R in due metà, ciascuna di esse deve essere in equilibrio sotto l'azione delle forze di tensione superficiale applicate al confine di taglio di lunghezza 2π R e forze di pressione in eccesso che agiscono sull'area π R 2 sezioni (Fig. 1.16.1). La condizione di equilibrio è scritta come

In prossimità del confine tra un liquido, un solido e un gas, la forma della superficie libera del liquido dipende dalle forze di interazione tra molecole liquide e molecole solide (l'interazione con molecole di gas (o vapore) può essere trascurata). Se queste forze sono maggiori delle forze di interazione tra le molecole del liquido stesso, allora il liquido bagna superficie di un solido. In questo caso il liquido si avvicina alla superficie del solido con un certo angolo acuto θ, caratteristico di una data coppia liquido-solido. L'angolo θ si chiama angolo di contatto. Se le forze di interazione tra le molecole liquide superano le forze della loro interazione con le molecole solide, allora l'angolo di contatto θ risulta essere ottuso (Fig. 1.16.2(2)). In questo caso dicono che il liquido non bagna superficie di un solido. Altrimenti (angolo - acuto) liquido bagna superficie (Fig. 1.16.2(1)). A bagnatura completaθ = 0, a completa non bagnabilitàθ = 180°.

Fenomeni capillari chiamato salita o discesa del liquido in tubi di piccolo diametro - capillari. I liquidi bagnanti salgono attraverso i capillari, i liquidi non bagnanti scendono.

La Figura 1.16.3 mostra un tubo capillare di un certo raggio R, abbassato all'estremità inferiore in un liquido bagnante di densità ρ. L'estremità superiore del capillare è aperta. La risalita del liquido nel capillare continua fino a quando la forza di gravità che agisce sulla colonna di liquido nel capillare diventa uguale in grandezza alla risultante F n forze di tensione superficiale che agiscono lungo il confine di contatto del liquido con la superficie del capillare: F t = F n, dove F t = mg = ρ Hπ R 2 G, F n = σ2π R cosθ.

Ne consegue:

Con bagnatura completa θ = 0, cos θ = 1. In questo caso

Con totale non bagnabilità θ = 180°, cos θ = –1 e quindi H < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

L'acqua bagna quasi completamente la superficie del vetro pulita. Al contrario, il mercurio non bagna completamente la superficie del vetro. Pertanto, il livello di mercurio nel capillare di vetro scende al di sotto del livello nel vaso.

La conoscenza più comune parla di tre stati di aggregazione: liquido, solido, gassoso, a volte ricordano il plasma, meno spesso il liquido cristallino; Recentemente, su Internet si è diffuso un elenco di 17 fasi della materia, tratto dal famoso () Stephen Fry. Pertanto ve ne parleremo in modo più dettagliato, perché... Dovresti saperne un po' di più sulla materia, se non altro per comprendere meglio i processi che avvengono nell'Universo.

L'elenco degli stati aggregati della materia fornito di seguito aumenta dagli stati più freddi a quelli più caldi, ecc. può essere continuato. Allo stesso tempo, va inteso che dallo stato gassoso (n. 11), il più "non compresso", su entrambi i lati dell'elenco, il grado di compressione della sostanza e la sua pressione (con alcune riserve per tale non studiato stati ipotetici come quantistici, fascio o debolmente simmetrici) aumentano Dopo il testo viene mostrato un grafico visivo delle transizioni di fase della materia.

1. Quantistici- uno stato di aggregazione della materia, raggiunto quando la temperatura scende allo zero assoluto, a seguito del quale i legami interni scompaiono e la materia si sbriciola in quark liberi.

2. Condensato di Bose-Einstein- uno stato di aggregazione della materia, la cui base sono i bosoni, raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto (meno di un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto). In uno stato così fortemente raffreddato, un numero sufficientemente elevato di atomi si ritrova nei loro stati quantistici minimi possibili e gli effetti quantistici iniziano a manifestarsi a livello macroscopico. Un condensato di Bose-Einstein (spesso chiamato condensato di Bose, o semplicemente "beck") si verifica quando si raffredda un elemento chimico a temperature estremamente basse (di solito appena sopra lo zero assoluto, meno 273 gradi Celsius, è la temperatura teorica alla quale avviene tutto). smette di muoversi).
È qui che iniziano ad accadere cose completamente strane alla sostanza. I processi solitamente osservati solo a livello atomico ora si verificano su scale abbastanza grandi da poter essere osservati ad occhio nudo. Ad esempio, se si posiziona "indietro" in un bicchiere da laboratorio e si fornisce la temperatura desiderata, la sostanza inizierà a strisciare lungo la parete e alla fine uscirà da sola.
Apparentemente si tratta del vano tentativo di una sostanza di abbassare la propria energia (che è già al livello più basso possibile).
Rallentando gli atomi utilizzando apparecchiature di raffreddamento si produce un singolare stato quantico noto come condensato di Bose, o Bose-Einstein. Questo fenomeno fu previsto nel 1925 da A. Einstein, come risultato di una generalizzazione del lavoro di S. Bose, dove fu costruita la meccanica statistica per particelle che vanno dai fotoni senza massa agli atomi portatori di massa (il manoscritto di Einstein, considerato perduto, fu scoperto nella biblioteca dell'Università di Leiden nel 2005). Il risultato degli sforzi di Bose ed Einstein fu il concetto di Bose di un gas soggetto alla statistica di Bose-Einstein, che descrive la distribuzione statistica di particelle identiche con spin intero chiamate bosoni. I bosoni, che sono, ad esempio, singole particelle elementari - fotoni e atomi interi - possono trovarsi tra loro negli stessi stati quantistici. Einstein propose che il raffreddamento degli atomi dei bosoni a temperature molto basse li avrebbe fatti trasformare (o, in altre parole, condensare) nello stato quantistico più basso possibile. Il risultato di tale condensazione sarà l’emergere di una nuova forma di materia.
Questa transizione avviene al di sotto della temperatura critica, che è per un gas tridimensionale omogeneo costituito da particelle non interagenti senza gradi di libertà interni.

