Starea de agregare a unei substanțe se numește de obicei capacitatea sa de a-și menține forma și volumul. O caracteristică suplimentară o reprezintă modalitățile prin care o substanță trece de la o stare de agregare la alta. Pe baza acesteia, se disting trei stări de agregare: solid, lichid și gazos. Proprietățile lor vizibile sunt următoarele:
Un corp solid își păstrează atât forma, cât și volumul. Poate trece atât într-un lichid prin topire, cât și direct într-un gaz prin sublimare.
- Lichid - pastreaza volumul, dar nu forma, adica are fluiditate. Lichidul vărsat tinde să se răspândească la infinit pe suprafața pe care este turnat. Un lichid poate trece într-un solid prin cristalizare și într-un gaz prin evaporare.
- Gaz - nu păstrează nici formă, nici volum. Gazul din afara oricărui container tinde să se extindă la nesfârșit în toate direcțiile. Numai gravitația îl poate împiedica să facă acest lucru, datorită căruia atmosfera pământului nu se risipește în spațiu. Un gaz trece într-un lichid prin condensare, iar direct într-un solid poate trece prin precipitare.
Tranziții de fază
Tranziția unei substanțe de la o stare de agregare la alta se numește tranziție de fază, deoarece starea științifică de agregare este o fază a materiei. De exemplu, apa poate exista în fază solidă (gheață), lichidă (apa obișnuită) și gazoasă (abur).
Exemplul apei este de asemenea bine demonstrat. Ceea ce este agățat în curte să se usuce într-o zi geroasă și fără vânt îngheață imediat, dar după un timp se dovedește a fi uscat: gheața se sublimează, transformându-se direct în vapori de apă.
De regulă, tranziția de fază de la un solid la un lichid și gaz necesită încălzire, dar temperatura mediului nu crește: energia termică este cheltuită pentru ruperea legăturilor interne din substanță. Aceasta este așa-numita căldură latentă. În timpul tranzițiilor de fază inversă (condensare, cristalizare), această căldură este eliberată.
De aceea arsurile cu abur sunt atât de periculoase. Când vine în contact cu pielea, se condensează. Căldura latentă de evaporare/condens a apei este foarte mare: în acest sens, apa este o substanță anormală; De aceea viața pe Pământ este posibilă. În timpul unei arsuri cu abur, căldura latentă a condensului apei „opărește” foarte profund locul ars, iar consecințele unei arsuri cu abur sunt mult mai severe decât cele de la o flacără pe aceeași zonă a corpului.
Pseudofaze
Fluiditatea fazei lichide a unei substanțe este determinată de vâscozitatea acesteia, iar vâscozitatea este determinată de natura legăturilor interne, cărora le este dedicată următoarea secțiune. Vâscozitatea unui lichid poate fi foarte mare, iar un astfel de lichid poate curge imperceptibil către ochi.
Exemplul clasic este sticla. Nu este un solid, ci un lichid foarte vâscos. Vă rugăm să rețineți că foile de sticlă din depozite nu sunt niciodată depozitate sprijinite oblic de perete. În câteva zile, se vor lăsa sub propria greutate și vor deveni inutilizabile.
Alte exemple de corpuri pseudo-solide sunt smoala de pantofi și bitumul de construcție. Dacă uiți bucata unghiulară de bitum de pe acoperiș, peste vară se va întinde într-o prăjitură și se va lipi de bază. Corpurile pseudo-solide se pot distinge de cele reale prin natura topirii: cele reale fie își păstrează forma până se răspândesc dintr-o dată (lipire la lipire), fie plutesc, dând afară bălți și pâraie (gheață). Și lichidele foarte vâscoase se înmoaie treptat, ca aceeași smoală sau bitum.
Lichidele extrem de vâscoase, a căror fluiditate nu este vizibilă de mulți ani și decenii, sunt materiale plastice. Capacitatea lor ridicată de a-și păstra forma este oferită de greutatea moleculară uriașă a polimerilor, multe mii și milioane de atomi de hidrogen.
Structura fazelor materiei
În faza gazoasă, moleculele sau atomii unei substanțe sunt foarte îndepărtate, de multe ori mai mari decât distanța dintre ele. Ele interacționează între ele ocazional și neregulat, doar în timpul coliziunilor. Interacțiunea în sine este elastică: s-au ciocnit ca niște mingi dure și s-au împrăștiat imediat.
Într-un lichid, moleculele/atomii „se simt” în mod constant unul pe altul datorită legăturilor foarte slabe de natură chimică. Aceste legături se rup tot timpul și sunt imediat restaurate din nou, moleculele lichidului se mișcă constant unele față de altele și, prin urmare, lichidul curge. Dar pentru a-l transforma într-un gaz, trebuie să rupeți toate legăturile deodată, iar acest lucru necesită multă energie, motiv pentru care lichidul își păstrează volumul.
În acest sens, apa diferă de alte substanțe prin faptul că moleculele sale dintr-un lichid sunt conectate prin așa-numitele legături de hidrogen, care sunt destul de puternice. Prin urmare, apa poate fi un lichid la o temperatură normală pe viață. Multe substanțe cu o greutate moleculară de zeci și sute de ori mai mare decât cea a apei, în condiții normale, sunt gaze, ca cel puțin gazul obișnuit de uz casnic.
Într-un solid, toate moleculele sale sunt ferm pe loc datorită legăturilor chimice puternice dintre ele, formând o rețea cristalină. Cristalele de forma corectă necesită condiții speciale pentru creșterea lor și, prin urmare, se găsesc rar în natură. Majoritatea solidelor sunt conglomerate de cristale mici și minuscule - cristalite, strâns legate prin forțe de natură mecanică și electrică.
Dacă cititorul a văzut, de exemplu, o semiosie crăpată a unei mașini sau un grătar din fontă, atunci boabele de cristalite de pe deșeuri sunt vizibile cu un simplu ochi. Iar pe fragmente de porțelan spart sau vase de faianță, acestea pot fi observate sub lupă.
Plasma
Fizicienii disting, de asemenea, a patra stare agregată a materiei - plasma. În plasmă, electronii sunt rupți din nucleele atomice și este un amestec de particule încărcate electric. Plasma poate fi foarte densă. De exemplu, un centimetru cub de plasmă din interiorul stelelor pitice albe cântărește zeci și sute de tone.
