Keadaan agregasi suatu zat biasanya disebut kemampuannya untuk mempertahankan bentuk dan volumenya. Fitur tambahan adalah cara zat berpindah dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya. Berdasarkan ini, tiga keadaan agregasi dibedakan: padat, cair dan gas. Sifat mereka yang terlihat adalah sebagai berikut:
Benda padat mempertahankan bentuk dan volumenya. Itu dapat melewati keduanya menjadi cairan dengan meleleh, dan langsung menjadi gas dengan sublimasi.
- Cairan - mempertahankan volume, tetapi tidak berbentuk, yaitu memiliki fluiditas. Cairan yang tumpah cenderung menyebar tanpa batas di atas permukaan yang dituangkan. Cairan dapat berubah menjadi padatan dengan kristalisasi, dan menjadi gas dengan penguapan.
- Gas - tidak mempertahankan bentuk atau volumenya. Gas di luar wadah apa pun cenderung memuai tanpa batas ke segala arah. Hanya gravitasi yang dapat mencegahnya melakukan ini, berkat atmosfer bumi yang tidak menghilang ke luar angkasa. Gas masuk ke dalam cairan dengan kondensasi, dan langsung ke padat dapat melewati presipitasi.
Transisi fase
Transisi suatu zat dari satu keadaan agregasi ke yang lain disebut transisi fase, karena keadaan ilmiah dari agregasi adalah fase materi. Misalnya, air dapat berada dalam fase padat (es), cair (air biasa) dan gas (uap).
Contoh air juga ditunjukkan dengan baik. Apa yang digantung di halaman untuk dikeringkan pada hari yang dingin tanpa angin segera membeku, tetapi setelah beberapa saat menjadi kering: es menyublim, langsung berubah menjadi uap air.
Sebagai aturan, transisi fase dari padat ke cair dan gas membutuhkan pemanasan, tetapi suhu medium tidak meningkat: energi panas dihabiskan untuk memutuskan ikatan internal dalam zat. Inilah yang disebut panas laten. Selama transisi fase terbalik (kondensasi, kristalisasi), panas ini dilepaskan.
Itulah mengapa luka bakar uap sangat berbahaya. Ketika bersentuhan dengan kulit, itu mengembun. Panas laten penguapan/pengembunan air sangat tinggi: dalam hal ini, air adalah zat anomali; Itulah mengapa kehidupan di Bumi adalah mungkin. Selama pembakaran uap, panas laten kondensasi air "melepuh" tempat yang terbakar sangat dalam, dan konsekuensi dari pembakaran uap jauh lebih parah daripada dari nyala api di area tubuh yang sama.
Pseudofase
Fluiditas fase cair suatu zat ditentukan oleh viskositasnya, dan viskositas ditentukan oleh sifat ikatan internal, yang akan dibahas pada bagian berikutnya. Viskositas cairan bisa sangat tinggi, dan cairan seperti itu bisa mengalir tanpa terasa ke mata.
Contoh klasiknya adalah kaca. Ini bukan padatan, tetapi cairan yang sangat kental. Harap dicatat bahwa lembaran kaca di gudang tidak pernah disimpan bersandar miring ke dinding. Dalam beberapa hari mereka akan melorot karena beratnya sendiri dan menjadi tidak dapat digunakan.
Contoh lain dari benda padat semu adalah pitch sepatu dan aspal konstruksi. Jika Anda lupa potongan bitumen sudut di atap, selama musim panas itu akan menyebar menjadi kue dan menempel di alasnya. Benda padat semu dapat dibedakan dari benda nyata berdasarkan sifat pelelehannya: benda asli mempertahankan bentuknya sampai menyebar sekaligus (solder saat menyolder), atau mengapung, mengeluarkan genangan air dan aliran (es). Dan cairan yang sangat kental secara bertahap melunak, seperti nada atau aspal yang sama.
Cairan yang sangat kental, yang fluiditasnya tidak terlihat selama bertahun-tahun dan dekade, adalah plastik. Kemampuan tinggi mereka untuk mempertahankan bentuknya disediakan oleh berat molekul besar polimer, ribuan dan jutaan atom hidrogen.
Struktur fase materi
Dalam fase gas, molekul atau atom suatu zat sangat berjauhan, berkali-kali lebih besar dari jarak di antara mereka. Mereka berinteraksi satu sama lain sesekali dan tidak teratur, hanya selama tabrakan. Interaksi itu sendiri bersifat elastis: mereka bertabrakan seperti bola keras, dan segera berhamburan.
Dalam cairan, molekul/atom terus-menerus "merasakan" satu sama lain karena ikatan kimia yang sangat lemah. Ikatan-ikatan ini putus sepanjang waktu dan segera dipulihkan kembali, molekul-molekul cairan terus bergerak relatif satu sama lain, dan oleh karena itu cairan mengalir. Tetapi untuk mengubahnya menjadi gas, Anda harus memutuskan semua ikatan sekaligus, dan ini membutuhkan banyak energi, itulah sebabnya cairan mempertahankan volumenya.
Dalam hal ini, air berbeda dari zat lain karena molekulnya dalam cairan dihubungkan oleh apa yang disebut ikatan hidrogen, yang cukup kuat. Oleh karena itu, air dapat berwujud cair pada suhu normal seumur hidup. Banyak zat dengan berat molekul puluhan dan ratusan kali lebih besar daripada air, dalam kondisi normal, adalah gas, seperti setidaknya gas rumah tangga biasa.
Dalam padatan, semua molekulnya berada di tempatnya karena ikatan kimia yang kuat di antara mereka, membentuk kisi kristal. Kristal dengan bentuk yang benar memerlukan kondisi khusus untuk pertumbuhannya dan oleh karena itu jarang ditemukan di alam. Kebanyakan padatan adalah konglomerat kristal kecil dan kecil - kristal, yang dihubungkan dengan kuat oleh kekuatan alam mekanik dan listrik.
Jika pembaca telah melihat, misalnya, semi-poros mobil yang retak atau jeruji besi, maka butiran kristal pada potongan dapat terlihat dengan mata sederhana. Dan pada pecahan porselen atau piring faience yang pecah, mereka dapat diamati di bawah kaca pembesar.
Plasma
Fisikawan juga membedakan keadaan agregat keempat materi - plasma. Dalam plasma, elektron dilepaskan dari inti atom, dan merupakan campuran partikel bermuatan listrik. Plasma bisa sangat padat. Misalnya, satu sentimeter kubik plasma dari bagian dalam bintang katai putih memiliki berat puluhan dan ratusan ton.
Plasma diisolasi ke dalam keadaan agregasi yang terpisah karena secara aktif berinteraksi dengan medan elektromagnetik karena partikelnya bermuatan. Di ruang bebas, plasma cenderung mengembang, mendingin, dan berubah menjadi gas. Tetapi di bawah pengaruh medan elektromagnetik, ia dapat mempertahankan bentuk dan volumenya di luar wadah, seperti benda padat. Properti plasma ini digunakan dalam reaktor tenaga termonuklir - prototipe pembangkit listrik masa depan.
Keadaan agregasi- ini adalah keadaan materi dalam kisaran suhu dan tekanan tertentu, yang dicirikan oleh sifat-sifat: kemampuan (padat) atau ketidakmampuan (cair, gas) untuk mempertahankan volume dan bentuk; ada atau tidak adanya keteraturan jarak jauh (padat) atau jarak pendek (cair) dan sifat-sifat lainnya.
Suatu zat dapat berada dalam tiga keadaan agregasi: padat, cair atau gas, saat ini keadaan plasma (ionik) tambahan dibedakan.
PADA berbentuk gas keadaan, jarak antara atom dan molekul suatu zat besar, gaya interaksi kecil, dan partikel, bergerak secara acak di ruang angkasa, memiliki energi kinetik yang besar melebihi energi potensial. Materi dalam keadaan gas tidak memiliki bentuk maupun volumenya. Gas mengisi semua ruang yang tersedia. Keadaan ini khas untuk zat dengan kepadatan rendah.
PADA cairan menyatakan, hanya urutan atom atau molekul jarak pendek yang dipertahankan, ketika bagian-bagian terpisah dengan susunan atom yang teratur muncul secara berkala dalam volume suatu zat, namun, orientasi timbal balik dari bagian-bagian ini juga tidak ada. Urutan jarak pendek tidak stabil dan dapat menghilang atau muncul kembali di bawah aksi getaran termal atom. Molekul-molekul cairan tidak memiliki posisi yang pasti, dan pada saat yang sama mereka tidak memiliki kebebasan penuh untuk bergerak. Bahan dalam keadaan cair tidak memiliki bentuknya sendiri, hanya mempertahankan volume. Cairan hanya dapat menempati sebagian dari volume bejana, tetapi mengalir bebas di seluruh permukaan bejana. Keadaan cair biasanya dianggap perantara antara padat dan gas.
PADA padat zat, urutan susunan atom menjadi sangat ditentukan, teratur, kekuatan interaksi partikel saling seimbang, sehingga benda mempertahankan bentuk dan volumenya. Susunan atom yang teratur dalam ruang mencirikan keadaan kristal, atom membentuk kisi kristal.
Padatan memiliki struktur amorf atau kristal. Untuk amorf Benda hanya dicirikan oleh keteraturan jarak pendek dalam susunan atom atau molekul, susunan atom, molekul, atau ion yang kacau dalam ruang. Contoh benda amorf adalah kaca, pitch, dan pitch, yang tampak dalam keadaan padat, meskipun pada kenyataannya mereka mengalir lambat, seperti cairan. Benda amorf, tidak seperti yang kristal, tidak memiliki titik leleh yang pasti. Benda amorf menempati posisi perantara antara padatan kristal dan cairan.
Kebanyakan padatan memiliki kristal struktur yang dicirikan oleh susunan atom atau molekul yang teratur dalam ruang. Struktur kristal dicirikan oleh keteraturan jangka panjang, ketika elemen-elemen struktur berulang secara berkala; tidak ada pengulangan teratur seperti itu dalam urutan jarak pendek. Ciri khas benda kristal adalah kemampuannya untuk mempertahankan bentuknya. Tanda kristal ideal, modelnya adalah kisi spasial, adalah sifat simetri. Simetri dipahami sebagai kemampuan teoritis kisi kristal benda padat untuk disejajarkan dengan dirinya sendiri ketika titik-titiknya dicerminkan dari bidang tertentu, yang disebut bidang simetri. Simetri bentuk eksternal mencerminkan simetri struktur internal kristal. Misalnya, semua logam memiliki struktur kristal, yang dicirikan oleh dua jenis simetri: kubik dan heksagonal.