3. Condensato di fermioni- uno stato di aggregazione di una sostanza, simile al supporto, ma diversa nella struttura. Quando si avvicinano allo zero assoluto, gli atomi si comportano diversamente a seconda dell'entità del proprio momento angolare (spin). I bosoni hanno spin interi, mentre i fermioni hanno spin multipli di 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). I fermioni obbediscono al principio di esclusione di Pauli, secondo il quale non possono esistere due fermioni che abbiano lo stesso stato quantico. Non esiste un simile divieto per i bosoni, e quindi hanno l'opportunità di esistere in uno stato quantico e quindi formare il cosiddetto condensato di Bose-Einstein. Il processo di formazione di questo condensato è responsabile del passaggio allo stato superconduttore.
Gli elettroni hanno spin 1/2 e sono quindi classificati come fermioni. Si combinano in coppie (chiamate coppie di Cooper), che poi formano un condensato di Bose.
Scienziati americani hanno tentato di ottenere un tipo di molecole dagli atomi di fermioni mediante raffreddamento profondo. La differenza rispetto alle molecole reali era che non esisteva alcun legame chimico tra gli atomi: si muovevano semplicemente insieme in modo correlato. Il legame tra gli atomi si è rivelato ancora più forte di quello tra gli elettroni nelle coppie di Cooper. Le coppie di fermioni risultanti hanno uno spin totale che non è più multiplo di 1/2, quindi si comportano già come bosoni e possono formare un condensato di Bose con un unico stato quantico. Durante l'esperimento, un gas di atomi di potassio-40 è stato raffreddato a 300 nanokelvin, mentre il gas era racchiuso in una cosiddetta trappola ottica. Quindi è stato applicato un campo magnetico esterno, con l'aiuto del quale è stato possibile modificare la natura delle interazioni tra gli atomi: invece di una forte repulsione, si è cominciata a osservare una forte attrazione. Analizzando l'influenza del campo magnetico, è stato possibile trovare un valore al quale gli atomi hanno iniziato a comportarsi come coppie di elettroni di Cooper. Nella fase successiva dell'esperimento, gli scienziati si aspettano di ottenere effetti di superconduttività per il condensato di fermioni.

4. Sostanza superfluida- uno stato in cui una sostanza non ha praticamente alcuna viscosità e durante il flusso non subisce attrito con una superficie solida. La conseguenza di ciò è, ad esempio, un effetto così interessante come la completa fuoriuscita spontanea dell'elio superfluido dal recipiente lungo le sue pareti contro la forza di gravità. Naturalmente qui non vi è alcuna violazione della legge di conservazione dell'energia. In assenza di forze di attrito, sull'elio agiscono solo le forze di gravità, le forze di interazione interatomica tra l'elio e le pareti del recipiente e tra gli atomi di elio. Quindi, le forze dell'interazione interatomica superano tutte le altre forze combinate. Di conseguenza, l'elio tende a diffondersi il più possibile su tutte le superfici possibili, e quindi “viaggia” lungo le pareti del recipiente. Nel 1938, lo scienziato sovietico Pyotr Kapitsa dimostrò che l'elio può esistere allo stato superfluido.
Vale la pena notare che molte delle proprietà insolite dell'elio sono note da molto tempo. Tuttavia, negli ultimi anni, questo elemento chimico ci ha coccolato con effetti interessanti e inaspettati. Così, nel 2004, Moses Chan e Eun-Syong Kim dell'Università della Pennsylvania hanno incuriosito il mondo scientifico con l'annuncio di essere riusciti a ottenere uno stato completamente nuovo di elio: un solido superfluido. In questo stato, alcuni atomi di elio nel reticolo cristallino possono fluire attorno ad altri e l'elio può quindi fluire attraverso se stesso. L’effetto “superdurezza” era stato previsto teoricamente già nel 1969. E poi nel 2004 sembrò esserci una conferma sperimentale. Tuttavia, esperimenti successivi e molto interessanti hanno dimostrato che non tutto è così semplice, e forse questa interpretazione del fenomeno, precedentemente accettata come superfluidità dell'elio solido, non è corretta.
L'esperimento degli scienziati guidati da Humphrey Maris della Brown University negli Stati Uniti è stato semplice ed elegante. Gli scienziati hanno posizionato una provetta capovolta in un serbatoio chiuso contenente elio liquido. Congelarono parte dell'elio nella provetta e nel serbatoio in modo tale che il confine tra liquido e solido all'interno della provetta fosse più alto che nel serbatoio. In altre parole, nella parte superiore della provetta c'era l'elio liquido, nella parte inferiore c'era l'elio solido, passava dolcemente nella fase solida del serbatoio, sopra il quale veniva versato un po' di elio liquido - più in basso del liquido livello nella provetta. Se l'elio liquido iniziasse a fuoriuscire attraverso l'elio solido, la differenza di livello diminuirebbe e quindi potremmo parlare di elio solido superfluido. E in linea di principio, in tre dei 13 esperimenti, la differenza di livello è effettivamente diminuita.

5. Sostanza superdura- uno stato di aggregazione in cui la materia è trasparente e può “scorrere” come un liquido, ma di fatto è priva di viscosità. Tali liquidi sono noti da molti anni; sono chiamati superfluidi. Il fatto è che se un superfluido viene agitato, circolerà quasi per sempre, mentre un fluido normale prima o poi si calmerà. I primi due superfluidi sono stati creati dai ricercatori utilizzando l'elio-4 e l'elio-3. Sono stati raffreddati quasi fino allo zero assoluto, meno 273 gradi Celsius. E dall'elio-4, gli scienziati americani sono riusciti a ottenere un corpo supersolido. Hanno compresso l'elio congelato con una pressione superiore a 60 volte, quindi hanno posizionato il vetro riempito con la sostanza su un disco rotante. Ad una temperatura di 0,175 gradi Celsius, il disco ha improvvisamente iniziato a ruotare più liberamente, il che, secondo gli scienziati, indica che l'elio è diventato un supercorpo.