Plasma este izolată într-o stare separată de agregare, deoarece interacționează activ cu câmpurile electromagnetice datorită faptului că particulele sale sunt încărcate. În spațiul liber, plasma tinde să se extindă, să se răcească și să se transforme într-un gaz. Dar sub influența câmpurilor electromagnetice, își poate păstra forma și volumul în afara vasului, ca un corp solid. Această proprietate a plasmei este utilizată în reactoarele de putere termonucleare - prototipuri ale centralelor electrice ale viitorului.
Starea de agregare- aceasta este o stare a materiei într-un anumit interval de temperaturi și presiuni, caracterizată prin proprietăți: capacitatea (solid) sau incapacitatea (lichid, gaz) de a menține volumul și forma; prezența sau absența ordinii pe rază lungă (solid) sau pe rază scurtă (lichid) și alte proprietăți.
O substanță poate fi în trei stări de agregare: solidă, lichidă sau gazoasă, în prezent este izolată o stare suplimentară de plasmă (ionică).
LA gazosÎn stare, distanța dintre atomi și moleculele unei substanțe este mare, forțele de interacțiune sunt mici, iar particulele, mișcându-se aleator în spațiu, au o energie cinetică mare care depășește energia potențială. Materialul în stare gazoasă nu are nici forma, nici volumul. Gazul umple tot spațiul disponibil. Această stare este tipică pentru substanțele cu densitate scăzută.
LA lichid starea, se păstrează doar ordinea pe distanță scurtă a atomilor sau a moleculelor, atunci când în volumul unei substanțe apar periodic secțiuni separate cu un aranjament ordonat de atomi, cu toate acestea, orientarea reciprocă a acestor secțiuni este absentă. Ordinea de rază scurtă este instabilă și poate fie să dispară, fie să reapară sub acțiunea vibrațiilor termice ale atomilor. Moleculele unui lichid nu au o poziție definită și, în același timp, nu au libertate totală de mișcare. Materialul în stare lichidă nu are formă proprie, păstrează doar volum. Lichidul poate ocupa doar o parte din volumul vasului, dar curge liber pe întreaga suprafață a vasului. Starea lichidă este de obicei considerată intermediară între un solid și un gaz.
LA solid substanță, ordinea de aranjare a atomilor devine strict definită, ordonată în mod regulat, forțele de interacțiune ale particulelor sunt echilibrate reciproc, astfel încât corpurile își păstrează forma și volumul. Aranjarea regulată a atomilor în spațiu caracterizează starea cristalină, atomii formează o rețea cristalină.
Solidele au o structură amorfă sau cristalină. Pentru amorf Corpurile se caracterizează doar printr-o ordine cu rază scurtă de aranjare a atomilor sau a moleculelor, o aranjare haotică a atomilor, moleculelor sau ionilor în spațiu. Exemple de corpuri amorfe sunt sticla, smoala și smoala, care par a fi în stare solidă, deși în realitate curg lent, ca un lichid. Corpurile amorfe, spre deosebire de cele cristaline, nu au un punct de topire definit. Corpurile amorfe ocupă o poziție intermediară între solidele cristaline și lichidele.
Majoritatea solidelor au cristalin o structură care se distinge printr-un aranjament ordonat de atomi sau molecule în spațiu. Structura cristalină se caracterizează printr-o ordine de lungă durată, când elementele structurii sunt repetate periodic; nu există o astfel de repetiție regulată în ordinea de scurtă durată. O trăsătură caracteristică a unui corp cristalin este capacitatea de a-și păstra forma. Un semn al unui cristal ideal, al cărui model este o rețea spațială, este proprietatea simetriei. Simetria este înțeleasă ca capacitatea teoretică a rețelei cristaline a unui solid de a fi combinată cu ea însăși atunci când punctele sale sunt oglindite dintr-un anumit plan, numit plan de simetrie. Simetria formei externe reflectă simetria structurii interne a cristalului. De exemplu, toate metalele au o structură cristalină, care se caracterizează prin două tipuri de simetrie: cubică și hexagonală.
În structurile amorfe cu o distribuție dezordonată a atomilor, proprietățile substanței sunt aceleași în direcții diferite, adică substanțele sticloase (amorfe) sunt izotrope.
Toate cristalele sunt caracterizate prin anizotropie. În cristale, distanțele dintre atomi sunt ordonate, dar gradul de ordine poate fi diferit în direcții diferite, ceea ce duce la o diferență în proprietățile substanței cristaline în direcții diferite. Dependența proprietăților unei substanțe cristaline de direcția în rețeaua sa se numește anizotropie proprietăți. Anizotropia se manifestă atunci când se măsoară atât caracteristici fizice, cât și mecanice și alte caracteristici. Există proprietăți (densitate, capacitate termică) care nu depind de direcția în cristal. Majoritatea caracteristicilor depind de alegerea direcției.
Este posibil să se măsoare proprietățile obiectelor care au un anumit volum de material: dimensiuni - de la câțiva milimetri la zeci de centimetri. Aceste obiecte cu o structură identică cu celula cristalină se numesc monocristale.
Anizotropia proprietăților se manifestă în monocristale și este practic absentă într-o substanță policristalină constând din multe cristale mici orientate aleator. Prin urmare, substanțele policristaline sunt numite cvasiizotrope.
Cristalizarea polimerilor, ale căror molecule pot fi aranjate ordonat cu formarea de structuri supramoleculare sub formă de mănunchiuri, bobine (globuli), fibrile etc., are loc într-un anumit interval de temperatură. Structura complexă a moleculelor și agregatele acestora determină comportamentul specific al polimerilor la încălzire. Nu pot intra în stare lichidă cu vâscozitate scăzută, nu au stare gazoasă. În formă solidă, polimerii pot fi în stări sticloase, foarte elastice și vâscoase. Polimerii cu molecule liniare sau ramificate se pot schimba de la o stare la alta cu o schimbare a temperaturii, care se manifesta in procesul de deformare a polimerului. Pe fig. 9 arată dependența deformării de temperatură.
Orez. 9 Curba termomecanică a polimerului amorf: t c , t t, t p - temperatura de tranziție sticloasă, fluiditatea și, respectiv, începutul descompunerii chimice; I - III - zone de stare sticloasă, înalt elastică și respectiv vâscoasă; Δ l- deformare.
Structura spațială a aranjamentului moleculelor determină doar starea sticloasă a polimerului. La temperaturi scăzute, toți polimerii se deformează elastic (Fig. 9, zona I). Peste temperatura de tranziție sticloasă t c un polimer amorf cu o structură liniară trece într-o stare foarte elastică ( zona II), iar deformarea sa în stările sticloase și foarte elastice este reversibilă. Încălzire peste punctul de curgere t t transformă polimerul într-o stare vâscoasă ( zona III). Deformarea polimerului în stare vâscoasă este ireversibilă. Un polimer amorf cu o structură spațială (rețea, reticulat) nu are o stare vâscoasă, regiunea de temperatură a stării foarte elastice se extinde la temperatura de descompunere a polimerului t R. Acest comportament este tipic pentru materialele de tip cauciuc.