Dalam struktur amorf dengan distribusi atom yang tidak teratur, sifat-sifat zat adalah sama dalam arah yang berbeda, yaitu zat seperti kaca (amorf) adalah isotropik.
Semua kristal dicirikan oleh anisotropi. Dalam kristal, jarak antar atom diatur, tetapi tingkat keteraturannya mungkin berbeda dalam arah yang berbeda, yang mengarah pada perbedaan sifat zat kristal dalam arah yang berbeda. Ketergantungan sifat-sifat zat kristal pada arah kisinya disebut anisotropi properti. Anisotropi memanifestasikan dirinya ketika mengukur karakteristik fisik dan mekanik dan lainnya. Ada sifat (densitas, kapasitas panas) yang tidak bergantung pada arah dalam kristal. Sebagian besar karakteristik tergantung pada pilihan arah.
Dimungkinkan untuk mengukur sifat-sifat benda yang memiliki volume material tertentu: ukuran - dari beberapa milimeter hingga puluhan sentimeter. Benda-benda dengan struktur yang identik dengan sel kristal ini disebut kristal tunggal.
Sifat anisotropi dimanifestasikan dalam kristal tunggal dan praktis tidak ada dalam zat polikristalin yang terdiri dari banyak kristal kecil yang berorientasi acak. Oleh karena itu, zat polikristalin disebut kuasi-isotropik.
Kristalisasi polimer, yang molekul-molekulnya dapat diatur secara teratur dengan pembentukan struktur supramolekul berupa bundel, gulungan (globul), fibril, dll., terjadi pada kisaran suhu tertentu. Struktur kompleks molekul dan agregatnya menentukan perilaku spesifik polimer saat dipanaskan. Mereka tidak bisa masuk ke keadaan cair dengan viskositas rendah, mereka tidak memiliki keadaan gas. Dalam bentuk padat, polimer bisa dalam keadaan seperti kaca, sangat elastis, dan kental. Polimer dengan molekul linier atau bercabang dapat berubah dari satu keadaan ke keadaan lain dengan perubahan suhu, yang memanifestasikan dirinya dalam proses deformasi polimer. pada gambar. 9 menunjukkan ketergantungan deformasi pada suhu.
Beras. 9 Kurva termomekanis polimer amorf: t c , t t, t p - suhu transisi gelas, fluiditas dan awal dekomposisi kimia, masing-masing; I - III - zona keadaan kaca, sangat elastis dan kental, masing-masing; aku- deformasi.
Struktur spasial susunan molekul hanya menentukan keadaan kaca polimer. Pada suhu rendah, semua polimer berubah bentuk secara elastis (Gbr. 9, zona I). Di atas suhu transisi gelas t c polimer amorf dengan struktur linier menjadi sangat elastis ( zona II), dan deformasinya dalam keadaan seperti kaca dan sangat elastis adalah reversibel. Pemanasan di atas titik tuang t t mengubah polimer menjadi keadaan kental ( zona III). Deformasi polimer dalam keadaan kental tidak dapat diubah. Polimer amorf dengan struktur spasial (jaringan, ikatan silang) tidak memiliki keadaan kental, wilayah suhu dengan keadaan sangat elastis meluas ke suhu dekomposisi polimer t R. Perilaku ini khas untuk bahan jenis karet.
Suhu suatu zat dalam keadaan agregat apa pun mencirikan energi kinetik rata-rata partikelnya (atom dan molekul). Partikel-partikel ini dalam tubuh terutama memiliki energi kinetik dari gerakan osilasi relatif terhadap pusat keseimbangan, di mana energinya minimal. Ketika suhu kritis tertentu tercapai, bahan padat kehilangan kekuatan (stabilitas) dan meleleh, dan cairan berubah menjadi uap: mendidih dan menguap. Suhu kritis ini adalah titik leleh dan titik didih.
Ketika bahan kristal dipanaskan pada suhu tertentu, molekul bergerak sangat kuat sehingga ikatan kaku dalam polimer putus dan kristal hancur - mereka berubah menjadi cairan. Suhu di mana kristal dan cairan berada dalam kesetimbangan disebut titik leleh kristal, atau titik pemadatan cairan. Untuk yodium, suhu ini adalah 114 o C.
Setiap unsur kimia memiliki titik lelehnya sendiri t pl memisahkan keberadaan padat dan cair, dan titik didih t kip, sesuai dengan transisi cairan menjadi gas. Pada suhu ini, zat berada dalam kesetimbangan termodinamika. Perubahan keadaan agregasi dapat disertai dengan perubahan energi bebas, entropi, densitas, dan lain-lain yang mirip lompatan. kuantitas fisik.
Untuk menggambarkan berbagai negara bagian di fisika menggunakan konsep yang lebih luas fase termodinamika. Fenomena yang menggambarkan transisi dari satu fase ke fase lainnya disebut kritis.
Ketika dipanaskan, zat mengalami transformasi fase. Ketika dilebur (1083 o C), tembaga berubah menjadi cairan di mana atom-atomnya hanya memiliki orde jarak pendek. Pada tekanan 1 atm, tembaga mendidih pada 2310 ° C dan berubah menjadi tembaga gas dengan atom tembaga yang disusun secara acak. Pada titik leleh, tekanan uap jenuh kristal dan cairan adalah sama.
Materi secara keseluruhan adalah suatu sistem.
Sistem- sekelompok zat digabungkan fisik, interaksi kimia atau mekanik. fase disebut bagian homogen dari sistem, terpisah dari bagian lain antarmuka fisik (dalam besi tuang: grafit + butiran besi; dalam air es: es + air).Komponen sistem adalah berbagai fase yang membentuk sistem tertentu. Komponen sistem- ini adalah zat yang membentuk semua fase (komponen) dari sistem ini.
Bahan yang terdiri dari dua fase atau lebih adalah tersebar sistem. Sistem dispersi dibagi menjadi sol, yang perilakunya menyerupai perilaku cairan, dan gel dengan sifat karakteristik padatan. Dalam sol, media pendispersi di mana zat didistribusikan adalah cair; dalam gel, fase padat mendominasi. Gel adalah logam semi kristal, beton, larutan gelatin dalam air pada suhu rendah (pada suhu tinggi, gelatin berubah menjadi sol). Hidrosol adalah dispersi dalam air, aerosol adalah dispersi di udara.
diagram negara.
Dalam sistem termodinamika, setiap fase dicirikan oleh parameter seperti suhu T, konsentrasi dengan dan tekanan R. Untuk menggambarkan transformasi fase, karakteristik energi tunggal digunakan - energi bebas Gibbs G(potensial termodinamika).
Termodinamika dalam deskripsi transformasi terbatas pada pertimbangan keadaan setimbang. keadaan keseimbangan sistem termodinamika dicirikan oleh invarian parameter termodinamika (suhu dan konsentrasi, seperti dalam pemrosesan teknologi) R= const) dalam waktu dan tidak adanya aliran energi dan materi di dalamnya - dengan keteguhan kondisi eksternal. Keseimbangan fase- keadaan setimbang sistem termodinamika yang terdiri dari dua fase atau lebih.
Untuk deskripsi matematis dari kondisi kesetimbangan sistem, ada: aturan fase diberikan oleh Gibbs. Ini menghubungkan jumlah fase (F) dan komponen (K) dalam sistem kesetimbangan dengan varians sistem, yaitu, jumlah derajat kebebasan termodinamika (C).
Jumlah derajat kebebasan (varians) termodinamika suatu sistem adalah jumlah variabel bebas, baik internal (komposisi kimia fase) maupun eksternal (suhu), yang dapat diberikan berbagai nilai arbitrer (dalam interval tertentu) sehingga bahwa fase baru tidak muncul dan fase lama tidak hilang.
Persamaan aturan fase Gibbs:
C \u003d K - F + 1.
Sesuai dengan aturan ini, dalam sistem dua komponen (K = 2), derajat kebebasan berikut dimungkinkan:
Untuk keadaan fase tunggal (F = 1) C = 2, yaitu, Anda dapat mengubah suhu dan konsentrasi;
Untuk keadaan dua fase (F = 2) C = 1, yaitu, Anda hanya dapat mengubah satu parameter eksternal (misalnya, suhu);
Untuk keadaan tiga fase, jumlah derajat kebebasan adalah nol, yaitu, tidak mungkin mengubah suhu tanpa mengganggu keseimbangan dalam sistem (sistem invarian).
Misalnya, untuk logam murni (K = 1) selama kristalisasi, ketika ada dua fase (F = 2), jumlah derajat kebebasannya adalah nol. Ini berarti bahwa suhu kristalisasi tidak dapat diubah sampai proses berakhir dan satu fase tetap - kristal padat. Setelah akhir kristalisasi (F = 1), jumlah derajat kebebasan adalah 1, sehingga Anda dapat mengubah suhu, yaitu mendinginkan padatan tanpa mengganggu keseimbangan.
Perilaku sistem tergantung pada suhu dan konsentrasi dijelaskan oleh diagram keadaan. Diagram keadaan air adalah suatu sistem dengan satu komponen H 2 O, sehingga jumlah fasa terbesar yang dapat secara bersamaan berada dalam kesetimbangan adalah tiga (Gbr. 10). Ketiga fase ini adalah cair, es, uap. Jumlah derajat kebebasan dalam hal ini sama dengan nol, mis. tidak mungkin untuk mengubah tekanan atau suhu sehingga tidak ada fase yang hilang. Es biasa, air cair, dan uap air dapat berada dalam kesetimbangan secara simultan hanya pada tekanan 0,61 kPa dan suhu 0,0075°C. Titik di mana tiga fase hidup berdampingan disebut titik tripel ( HAI).
Melengkung OS memisahkan daerah uap dan cairan dan mewakili ketergantungan tekanan uap air jenuh pada suhu. Kurva OC menunjukkan nilai-nilai suhu dan tekanan yang saling terkait di mana air cair dan uap air berada dalam kesetimbangan satu sama lain, oleh karena itu disebut kurva kesetimbangan cair-uap atau kurva didih.
