1.1.2 Агрегатные состояния вещества

Большинство веществ при определенных условиях могут быть переведены в одно из трех агрегатных состояний: газообразное, жидкое и твердое. Для газообразного состояния вещества харак­терно равномерное заполнение молекулами газа всего предоставлен­ного им объема. Молекулы газа движутся хаотически. Средняя ско­рость молекул, а следовательно, и их энергия определяются тем­пературой газа. Ионизированный газ, в котором плотность положительных и отрицательных зарядов практически одинакова называют плазмой, и ее считают четвертым агрегатным состоянием вещества.

Вакуум− это газ при давлениях ниже атмосферного. При вакууме в объеме частиц газа так мало, что они могут передвигаться от одной стенки камеры до другой, не сталкиваясь друг с другом. Газообразное состояние называют паром, если газовая фаза вещества находится в равновесии с жидкой (испарение) или твердой фазой (сублимация) того же вещества..

Фаза — термодинамическое равновесное состояние вещества, отличающееся по своим свойствам от других возможных равновесных состояний того же вещества. Под действием температуры, давления, электрических, магнитных полей и др. возможны фазовые переходы 2-х родов. Фазовые переходы I рода сопровождаются скачкообразным изменением термодинамических характеристик вещества с выделением или поглощением тепла- это испарение и конденсация, плавление и кристаллизация (затвердевание), сублимация и конденсация в твердой фазе. Например, в сверхпроводниках сильное магнитное поле вызывает фазовый переход I рода из сверхпроводящего состояния в нормальное.

Фазовый переход II рода происходит без изменения теплоты, это, например, переход из немагнитного состояния в магнитное.

От газообразного состояния(например пары воды при T>100°C) можно перейти к жидкому состоянию при T<100°C и затем твердому состоянию(льду) при T<°C. Такие переходы являются фазовыми переходами I рода, а состояние вещества при этом называют агрегатным. Критерием агрегатного состояния считают отношение средней потенциальной энергии En взаимодействия молекул в веществе к их кинетической энергии Eк.Если En/Eк<<1, то это газообразное состояние вещества, если En/Eк  1, то-жидкое, а если En/Eк>>1, то – твердое агрегатное состояние.

Для жидкостей характерно наличие определенного объема, но она принимает форму того сосуда, в котором она находится. В жид­кой фазе вещества среднее расстояние между молекулами значитель­но меньше (в десятки раз), чем в газе, а значит и межмолекулярные силы сцепления в жидкости гораздо больше, чем в газе. Этим и объясняется различие в характере движения молекул в газе и в жидкости. В расположении частиц жидкости наблюдается так назы­ваемый ближний порядок. Это означает, что по отношению к любой частице расположение ближайших к ней соседних частиц является упорядоченным, однако по мере удаления от данной частицы ста­новится все менее упорядоченным и довольно быстро общий .порядок в расположении частиц полностью исчезает.

Каждая молекула в течение некоторого времени колеблется око­ло положения равновесия, скачками перемещаясь в новое положение, отстоящее от предыдущего на расстоянии порядка размеров самих молекул. Время нахождения молекулы в состоянии равновесия может быть различным, но средняя длительность колебаний молекулы около своего положения равновесия является для каждой жидкости определенной величиной, зависящей от температуры. Из-за отсут­ствия в жидкостях дальнего порядка они изотропны, то есть свой­ства их одинаковы во всех направлениях.

Твердые тела отличаются упорядоченным расположением частиц, что обусловлено значительными силами взаимодействия между ни­ми. Твердые тела подразделяют на аморфные и кристаллические. Аморфные тела можно рассматривать как сильно переохлажденные жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости. Первое разли­чие в свойствах кристаллических и аморфных тел проявляется в свойствах кристаллизации и плавления. Кристаллические тела имеют строго определенную температуру плавления ­.

Это означает, что разрыв связей между частицами, образующими твердые тела, проис­ходит при вполне определенном тепловом режиме. Аморфные тела при нагревании размягчаются постепенно, в широком диапазоне тем­ператур. Энергия связи между частицами аморфного тела различна и такие тела не имеют определенной температуры плавления.

Характерное свойство кристаллических тел - анизотропность, то есть различие механических, физических, тепловых и других свойств по разным кристаллографическим направлениям.

Таким образом, в твердом состоянии вещество существует в равновесии при более низких температурах, чем в жидком и газо­образном . Твердые тела обладают поэтому самой низкой внутренней энергией.