6. Solido- uno stato di aggregazione di una sostanza, caratterizzato dalla stabilità della forma e dalla natura del movimento termico degli atomi, che eseguono piccole vibrazioni attorno alle posizioni di equilibrio. Lo stato stabile dei solidi è cristallino. Esistono solidi con legami ionici, covalenti, metallici e di altro tipo tra gli atomi, che determinano la diversità delle loro proprietà fisiche. Le proprietà elettriche e alcune altre proprietà dei solidi sono determinate principalmente dalla natura del movimento degli elettroni esterni dei suoi atomi. In base alle loro proprietà elettriche, i solidi si dividono in dielettrici, semiconduttori e metalli, in base alle loro proprietà magnetiche i solidi si dividono in diamagnetici, paramagnetici e corpi con struttura magnetica ordinata; Gli studi sulle proprietà dei solidi si sono fusi in un vasto campo: la fisica dello stato solido, il cui sviluppo è stimolato dalle esigenze della tecnologia.

7. Solido amorfo- uno stato condensato di aggregazione di una sostanza, caratterizzato dall'isotropia delle proprietà fisiche dovuta alla disposizione disordinata di atomi e molecole. Nei solidi amorfi, gli atomi vibrano attorno a punti posizionati casualmente. A differenza dello stato cristallino, il passaggio dallo stato solido amorfo a quello liquido avviene gradualmente. Diverse sostanze si trovano allo stato amorfo: vetro, resine, plastica, ecc.

8. Cristalli liquidiè uno stato aggregato specifico di una sostanza in cui presenta contemporaneamente le proprietà di un cristallo e di un liquido. Va notato subito che non tutte le sostanze possono trovarsi allo stato cristallino liquido. Tuttavia, alcune sostanze organiche con molecole complesse possono formare uno stato di aggregazione specifico: cristallino liquido. Questo stato si verifica quando i cristalli di alcune sostanze si sciolgono. Quando si sciolgono, si forma una fase liquida cristallina, che differisce dai liquidi ordinari. Questa fase esiste nell'intervallo dalla temperatura di fusione del cristallo a una temperatura più elevata, quando riscaldato, alla quale il cristallo liquido si trasforma in un liquido normale.
In cosa differisce un cristallo liquido da un liquido e da un cristallo normale e in cosa è simile a loro? Come un normale liquido, un cristallo liquido ha fluidità e prende la forma del contenitore in cui è posto. Ecco come differisce dai cristalli conosciuti da tutti. Tuttavia, nonostante questa proprietà, che lo accomuna al liquido, ha una proprietà caratteristica dei cristalli. Questo è l'ordinamento nello spazio delle molecole che formano il cristallo. È vero, questo ordinamento non è così completo come nei cristalli ordinari, ma, tuttavia, influisce in modo significativo sulle proprietà dei cristalli liquidi, che li distingue dai liquidi ordinari. L'ordine spaziale incompleto delle molecole che formano un cristallo liquido si manifesta nel fatto che nei cristalli liquidi non esiste un ordine completo nella disposizione spaziale dei centri di gravità delle molecole, sebbene possa esserci un ordine parziale. Ciò significa che non hanno un reticolo cristallino rigido. Pertanto, i cristalli liquidi, come i liquidi ordinari, hanno la proprietà della fluidità.
Una proprietà obbligatoria dei cristalli liquidi, che li avvicina ai cristalli ordinari, è la presenza di un ordine di orientamento spaziale delle molecole. Questo ordine di orientamento può manifestarsi, ad esempio, nel fatto che tutti gli assi lunghi delle molecole in un campione cristallino liquido sono orientati nello stesso modo. Queste molecole devono avere una forma allungata. Oltre al più semplice ordinamento degli assi molecolari, in un cristallo liquido può verificarsi un ordine orientativo delle molecole più complesso.
A seconda del tipo di ordinamento degli assi molecolari, i cristalli liquidi si dividono in tre tipologie: nematici, smettici e colesterici.
La ricerca sulla fisica dei cristalli liquidi e sulle loro applicazioni viene attualmente condotta su un ampio fronte in tutti i paesi più sviluppati del mondo. La ricerca nazionale è concentrata negli istituti di ricerca sia accademici che industriali e ha una lunga tradizione. Le opere di V.K., completate negli anni Trenta a Leningrado, divennero ampiamente conosciute e riconosciute. Fredericks a V.N. Tsvetkova. Negli ultimi anni, il rapido studio dei cristalli liquidi ha visto anche i ricercatori nazionali dare un contributo significativo allo sviluppo dello studio dei cristalli liquidi in generale e, in particolare, dell'ottica dei cristalli liquidi. Pertanto, le opere di I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, SA Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Blinov e molti altri ricercatori sovietici sono ampiamente conosciuti dalla comunità scientifica e costituiscono la base per una serie di efficaci applicazioni tecniche dei cristalli liquidi.
L'esistenza dei cristalli liquidi è stata accertata molto tempo fa, precisamente nel 1888, cioè quasi un secolo fa. Sebbene gli scienziati abbiano riscontrato questo stato della materia prima del 1888, è stato scoperto ufficialmente più tardi.
Il primo a scoprire i cristalli liquidi fu il botanico austriaco Reinitzer. Studiando la nuova sostanza benzoato di colesterolo da lui sintetizzata, scoprì che ad una temperatura di 145°C i cristalli di questa sostanza si sciolgono formando un liquido torbido che disperde fortemente la luce. Proseguendo il riscaldamento, una volta raggiunta la temperatura di 179°C, il liquido diventa limpido, cioè inizia a comportarsi otticamente come un normale liquido, ad esempio l'acqua. Il benzoato di colesterolo ha mostrato proprietà inaspettate nella fase torbida. Esaminando questa fase al microscopio polarizzatore, Reinitzer scoprì che presenta birifrangenza. Ciò significa che l'indice di rifrazione della luce, cioè la velocità della luce in questa fase, dipende dalla polarizzazione.

9. Liquido- lo stato di aggregazione di una sostanza, che unisce le caratteristiche dello stato solido (conservazione del volume, una certa resistenza alla trazione) e dello stato gassoso (variabilità della forma). I liquidi sono caratterizzati da un ordine a corto raggio nella disposizione delle particelle (molecole, atomi) e da una piccola differenza nell'energia cinetica del movimento termico delle molecole e nella loro potenziale energia di interazione. Il movimento termico delle molecole liquide consiste in oscillazioni attorno alle posizioni di equilibrio e salti relativamente rari da una posizione di equilibrio all'altra, che è associato alla fluidità del liquido.