Gambar 10 Diagram keadaan air
Melengkung OV memisahkan daerah cair dari daerah es. Ini adalah kurva keseimbangan padat-cair dan disebut kurva leleh. Kurva ini menunjukkan pasangan suhu dan tekanan yang saling terkait di mana es dan air cair berada dalam kesetimbangan.
Melengkung OA disebut kurva sublimasi dan menunjukkan pasangan nilai tekanan dan suhu yang saling berhubungan di mana es dan uap air berada dalam kesetimbangan.
Diagram keadaan adalah cara visual untuk mewakili daerah keberadaan berbagai fase tergantung pada kondisi eksternal, seperti tekanan dan suhu. Diagram keadaan secara aktif digunakan dalam ilmu material pada berbagai tahap teknologi untuk memperoleh suatu produk.
Cairan berbeda dari benda kristal padat dengan nilai viskositas yang rendah (gesekan internal molekul) dan nilai fluiditas yang tinggi (kebalikan dari viskositas). Cairan terdiri dari banyak agregat molekul, di mana partikel-partikelnya diatur dalam urutan tertentu, mirip dengan urutan dalam kristal. Sifat unit struktural dan interaksi antar partikel menentukan sifat cairan. Ada cairan: monoatomik (gas mulia cair), molekul (air), ionik (garam cair), logam (logam cair), semikonduktor cair. Dalam kebanyakan kasus, cairan tidak hanya keadaan agregasi, tetapi juga fase termodinamika (cair).
Zat cair paling sering merupakan larutan. Larutan homogen, tetapi bukan zat yang murni secara kimia, terdiri dari zat terlarut dan pelarut (contoh pelarut adalah air atau pelarut organik: dikloroetana, alkohol, karbon tetraklorida, dll.), Oleh karena itu merupakan campuran zat. Contohnya adalah larutan alkohol dalam air. Namun, larutan juga merupakan campuran zat gas (misalnya, udara) atau zat padat (paduan logam).
Setelah pendinginan di bawah kondisi laju pembentukan pusat kristalisasi yang rendah dan peningkatan viskositas yang kuat, keadaan seperti kaca dapat terjadi. Gelas adalah bahan padat isotropik yang diperoleh dengan mendinginkan senyawa anorganik dan organik cair.
Banyak zat diketahui yang transisi dari keadaan kristal ke cairan isotropik terjadi melalui keadaan kristal cair perantara. Merupakan ciri-ciri zat yang molekulnya berbentuk batang (batang) panjang dengan struktur asimetris. Transisi fase seperti itu, disertai dengan efek termal, menyebabkan perubahan mendadak dalam sifat mekanik, optik, dielektrik, dan lainnya.
kristal cair, seperti cairan, dapat berbentuk tetesan memanjang atau bejana, memiliki fluiditas tinggi, dan mampu menyatu. Mereka banyak digunakan di berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi. Sifat optik mereka sangat tergantung pada perubahan kecil dalam kondisi eksternal. Fitur ini digunakan dalam perangkat elektro-optik. Secara khusus, kristal cair digunakan dalam pembuatan jam tangan elektronik, peralatan visual, dll.
Di antara keadaan agregasi utama adalah plasma- gas terionisasi sebagian atau seluruhnya. Menurut metode pembentukannya, dua jenis plasma dibedakan: termal, yang terjadi ketika gas dipanaskan hingga suhu tinggi, dan gas, yang terbentuk selama pelepasan listrik dalam media gas.
Proses kimia plasma telah mengambil tempat yang kuat di sejumlah cabang teknologi. Mereka digunakan untuk memotong dan mengelas logam tahan api, untuk sintesis berbagai zat, mereka banyak menggunakan sumber cahaya plasma, penggunaan plasma di pembangkit listrik termonuklir menjanjikan, dll.
Dalam praktik sehari-hari, seseorang harus berurusan tidak secara terpisah dengan atom, molekul, dan ion individu, tetapi dengan zat nyata - kumpulan sejumlah besar partikel. Tergantung pada sifat interaksinya, empat jenis keadaan agregat dibedakan: padat, cair, gas, dan plasma. Suatu zat dapat berubah dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya sebagai akibat dari transisi fase yang sesuai.
Kehadiran suatu zat dalam keadaan agregasi tertentu disebabkan oleh gaya yang bekerja antara partikel, jarak antara mereka dan fitur gerakan mereka. Setiap keadaan agregasi dicirikan oleh seperangkat properti tertentu.
Sifat zat tergantung pada keadaan agregasi:
| kondisi | Properti |
| berbentuk gas |
|
| cairan |
|
| padat |
|
Sesuai dengan derajat keteraturan dalam sistem, setiap keadaan agregasi dicirikan oleh rasionya sendiri antara energi kinetik dan energi potensial partikel. Dalam padatan, potensi mendominasi di atas kinetik, karena partikel menempati posisi tertentu dan hanya berosilasi di sekitar mereka. Untuk gas, ada hubungan terbalik antara energi potensial dan kinetik, sebagai konsekuensi dari fakta bahwa molekul gas selalu bergerak secara acak, dan hampir tidak ada gaya kohesif di antara mereka, sehingga gas menempati seluruh volume. Dalam kasus cairan, energi kinetik dan potensial partikel kira-kira sama, ikatan tidak kaku bekerja antara partikel, oleh karena itu fluiditas dan volume konstan melekat dalam cairan.
Ketika partikel suatu zat membentuk struktur geometris yang teratur, dan energi ikatan di antara mereka lebih besar daripada energi getaran termal, yang mencegah penghancuran struktur yang ada, itu berarti zat tersebut dalam keadaan padat. Tetapi mulai dari suhu tertentu, energi getaran termal melebihi energi ikatan antar partikel. Dalam hal ini, partikel, meskipun tetap bersentuhan, bergerak relatif satu sama lain. Akibatnya, struktur geometris rusak dan zat berubah menjadi keadaan cair. Jika fluktuasi termal meningkat sedemikian rupa sehingga hubungan antara partikel praktis hilang, zat tersebut memperoleh keadaan gas. Dalam gas "ideal", partikel bergerak bebas ke segala arah.
Ketika suhu naik, zat berpindah dari keadaan teratur (padat) ke keadaan tidak teratur (gas); keadaan cair adalah perantara dalam hal pemesanan partikel.
Keadaan agregasi keempat disebut plasma - gas yang terdiri dari campuran partikel dan elektron netral dan terionisasi. Plasma terbentuk pada suhu yang sangat tinggi (10 5 -10 7 0 C) karena energi tumbukan yang signifikan dari partikel yang memiliki gangguan gerak maksimum. Fitur wajib plasma, serta keadaan materi lainnya, adalah netralitas listriknya. Tetapi sebagai akibat dari gerakan partikel yang tidak teratur dalam plasma, zona mikro bermuatan yang terpisah dapat muncul, yang karenanya menjadi sumber radiasi elektromagnetik. Dalam keadaan plasma, ada materi, bintang, benda luar angkasa lainnya, serta dalam proses termonuklir.
Setiap keadaan agregasi ditentukan terutama oleh kisaran suhu dan tekanan, oleh karena itu, untuk karakteristik kuantitatif visual, diagram fase suatu zat digunakan, yang menunjukkan ketergantungan keadaan agregasi pada tekanan dan suhu.
Diagram keadaan materi dengan kurva transisi fase: 1 - leleh-kristalisasi, 2 - didih-kondensasi, 3 - sublimasi-desublimasi
Diagram keadaan terdiri dari tiga bidang utama, yang sesuai dengan keadaan kristal, cair dan gas. Masing-masing wilayah dipisahkan oleh kurva yang mencerminkan transisi fase:
- padat ke cair dan sebaliknya, cair ke padat (kurva kristalisasi leleh - grafik hijau putus-putus)
- cair ke gas dan konversi terbalik dari gas ke cair (kurva kondensasi didih - grafik biru)
- padat ke gas dan gas ke padat (kurva sublimasi-desublimasi - grafik merah).
Koordinat perpotongan kurva ini disebut titik rangkap tiga, di mana, dalam kondisi tekanan tertentu P \u003d P in dan suhu tertentu T \u003d T in, suatu zat dapat hidup berdampingan dalam tiga keadaan agregasi sekaligus, dan keadaan cair dan padat memiliki tekanan uap yang sama. Koordinat Pv dan Tv adalah satu-satunya nilai tekanan dan suhu di mana ketiga fase dapat hidup berdampingan secara bersamaan.
Titik K pada diagram fase keadaan sesuai dengan suhu T k - yang disebut suhu kritis, di mana energi kinetik partikel melebihi energi interaksinya dan oleh karena itu garis pemisahan antara fase cair dan gas dihapus, dan zat ada dalam keadaan gas pada tekanan apa pun.
Berdasarkan analisis diagram fase, pada tekanan tinggi lebih besar dari pada titik tripel (P c), pemanasan padatan berakhir dengan pelelehannya, misalnya, pada P 1, pelelehan terjadi pada titik d. Peningkatan suhu lebih lanjut dari T d ke T e menyebabkan zat mendidih pada tekanan tertentu P 1 . Pada tekanan 2 kurang dari tekanan pada titik tripel , pemanasan zat mengarah ke transisi langsung dari kristal ke keadaan gas (titik q), yaitu, untuk sublimasi. Untuk sebagian besar zat, tekanan pada titik tripel lebih rendah dari tekanan uap jenuh (P in
P uap jenuh, oleh karena itu, ketika kristal zat tersebut dipanaskan, mereka tidak meleleh, tetapi menguap, yaitu, mereka mengalami sublimasi. Misalnya, kristal yodium atau "es kering" (CO 2 padat) berperilaku seperti ini.
Analisis Diagram Negara keadaan gas
Pada keadaan normal (273 K, 101325 Pa), baik zat sederhana yang molekulnya terdiri dari satu (He, Ne, Ar) atau beberapa atom sederhana (H 2, N 2, O 2), maupun zat kompleks dengan massa molar (CH 4, HCl, C 2 H 6).
Karena energi kinetik partikel gas melebihi energi potensialnya, molekul-molekul dalam keadaan gas terus bergerak secara acak. Karena jarak yang jauh antara partikel, gaya interaksi antarmolekul dalam gas sangat kecil sehingga tidak cukup untuk menarik partikel satu sama lain dan menyatukannya. Karena alasan inilah gas tidak memiliki bentuknya sendiri dan dicirikan oleh kepadatan rendah dan kemampuan tinggi untuk memampatkan dan mengembang. Oleh karena itu, gas terus-menerus menekan dinding bejana di mana ia berada, secara merata ke segala arah.