Temperatura unei substanțe în orice stare agregată caracterizează energia cinetică medie a particulelor sale (atomi și molecule). Aceste particule din corpuri au în principal energia cinetică a mișcărilor oscilatorii în raport cu centrul de echilibru, unde energia este minimă. Când se atinge o anumită temperatură critică, materialul solid își pierde rezistența (stabilitatea) și se topește, iar lichidul se transformă în abur: fierbe și se evaporă. Aceste temperaturi critice sunt punctele de topire și de fierbere.
Când un material cristalin este încălzit la o anumită temperatură, moleculele se mișcă atât de puternic încât legăturile rigide din polimer sunt rupte și cristalele sunt distruse - trec în stare lichidă. Temperatura la care cristalele și lichidul sunt în echilibru se numește punctul de topire al cristalului sau punctul de solidificare a lichidului. Pentru iod, această temperatură este de 114 o C.
Fiecare element chimic are propriul său punct de topire t pl separând existența unui solid și a unui lichid, și punctul de fierbere t kip, care corespunde trecerii lichidului în gaz. La aceste temperaturi, substanțele sunt în echilibru termodinamic. O schimbare a stării de agregare poate fi însoțită de o schimbare bruscă a energiei libere, entropiei, densității și altele. mărimi fizice.
Pentru a descrie diferitele stări în fizica folosește un concept mai larg faza termodinamica. Fenomenele care descriu tranzițiile de la o fază la alta sunt numite critice.
Când sunt încălzite, substanțele suferă transformări de fază. Când este topit (1083 o C), cuprul se transformă într-un lichid în care atomii au doar ordinul de rază scurtă. La o presiune de 1 atm, cuprul fierbe la 2310 ° C și se transformă în cupru gazos cu atomi de cupru dispuși la întâmplare. La punctul de topire, presiunile vaporilor saturați ai cristalului și lichidului sunt egale.
Materialul ca întreg este un sistem.
Sistem- un grup de substanțe combinate fizic, interacțiuni chimice sau mecanice. fază numită parte omogenă a sistemului, separată de alte părți interfețe fizice (în fontă: grafit + granule de fier; în apă cu gheață: gheață + apă).Componente sistemele sunt diferitele faze care alcătuiesc un sistem dat. Componentele sistemului- acestea sunt substanțe care formează toate fazele (componentele) acestui sistem.
Materialele formate din două sau mai multe faze sunt dispersat sisteme . Sistemele disperse sunt împărțite în soluri, al căror comportament seamănă cu comportamentul lichidelor și geluri cu proprietățile caracteristice solidelor. În sol, mediul de dispersie în care este distribuită substanța este lichid; în geluri predomină faza solidă. Gelurile sunt metal semi-cristalin, beton, o soluție de gelatină în apă la temperatură scăzută (la temperatură ridicată, gelatina se transformă într-un sol). Un hidrosol este o dispersie în apă, un aerosol este o dispersie în aer.
Diagrame de stare.
Într-un sistem termodinamic, fiecare fază este caracterizată de parametri precum temperatura T, concentrare cu si presiune R. Pentru a descrie transformările de fază, se folosește o singură caracteristică energetică - energia liberă Gibbs ΔG(potenţial termodinamic).
Termodinamica în descrierea transformărilor se limitează la luarea în considerare a stării de echilibru. stare de echilibru Sistemul termodinamic se caracterizează prin invarianța parametrilor termodinamici (temperatura și concentrația, ca în procesarea tehnologică). R= const) în timp și absența fluxurilor de energie și materie în el - cu constanța condițiilor externe. Echilibrul de faze- starea de echilibru a unui sistem termodinamic format din două sau mai multe faze.
Pentru descrierea matematică a condițiilor de echilibru ale sistemului, există regula fazei dat de Gibbs. Ea conectează numărul de faze (F) și componente (K) dintr-un sistem de echilibru cu varianța sistemului, adică numărul de grade termodinamice de libertate (C).
Numărul de grade termodinamice de libertate (varianță) unui sistem este numărul de variabile independente, atât interne (compoziția chimică a fazelor), cât și externe (temperatura), cărora li se pot da diverse valori arbitrare (într-un anumit interval), astfel încât ca nu apar faze noi si nu dispar faze vechi .
Ecuația regulii fazei Gibbs:
C \u003d K - F + 1.
În conformitate cu această regulă, într-un sistem de două componente (K = 2), sunt posibile următoarele grade de libertate:
Pentru o stare monofazată (F = 1) C = 2, adică puteți modifica temperatura și concentrația;
Pentru o stare în două faze (F = 2) C = 1, adică puteți modifica doar un parametru extern (de exemplu, temperatura);
Pentru o stare trifazată, numărul de grade de libertate este zero, adică este imposibil să se schimbe temperatura fără a perturba echilibrul în sistem (sistemul este invariant).
De exemplu, pentru un metal pur (K = 1) în timpul cristalizării, când există două faze (F = 2), numărul de grade de libertate este zero. Aceasta înseamnă că temperatura de cristalizare nu poate fi modificată până când procesul se încheie și rămâne o fază - un cristal solid. După sfârșitul cristalizării (F = 1), numărul de grade de libertate este 1, deci puteți modifica temperatura, adică să răciți solidul fără a perturba echilibrul.
Comportarea sistemelor în funcție de temperatură și concentrație este descrisă printr-o diagramă de stare. Diagrama de stare a apei este un sistem cu o componentă H 2 O, deci cel mai mare număr de faze care pot fi simultan în echilibru este de trei (Fig. 10). Aceste trei faze sunt lichid, gheață, abur. Numărul de grade de libertate în acest caz este egal cu zero, adică. este imposibil să schimbi nici presiunea, nici temperatura astfel încât niciuna dintre faze să nu dispară. Gheața obișnuită, apa lichidă și vaporii de apă pot exista în echilibru simultan numai la o presiune de 0,61 kPa și o temperatură de 0,0075°C. Punctul în care coexistă cele trei faze se numește punct triplu ( O).
Curba OS separă regiunile de vapori și lichid și reprezintă dependența presiunii vaporilor de apă saturați de temperatură. Curba OC arată acele valori interdependente ale temperaturii și presiunii la care apa lichidă și vaporii de apă sunt în echilibru între ele, de aceea se numește curba de echilibru lichid-vapori sau curba de fierbere.
