§ 2.2. Агрегатні стани речовини
Для газоподібного стану речовини характерне рівномірне заповнення молекулами газу всього наданого їм об'єму. Якщо газ перебуває в рівноважному стані, молекули рухаються хаотично; будь-які напрямки їхнього руху рівноймовірні. Швидкості молекул при цьому можуть бути всілякими по величині. Зміна швидкостей молекул при зіткненнях відбувається випадковим образом: швидкості можуть зменшуватися й зростати з рівною ймовірністю, але середня швидкість молекул, й отже, і їхня енергія будуть визначатися температурою газу.
Користуючись рівнянням стану ідеального газу й формулою для тиску, надаваного газом на стінки посудини, можна вивести формулу середньої кінетичної енергії для молекул газу:
З формули видно, що середня енергія молекул газу залежить тільки від температури й не залежить від їхньої маси. Взаємодією молекул можна зневажити, оскільки відстань між молекулами набагато перевищує їхні розміри.
Рідкий стан займає проміжне положення між газоподібним і твердим. Для рідин характерна наявність певного об'єму, але разом з тим рідина приймає форму тієї посудини, у який вона поміщена. У розташуванні частинок рідини спостерігається так званий ближній порядок. Це означає, що стосовно будь-якої частинки розташування найближчих до неї сусідніх частинок є впорядкованим, однак у міру видалення від даної частинки розташування стосовно неї інших частинок стає усе менш упорядкованим і досить швидко загальний порядок у розташуванні частинок повністю зникає. Рух частинок рідини має складний характер. Кожна молекула протягом деякого часу коливається біля положення рівноваги. Час від часу молекула міняє місце рівноваги, стрибком переміщаючись у нове положення, що відстоїть від попереднього на відстань порядку розмірів самих молекул. Час знаходження молекули в стані рівноваги може бути різним, але середня тривалість коливань молекули біля свого положення рівноваги є для кожної рідини певною величиною, що залежить від температури. Через відсутність у рідинах далекого порядку вони ізотропні, тобто властивості їх однакові у всіх напрямках. Виключення становить лише особливий клас рідин, що одержали назву рідких кристалів.
Молекули рідини розташовуються настільки близько одна до одної, що сили притягання між ними мають значну величину. Кожна молекула усередині рідини випробовує притягання з боку навколишніх її молекул, тому результуючих сил взаємодії буде дорівнює нулю. Якщо молекула перебуває на поверхні, то притягання з боку молекул приповерхнього газу значно слабкіше притягання з боку молекул самої рідини, тому на поверхневу молекулу буде діяти сила, спрямована усередину рідини. Отже, молекули на поверхні рідини мають більшу потенціальну енергію, чим молекули в об'ємі рідини. Завдяки наявності поверхневої енергії рідина виявляє прагнення до скорочення своєї поверхні. Для рідин характерні висока густина і мала стискаємість.
Тверді тіла відрізняються впорядкованим розташуванням частинок, що обумовлено значними силами взаємодії між ними. Тверді тіла підрозділяють на аморфні й кристалічні. Розходження між цими класами твердих речовин настільки велике, що аморфні тіла можна розглядати як сильно переохолоджені рідини з дуже високим коефіцієнтом в'язкості. Перше розходження у властивостях кристалічних й аморфних тіл проявляється у властивостях кристалізації й плавлення. Кристалічні тіла мають строго певну температуру плавлення. Це означає, що розрив зв'язків між частинками, що утворять тверді тіла, відбувається при цілком певному тепловому режимі, причому температура тіла, що нагріває, не змінюється доти, поки весь зразок не розплавиться, і енергія, повідомлювана тілу ззовні, іде в цей час тільки на розрив зв'язків. Аморфні тіла при нагріванні розм'якшуються поступово, у широкому діапазоні температур. Енергія зв'язку між частинками аморфного тіла різна й такі тіла не мають певної температури плавлення.
Характерна властивість кристалічних тіл – анізотропність, тобто розходження механічних, фізичних, теплових й інших властивостей по різних кристалографічних напрямках. Аморфні тіла ізотропні.
Анізотропність кристалів обумовлена особливостями їхньої внутрішньої будови.
Таким чином, при порівнянні трьох агрегатних станів речовини, можна зробити висновок, що у твердому стані речовина існує в рівновазі при більше низьких температурах, чим у рідкому й газоподібному. Тверді тіла мають тому найнижчу внутрішню енергію.