Untuk mempelajari hubungan antara parameter gas yang paling penting (tekanan P, suhu T, jumlah zat n, massa molar M, massa m), model paling sederhana dari keadaan gas digunakan - gas ideal, yang didasarkan pada asumsi berikut:
- interaksi antar partikel gas dapat diabaikan;
- partikel itu sendiri adalah titik material yang tidak memiliki ukurannya sendiri.
Persamaan paling umum yang menggambarkan model gas ideal dianggap sebagai persamaan Mendeleev-Clapeyron untuk satu mol zat:
Namun, perilaku gas nyata berbeda, sebagai suatu peraturan, dari yang ideal. Ini dijelaskan, pertama, oleh fakta bahwa di antara molekul-molekul gas nyata masih ada gaya tarik-menarik yang tidak signifikan yang menekan gas sampai batas tertentu. Dengan pemikiran ini, tekanan gas total meningkat dengan nilai sebuah/v2, yang memperhitungkan tekanan internal tambahan karena saling tarik menarik molekul. Akibatnya, tekanan gas total dinyatakan dengan jumlah P+ sebuah/v2. Kedua, molekul gas nyata memiliki, meskipun kecil, tetapi volumenya cukup pasti b , jadi volume sebenarnya dari semua gas di ruang angkasa adalah V- b . Saat mensubstitusi nilai-nilai yang dipertimbangkan ke dalam persamaan Mendeleev-Clapeyron, kami memperoleh persamaan keadaan gas nyata, yang disebut persamaan van der Waals:
di mana sebuah dan b adalah koefisien empiris yang ditentukan dalam praktik untuk setiap gas nyata. Ditetapkan bahwa koefisien sebuah memiliki nilai besar untuk gas yang mudah dicairkan (misalnya, CO 2, NH 3), dan koefisien b - sebaliknya, semakin tinggi ukurannya, semakin besar molekul gas (misalnya, hidrokarbon gas).
Persamaan van der Waals menggambarkan perilaku gas nyata jauh lebih akurat daripada persamaan Mendeleev-Clapeyron, yang, bagaimanapun, banyak digunakan dalam perhitungan praktis karena makna fisiknya yang jelas. Meskipun keadaan ideal suatu gas adalah kasus imajiner yang membatasi, kesederhanaan hukum yang sesuai dengannya, kemungkinan penerapannya untuk menggambarkan sifat-sifat banyak gas pada tekanan rendah dan suhu tinggi, membuat model gas ideal sangat nyaman. .
Keadaan zat cair
Keadaan cair zat tertentu secara termodinamika stabil dalam kisaran suhu dan tekanan tertentu yang merupakan karakteristik dari sifat (komposisi) zat tersebut. Batas suhu atas keadaan cair adalah titik didih di mana suatu zat di bawah kondisi tekanan stabil berada dalam keadaan gas. Batas bawah keadaan stabil keberadaan suatu zat cair adalah suhu kristalisasi (solidifikasi). Suhu didih dan kristalisasi yang diukur pada tekanan 101,3 kPa disebut normal.
Untuk cairan biasa, isotropi melekat - keseragaman sifat fisik ke segala arah di dalam zat. Terkadang istilah lain juga digunakan untuk isotropi: invarian, simetri sehubungan dengan pilihan arah.
Dalam pembentukan pandangan tentang sifat keadaan cair, konsep keadaan kritis, yang ditemukan oleh Mendeleev (1860), sangat penting:
Keadaan kritis adalah keadaan kesetimbangan di mana batas pemisahan antara cairan dan uapnya hilang, karena cairan dan uap jenuhnya memperoleh sifat fisik yang sama.
Dalam keadaan kritis, nilai densitas dan volume spesifik cairan dan uap jenuhnya menjadi sama.
Keadaan cair materi adalah perantara antara gas dan padat. Beberapa sifat membawa keadaan cair lebih dekat ke padatan. Jika padatan dicirikan oleh keteraturan partikel yang kaku, yang membentang pada jarak ratusan ribu jari-jari interatomik atau antarmolekul, maka dalam keadaan cair, sebagai suatu peraturan, tidak lebih dari beberapa puluh partikel teratur yang diamati. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa keteraturan antara partikel di tempat yang berbeda dari zat cair dengan cepat muncul, dan dengan cepat "kabur" lagi oleh getaran termal partikel. Pada saat yang sama, kerapatan keseluruhan dari "pengemasan" partikel sedikit berbeda dari padatan, sehingga kerapatan cairan tidak jauh berbeda dari kerapatan sebagian besar padatan. Selain itu, kemampuan cairan untuk memampatkan hampir sekecil pada padatan (sekitar 20.000 kali lebih kecil daripada gas).
Analisis struktural menegaskan bahwa apa yang disebut pesanan jarak pendek, yang berarti bahwa jumlah "tetangga" terdekat dari setiap molekul dan pengaturan timbal baliknya kira-kira sama di seluruh volume.
Jumlah partikel yang relatif kecil dari komposisi yang berbeda, dihubungkan oleh gaya interaksi antarmolekul, disebut gugus . Jika semua partikel dalam cairan adalah sama, maka gugus seperti itu disebut rekan . Dalam kelompok dan asosiasilah urutan jarak pendek diamati.
Tingkat keteraturan dalam berbagai cairan tergantung pada suhu. Pada suhu rendah sedikit di atas titik leleh, derajat keteraturan dalam penempatan partikel sangat tinggi. Ketika suhu naik, itu menurun dan, ketika suhu naik, sifat-sifat cairan semakin mendekati sifat-sifat gas, dan ketika suhu kritis tercapai, perbedaan antara keadaan cair dan gas menghilang.
Kedekatan keadaan cair dengan keadaan padat dikonfirmasi oleh nilai entalpi standar penguapan DH 0 penguapan dan leleh DH 0 peleburan. Ingat bahwa nilai penguapan DH 0 menunjukkan jumlah panas yang dibutuhkan untuk mengubah 1 mol cairan menjadi uap pada 101,3 kPa; jumlah panas yang sama dihabiskan untuk kondensasi 1 mol uap menjadi cairan dalam kondisi yang sama (yaitu DH 0 penguapan = DH 0 kondensasi). Banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 mol zat padat menjadi zat cair pada 101,3 kPa disebut entalpi fusi standar; jumlah panas yang sama dilepaskan selama kristalisasi 1 mol cairan di bawah kondisi tekanan normal (DH 0 mencair = DH 0 kristalisasi). Diketahui bahwa penguapan DH 0<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.
Namun, sifat penting lainnya dari cairan lebih mirip dengan gas. Jadi, seperti gas, cairan dapat mengalir - sifat ini disebut ketidakstabilan . Mereka dapat menahan arus, yaitu, mereka melekat viskositas . Sifat-sifat ini dipengaruhi oleh gaya tarik menarik antar molekul, berat molekul zat cair, dan faktor lainnya. Viskositas cairan sekitar 100 kali lebih besar daripada gas. Sama seperti gas, cairan dapat berdifusi, tetapi jauh lebih lambat, karena partikel cair dikemas lebih padat daripada partikel gas.
Salah satu sifat yang paling menarik dari keadaan cair, yang bukan merupakan karakteristik dari gas atau padatan, adalah tegangan permukaan .
Diagram tegangan permukaan zat cair Sebuah molekul yang terletak dalam volume cairan secara seragam ditindaklanjuti oleh gaya antarmolekul dari semua sisi. Namun, pada permukaan cairan, keseimbangan gaya-gaya ini terganggu, akibatnya molekul-molekul permukaan berada di bawah aksi beberapa gaya resultan, yang diarahkan ke dalam cairan. Untuk alasan ini, permukaan cairan dalam keadaan tegang. Tegangan permukaan adalah gaya minimum yang menahan partikel cairan di dalam dan dengan demikian mencegah permukaan cairan berkontraksi.
Struktur dan sifat benda padat
Sebagian besar zat yang dikenal, baik alami maupun buatan, berada dalam keadaan padat dalam kondisi normal. Dari semua senyawa yang dikenal saat ini, sekitar 95% adalah padatan, yang telah menjadi penting, karena mereka tidak hanya menjadi dasar struktural, tetapi juga bahan fungsional.
- Bahan struktur adalah padatan atau komposisinya yang digunakan untuk membuat alat, barang rumah tangga, dan berbagai struktur lainnya.
- Bahan fungsional adalah padatan, yang penggunaannya disebabkan oleh adanya sifat-sifat tertentu yang bermanfaat di dalamnya.
Misalnya, baja, aluminium, beton, keramik termasuk bahan struktural, dan semikonduktor, fosfor termasuk yang fungsional.
Dalam keadaan padat, jarak antara partikel-partikel materi kecil dan memiliki urutan besarnya yang sama dengan partikel itu sendiri. Energi interaksi di antara mereka cukup besar, yang mencegah pergerakan bebas partikel - mereka hanya dapat berosilasi di sekitar posisi kesetimbangan tertentu, misalnya, di sekitar simpul kisi kristal. Ketidakmampuan partikel untuk bergerak bebas mengarah ke salah satu fitur paling khas dari padatan - adanya bentuk dan volumenya sendiri. Kemampuan untuk memampatkan padatan sangat kecil, dan densitasnya tinggi dan sedikit bergantung pada perubahan suhu. Semua proses yang terjadi pada benda padat terjadi secara perlahan. Hukum stoikiometri untuk padatan memiliki makna yang berbeda dan, sebagai aturan, lebih luas daripada untuk zat gas dan cair.
Deskripsi rinci tentang padatan terlalu banyak untuk bahan ini dan karena itu dibahas dalam artikel terpisah:, dan.
Definisi
Keadaan agregat materi (dari bahasa Latin aggrego - lampirkan, sambungkan) - ini adalah keadaan zat yang sama - padat, cair, gas.
Selama transisi dari satu keadaan ke keadaan lain, terjadi perubahan mendadak dalam energi, entropi, kerapatan, dan karakteristik materi lainnya.
Benda padat dan cair
Definisi
Benda padat adalah benda yang dibedakan oleh keteguhan bentuk dan volume.