Fig 10 Diagrama stării apei
Curba OV separă regiunea lichidă de regiunea gheții. Este o curbă de echilibru solid-lichid și se numește curbă de topire. Această curbă arată acele perechi interdependente de temperaturi și presiuni la care gheața și apa lichidă sunt în echilibru.
Curba OA se numește curba de sublimare și arată perechile interconectate de valori de presiune și temperatură la care gheața și vaporii de apă sunt în echilibru.
O diagramă de stare este o modalitate vizuală de a reprezenta regiunile de existență a diferitelor faze în funcție de condițiile externe, cum ar fi presiunea și temperatura. Diagramele de stare sunt utilizate în mod activ în știința materialelor în diferite etape tehnologice ale obținerii unui produs.
Un lichid se deosebește de un corp cristalin solid prin valori scăzute ale vâscozității (frecarea internă a moleculelor) și valori mari ale fluidității (reciprocul vâscozității). Un lichid este format din multe agregate de molecule, în interiorul cărora particulele sunt dispuse într-o anumită ordine, similară cu ordinea cristalelor. Natura unităților structurale și interacțiunea dintre particule determină proprietățile lichidului. Există lichide: monoatomice (gaze nobile lichefiate), moleculare (apă), ionice (săruri topite), metalice (metale topite), semiconductori lichidi. În cele mai multe cazuri, un lichid nu este doar o stare de agregare, ci și o fază termodinamică (lichid).
Substanțele lichide sunt cel mai adesea soluții. Soluţie omogenă, dar nu o substanță pură din punct de vedere chimic, constă dintr-o substanță dizolvată și un solvent (exemplele de solvent sunt apa sau solvenții organici: dicloroetanul, alcoolul, tetraclorura de carbon etc.), prin urmare este un amestec de substanțe. Un exemplu este o soluție de alcool în apă. Cu toate acestea, soluțiile sunt și amestecuri de substanțe gazoase (de exemplu, aer) sau solide (aliaje metalice).
La răcire în condiții de o rată scăzută de formare a centrelor de cristalizare și o creștere puternică a vâscozității, poate apărea o stare sticloasă. Sticlele sunt materiale izotrope solide obținute prin suprarăcirea compușilor anorganici și organici topiți.
Sunt cunoscute multe substanțe a căror tranziție de la o stare cristalină la un lichid izotrop are loc printr-o stare intermediară de cristal lichid. Este caracteristică substanțelor ale căror molecule sunt sub formă de tije lungi (tije) cu structură asimetrică. Astfel de tranziții de fază, însoțite de efecte termice, provoacă o schimbare bruscă a proprietăților mecanice, optice, dielectrice și alte proprietăți.
cristale lichide, ca un lichid, poate lua forma unei picături alungite sau forma unui vas, are o fluiditate ridicată și sunt capabile să fuzioneze. Sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii ale științei și tehnologiei. Proprietățile lor optice depind în mare măsură de mici modificări ale condițiilor externe. Această caracteristică este utilizată în dispozitivele electro-optice. În special, cristalele lichide sunt folosite la fabricarea de ceasuri electronice, echipamente vizuale etc.
Printre principalele stări de agregare se numără plasmă- gaz parțial sau total ionizat. După metoda de formare, se disting două tipuri de plasmă: termică, care apare atunci când un gaz este încălzit la temperaturi ridicate, și gazoasă, care se formează în timpul descărcărilor electrice într-un mediu gazos.
Procesele plasma-chimice au ocupat un loc ferm într-o serie de ramuri ale tehnologiei. Sunt folosite pentru tăierea și sudarea metalelor refractare, pentru sinteza diferitelor substanțe, folosesc pe scară largă surse de lumină cu plasmă, utilizarea plasmei în centralele termonucleare este promițătoare etc.
În practica de zi cu zi, nu trebuie să se ocupe separat de atomi, molecule și ioni individuali, ci de substanțe reale - un agregat al unui număr mare de particule. În funcție de natura interacțiunii lor, se disting patru tipuri de stare agregată: solidă, lichidă, gazoasă și plasmă. O substanță se poate transforma de la o stare de agregare la alta ca urmare a unei tranziții de fază corespunzătoare.
Prezența unei substanțe într-o anumită stare de agregare se datorează forțelor care acționează între particule, distanței dintre ele și caracteristicilor mișcării lor. Fiecare stare de agregare este caracterizată de un set de anumite proprietăți.
Proprietățile substanțelor în funcție de starea de agregare:
| condiție | proprietate |
| gazos |
|
| lichid |
|
| solid |
|
În conformitate cu gradul de ordine din sistem, fiecare stare de agregare este caracterizată de propriul raport între energiile cinetice și potențiale ale particulelor. La solide, potențialul predomină asupra cineticii, deoarece particulele ocupă anumite poziții și doar oscilează în jurul lor. Pentru gaze, există o relație inversă între energiile potențiale și cinetice, ca urmare a faptului că moleculele de gaz se mișcă întotdeauna aleatoriu și aproape că nu există forțe de coeziune între ele, astfel încât gazul ocupă întregul volum. În cazul lichidelor, energiile cinetice și potențiale ale particulelor sunt aproximativ aceleași, între particule acționează o legătură nerigidă, prin urmare fluiditatea și un volum constant sunt inerente lichidelor.
Atunci când particulele unei substanțe formează o structură geometrică regulată, iar energia legăturilor dintre ele este mai mare decât energia vibrațiilor termice, ceea ce împiedică distrugerea structurii existente, înseamnă că substanța este în stare solidă. Dar pornind de la o anumită temperatură, energia vibrațiilor termice depășește energia legăturilor dintre particule. În acest caz, particulele, deși rămân în contact, se mișcă unele față de altele. Ca urmare, structura geometrică este ruptă și substanța trece în stare lichidă. Dacă fluctuațiile termice cresc atât de mult încât legătura dintre particule se pierde practic, substanța capătă o stare gazoasă. Într-un gaz „ideal”, particulele se mișcă liber în toate direcțiile.
Când temperatura crește, substanța trece de la o stare ordonată (solidă) la o stare dezordonată (gazoasă); starea lichidă este intermediară în ceea ce privește ordonarea particulelor.
A patra stare de agregare se numește plasmă - un gaz format dintr-un amestec de particule neutre și ionizate și electroni. Plasma se formează la temperaturi ultraînalte (10 5 -10 7 0 C) datorită energiei semnificative de coliziune a particulelor care au dereglarea maximă a mișcării. O caracteristică obligatorie a plasmei, precum și a altor stări ale materiei, este neutralitatea sa electrică. Dar, ca urmare a mișcării dezordonate a particulelor din plasmă, pot apărea microzone încărcate separate, datorită cărora devine o sursă de radiație electromagnetică. În starea de plasmă, există materie pe, stele, alte obiecte spațiale, precum și în procesele termonucleare.