10. Fluido supercritico(SCF) è uno stato di aggregazione di una sostanza in cui scompare la differenza tra la fase liquida e quella gassosa. Qualsiasi sostanza a temperatura e pressione superiori al suo punto critico è un fluido supercritico. Le proprietà di una sostanza nello stato supercritico sono intermedie tra le sue proprietà nelle fasi gassosa e liquida. Pertanto, l'SCF ha un'alta densità, vicina a un liquido, e una bassa viscosità, come i gas. Il coefficiente di diffusione in questo caso ha un valore intermedio tra liquido e gas. Le sostanze supercritiche possono essere utilizzate come sostituti dei solventi organici nei processi di laboratorio e industriali. L'acqua supercritica e l'anidride carbonica supercritica hanno ricevuto il massimo interesse e distribuzione a causa di alcune proprietà.
Una delle proprietà più importanti dello stato supercritico è la capacità di dissolvere le sostanze. Modificando la temperatura o la pressione del fluido, è possibile modificarne le proprietà in un ampio intervallo. Pertanto, è possibile ottenere un fluido le cui proprietà sono vicine a quelle di un liquido o di un gas. Pertanto, la capacità dissolvente di un fluido aumenta con l'aumentare della densità (a temperatura costante). Poiché la densità aumenta all'aumentare della pressione, la variazione della pressione può influenzare la capacità di dissoluzione del fluido (a temperatura costante). Nel caso della temperatura, la dipendenza delle proprietà del fluido è leggermente più complessa: a densità costante aumenta anche la capacità dissolvente del fluido, ma vicino al punto critico un leggero aumento della temperatura può portare a un forte calo in densità e, di conseguenza, capacità di dissoluzione. I fluidi supercritici si mescolano tra loro senza limite, quindi al raggiungimento del punto critico della miscela il sistema sarà sempre monofase. La temperatura critica approssimativa di una miscela binaria può essere calcolata come la media aritmetica dei parametri critici delle sostanze Tc(miscela) = (frazione molare A) x TcA + (frazione molare B) x TcB.

11. Gassoso- (gaz francese, dal greco caos - caos), uno stato di aggregazione di una sostanza in cui l'energia cinetica del movimento termico delle sue particelle (molecole, atomi, ioni) supera significativamente l'energia potenziale delle interazioni tra loro, e quindi le particelle si muovono liberamente, riempiendo uniformemente in assenza di campi esterni l'intero volume ad essa fornito.

12. Plasma- (dal greco plasma - scolpito, modellato), stato della materia che è un gas ionizzato in cui le concentrazioni di cariche positive e negative sono uguali (quasi-neutralità). La stragrande maggioranza della materia nell'Universo è allo stato di plasma: stelle, nebulose galattiche e mezzo interstellare. Vicino alla Terra, il plasma esiste sotto forma di vento solare, magnetosfera e ionosfera. Il plasma ad alta temperatura (T ~ 106 - 108K) da una miscela di deuterio e trizio è allo studio con l'obiettivo di implementare la fusione termonucleare controllata. Il plasma a bassa temperatura (T Ј 105K) viene utilizzato in vari dispositivi a scarica di gas (laser a gas, dispositivi ionici, generatori MHD, plasmatroni, motori al plasma, ecc.), nonché nella tecnologia (vedi metallurgia del plasma, perforazione del plasma, plasma tecnologia).

13. Materia degenerata— è uno stadio intermedio tra plasma e neutronio. Si osserva nelle nane bianche e svolge un ruolo importante nell'evoluzione delle stelle. Quando gli atomi sono sottoposti a temperature e pressioni estremamente elevate, perdono i loro elettroni (diventano gas di elettroni). In altre parole, sono completamente ionizzati (plasma). La pressione di tale gas (plasma) è determinata dalla pressione degli elettroni. Se la densità è molto elevata, tutte le particelle vengono costrette ad avvicinarsi le une alle altre. Gli elettroni possono esistere in stati con energie specifiche e non possono esistere due elettroni con la stessa energia (a meno che i loro spin non siano opposti). Pertanto, in un gas denso, tutti i livelli energetici inferiori sono pieni di elettroni. Un gas di questo tipo è detto degenere. In questo stato, gli elettroni mostrano una pressione elettronica degenerata, che contrasta le forze di gravità.

14. Neutronio- uno stato di aggregazione in cui la materia passa ad altissima pressione, che è ancora irraggiungibile in laboratorio, ma esiste all'interno delle stelle di neutroni. Durante la transizione allo stato di neutrone, gli elettroni della sostanza interagiscono con i protoni e si trasformano in neutroni. Di conseguenza, la materia nello stato neutronico è costituita interamente da neutroni e ha una densità dell'ordine di quella nucleare. La temperatura della sostanza non deve essere troppo elevata (in energia equivalente, non più di cento MeV).
Con un forte aumento della temperatura (centinaia di MeV e oltre), vari mesoni iniziano a nascere e ad annichilarsi nello stato di neutrone. Con un ulteriore aumento della temperatura, avviene il deconfinamento e la sostanza passa nello stato di plasma di quark e gluoni. Non è più costituito da adroni, ma da quark e gluoni che nascono e scompaiono costantemente.

15. Plasma di quark e gluoni(cromoplasma) - uno stato di aggregazione della materia nella fisica delle alte energie e nella fisica delle particelle elementari, in cui la materia adronica passa in uno stato simile allo stato in cui si trovano elettroni e ioni nel plasma ordinario.
Tipicamente, la materia negli adroni si trova nel cosiddetto stato incolore (“bianco”). Cioè, quark di diversi colori si annullano a vicenda. Uno stato simile esiste nella materia ordinaria: quando tutti gli atomi sono elettricamente neutri, cioè
le cariche positive in essi contenute sono compensate da quelle negative. A temperature elevate può verificarsi la ionizzazione degli atomi, durante la quale le cariche vengono separate e la sostanza diventa, come si suol dire, "quasi neutra". Cioè, l'intera nuvola di materia nel suo insieme rimane neutra, ma le sue singole particelle cessano di essere neutre. La stessa cosa, a quanto pare, può accadere con la materia adronica: a energie molto elevate, il colore viene rilasciato e rende la sostanza “quasi incolore”.
Presumibilmente, nei primi istanti dopo il Big Bang, la materia dell'Universo era in uno stato di plasma di quark e gluoni. Ora il plasma di quark e gluoni può formarsi per un breve periodo durante le collisioni di particelle di energie molto elevate.
Il plasma di quark e gluoni è stato prodotto sperimentalmente presso l'acceleratore RHIC del Brookhaven National Laboratory nel 2005. Nel febbraio 2010 è stata raggiunta la temperatura massima del plasma di 4 trilioni di gradi Celsius.