Di dalamnya, jarak antarmolekul kecil dan energi potensial molekul sebanding dengan energi kinetik. Padatan dibagi menjadi dua jenis: kristal dan amorf. Hanya benda kristal yang berada dalam keadaan kesetimbangan termodinamika. Benda amorf, pada kenyataannya, mewakili keadaan metastabil, yang dalam strukturnya mendekati non-ekuilibrium, cairan yang mengkristal perlahan. Dalam tubuh amorf, proses kristalisasi yang sangat lambat terjadi, proses transisi bertahap suatu zat menjadi fase kristal. Perbedaan antara kristal dan padatan amorf terletak terutama pada sifat anisotropi. Sifat-sifat benda kristal bergantung pada arah dalam ruang. Berbagai macam proses, seperti konduktivitas termal, konduktivitas listrik, cahaya, suara, merambat ke arah yang berbeda dari benda padat dengan cara yang berbeda. Benda amorf (kaca, resin, plastik) bersifat isotop, seperti cairan. Satu-satunya perbedaan antara benda amorf dan cairan adalah bahwa yang terakhir adalah cairan, deformasi geser statis tidak mungkin terjadi di dalamnya.
Badan kristal memiliki struktur molekul yang benar. Sifat anisotropi ini disebabkan oleh struktur kristal yang benar. Susunan yang benar dari atom-atom kristal membentuk apa yang disebut kisi kristal. Dalam arah yang berbeda, susunan atom dalam kisi berbeda, yang mengarah ke anisotropi. Atom (atau ion, atau seluruh molekul) dalam kisi kristal melakukan gerakan osilasi acak di sekitar posisi tengah, yang dianggap sebagai simpul kisi kristal. Semakin tinggi suhu, semakin besar energi osilasi, dan karenanya amplitudo rata-rata osilasi. Ukuran kristal tergantung pada amplitudo osilasi. Peningkatan amplitudo osilasi menyebabkan peningkatan ukuran tubuh. Ini menjelaskan ekspansi termal padatan.
Definisi
Benda cair adalah benda yang memiliki volume tertentu, tetapi tidak memiliki elastisitas bentuk.
Cairan dicirikan oleh interaksi antarmolekul yang kuat dan kompresibilitas yang rendah. Cairan menempati posisi antara antara padat dan gas. Cairan, seperti gas, adalah isotop. Selain itu, cairan memiliki fluiditas. Di dalamnya, seperti dalam gas, tidak ada tegangan tangensial (tegangan geser) benda. Cairan itu berat, mis. berat jenisnya sebanding dengan berat jenis benda padat. Dekat suhu kristalisasi, kapasitas panas dan karakteristik termal lainnya dekat dengan padatan. Dalam cairan, sampai batas tertentu, susunan atom yang benar diamati, tetapi hanya di area kecil. Di sini atom-atom juga berosilasi di dekat simpul-simpul sel kuasi-kristal, tetapi tidak seperti atom-atom benda padat, atom-atom itu melompat dari satu simpul ke simpul lain dari waktu ke waktu. Akibatnya, gerakan atom akan sangat kompleks: ia berosilasi, tetapi pada saat yang sama pusat getaran bergerak di ruang angkasa.
Gas, penguapan, kondensasi dan peleburan
Definisi
Gas adalah keadaan materi di mana jarak antar molekulnya besar.
Gaya interaksi antar molekul pada tekanan rendah dapat diabaikan. Partikel gas mengisi seluruh volume yang disediakan untuk gas. Gas dapat dianggap sebagai uap yang sangat panas atau tidak jenuh. Plasma adalah jenis gas khusus - itu adalah gas terionisasi sebagian atau seluruhnya, di mana kerapatan muatan positif dan negatifnya hampir sama. Plasma adalah gas partikel bermuatan yang berinteraksi satu sama lain menggunakan gaya listrik pada jarak yang jauh, tetapi tidak memiliki partikel dekat dan jauh.
Zat dapat berubah dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya.
Definisi
Penguapan adalah proses perubahan keadaan agregasi suatu zat, di mana molekul terbang keluar dari permukaan cairan atau padat, energi kinetiknya melebihi energi potensial interaksi molekul.
Penguapan adalah transisi fase. Selama penguapan, bagian dari cairan atau padat berubah menjadi uap. Suatu zat dalam keadaan gas yang berada dalam kesetimbangan dinamis dengan cairan disebut uap jenuh. Dalam hal ini, perubahan energi internal tubuh:
\[\triangle \ U=\pm mr\ \left(1\right),\]
di mana m adalah berat badan, r adalah panas spesifik penguapan (J / kg).
Definisi
Kondensasi adalah proses kebalikan dari penguapan.
Perhitungan perubahan energi dalam dilakukan sesuai dengan rumus (1).
Definisi
Mencair adalah proses transisi suatu zat dari padat ke cair, proses perubahan keadaan agregasi suatu zat.
Ketika suatu zat dipanaskan, energi internalnya meningkat, oleh karena itu, kecepatan pergerakan termal molekul meningkat. Jika titik leleh zat tercapai, kisi kristal padatan mulai rusak. Ikatan antar partikel dihancurkan, energi interaksi antar partikel meningkat. Panas yang ditransfer ke tubuh digunakan untuk meningkatkan energi internal tubuh ini, dan sebagian energi digunakan untuk melakukan pekerjaan untuk mengubah volume tubuh ketika meleleh. Untuk sebagian besar benda kristal, volumenya meningkat ketika meleleh, tetapi ada pengecualian, misalnya, es, besi tuang. Benda amorf tidak memiliki titik leleh tertentu. Mencair adalah transisi fase, yang disertai dengan perubahan mendadak dalam kapasitas panas pada suhu leleh. Titik leleh tergantung pada zat dan tidak berubah selama proses. Dalam hal ini, perubahan energi internal tubuh:
\[\triangle U=\pm m\lambda \left(2\right),\]
di mana $\lambda $ adalah panas spesifik peleburan (J/kg).
Proses kebalikan dari peleburan adalah kristalisasi. Perhitungan perubahan energi internal dilakukan sesuai dengan rumus (2).
Perubahan energi internal setiap badan sistem dalam hal pemanasan atau pendinginan dapat dihitung dengan rumus:
\[\segitiga U=mc\segitiga T\kiri(3\kanan),\]
di mana c adalah panas jenis zat, J/(kgK), $\segitiga T$ adalah perubahan suhu tubuh.
Ketika mempelajari transisi zat dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya, tidak mungkin dilakukan tanpa apa yang disebut persamaan keseimbangan panas, yang mengatakan: jumlah total panas yang dilepaskan dalam sistem yang diisolasi secara termal sama dengan jumlah panas (total) yang diserap dalam sistem ini.
Dalam pengertiannya, persamaan keseimbangan panas adalah hukum kekekalan energi untuk proses perpindahan panas dalam sistem yang terisolasi secara termal.
Contoh 1
Tugas: Ada air dan es dalam bejana berinsulasi panas pada suhu $t_i= 0^oС$. Massa air ($m_(v\ ))$ dan es ($m_(i\ ))$ masing-masing adalah 0,5 kg dan 60 g. Uap air bermassa $m_(p\ )=$10 g dilepaskan ke dalam air. pada suhu $t_p= 100^oС$. Berapakah suhu air di dalam bejana setelah kesetimbangan termal tercapai? Kapasitas panas bejana diabaikan.
Solusi: Mari kita tentukan proses apa yang terjadi dalam sistem, keadaan agregat materi apa yang kita miliki dan apa yang kita dapatkan.
Uap air mengembun, mengeluarkan panas.
Panas ini digunakan untuk mencairkan es dan, mungkin, untuk memanaskan air yang tersedia dan diperoleh dari es.
Mari kita periksa dulu berapa banyak panas yang dilepaskan selama kondensasi massa uap yang tersedia:
di sini, dari bahan referensi, kami memiliki $r=2.26 10^6\frac(J)(kg)$ - panas spesifik penguapan (juga berlaku untuk kondensasi).
Kalor yang dibutuhkan untuk mencairkan es:
di sini dari bahan referensi kita memiliki $\lambda =3.3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - panas jenis es yang mencair.
Kami mendapatkan bahwa uap mengeluarkan lebih banyak panas dari yang dibutuhkan, hanya untuk melelehkan es yang ada, oleh karena itu, kami menulis persamaan keseimbangan panas dalam bentuk:
Panas dilepaskan selama kondensasi uap dengan massa $m_(p\ )$ dan pendinginan air, yang terbentuk dari uap dari suhu $T_p$ ke T yang diinginkan. Panas diserap selama pencairan es dengan massa $m_(i\ )$ dan pemanasan air dengan massa $m_v+ m_i$ dari suhu $T_i$ ke $T.\ $ Dilambangkan $T-T_i=\segitiga T$, untuk selisih $T_p-T$ kita peroleh:
Persamaan keseimbangan panas akan berbentuk:
\ \ \[\triangle T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\left(m_v+m_i+m_(p\ )\right))\left (1.6\kanan)\]
Kami akan melakukan perhitungan, dengan mempertimbangkan bahwa kapasitas panas air adalah tabel $c=4.2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273K$:
$\triangle T=\frac(2,26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4,2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2)\cdot 3,3\cdot 10^5)(4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^(-1))\kira-kira 3\kiri(K\kanan)$lalu T=273+3=276 (K)
Jawaban: Suhu air di dalam bejana setelah tercapainya kesetimbangan termal akan sama dengan 276 K.
Contoh 2
Tugas: Gambar menunjukkan bagian isoterm yang sesuai dengan transisi suatu zat dari kristal ke keadaan cair. Apa yang sesuai dengan bagian ini pada diagram p,T?
Seluruh himpunan keadaan digambarkan pada diagram p, V oleh segmen garis lurus horizontal pada diagram p, T digambarkan oleh satu titik yang menentukan nilai p dan T, di mana transisi dari satu keadaan agregasi ke lain terjadi.
Pengetahuan yang paling luas adalah tentang tiga keadaan agregasi: cair, padat, gas, kadang-kadang mereka berpikir tentang plasma, lebih jarang kristal cair. Baru-baru ini, daftar 17 fase materi, yang diambil dari () Stephen Fry yang terkenal, telah menyebar di Internet. Karena itu, kami akan membicarakannya secara lebih rinci, karena. orang harus tahu lebih banyak tentang materi, jika hanya untuk lebih memahami proses yang terjadi di Alam Semesta.