Fiecare stare de agregare este determinată în primul rând de intervalul de temperaturi și presiuni, prin urmare, pentru o caracteristică cantitativă vizuală, se utilizează o diagramă de fază a unei substanțe, care arată dependența stării de agregare de presiune și temperatură.
Diagrama stării materiei cu curbe de tranziție de fază: 1 - topire-cristalizare, 2 - fierbere-condensare, 3 - sublimare-desublimare
Diagrama de stare constă din trei zone principale, care corespund stărilor cristalină, lichidă și gazoasă. Regiunile individuale sunt separate prin curbe care reflectă tranzițiile de fază:
- solid la lichid și invers, lichid la solid (curba de topire-cristalizare - grafic punctat verde)
- lichid în gaz și conversie inversă a gazului în lichid (curba de fierbere-condensare - grafic albastru)
- solid la gazos și gazos la solid (curba sublimare-desublimare - grafic roșu).
Coordonatele intersecției acestor curbe sunt numite punct triplu, în care, în condițiile unei anumite presiuni P \u003d P in și o anumită temperatură T \u003d T in, o substanță poate coexista în trei stări de agregare simultan, iar starea lichidă și solidă au aceeași presiune de vapori. Coordonatele Pv și Tv sunt singurele valori ale presiunii și temperaturii la care toate cele trei faze pot coexista simultan.
Punctul K de pe diagrama de fază a stării corespunde temperaturii T k - așa-numita temperatură critică, la care energia cinetică a particulelor depășește energia interacțiunii lor și, prin urmare, linia de separare dintre fazele lichide și gazoase. este ștearsă, iar substanța există în stare gazoasă la orice presiune.
Din analiza diagramei de fază rezultă că la o presiune mare mai mare decât în punctul triplu (P c), încălzirea unui solid se termină cu topirea lui, de exemplu, la P 1, topirea are loc în punctul d. O creștere suplimentară a temperaturii de la T d la T e duce la fierberea substanței la o presiune dată P 1 . La o presiune Р 2 mai mică decât presiunea în punctul triplu Р в, încălzirea substanței duce la trecerea acesteia direct de la starea cristalină la starea gazoasă (punctul q), adică la sublimare. Pentru majoritatea substanțelor, presiunea în punctul triplu este mai mică decât presiunea vaporilor de saturație (P in
P abur saturat, prin urmare, atunci când cristalele unor astfel de substanțe sunt încălzite, ele nu se topesc, ci se evaporă, adică sunt supuse sublimării. De exemplu, cristalele de iod sau „gheața uscată” (CO 2 solid) se comportă astfel.
Analiza diagramei de stat stare gazoasă
În condiții normale (273 K, 101325 Pa), atât substanțe simple, ale căror molecule sunt formate dintr-unul (He, Ne, Ar) sau mai mulți atomi simpli (H 2, N 2, O 2), cât și substanțe complexe cu un masa molară (CH4, HCI, C2H6).
Deoarece energia cinetică a particulelor de gaz depășește energia lor potențială, moleculele în stare gazoasă se mișcă în mod constant aleatoriu. Datorită distanțelor mari dintre particule, forțele interacțiunii intermoleculare în gaze sunt atât de mici încât nu sunt suficiente pentru a atrage particulele unele la altele și a le menține împreună. Din acest motiv, gazele nu au formă proprie și se caracterizează prin densitate scăzută și capacitate mare de comprimare și dilatare. Prin urmare, gazul apasă constant pe pereții vasului în care se află, în mod egal în toate direcțiile.
Pentru a studia relația dintre cei mai importanți parametri ai gazului (presiunea P, temperatura T, cantitatea de substanță n, masa molară M, masa m), se utilizează cel mai simplu model al stării gazoase a materiei - gaz ideal, care se bazează pe următoarele ipoteze:
- interacțiunea dintre particulele de gaz poate fi neglijată;
- particulele în sine sunt puncte materiale care nu au propria lor dimensiune.
Cea mai generală ecuație care descrie modelul de gaz ideal este considerată a fi ecuațiile Mendeleev-Clapeyron pentru un mol dintr-o substanță:
Totuși, comportamentul unui gaz real diferă, de regulă, de cel ideal. Acest lucru se explică, în primul rând, prin faptul că între moleculele unui gaz real există încă forțe nesemnificative de atracție reciprocă care comprimă într-o anumită măsură gazul. Având în vedere acest lucru, presiunea totală a gazului crește cu valoare A/v2, care ține cont de presiunea internă suplimentară datorată atracției reciproce a moleculelor. Ca rezultat, presiunea totală a gazului este exprimată prin sumă P+ A/v2. În al doilea rând, moleculele unui gaz real au, deși un volum mic, dar destul de definit b , deci volumul real al tuturor gazelor din spațiu este V- b . Când înlocuim valorile considerate în ecuația Mendeleev-Clapeyron, obținem ecuația de stare a unui gaz real, care se numește ecuația van der Waals:
Unde A și b sunt coeficienți empirici care sunt determinați în practică pentru fiecare gaz real. Se stabileşte că coeficientul A are o valoare mare pentru gazele care sunt ușor lichefiate (de exemplu, CO2, NH3), iar coeficientul b - dimpotrivă, cu cât sunt mai mari, cu atât sunt mai mari moleculele de gaz (de exemplu, hidrocarburile gazoase).
Ecuația van der Waals descrie comportamentul unui gaz real mult mai precis decât ecuația Mendeleev-Clapeyron, care, totuși, este utilizată pe scară largă în calculele practice datorită semnificației sale fizice clare. Deși starea ideală a unui gaz este un caz limitativ, imaginar, simplitatea legilor care îi corespund, posibilitatea aplicării lor pentru a descrie proprietățile multor gaze la presiuni scăzute și la temperaturi ridicate, face ca modelul de gaz ideal să fie foarte convenabil. .
Starea lichidă a materiei
Starea lichidă a oricărei substanțe particulare este stabilă termodinamic într-un anumit interval de temperaturi și presiuni caracteristice naturii (compoziției) substanței. Limita superioară de temperatură a stării lichide este punctul de fierbere peste care o substanță în condiții de presiune stabilă se află în stare gazoasă. Limita inferioară a stării stabile a existenței unui lichid este temperatura de cristalizare (solidificare). Temperaturile de fierbere și de cristalizare măsurate la o presiune de 101,3 kPa se numesc normale.