16. Sostanza strana- uno stato di aggregazione in cui la materia è compressa ai massimi valori di densità può esistere sotto forma di “zuppa di quark”. Un centimetro cubo di materia in questo stato peserà miliardi di tonnellate; inoltre, trasformerà qualsiasi normale sostanza con cui entra in contatto nella stessa forma “strana” con il rilascio di una notevole quantità di energia.
L'energia che può essere rilasciata quando il nucleo della stella si trasforma in "materia strana" porterà all'esplosione super potente di un "quark nova" - e, secondo Leahy e Uyed, questo è esattamente ciò che gli astronomi hanno osservato nel settembre 2006.
Il processo di formazione di questa sostanza è iniziato con una normale supernova, nella quale si è trasformata una stella massiccia. Come risultato della prima esplosione si formò una stella di neutroni. Ma, secondo Leahy e Uyed, non durò molto a lungo: poiché la sua rotazione sembrava essere rallentata dal suo stesso campo magnetico, cominciò a restringersi ancora di più, formando un ammasso di “materia strana”, che portò ad un equilibrio uniforme. più potente durante una normale esplosione di supernova, il rilascio di energia - e gli strati esterni di materia dell'ex stella di neutroni, volano nello spazio circostante a una velocità vicina alla velocità della luce.

17. Sostanza fortemente simmetrica- questa è una sostanza compressa a tal punto che le microparticelle al suo interno si sovrappongono e il corpo stesso collassa in un buco nero. Il termine "simmetria" viene spiegato come segue: prendiamo gli stati aggregativi della materia conosciuti da tutti a scuola: solido, liquido, gassoso. Per chiarezza, consideriamo un cristallo infinito ideale come un solido. Esiste una certa, cosiddetta simmetria discreta rispetto al trasferimento. Ciò significa che se sposti il ​​​​reticolo cristallino di una distanza pari all'intervallo tra due atomi, non cambierà nulla in esso: il cristallo coinciderà con se stesso. Se il cristallo viene fuso, la simmetria del liquido risultante sarà diversa: aumenterà. In un cristallo, solo i punti distanti tra loro a determinate distanze, i cosiddetti nodi del reticolo cristallino, in cui si trovavano atomi identici, erano equivalenti.
Il liquido è omogeneo in tutto il suo volume, tutti i suoi punti sono indistinguibili l'uno dall'altro. Ciò significa che i liquidi possono essere spostati di qualsiasi distanza arbitraria (e non solo alcune discrete, come in un cristallo) o ruotati di qualsiasi angolo arbitrario (cosa che non può essere fatta affatto nei cristalli) e coincideranno con se stessi. Il suo grado di simmetria è più alto. Il gas è ancora più simmetrico: il liquido occupa un certo volume nel recipiente e all'interno del recipiente c'è un'asimmetria dove c'è liquido e punti dove non c'è. Il gas occupa l'intero volume che gli viene fornito e in questo senso tutti i suoi punti sono indistinguibili l'uno dall'altro. Tuttavia, qui sarebbe più corretto parlare non di punti, ma di elementi piccoli, ma macroscopici, perché a livello microscopico ci sono ancora differenze. In alcuni punti in un dato momento ci sono atomi o molecole, mentre in altri no. La simmetria si osserva solo in media, sia su alcuni parametri di volume macroscopici che nel tempo.
Ma a livello microscopico non esiste ancora alcuna simmetria istantanea. Se la sostanza viene compressa in modo molto forte, a pressioni inaccettabili nella vita di tutti i giorni, compressa in modo tale che gli atomi vengono schiacciati, i loro gusci si compenetrano l'uno nell'altro e i nuclei iniziano a toccarsi, si verifica la simmetria a livello microscopico. Tutti i nuclei sono identici e premuti l'uno contro l'altro, non ci sono solo distanze interatomiche, ma anche internucleari e la sostanza diventa omogenea (sostanza strana).
Ma esiste anche un livello submicroscopico. I nuclei sono costituiti da protoni e neutroni che si muovono all'interno del nucleo. C'è anche un po' di spazio tra loro. Se continui a comprimere fino a schiacciare i nuclei, i nucleoni si premono strettamente l'uno contro l'altro. Quindi, a livello submicroscopico, apparirà la simmetria, che non esiste nemmeno all'interno dei nuclei ordinari.
Da quanto detto si può discernere una tendenza ben precisa: quanto più alta è la temperatura e maggiore è la pressione, tanto più simmetrica diventa la sostanza. Sulla base di queste considerazioni, una sostanza compressa al massimo è detta altamente simmetrica.

18. Materia debolmente simmetrica- uno stato opposto alla materia fortemente simmetrica nelle sue proprietà, presente nell'Universo primordiale ad una temperatura vicina a quella di Planck, forse 10-12 secondi dopo il Big Bang, quando le forze forte, debole ed elettromagnetica rappresentavano un'unica superforza. In questo stato, la sostanza viene compressa a tal punto che la sua massa si trasforma in energia, che inizia a gonfiarsi, cioè ad espandersi indefinitamente. Non è ancora possibile ottenere le energie per ottenere sperimentalmente la superpotenza e trasferire la materia in questa fase in condizioni terrestri, sebbene tali tentativi siano stati fatti al Large Hadron Collider per studiare l'universo primordiale. A causa dell'assenza di interazione gravitazionale nella superforza che forma questa sostanza, la superforza non è sufficientemente simmetrica rispetto alla forza supersimmetrica che contiene tutti e 4 i tipi di interazioni. Pertanto, questo stato di aggregazione ha ricevuto un nome simile.