Daftar keadaan agregat materi yang diberikan di bawah ini meningkat dari keadaan terdingin ke terpanas, dan seterusnya. dapat dilanjutkan. Pada saat yang sama, harus dipahami bahwa dari keadaan gas (No. 11), yang paling "diperluas", di kedua sisi daftar, tingkat kompresi zat dan tekanannya (dengan beberapa reservasi untuk yang belum dijelajahi tersebut keadaan hipotetis sebagai kuantum, sinar, atau simetris lemah) meningkat Setelah teks, grafik visual transisi fase materi diberikan.
1. kuantum- keadaan agregasi materi, dicapai ketika suhu turun ke nol mutlak, sebagai akibatnya ikatan internal hilang dan materi hancur menjadi quark bebas.
2. Kondensat Bose-Einstein- keadaan agregat materi, yang didasarkan pada boson yang didinginkan hingga suhu mendekati nol mutlak (kurang dari sepersejuta derajat di atas nol mutlak). Dalam keadaan sangat dingin seperti itu, sejumlah besar atom menemukan diri mereka dalam keadaan kuantum seminimal mungkin, dan efek kuantum mulai memanifestasikan dirinya pada tingkat makroskopik. Kondensat Bose-Einstein (sering disebut sebagai "Kondensat Bose", atau hanya "belakang") terjadi ketika Anda mendinginkan unsur kimia ke suhu yang sangat rendah (biasanya tepat di atas nol mutlak, minus 273 derajat Celcius). , adalah suhu teoretis pada yang semuanya berhenti bergerak).
Di sinilah hal-hal aneh mulai terjadi. Proses yang biasanya hanya dapat diamati pada tingkat atom sekarang terjadi pada skala yang cukup besar untuk diamati dengan mata telanjang. Misalnya, jika Anda memasukkan "punggung" ke dalam gelas kimia dan memberikan suhu yang diinginkan, zat tersebut akan mulai merangkak naik ke dinding dan akhirnya keluar dengan sendirinya.
Rupanya, di sini kita berhadapan dengan upaya sia-sia oleh materi untuk menurunkan energinya sendiri (yang sudah berada di level terendah dari semua level yang mungkin).
Memperlambat atom menggunakan peralatan pendingin menghasilkan keadaan kuantum tunggal yang dikenal sebagai kondensat Bose, atau Bose-Einstein. Fenomena ini diprediksi pada tahun 1925 oleh A. Einstein, sebagai hasil dari generalisasi karya S. Bose, di mana mekanika statistik dibangun untuk partikel, mulai dari foton tak bermassa hingga atom bermassa (naskah Einstein, yang dianggap hilang, ditemukan di perpustakaan Universitas Leiden pada tahun 2005). Hasil usaha Bose dan Einstein adalah konsep gas Bose yang mematuhi statistik Bose-Einstein, yang menggambarkan distribusi statistik partikel identik dengan putaran bilangan bulat, yang disebut boson. Boson, yang, misalnya, merupakan partikel dasar individu - foton, dan seluruh atom, dapat berada satu sama lain dalam keadaan kuantum yang sama. Einstein menyarankan bahwa atom pendingin - boson ke suhu yang sangat rendah, akan menyebabkan mereka pergi (atau, dengan kata lain, mengembun) ke keadaan kuantum serendah mungkin. Hasil kondensasi seperti itu adalah munculnya bentuk materi baru.
Transisi ini terjadi di bawah suhu kritis, yaitu untuk gas tiga dimensi homogen yang terdiri dari partikel yang tidak berinteraksi tanpa derajat kebebasan internal.
3. Kondensat fermionik- keadaan agregasi suatu zat, mirip dengan penyangga, tetapi berbeda dalam strukturnya. Ketika mendekati nol mutlak, atom berperilaku berbeda tergantung pada besarnya momentum sudut mereka sendiri (spin). Boson memiliki putaran bilangan bulat, sedangkan fermion memiliki putaran yang merupakan kelipatan 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Fermion mematuhi prinsip pengecualian Pauli, yang menyatakan bahwa dua fermion tidak dapat memiliki keadaan kuantum yang sama. Untuk boson, tidak ada larangan seperti itu, dan karena itu mereka memiliki kesempatan untuk eksis dalam satu keadaan kuantum dan dengan demikian membentuk apa yang disebut kondensat Bose-Einstein. Proses pembentukan kondensat ini bertanggung jawab untuk transisi ke keadaan superkonduktor.
Elektron memiliki spin 1/2 dan karena itu merupakan fermion. Mereka bergabung menjadi pasangan (disebut pasangan Cooper), yang kemudian membentuk kondensat Bose.
Ilmuwan Amerika berusaha mendapatkan sejenis molekul dari atom fermion dengan pendinginan yang dalam. Perbedaan dari molekul nyata adalah bahwa tidak ada ikatan kimia antara atom-atom - mereka hanya bergerak bersama dengan cara yang berkorelasi. Ikatan antar atom ternyata lebih kuat daripada ikatan antar elektron pada pasangan Cooper. Untuk pasangan fermion yang terbentuk, putaran total tidak lagi kelipatan 1/2, oleh karena itu, mereka sudah berperilaku seperti boson dan dapat membentuk kondensat Bose dengan keadaan kuantum tunggal. Selama percobaan, gas dengan atom kalium-40 didinginkan hingga 300 nanokelvin, sementara gas tersebut ditutup dalam apa yang disebut perangkap optik. Kemudian medan magnet eksternal diterapkan, dengan bantuan yang memungkinkan untuk mengubah sifat interaksi antara atom - alih-alih tolakan yang kuat, daya tarik yang kuat mulai diamati. Saat menganalisis pengaruh medan magnet, adalah mungkin untuk menemukan nilai di mana atom mulai berperilaku seperti pasangan elektron Cooper. Pada tahap percobaan berikutnya, para ilmuwan mengusulkan untuk mendapatkan efek superkonduktivitas untuk kondensat fermionik.
4. Materi superfluida- keadaan di mana zat hampir tidak memiliki viskositas, dan ketika mengalir, zat itu tidak mengalami gesekan dengan permukaan padat. Konsekuensi dari ini, misalnya, adalah efek yang menarik seperti "merambat" helium superfluida secara spontan dari bejana di sepanjang dindingnya melawan gravitasi. Tentu saja, tidak ada pelanggaran hukum kekekalan energi di sini. Dengan tidak adanya gaya gesekan, hanya gaya gravitasi yang bekerja pada helium, gaya interaksi interatomik antara helium dan dinding bejana dan antara atom helium. Jadi, kekuatan interaksi antar atom melebihi semua kekuatan lain yang digabungkan. Akibatnya, helium cenderung menyebar sebanyak mungkin ke semua permukaan yang mungkin, dan karena itu "berjalan" di sepanjang dinding bejana. Pada tahun 1938, ilmuwan Soviet Pyotr Kapitsa membuktikan bahwa helium dapat eksis dalam keadaan superfluida.
Perlu dicatat bahwa banyak sifat helium yang tidak biasa telah diketahui selama beberapa waktu. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, unsur kimia ini telah "memanjakan" kita dengan efek yang menarik dan tidak terduga. Jadi, pada tahun 2004, Moses Chan dan Eun-Syong Kim dari University of Pennsylvania menggelitik dunia ilmiah dengan mengklaim bahwa mereka telah berhasil memperoleh keadaan helium yang benar-benar baru - padatan superfluida. Dalam keadaan ini, beberapa atom helium dalam kisi kristal dapat mengalir di sekitar yang lain, dan dengan demikian helium dapat mengalir melalui dirinya sendiri. Efek "superhardness" secara teoritis diprediksi kembali pada tahun 1969. Dan pada tahun 2004 - seolah-olah konfirmasi eksperimental. Namun, eksperimen kemudian dan sangat aneh menunjukkan bahwa semuanya tidak sesederhana itu, dan mungkin interpretasi fenomena seperti itu, yang sebelumnya dianggap sebagai superfluiditas helium padat, tidak benar.
Eksperimen ilmuwan yang dipimpin oleh Humphrey Maris dari Brown University di Amerika Serikat itu sederhana dan elegan. Para ilmuwan menempatkan tabung reaksi terbalik ke dalam tangki tertutup helium cair. Bagian dari helium di dalam tabung reaksi dan di dalam tangki dibekukan sedemikian rupa sehingga batas antara cair dan padat di dalam tabung reaksi lebih tinggi daripada di dalam tangki. Dengan kata lain, ada helium cair di bagian atas tabung reaksi, dan helium padat di bagian bawah; itu dengan lancar masuk ke fase padat tangki, di mana sedikit helium cair dituangkan - lebih rendah dari tingkat cair dalam tabung reaksi. Jika helium cair mulai merembes melalui padatan, maka perbedaan level akan berkurang, dan kemudian kita dapat berbicara tentang helium superfluida padat. Dan pada prinsipnya, dalam tiga dari 13 percobaan, perbedaan level memang berkurang.
5. Materi super keras- keadaan agregasi di mana materi transparan dan dapat "mengalir" seperti cairan, tetapi sebenarnya tidak memiliki viskositas. Cairan seperti itu telah dikenal selama bertahun-tahun dan disebut superfluida. Faktanya adalah bahwa jika superfluida diaduk, itu akan bersirkulasi hampir selamanya, sedangkan cairan normal pada akhirnya akan tenang. Dua superfluida pertama diciptakan oleh para peneliti menggunakan helium-4 dan helium-3. Mereka didinginkan hampir ke nol mutlak - hingga minus 273 derajat Celcius. Dan dari helium-4, ilmuwan Amerika berhasil mendapatkan tubuh superhard. Mereka mengompres helium beku dengan tekanan lebih dari 60 kali, dan kemudian gelas berisi zat itu dipasang pada piringan yang berputar. Pada suhu 0,175 derajat Celcius, piringan tiba-tiba mulai berputar lebih bebas, yang menurut para ilmuwan, menunjukkan bahwa helium telah menjadi superbody.