Pentru lichidele obișnuite, izotropia este inerentă - uniformitatea proprietăților fizice în toate direcțiile din interiorul substanței. Uneori se folosesc și alți termeni pentru izotropie: invarianță, simetrie față de alegerea direcției.
În formarea opiniilor asupra naturii stării lichide, conceptul de stare critică, care a fost descoperit de Mendeleev (1860), este de mare importanță:
O stare critică este o stare de echilibru în care limita de separare dintre un lichid și vaporii acestuia dispare, deoarece lichidul și vaporii săi saturati dobândesc aceleași proprietăți fizice.
În stare critică, valorile atât ale densităților, cât și ale volumelor specifice ale lichidului și ale vaporilor saturați devin aceleași.
Starea lichidă a materiei este intermediară între gazos și solid. Unele proprietăți aduc starea lichidă mai aproape de solid. Dacă solidele sunt caracterizate printr-o ordonare rigidă a particulelor, care se întinde pe o distanță de sute de mii de raze interatomice sau intermoleculare, atunci în stare lichidă, de regulă, nu se observă mai mult de câteva zeci de particule ordonate. Acest lucru se explică prin faptul că ordinea între particulele în diferite locuri ale unei substanțe lichide apare rapid și este la fel de rapid „încețoșată” din nou de vibrațiile termice ale particulelor. În același timp, densitatea globală a „ambalajului” particulelor diferă puțin de cea a unui solid, astfel încât densitatea lichidelor nu diferă mult de densitatea majorității solidelor. În plus, capacitatea lichidelor de a se comprima este aproape la fel de mică ca în cazul solidelor (de aproximativ 20.000 de ori mai mică decât cea a gazelor).
Analiza structurală a confirmat că așa-numita comanda pe raza scurta, ceea ce înseamnă că numărul de „vecini” cei mai apropiați ai fiecărei molecule și aranjarea lor reciprocă sunt aproximativ aceleași pe tot volumul.
Se numește un număr relativ mic de particule de compoziție diferită, conectate prin forțe de interacțiune intermoleculară cluster . Dacă toate particulele dintr-un lichid sunt aceleași, atunci se numește un astfel de grup asociat . În grupuri și asociați se observă ordinea pe distanță scurtă.
Gradul de ordine în diferite lichide depinde de temperatură. La temperaturi scăzute puțin peste punctul de topire, gradul de ordine în plasarea particulelor este foarte ridicat. Pe măsură ce temperatura crește, aceasta scade și, pe măsură ce temperatura crește, proprietățile lichidului se apropie din ce în ce mai mult de proprietățile gazelor, iar când se atinge temperatura critică, diferența dintre starea lichidă și cea gazoasă dispare.
Apropierea stării lichide de starea solidă este confirmată de valorile entalpiilor standard de vaporizare DH 0 de evaporare și de topire DH 0 de topire. Reamintim că valoarea evaporării DH 0 arată cantitatea de căldură necesară pentru a transforma 1 mol de lichid în vapori la 101,3 kPa; aceeași cantitate de căldură este cheltuită pentru condensarea a 1 mol de vapori într-un lichid în aceleași condiții (adică evaporare DH 0 = condensare DH 0). Cantitatea de căldură necesară pentru a transforma 1 mol dintr-un solid într-un lichid la 101,3 kPa se numește entalpie standard de fuziune; aceeași cantitate de căldură este eliberată în timpul cristalizării a 1 mol de lichid în condiții normale de presiune (topire DH 0 = cristalizare DH 0). Se știe că evaporarea DH 0<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.
Cu toate acestea, alte proprietăți importante ale lichidelor seamănă mai mult cu cele ale gazelor. Deci, ca și gazele, lichidele pot curge - această proprietate se numește fluiditate . Ele pot rezista curgerii, adică sunt inerente viscozitate . Aceste proprietăți sunt influențate de forțele atractive dintre molecule, greutatea moleculară a substanței lichide și alți factori. Vâscozitatea lichidelor este de aproximativ 100 de ori mai mare decât cea a gazelor. La fel ca și gazele, lichidele pot difuza, dar într-un ritm mult mai lent, deoarece particulele lichide sunt împachetate mai dens decât particulele de gaz.
Una dintre cele mai interesante proprietăți ale stării lichide, care nu este caracteristică nici gazelor, nici solidelor, este tensiune de suprafata .
Diagrama tensiunii superficiale a unui lichid O moleculă situată într-un volum lichid este acționată uniform asupra forțelor intermoleculare din toate părțile. Cu toate acestea, la suprafața lichidului, echilibrul acestor forțe este perturbat, drept urmare moleculele de suprafață sunt sub acțiunea unei forțe rezultante, care este direcționată în interiorul lichidului. Din acest motiv, suprafața lichidului este în stare de tensiune. Tensiunea superficială este forța minimă care menține particulele unui lichid în interior și, prin urmare, împiedică contractarea suprafeței lichidului.
Structura și proprietățile solidelor
Majoritatea substanțelor cunoscute, atât naturale, cât și artificiale, sunt în stare solidă în condiții normale. Dintre toți compușii cunoscuți astăzi, aproximativ 95% sunt solide, care au devenit importanți, deoarece sunt baza nu numai a materialelor structurale, ci și funcționale.
- Materialele structurale sunt solide sau compozițiile lor care sunt folosite pentru a face unelte, articole de uz casnic și diverse alte structuri.
- Materialele funcționale sunt solide, a căror utilizare se datorează prezenței anumitor proprietăți utile în ele.
De exemplu, oțelul, aluminiul, betonul, ceramica aparțin materialelor structurale, iar semiconductorii, fosforii aparțin celor funcționali.
În stare solidă, distanțele dintre particulele de materie sunt mici și au același ordin de mărime ca și particulele în sine. Energiile de interacțiune dintre ele sunt suficient de mari, ceea ce împiedică mișcarea liberă a particulelor - ele pot oscila doar în jurul anumitor poziții de echilibru, de exemplu, în jurul nodurilor rețelei cristaline. Incapacitatea particulelor de a se mișca liber duce la una dintre cele mai caracteristice trăsături ale solidelor - prezența propriei forme și volum. Capacitatea de a comprima solide este foarte mică, iar densitatea este mare și depinde puțin de schimbările de temperatură. Toate procesele care au loc în materia solidă au loc lent. Legile stoichiometriei pentru solide au un sens diferit și, de regulă, mai larg decât pentru substanțele gazoase și lichide.