19. Sostanza del raggio- questa, infatti, non è più materia, ma energia nella sua forma pura. Tuttavia è proprio questo ipotetico stato di aggregazione che assumerà un corpo che abbia raggiunto la velocità della luce. Si può ottenere anche riscaldando il corpo alla temperatura di Planck (1032K), cioè accelerando le molecole della sostanza alla velocità della luce. Come segue dalla teoria della relatività, quando la velocità supera 0,99 s, la massa del corpo inizia a crescere molto più velocemente che con un'accelerazione “normale”, inoltre il corpo si allunga, si riscalda, cioè inizia a irradiano nello spettro infrarosso. Quando si supera la soglia di 0,999 s, il corpo cambia radicalmente e inizia una rapida transizione di fase fino allo stato di raggio. Come segue dalla formula di Einstein, presa nella sua interezza, la massa crescente della sostanza finale è costituita da masse separate dal corpo sotto forma di radiazioni termiche, raggi X, ottiche e di altro tipo, l'energia di ciascuna delle quali è descritta dalla termine successivo nella formula. Pertanto, un corpo che si avvicina alla velocità della luce inizierà a emettere in tutti gli spettri, a crescere in lunghezza e a rallentare nel tempo, assottigliandosi fino alla lunghezza di Planck, cioè, una volta raggiunta la velocità c, il corpo si trasformerà in un corpo infinitamente lungo e raggio sottile, che si muove alla velocità della luce e costituito da fotoni che non hanno lunghezza, e la sua massa infinita verrà completamente convertita in energia. Pertanto, tale sostanza è chiamata raggio.

A seconda della temperatura e della pressione, qualsiasi sostanza è in grado di assumere diversi stati di aggregazione. Ciascuno di questi stati è caratterizzato da alcune proprietà qualitative che rimangono invariate entro le temperature e le pressioni richieste per un dato stato di aggregazione.

Le proprietà caratteristiche degli stati di aggregazione includono, ad esempio, la capacità di un corpo allo stato solido di mantenere la sua forma, o viceversa, la capacità di un corpo liquido di cambiare forma. Talvolta però i confini tra i diversi stati della materia sono piuttosto labili, come nel caso dei cristalli liquidi, o dei cosiddetti “solidi amorfi”, che possono essere elastici come i solidi e fluidi come i liquidi.

La transizione tra stati di aggregazione può avvenire con il rilascio di energia libera, un cambiamento di densità, entropia o altre quantità fisiche. La transizione da uno stato di aggregazione a un altro è chiamata transizione di fase, e i fenomeni che accompagnano tali transizioni sono chiamati fenomeni critici.

Elenco degli stati di aggregazione noti

Nella pratica quotidiana, non dobbiamo occuparci separatamente di singoli atomi, molecole e ioni, ma di sostanze reali: un insieme di un gran numero di particelle. A seconda della natura della loro interazione, si distinguono quattro tipi di stato di aggregazione: solido, liquido, gassoso e plasma. Una sostanza può trasformarsi da uno stato di aggregazione ad un altro a seguito di un'appropriata transizione di fase.

La presenza di una sostanza nell'uno o nell'altro stato di aggregazione è determinata dalle forze che agiscono tra le particelle, dalla distanza tra loro e dalle caratteristiche del loro movimento. Ogni stato di aggregazione è caratterizzato da un insieme di determinate proprietà.

Proprietà delle sostanze a seconda del loro stato di aggregazione:

Un eccesso significativo dell'energia potenziale delle particelle rispetto all'energia cinetica, E cinetica.

Quando le particelle di una sostanza formano una struttura geometrica regolare e l'energia dei legami tra loro è maggiore dell'energia delle vibrazioni termiche, che impedisce la distruzione della struttura esistente, significa che la sostanza è allo stato solido. Ma a partire da una certa temperatura, l'energia delle vibrazioni termiche supera l'energia dei legami tra le particelle. In questo caso le particelle, pur rimanendo in contatto, si muovono l'una rispetto all'altra. Di conseguenza, la struttura geometrica viene interrotta e la sostanza passa allo stato liquido. Se le vibrazioni termiche aumentano così tanto che la connessione tra le particelle viene praticamente persa, la sostanza acquisisce uno stato gassoso. In un gas “ideale” le particelle si muovono liberamente in tutte le direzioni.

All'aumentare della temperatura una sostanza passa da uno stato ordinato (solido) ad uno stato disordinato (gassoso) intermedio nell'ordine delle particelle è lo stato liquido;

Il quarto stato di aggregazione è chiamato plasma, un gas costituito da una miscela di particelle ed elettroni neutri e ionizzati. Il plasma si forma a temperature ultra elevate (10 5 -10 7 0 C) a causa della significativa energia di collisione delle particelle che presentano il massimo disordine di movimento. Una caratteristica obbligatoria del plasma, come di altri stati della materia, è la sua neutralità elettrica. Ma come risultato del movimento disordinato delle particelle nel plasma, possono apparire singole microzone cariche, grazie alle quali diventa una fonte di radiazione elettromagnetica. Nello stato di plasma, la materia esiste sulle stelle e su altri oggetti spaziali, nonché durante i processi termonucleari.

Ogni stato di aggregazione è determinato, prima di tutto, dall'intervallo di temperature e pressioni, pertanto, per una caratteristica quantitativa visiva, viene utilizzato un diagramma di fase di una sostanza, che mostra la dipendenza dello stato di aggregazione dalla pressione e dalla temperatura.

Diagramma di stato di una sostanza con curve di transizione di fase: 1 - fusione-cristallizzazione, 2 - ebollizione-condensazione, 3 - sublimazione-desublimazione

Il diagramma di fase è costituito da tre regioni principali, che corrispondono agli stati cristallino, liquido e gassoso. Le singole aree sono separate da curve che riflettono le transizioni di fase:

1. stato solido in liquido e, viceversa, liquido in solido (curva di fusione-cristallizzazione - grafico verde tratteggiato)
2. da liquido a gassoso e conversione inversa da gas a liquido (curva di ebollizione-condensazione - grafico blu)
3. da solido a gassoso e da gassoso a solido (curva di sublimazione-desublimazione - grafico rosso).