6. Padat- keadaan agregasi materi, dicirikan oleh stabilitas bentuk dan sifat gerakan termal atom, yang membuat getaran kecil di sekitar posisi kesetimbangan. Keadaan stabil padatan adalah kristal. Membedakan zat padat dengan ikatan ionik, kovalen, logam, dan jenis ikatan antar atom lainnya, yang menentukan variasi sifat fisiknya. Sifat listrik dan beberapa sifat zat padat lainnya terutama ditentukan oleh sifat gerak elektron terluar atomnya. Menurut sifat listriknya, zat padat dibagi menjadi dielektrik, semikonduktor, dan logam; menurut sifat magnetiknya, zat padat dibagi menjadi diamagnet, paramagnet, dan benda dengan struktur magnet yang teratur. Penyelidikan sifat-sifat benda padat telah menyatu menjadi bidang besar—fisika benda padat, yang perkembangannya dirangsang oleh kebutuhan teknologi.
7. Padatan amorf- keadaan agregasi zat yang kental, ditandai dengan isotropi sifat fisik karena susunan atom dan molekul yang tidak teratur. Dalam padatan amorf, atom bergetar di sekitar titik yang terletak secara acak. Berbeda dengan keadaan kristal, transisi dari amorf padat ke cair terjadi secara bertahap. Berbagai zat berada dalam keadaan amorf: gelas, resin, plastik, dll.
8. Kristal cair- ini adalah keadaan agregasi spesifik suatu zat di mana ia secara bersamaan menunjukkan sifat-sifat kristal dan cairan. Kita harus segera membuat reservasi bahwa tidak semua zat bisa berada dalam keadaan kristal cair. Namun, beberapa zat organik dengan molekul kompleks dapat membentuk keadaan agregasi tertentu - kristal cair. Keadaan ini dilakukan selama pencairan kristal zat tertentu. Ketika mereka meleleh, fase kristal cair terbentuk, yang berbeda dari cairan biasa. Fase ini ada dalam kisaran dari suhu leleh kristal hingga suhu yang lebih tinggi, ketika dipanaskan hingga kristal cair berubah menjadi cairan biasa.
Bagaimana kristal cair berbeda dari cairan dan kristal biasa dan bagaimana kemiripannya dengan mereka? Seperti cairan biasa, kristal cair memiliki fluiditas dan berbentuk wadah di mana ia ditempatkan. Dalam hal ini berbeda dari kristal yang diketahui semua orang. Namun, terlepas dari sifat ini, yang menyatukannya dengan cairan, ia memiliki karakteristik sifat kristal. Ini adalah urutan dalam ruang molekul yang membentuk kristal. Benar, urutan ini tidak selengkap pada kristal biasa, tetapi, bagaimanapun, itu secara signifikan mempengaruhi sifat-sifat kristal cair, yang membedakannya dari cairan biasa. Urutan spasial yang tidak lengkap dari molekul-molekul yang membentuk kristal cair memanifestasikan dirinya dalam kenyataan bahwa dalam kristal cair tidak ada keteraturan lengkap dalam pengaturan spasial pusat gravitasi molekul, meskipun mungkin ada keteraturan parsial. Ini berarti bahwa mereka tidak memiliki kisi kristal yang kaku. Oleh karena itu, kristal cair, seperti cairan biasa, memiliki sifat fluiditas.
Sifat wajib kristal cair, yang membawa mereka lebih dekat ke kristal biasa, adalah adanya keteraturan dalam orientasi spasial molekul. Urutan orientasi seperti itu dapat memanifestasikan dirinya, misalnya, dalam kenyataan bahwa semua sumbu panjang molekul dalam sampel kristal cair diorientasikan dengan cara yang sama. Molekul-molekul ini harus memiliki bentuk memanjang. Selain urutan sumbu molekul yang paling sederhana, urutan orientasi molekul yang lebih kompleks dapat diwujudkan dalam kristal cair.
Tergantung pada jenis urutan sumbu molekul, kristal cair dibagi menjadi tiga jenis: nematic, smectic dan cholesteric.
Penelitian tentang fisika kristal cair dan aplikasinya saat ini sedang dilakukan secara luas di semua negara paling maju di dunia. Penelitian dalam negeri terkonsentrasi baik di lembaga penelitian akademis dan industri dan memiliki tradisi panjang. Karya-karya V.K. Frederiks ke V.N. Tsvetkov. Dalam beberapa tahun terakhir, studi cepat kristal cair, peneliti Rusia juga memberikan kontribusi yang signifikan terhadap pengembangan teori kristal cair secara umum dan, khususnya, optik kristal cair. Jadi, karya-karya I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Blinov dan banyak peneliti Soviet lainnya dikenal luas oleh komunitas ilmiah dan berfungsi sebagai dasar untuk sejumlah aplikasi teknis yang efektif dari kristal cair.
Keberadaan kristal cair sudah sangat lama diketahui, yaitu pada tahun 1888, yaitu hampir seabad yang lalu. Meskipun para ilmuwan telah menemukan keadaan materi ini sebelum tahun 1888, secara resmi ditemukan kemudian.
Yang pertama menemukan kristal cair adalah ahli botani Austria Reinitzer. Menyelidiki zat baru cholesteryl benzoate yang disintesis olehnya, ia menemukan bahwa pada suhu 145 ° C, kristal zat ini meleleh, membentuk cairan keruh yang sangat menghamburkan cahaya. Dengan pemanasan lanjutan, setelah mencapai suhu 179 ° C, cairan menjadi jernih, yaitu, mulai berperilaku optik seperti cairan biasa, seperti air. Kolesterol benzoat menunjukkan sifat yang tidak terduga pada fase keruh. Meneliti fase ini di bawah mikroskop polarisasi, Reinitzer menemukan bahwa ia memiliki birefringence. Ini berarti bahwa indeks bias cahaya, yaitu kecepatan cahaya dalam fase ini, bergantung pada polarisasi.
9. Cairan- keadaan agregasi suatu zat, menggabungkan fitur keadaan padat (kekekalan volume, kekuatan tarik tertentu) dan keadaan gas (variabilitas bentuk). Cairan dicirikan oleh keteraturan jarak pendek dalam susunan partikel (molekul, atom) dan perbedaan kecil dalam energi kinetik dari gerakan termal molekul dan energi potensial interaksinya. Gerakan termal molekul cair terdiri dari osilasi di sekitar posisi kesetimbangan dan lompatan yang relatif jarang dari satu posisi setimbang ke posisi setimbang lainnya, yang dikaitkan dengan fluiditas cairan.
10. Cairan superkritis(GFR) adalah keadaan agregasi suatu zat, di mana perbedaan antara fase cair dan gas menghilang. Setiap zat pada suhu dan tekanan di atas titik kritis adalah cairan superkritis. Sifat-sifat zat dalam keadaan superkritis adalah perantara antara sifat-sifatnya dalam fase gas dan cair. Dengan demikian, SCF memiliki densitas tinggi, dekat dengan cairan, dan viskositas rendah, seperti gas. Koefisien difusi dalam hal ini memiliki nilai antara antara cair dan gas. Zat dalam keadaan superkritis dapat digunakan sebagai pengganti pelarut organik dalam proses laboratorium dan industri. Air superkritis dan karbon dioksida superkritis telah menerima minat dan distribusi terbesar sehubungan dengan sifat-sifat tertentu.
Salah satu sifat terpenting dari keadaan superkritis adalah kemampuan untuk melarutkan zat. Dengan mengubah suhu atau tekanan fluida, seseorang dapat mengubah sifat-sifatnya dalam rentang yang luas. Dengan demikian, dimungkinkan untuk mendapatkan cairan yang sifatnya dekat dengan cairan atau gas. Dengan demikian, daya larut cairan meningkat dengan meningkatnya kepadatan (pada suhu konstan). Karena densitas meningkat dengan meningkatnya tekanan, perubahan tekanan dapat mempengaruhi daya larut fluida (pada suhu konstan). Dalam kasus suhu, ketergantungan sifat fluida agak lebih rumit - pada kerapatan konstan, daya larut fluida juga meningkat, tetapi di dekat titik kritis, sedikit peningkatan suhu dapat menyebabkan penurunan tajam dalam kerapatan, dan, karenanya, melarutkan kekuatan. Cairan superkritis bercampur satu sama lain tanpa batas, sehingga ketika titik kritis campuran tercapai, sistem akan selalu satu fase. Perkiraan suhu kritis campuran biner dapat dihitung sebagai rata-rata aritmatika dari parameter kritis zat Tc(campuran) = (fraksi mol A) x TcA + (fraksi mol B) x TcB.
11. Gas- (Gaz Prancis, dari kekacauan Yunani - kekacauan), keadaan agregat materi di mana energi kinetik dari gerakan termal partikelnya (molekul, atom, ion) secara signifikan melebihi energi potensial interaksi di antara mereka, dan oleh karena itu partikel bergerak bebas, mengisi secara seragam tanpa adanya bidang eksternal, seluruh volume disediakan untuk mereka.
12. Plasma- (dari plasma Yunani - dibentuk, berbentuk), keadaan materi, yang merupakan gas terionisasi, di mana konsentrasi muatan positif dan negatif adalah sama (semu netral). Sebagian besar materi di Alam Semesta berada dalam keadaan plasma: bintang, nebula galaksi, dan medium antarbintang. Di dekat Bumi, plasma ada dalam bentuk angin matahari, magnetosfer, dan ionosfer. Plasma suhu tinggi (T ~ 106 - 108 K) dari campuran deuterium dan tritium sedang diselidiki dengan tujuan menerapkan fusi termonuklir terkendali. Plasma suhu rendah (T 105K) digunakan dalam berbagai perangkat pelepasan gas (laser gas, perangkat ion, generator MHD, obor plasma, mesin plasma, dll.), serta dalam teknologi (lihat Metalurgi plasma, Pengeboran plasma, teknologi plasma).
13. Materi yang merosot- adalah tahap peralihan antara plasma dan neutronium. Ini diamati pada katai putih dan memainkan peran penting dalam evolusi bintang. Ketika atom berada di bawah kondisi suhu dan tekanan yang sangat tinggi, mereka kehilangan elektronnya (mereka berubah menjadi gas elektron). Dengan kata lain, mereka sepenuhnya terionisasi (plasma). Tekanan gas seperti itu (plasma) ditentukan oleh tekanan elektron. Jika densitas sangat tinggi, semua partikel dipaksa untuk mendekati satu sama lain. Elektron dapat berada dalam keadaan dengan energi tertentu, dan dua elektron tidak dapat memiliki energi yang sama (kecuali jika spinnya berlawanan). Jadi, dalam gas padat, semua tingkat energi yang lebih rendah ternyata diisi dengan elektron. Gas seperti itu disebut degenerasi. Dalam keadaan ini, elektron menunjukkan tekanan elektron merosot yang melawan gaya gravitasi.