Descrierea detaliată a solidelor este prea voluminoasă pentru acest material și, prin urmare, este acoperită în articole separate: și.
Definiție
Stări agregate ale materiei (din latinescul aggrego - atașați, conectați) - acestea sunt stările aceleiași substanțe - solid, lichid, gazos.
În timpul tranziției de la o stare la alta, are loc o schimbare bruscă a energiei, entropiei, densității și a altor caracteristici ale materiei.
Corpuri solide și lichide
Definiție
Corpurile solide sunt corpuri care se disting prin constanța formei și a volumului.
La acestea, distantele intermoleculare sunt mici si energia potentiala a moleculelor este comparabila cu cea cinetica. Solidele sunt împărțite în două tipuri: cristaline și amorfe. Doar corpurile cristaline sunt în stare de echilibru termodinamic. Corpurile amorfe, de fapt, reprezintă stări metastabile, care în structura lor se apropie de neechilibru, lichidele cristalizând încet. Într-un corp amorf are loc un proces foarte lent de cristalizare, procesul de trecere treptată a unei substanțe într-o fază cristalină. Diferența dintre un cristal și un solid amorf constă în primul rând în anizotropia proprietăților sale. Proprietățile unui corp cristalin depind de direcția în spațiu. Diverse tipuri de procese, cum ar fi conductivitatea termică, conductibilitatea electrică, lumina, sunetul, se propagă în diferite direcții ale unui corp solid în moduri diferite. Corpurile amorfe (sticlă, rășini, materiale plastice) sunt izotopice, ca și lichidele. Singura diferență dintre corpurile amorfe și lichide este că acestea din urmă sunt fluide, deformațiile statice prin forfecare sunt imposibile în ele.
Corpurile cristaline au structura moleculară corectă. Anizotropia proprietăților sale se datorează structurii corecte a cristalului. Aranjarea corectă a atomilor unui cristal formează așa-numita rețea cristalină. În direcții diferite, aranjarea atomilor în rețea este diferită, ceea ce duce la anizotropie. Atomii (sau ionii, sau moleculele întregi) din rețeaua cristalină efectuează mișcări oscilatorii aleatoare în jurul pozițiilor de mijloc, care sunt considerate noduri ale rețelei cristaline. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât energia oscilațiilor este mai mare și, prin urmare, amplitudinea medie a oscilațiilor. Mărimea cristalului depinde de amplitudinea oscilațiilor. O creștere a amplitudinii oscilațiilor duce la o creștere a dimensiunii corpului. Aceasta explică expansiunea termică a solidelor.
Definiție
Corpurile lichide sunt corpuri care au un anumit volum, dar nu au elasticitate de formă.
Lichidele se caracterizează printr-o interacțiune intermoleculară puternică și o compresibilitate scăzută. Un lichid ocupă o poziție intermediară între un solid și un gaz. Lichidele, ca și gazele, sunt izotopice. În plus, lichidul are fluiditate. În ea, ca și în gaze, nu există solicitări tangenţiale (tensiuni de forfecare) ale corpurilor. Lichidele sunt grele, de ex. greutatea lor specifică este comparabilă cu greutatea specifică a solidelor. În apropierea temperaturilor de cristalizare, capacitățile lor termice și alte caracteristici termice sunt apropiate de cele ale solidelor. În lichide, într-o anumită măsură, se observă dispunerea corectă a atomilor, dar numai pe suprafețe mici. Aici atomii oscilează și în apropierea nodurilor celulei cvasicristaline, dar spre deosebire de atomii unui corp solid, ei sar din când în când de la un nod la altul. Ca urmare, mișcarea atomilor va fi foarte complexă: este oscilativă, dar în același timp centrul vibrațiilor se mișcă în spațiu.
Gaz, evaporare, condensare și topire
Definiție
Un gaz este o stare a materiei în care distanțele dintre molecule sunt mari.
Forțele de interacțiune dintre molecule la presiuni scăzute pot fi neglijate. Particulele de gaz umplu întregul volum care este furnizat gazului. Gazele pot fi considerate vapori foarte supraîncălziți sau nesaturați. Plasma este un tip special de gaz - este un gaz parțial sau complet ionizat, în care densitatea sarcinilor pozitive și negative este aproape aceeași. Plasma este un gaz de particule încărcate care interacționează între ele folosind forțe electrice la o distanță mare, dar nu au particule apropiate și îndepărtate.
Substanțele se pot schimba de la o stare de agregare la alta.
Definiție
Evaporarea este procesul de modificare a stării de agregare a unei substanțe, în care moleculele zboară de pe suprafața unui lichid sau solid, a cărui energie cinetică depășește energia potențială a interacțiunii moleculelor.
Evaporarea este o tranziție de fază. În timpul evaporării, o parte din lichid sau solid trece în vapori. O substanță în stare gazoasă care se află în echilibru dinamic cu un lichid se numește vapori saturati. În acest caz, modificarea energiei interne a corpului:
\[\triunghi \ U=\pm mr\ \left(1\right),\]
unde m este greutatea corporală, r este căldura specifică de vaporizare (J/kg).
Definiție
Condensarea este procesul invers de vaporizare.
Calculul modificării energiei interne se efectuează conform formulei (1).
Definiție
Topirea este procesul de trecere a unei substanțe de la starea solidă la starea lichidă, procesul de schimbare a stării de agregare a unei substanțe.
Când o substanță este încălzită, energia sa internă crește, prin urmare, viteza de mișcare termică a moleculelor crește. În cazul în care se atinge punctul de topire al substanței, rețeaua cristalină a solidului începe să se descompună. Legăturile dintre particule sunt distruse, energia de interacțiune între particule crește. Căldura transferată corpului crește energia internă a acestui corp, iar o parte din energie merge la lucru pentru a schimba volumul corpului atunci când acesta se topește. Pentru majoritatea corpurilor cristaline, volumul crește la topire, dar există excepții, de exemplu, gheață, fontă. Corpurile amorfe nu au un punct de topire specific. Topirea este o tranziție de fază, care este însoțită de o schimbare bruscă a capacității termice la temperatura de topire. Punctul de topire depinde de substanță și nu se modifică în timpul procesului. În acest caz, modificarea energiei interne a corpului:
\[\triunghi U=\pm m\lambda \left(2\right),\]
unde $\lambda $ este căldura specifică de fuziune (J/kg).
Procesul invers de topire este cristalizarea. Calculul modificării energiei interne se efectuează conform formulei (2).