Le coordinate di intersezione di queste curve sono chiamate punto triplo, in cui, in condizioni di una certa pressione P = P in e una certa temperatura T = T in, una sostanza può coesistere in tre stati di aggregazione contemporaneamente, con il liquido e stati solidi aventi la stessa tensione di vapore. Le coordinate P in e T in sono gli unici valori di pressione e temperatura ai quali tutte e tre le fasi possono coesistere contemporaneamente.

Il punto K sul diagramma di stato dello stato corrisponde alla temperatura Tk - la cosiddetta temperatura critica alla quale l'energia cinetica delle particelle supera l'energia della loro interazione e quindi la linea di separazione tra le fasi liquida e gassosa viene cancellata, e il la sostanza esiste allo stato gassoso a qualsiasi pressione.

Dall'analisi del diagramma di fase ne consegue che ad alta pressione maggiore rispetto al punto triplo (P in), il riscaldamento di una sostanza solida termina con la sua fusione, ad esempio, a P 1 la fusione avviene nel punto D. Un ulteriore aumento della temperatura da Td a Te porta all'ebollizione della sostanza ad una determinata pressione P1. Ad una pressione P 2 inferiore alla pressione nel punto triplo P in, il riscaldamento della sostanza porta alla sua transizione direttamente dallo stato cristallino a quello gassoso (punto Q), cioè alla sublimazione. Per la maggior parte delle sostanze, la pressione nel punto triplo è inferiore alla pressione del vapore saturo (P in

P è vapore saturo, quindi, quando i cristalli di tali sostanze vengono riscaldati, non si sciolgono, ma evaporano, cioè subiscono sublimazione. Ad esempio, i cristalli di iodio o il “ghiaccio secco” (CO 2 solida) si comportano in questo modo.

Stato gassoso

In condizioni normali (273 K, 101325 Pa), sia le sostanze semplici, le cui molecole sono costituite da uno (He, Ne, Ar) o più atomi semplici (H 2, N 2, O 2), sia quelle complesse possono trovarsi nello stato gassoso dichiarano sostanze con bassa massa molare (CH 4, HCl, C 2 H 6).

Poiché l'energia cinetica delle particelle di gas supera la loro energia potenziale, le molecole allo stato gassoso si muovono continuamente in modo caotico. A causa delle grandi distanze tra le particelle, le forze dell'interazione intermolecolare nei gas sono così insignificanti che non sono sufficienti ad attrarre le particelle tra loro e a tenerle insieme. È per questo motivo che i gas non hanno una forma propria e sono caratterizzati da bassa densità ed elevata capacità di comprimersi ed espandersi. Pertanto, il gas preme costantemente sulle pareti della nave in cui si trova, allo stesso modo in tutte le direzioni.

Per studiare la relazione tra i parametri più importanti di un gas (pressione P, temperatura T, quantità di sostanza n, massa molare M, massa m), viene utilizzato il modello più semplice dello stato gassoso di una sostanza: gas ideale, che si basa sulle seguenti ipotesi:

• l'interazione tra le particelle di gas può essere trascurata;
• le particelle stesse sono punti materiali che non hanno una dimensione propria.

L'equazione più generale che descrive il modello del gas ideale è considerata l'equazione Mendeleev-Clapeyron per una mole di sostanza:

Tuttavia, il comportamento di un gas reale, di regola, differisce da quello ideale. Ciò è spiegato, in primo luogo, dal fatto che tra le molecole di un gas reale esistono ancora forze insignificanti di reciproca attrazione, che comprimono il gas in una certa misura. Tenendo conto di ciò, la pressione totale del gas aumenta della quantità UN/V2, che tiene conto della pressione interna aggiuntiva causata dall'attrazione reciproca delle molecole. Di conseguenza, la pressione totale del gas è espressa dalla somma P+ UN/V2. In secondo luogo le molecole di un gas reale hanno, anche se piccole, un volume ben definito B , quindi il volume effettivo di tutto il gas nello spazio è V— B . Sostituendo i valori considerati nell'equazione di Mendeleev-Clapeyron, otteniamo l'equazione di stato di un gas reale, che viene chiamata Equazione di van der Waals:

Dove UN E B — coefficienti empirici che vengono determinati in pratica per ciascun gas reale. È stato stabilito che il coefficiente UN ha un valore maggiore per i gas facilmente liquefatti (ad esempio CO 2, NH 3) e il coefficiente B - al contrario, maggiore è la sua grandezza, più grandi sono le molecole del gas (ad esempio gli idrocarburi gassosi).

L'equazione di van der Waals descrive il comportamento di un gas reale in modo molto più accurato dell'equazione di Mendeleev-Clapeyron, che, tuttavia, a causa del suo chiaro significato fisico, è ampiamente utilizzata nei calcoli pratici. Sebbene lo stato ideale di un gas sia un caso limite e immaginario, la semplicità delle leggi che gli corrispondono, la possibilità della loro applicazione per descrivere le proprietà di molti gas in condizioni di bassa pressione e alta temperatura rende il modello del gas ideale molto conveniente.

Stato liquido della materia

Lo stato liquido di qualsiasi particolare sostanza è termodinamicamente stabile in un certo intervallo di temperature e pressioni caratteristiche della natura (composizione) di questa sostanza. Il limite superiore della temperatura dello stato liquido è il punto di ebollizione, al di sopra del quale una sostanza si trova allo stato gassoso in condizioni di pressione stabile. Il limite inferiore dello stato di esistenza stabile di un liquido è la temperatura di cristallizzazione (solidificazione). Le temperature di ebollizione e cristallizzazione misurate ad una pressione di 101,3 kPa sono chiamate normali.

I liquidi ordinari sono caratterizzati da isotropia, ovvero uniformità delle proprietà fisiche in tutte le direzioni all'interno di una sostanza. Talvolta per indicare l'isotropia si usano altri termini: invarianza, simmetria rispetto alla scelta della direzione.

