Самостійна робота студента № 7

з теми «Агрегатні стани речовини»

Агрегáтний стан — термодинамічний стан речовини, сильно відмінний за своїми фізичними властивостями від інших станів цієї ж речовини. Переходи між агрегатними станами однієї і тої ж речовини супроводжуються стрибкоподібними змінами вільної енергії, ентропії, густини і інших фізичних властивостей. Як правило, серед агрегатних станів виділяють тверде тіло, рідину, газ та плазму. Відрізняються вони, в першу чергу, характером руху молекул та порядком симетрії.

Газоподібний стан характерний тим, що не зберігає ні форму, ні об'єм. Він заповнює весь доступний об'єм і проникає в будь-які його закутки. Це стан, властивий речовинам із малою густиною. Більшість речовин переходять у газоподібний стан з рідкого або твердого при підвищенні температури. Перехід із рідкого в газоподібний стан називають випаровуванням, а протилежний йому перехід із газоподібного стану в рідкий — конденсацією. Перехід із твердого стану в газоподібний, минаючи рідкий, називають сублімацією.

Деякі речовини не мають газоподібного стану. Це речовини зі складною хімічною будовою, які при підвищенні температури розпадаються внаслідок хімічних реакцій раніше, ніж стають газом.

З мікроскопічної точки зору газ — це стан речовини, в якому окремі її молекули взаємодіють слабо й рухаються хаотично. Взаємодія між ними зводиться до спорадичних зіткнень. Кінетична енергія молекул перевищує потенціальну.

Газу властива ізотропія, тобто незалежність характеристик від напрямку. Здебільшого, в звичних для людини земних умовах, газ має однакову густину в будь-якій точці, однак це не є універсальним законом, в зовнішніх полях, наприклад у полі тяжіння Землі, або в умовах різних температур густина газу може мінятися від точки до точки.

Не існує різних газоподібних термодинамічних фаз однієї речовини.

В рідкому стані речовина зберігає об'єм, але не тримає форму. Це означає, що рідина може займати тільки частину об'єму посудини, але вільно перетікати й проникати, перетікати, у всі її закутки. Рідина, на відміну від газу має добре визначену поверхню. Для більшості речовин рідина — проміжний стан між газом і твердим тілом. Речовина переходить у рідкий стан із твердого в результаті процесу, який називається плавленням.

З мікроскопічної точки зору молекули рідини сильно взаємодіють між собою таким чином, що утворюють зв'язаний стан, тобто агрегуються. Потенціальна енергія їхнього притягання більша, ніж кінетична енергія теплового руху. Однак, на відміну від твердого тіла, молекули рідини достатньо рухливі, щоб часто змінювати своє положення. Рухаючись, молекули рідини в будь-який момент мають більш-менш упорядковане розташування, яке називають ближнім порядком, однак, цей порядок не строгий, і на далеких віддалах не зберігається.

Як і газ, рідини теж здебільшого ізотропні. Однак, існують рідини із анізотропними властивостями — рідкі кристали. Крім ізотропної, так званої нормальної фази, ці речовини, мезогени, мають одну або кілька упорядкованих термодинамічних фаз, які називають мезофазами.

В твердотільному стані речовина зберігає як форму, так і об'єм. При низьких температурах майже всі речовини замерзають - перетворюються в тверді тіла. Тверді тіла поділяють на кристалічні й аморфні.

З мікроскопічної точки зору тверді тіла характерні тим, що молекули або атоми в них впродовж довгого часу зберігають своє середнє положення незмінним, тільки здійснюючи коливання з невеликою амплітудою навколо них. У кристалах середні положення атомів чи молекул строго впорядковані. Кристалічні тіла зберігають не тільки ближній, а й дальній порядок. В аморфних тілах дальній порядок не зберігається, як і в рідинах.

Кристалічні тверді тіла мають анізотропні властивості, тобто їхній відгук на прикладені зовнішні сили залежить від орієнтації сил відносно кристалічних осей.

У твердотільному стані речовини можуть мати багато фаз, які відрізняються упорядкуванням атомів або іншими характеристиками, такими як упорядкування спінів у феромагнетиках.