14. Neutronium— keadaan agregasi di mana materi lewat di bawah tekanan sangat tinggi, yang belum dapat dicapai di laboratorium, tetapi ada di dalam bintang neutron. Selama transisi ke keadaan neutron, elektron materi berinteraksi dengan proton dan berubah menjadi neutron. Akibatnya, materi dalam keadaan neutron seluruhnya terdiri dari neutron dan memiliki kerapatan orde nuklir. Suhu zat dalam hal ini tidak boleh terlalu tinggi (dalam energi yang setara, tidak lebih dari seratus MeV).
Dengan peningkatan suhu yang kuat (ratusan MeV ke atas), dalam keadaan neutron, berbagai meson mulai lahir dan musnah. Dengan peningkatan suhu lebih lanjut, dekoneksi terjadi, dan materi masuk ke keadaan plasma quark-gluon. Itu tidak lagi terdiri dari hadron, tetapi dari quark dan gluon yang terus-menerus lahir dan menghilang.
15. Plasma kuark-gluon(kromoplasma) adalah keadaan agregat materi dalam fisika energi tinggi dan fisika partikel elementer, di mana materi hadronik masuk ke keadaan yang mirip dengan keadaan di mana elektron dan ion berada dalam plasma biasa.
Biasanya materi dalam hadron berada dalam keadaan yang disebut tidak berwarna ("putih"). Artinya, quark dengan warna berbeda saling mengimbangi. Keadaan serupa ada dalam materi biasa - ketika semua atom netral secara listrik, yaitu,
muatan positif di dalamnya dikompensasi oleh yang negatif. Pada suhu tinggi, ionisasi atom dapat terjadi, sementara muatan dipisahkan, dan zat menjadi, seperti yang mereka katakan, "semu netral". Artinya, seluruh awan materi secara keseluruhan tetap netral, dan partikel individualnya berhenti menjadi netral. Agaknya, hal yang sama dapat terjadi dengan materi hadronik - pada energi yang sangat tinggi, warna dilepaskan dan membuat zat "semu tak berwarna".
Agaknya, materi Semesta berada dalam keadaan plasma quark-gluon pada saat-saat pertama setelah Big Bang. Sekarang plasma quark-gluon dapat dibentuk untuk waktu yang singkat dalam tumbukan partikel berenergi sangat tinggi.
Plasma kuark-gluon diperoleh secara eksperimental di akselerator RHIC di Brookhaven National Laboratory pada tahun 2005. Suhu plasma maksimum 4 triliun derajat Celcius diperoleh di sana pada Februari 2010.
16. Zat aneh- keadaan agregasi, di mana materi dikompresi ke nilai batas kepadatan, itu bisa ada dalam bentuk "sup quark". Satu sentimeter kubik materi di negara bagian ini akan memiliki berat miliaran ton; selain itu, ia akan mengubah zat normal apa pun yang bersentuhan dengannya menjadi bentuk "aneh" yang sama dengan pelepasan sejumlah besar energi.
Energi yang dapat dilepaskan selama transformasi substansi inti bintang menjadi "zat aneh" akan menyebabkan ledakan "quark nova" yang sangat kuat - dan, menurut Leahy dan Wyed, justru ledakan ini yang diamati para astronom pada bulan September 2006.
Proses pembentukan zat ini dimulai dengan supernova biasa, di mana bintang masif berubah. Sebagai hasil dari ledakan pertama, sebuah bintang neutron terbentuk. Namun, menurut Leahy dan Wyed, itu tidak berlangsung lama - karena rotasinya tampaknya diperlambat oleh medan magnetnya sendiri, ia mulai menyusut lebih banyak lagi, dengan pembentukan gumpalan "benda aneh", yang menyebabkan bahkan lebih kuat daripada dalam ledakan supernova normal, pelepasan energi - dan lapisan luar zat bintang neutron sebelumnya, terbang ke ruang sekitarnya dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya.
17. Materi yang sangat simetris- ini adalah zat yang dikompresi sedemikian rupa sehingga partikel mikro di dalamnya berlapis satu sama lain, dan tubuh itu sendiri runtuh ke dalam lubang hitam. Istilah "simetri" dijelaskan sebagai berikut: Mari kita ambil keadaan agregat materi yang diketahui semua orang dari bangku sekolah - padat, cair, gas. Untuk kepastian, pertimbangkan kristal tak terbatas yang ideal sebagai padatan. Ini memiliki tertentu, yang disebut simetri diskrit sehubungan dengan terjemahan. Ini berarti bahwa jika kisi kristal digeser dengan jarak yang sama dengan interval antara dua atom, tidak ada yang berubah di dalamnya - kristal akan bertepatan dengan dirinya sendiri. Jika kristal dilebur, maka simetri cairan yang dihasilkan akan berbeda: itu akan meningkat. Dalam kristal, hanya titik yang jauh satu sama lain pada jarak tertentu, yang disebut simpul kisi kristal, di mana atom identik berada, adalah setara.
Cairan itu homogen di seluruh volumenya, semua titiknya tidak dapat dibedakan satu sama lain. Ini berarti bahwa cairan dapat dipindahkan oleh jarak sembarang (dan bukan hanya jarak tertentu, seperti dalam kristal) atau diputar oleh sudut sembarang (yang tidak dapat dilakukan dalam kristal sama sekali) dan itu akan bertepatan dengan dirinya sendiri. Derajat simetrinya lebih tinggi. Gas bahkan lebih simetris: cairan menempati volume tertentu di dalam bejana dan ada asimetri di dalam bejana, di mana ada cairan, dan titik-titik di mana tidak ada. Gas, di sisi lain, menempati seluruh volume yang disediakan untuknya, dan dalam pengertian ini semua titiknya tidak dapat dibedakan satu sama lain. Namun demikian, akan lebih tepat untuk berbicara di sini bukan tentang poin, tetapi tentang elemen kecil, tetapi makroskopis, karena pada tingkat mikroskopis masih ada perbedaan. Di beberapa titik waktu ada atom atau molekul, sementara yang lain tidak. Simetri hanya diamati rata-rata, baik dalam beberapa parameter volume makroskopik, atau dalam waktu.
Tetapi masih belum ada simetri instan pada tingkat mikroskopis. Jika zat dikompresi dengan sangat kuat, pada tekanan yang tidak dapat diterima dalam kehidupan sehari-hari, dikompresi sehingga atom-atom dihancurkan, cangkangnya saling menembus, dan inti mulai bersentuhan, simetri muncul pada tingkat mikroskopis. Semua inti adalah sama dan saling menekan, tidak hanya ada jarak antar atom, tetapi juga antar inti, dan zat menjadi homogen (zat asing).
Tetapi ada juga tingkat submikroskopis. Inti terdiri dari proton dan neutron yang bergerak di dalam inti. Ada juga beberapa ruang di antara mereka. Jika Anda terus mengompres sehingga inti juga hancur, nukleon akan saling menekan dengan kuat. Kemudian, pada tingkat submikroskopis, simetri akan muncul, yang bahkan tidak ada di dalam inti biasa.
Dari apa yang telah dikatakan, seseorang dapat melihat kecenderungan yang cukup pasti: semakin tinggi suhu dan semakin tinggi tekanan, semakin simetris zat tersebut. Berdasarkan pertimbangan tersebut, zat yang dimampatkan secara maksimal disebut sangat simetris.
18. Materi simetris lemah- keadaan yang berlawanan dengan materi yang sangat simetris dalam sifat-sifatnya, yang hadir di Alam Semesta paling awal pada suhu yang mendekati suhu Planck, mungkin 10-12 detik setelah Big Bang, ketika gaya kuat, lemah, dan elektromagnetik adalah kekuatan super tunggal . Dalam keadaan ini, materi dikompresi sedemikian rupa sehingga massanya diubah menjadi energi, yang mulai mengembang, yaitu mengembang tanpa batas. Masih belum mungkin untuk mencapai energi untuk produksi eksperimental negara adidaya dan transfer materi ke fase ini di bawah kondisi terestrial, meskipun upaya semacam itu dilakukan di Large Hadron Collider untuk mempelajari alam semesta awal. Karena tidak adanya interaksi gravitasi dalam komposisi gaya super yang membentuk zat ini, gaya super tidak cukup simetris dibandingkan dengan gaya supersimetris, yang berisi keempat jenis interaksi. Oleh karena itu, keadaan agregasi ini menerima nama seperti itu.
19. Materi radiasi- ini, pada kenyataannya, bukan lagi zat, tetapi energi dalam bentuknya yang paling murni. Namun, keadaan agregasi hipotetis inilah yang akan diambil oleh benda yang telah mencapai kecepatan cahaya. Itu juga dapat diperoleh dengan memanaskan tubuh ke suhu Planck (1032K), yaitu dengan mendispersikan molekul zat dengan kecepatan cahaya. Sebagai berikut dari teori relativitas, ketika kecepatan mencapai lebih dari 0,99 s, massa tubuh mulai tumbuh jauh lebih cepat daripada dengan akselerasi "normal", di samping itu, tubuh memanjang, memanas, yaitu mulai memancar dalam spektrum inframerah. Ketika melewati ambang 0,999 s, tubuh berubah secara dramatis dan memulai transisi fase yang cepat hingga status berkas. Sebagai berikut dari rumus Einstein, diambil secara lengkap, massa tumbuh zat akhir terdiri dari massa yang terpisah dari tubuh dalam bentuk radiasi termal, sinar-X, optik dan lainnya, yang energinya masing-masing adalah dijelaskan oleh istilah berikutnya dalam rumus. Jadi, sebuah benda yang mendekati kecepatan cahaya akan mulai memancar di semua spektrum, bertambah panjang dan melambat dalam waktu, menipis hingga panjang Planck, yaitu, setelah mencapai kecepatan c, benda akan berubah menjadi panjang dan kurus yang tak terhingga. sinar yang bergerak dengan kecepatan cahaya dan terdiri dari foton yang tidak memiliki panjang, dan massanya yang tak terbatas akan sepenuhnya berubah menjadi energi. Karena itu, zat semacam itu disebut radiasi.