Nel formare opinioni sulla natura dello stato liquido, l'idea di uno stato critico, scoperta da Mendeleev (1860), è importante:

Uno stato critico è uno stato di equilibrio in cui il limite di separazione tra un liquido e il suo vapore scompare perché il liquido e il suo vapore saturo acquisiscono le stesse proprietà fisiche.

In uno stato critico, i valori sia della densità che dei volumi specifici del liquido e del suo vapore saturo diventano gli stessi.

Lo stato liquido di una sostanza è intermedio tra gassoso e solido. Alcune proprietà avvicinano lo stato liquido allo stato solido. Se i solidi sono caratterizzati da un rigido ordinamento delle particelle, che si estende su distanze fino a centinaia di migliaia di raggi interatomici o intermolecolari, allo stato liquido, di regola, non si osservano più di diverse decine di particelle ordinate. Ciò si spiega con il fatto che l'ordine tra le particelle in punti diversi di una sostanza liquida si forma rapidamente e altrettanto rapidamente viene nuovamente “eroso” dalle vibrazioni termiche delle particelle. Allo stesso tempo, la densità complessiva del “impacco” di particelle differisce poco da quella di un solido, quindi la densità dei liquidi non è molto diversa dalla densità della maggior parte dei solidi. Inoltre, la capacità di compressione dei liquidi è quasi pari a quella dei solidi (circa 20.000 volte inferiore a quella dei gas).

L'analisi strutturale ha confermato che i liquidi presentano il cosiddetto ordine chiuso, il che significa che il numero dei “vicini” più prossimi di ciascuna molecola e le loro posizioni relative sono approssimativamente gli stessi in tutto il volume.

Viene chiamato un numero relativamente piccolo di particelle di diversa composizione collegate da forze di interazione intermolecolari grappolo . Se tutte le particelle in un liquido sono identiche, viene chiamato un tale ammasso socio . È negli ammassi e negli associati che si osserva l'ordine a corto raggio.

Il grado di ordine nei vari liquidi dipende dalla temperatura. A basse temperature, leggermente al di sopra del punto di fusione, il grado di ordine nella disposizione delle particelle è molto elevato. All'aumentare della temperatura, diminuisce e man mano che si riscalda, le proprietà del liquido diventano sempre più simili alle proprietà dei gas, e quando viene raggiunta la temperatura critica, la differenza tra lo stato liquido e quello gassoso scompare.

La vicinanza dello stato liquido allo stato solido è confermata dai valori delle entalpie standard di evaporazione DН 0 evaporazione e fusione DН 0 fusione. Ricordiamo che il valore di evaporazione DH 0 mostra la quantità di calore necessaria per convertire 1 mole di liquido in vapore a 101,3 kPa; la stessa quantità di calore viene spesa per la condensazione di 1 mole di vapore in liquido nelle stesse condizioni (cioè evaporazione DH 0 = condensazione DH 0). La quantità di calore spesa per convertire 1 mole di un solido in un liquido a 101,3 kPa è chiamata entalpia standard di fusione; la stessa quantità di calore viene rilasciata durante la cristallizzazione di 1 mole di liquido in condizioni di pressione normale (fusione DH 0 = cristallizzazione DH 0). È noto che l'evaporazione DH 0<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.

Tuttavia, altre importanti proprietà dei liquidi assomigliano più da vicino a quelle dei gas. Quindi, come i gas, i liquidi possono fluire: si chiama questa proprietà fluidità . Possono resistere al flusso, cioè hanno una caratteristica intrinseca viscosità . Queste proprietà sono influenzate dalle forze di attrazione tra le molecole, dal peso molecolare della sostanza liquida e da altri fattori. La viscosità dei liquidi è circa 100 volte maggiore di quella dei gas. Proprio come i gas, i liquidi possono diffondersi, ma molto più lentamente perché le particelle liquide sono più strettamente raggruppate rispetto alle particelle gassose.

Una delle proprietà più interessanti dello stato liquido, che non è caratteristica né dei gas né dei solidi, è tensione superficiale .

Una molecola situata in un volume liquido subisce l'azione uniforme delle forze intermolecolari da tutti i lati. Tuttavia, sulla superficie del liquido, l'equilibrio di queste forze è disturbato, per cui le molecole superficiali sono sotto l'influenza di una forza risultante, che è diretta all'interno del liquido. Per questo motivo la superficie del liquido è in uno stato di tensione. La tensione superficiale è la forza minima che trattiene le particelle liquide all'interno e quindi impedisce la contrazione della superficie del liquido.

Struttura e proprietà dei solidi

La maggior parte delle sostanze conosciute, sia naturali che artificiali, si trovano allo stato solido in condizioni normali. Di tutti i composti oggi conosciuti, circa il 95% sono solidi, diventati importanti perché sono alla base di materiali non solo strutturali ma anche funzionali.

• I materiali da costruzione sono sostanze solide o loro composizioni utilizzate per la fabbricazione di utensili, articoli per la casa e varie altre strutture.
• I materiali funzionali sono sostanze solide, il cui utilizzo è determinato dalla presenza in essi di determinate proprietà benefiche.

Ad esempio, acciaio, alluminio, cemento e ceramica appartengono ai materiali strutturali, mentre i semiconduttori e i fosfori appartengono ai materiali funzionali.

Allo stato solido le distanze tra le particelle della sostanza sono piccole e sono dello stesso ordine di grandezza delle particelle stesse. Le energie di interazione tra loro sono piuttosto elevate, il che impedisce la libera circolazione delle particelle: possono oscillare solo attorno a determinate posizioni di equilibrio, ad esempio attorno ai nodi di un reticolo cristallino. L'incapacità delle particelle di muoversi liberamente porta a una delle caratteristiche più caratteristiche dei solidi: la presenza di forma e volume propri. La comprimibilità dei solidi è molto bassa e la densità è elevata e dipende poco dalle variazioni di temperatura. Tutti i processi che avvengono nella materia solida avvengono lentamente. Le leggi della stechiometria per i solidi hanno un significato diverso e, di regola, più ampio rispetto alle sostanze gassose e liquide.

Una descrizione dettagliata dei solidi è troppo voluminosa per questo materiale ed è quindi discussa in articoli separati: e.