Modificarea energiei interne a fiecărui corp al sistemului în cazul încălzirii sau răcirii poate fi calculată prin formula:
\[\triunghi U=mc\triunghi T\stanga(3\dreapta),\]
unde c este căldura specifică a substanței, J/(kgK), $\triunghi T$ este modificarea temperaturii corpului.
Când se studiază tranzițiile substanțelor de la o stare de agregare la alta, este imposibil să se facă fără așa-numita ecuație de echilibru termic, care spune: cantitatea totală de căldură care este eliberată într-un sistem izolat termic este egală cu cantitatea de căldura (totală) care este absorbită în acest sistem.
În sensul său, ecuația de echilibru termic este legea conservării energiei pentru procesele de transfer de căldură în sistemele izolate termic.
Exemplul 1
Sarcina: Există apă și gheață într-un vas termoizolat la o temperatură $t_i= 0^oС$. Masele de apă ($m_(v\ ))$ și de gheață ($m_(i\ ))$ sunt de 0,5 kg și respectiv 60 g. Vaporii de apă cu masa $m_(p\ )=$10 g sunt lăsați în apă. la temperatura $t_p= 100^oС$. Care va fi temperatura apei din vas după stabilirea echilibrului termic? Capacitatea termică a vasului este ignorată.
Soluție: Să stabilim ce procese au loc în sistem, ce stări agregate ale materiei am avut și ce am primit.
Vaporii de apă se condensează, degajând căldură.
Această căldură este folosită pentru a topi gheața și, eventual, pentru a încălzi apa disponibilă și obținută din gheață.
Să verificăm mai întâi cât de multă căldură este eliberată în timpul condensării masei disponibile de abur:
aici, din materiale de referinta, avem $r=2.26 10^6\frac(J)(kg)$ - caldura specifica de vaporizare (aplicabila si la condensare).
Căldura necesară pentru a topi gheața:
aici din materiale de referinta avem $\lambda =3.3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - caldura specifica de topire a ghetii.
Obținem că aburul degajă mai multă căldură decât este necesar, doar pentru a topi gheața existentă, prin urmare, scriem ecuația de echilibru termic sub forma:
Căldura este eliberată în timpul condensării aburului cu masa $m_(p\ )$ și răcirii apei, care se formează din abur de la temperatura $T_p$ la T dorit. Căldura este absorbită în timpul topirii gheții cu masa $m_(i\). )$ și încălzirea apei cu masa $m_v+ m_i$ de la temperatura $T_i$ la $T.\ $ Notă $T-T_i=\triunghi T$, pentru diferența $T_p-T$ obținem:
Ecuația bilanţului termic va lua forma:
\ \ \[\triunghi T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\left(m_v+m_i+m_(p\ )\right))\left (1.6\dreapta)\]
Vom efectua calcule, ținând cont de faptul că capacitatea termică a apei este tabelară $c=4.2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273K$:
$\triunghi T=\frac(2,26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4,2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2)\cdot 3,3\cdot 10^5)(4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^(-1))\aprox 3\left(K\right)$apoi T=273+3=276 (K)
Răspuns: Temperatura apei din vas după stabilirea echilibrului termic va fi egală cu 276 K.
Exemplul 2
Sarcină: Figura arată secțiunea izotermei corespunzătoare trecerii unei substanțe de la o stare cristalină la una lichidă. Ce corespunde acestei secțiuni din diagrama p,T?
Întregul set de stări descrise pe diagrama p, V printr-un segment de linie dreaptă orizontală pe diagrama p, T este reprezentat de un punct care determină valorile lui p și T, la care trecerea de la o stare de agregare la are loc altul.
Cunoașterea cea mai răspândită este despre trei stări de agregare: lichid, solid, gazos, uneori se gândesc la plasmă, mai rar la cristal lichid. Recent, pe internet s-a răspândit o listă cu 17 faze ale materiei, preluată de la celebrul () Stephen Fry. Prin urmare, vom vorbi despre ele mai detaliat, deoarece. ar trebui să cunoaștem puțin mai multe despre materie, fie și doar pentru a înțelege mai bine procesele care au loc în Univers.
Lista stărilor agregate ale materiei prezentată mai jos crește de la cele mai reci la cele mai fierbinți și așa mai departe. poate fi continuat. În același timp, trebuie înțeles că din starea gazoasă (nr. 11), cea mai „extinsă”, pe ambele părți ale listei, gradul de comprimare a substanței și presiunea acesteia (cu unele rezerve pentru astfel de neexplorate). stări ipotetice ca cuantice, raze sau slab simetrice) cresc.După text este dat un grafic vizual al tranzițiilor de fază ale materiei.
1. Cuantică- starea de agregare a materiei, realizată atunci când temperatura scade la zero absolut, în urma căreia legăturile interne dispar și materia se prăbușește în quarci liberi.
2. Condens Bose-Einstein- starea agregată a materiei, care se bazează pe bosoni răciți la temperaturi apropiate de zero absolut (mai puțin de o milioneme de grad peste zero absolut). Într-o stare atât de puternic răcită, un număr suficient de mare de atomi se află în stările lor cuantice minime posibile, iar efectele cuantice încep să se manifeste la nivel macroscopic. Condensul Bose-Einstein (denumit adesea „condens Bose”, sau pur și simplu „înapoi”) apare atunci când răciți un element chimic la temperaturi extrem de scăzute (de obicei, chiar peste zero absolut, minus 273 grade Celsius). , este temperatura teoretică la pe care totul se oprește în mișcare).
Aici încep să se întâmple lucruri ciudate. Procesele observabile în mod normal doar la nivel atomic apar acum la scari suficient de mari pentru a fi observate cu ochiul liber. De exemplu, dacă puneți un „spate” într-un pahar și furnizați temperatura dorită, substanța va începe să se târască pe perete și în cele din urmă va ieși singură.
Aparent, aici avem de-a face cu o încercare zadarnică a materiei de a-și coborî propria energie (care este deja la cel mai de jos nivel posibil).
Încetinirea atomilor folosind echipamente de răcire produce o stare cuantică singulară cunoscută sub numele de condensat Bose sau Bose-Einstein. Acest fenomen a fost prezis în 1925 de A. Einstein, ca urmare a unei generalizări a lucrării lui S. Bose, unde mecanica statistică a fost construită pentru particule, variind de la fotoni fără masă până la atomi cu masă (manuscrisul lui Einstein, care era considerat pierdut, a fost găsit în biblioteca Universității din Leiden în 2005). Rezultatul eforturilor lui Bose și Einstein a fost conceptul Bose al unui gaz care se supune statisticilor Bose-Einstein, care descrie distribuția statistică a particulelor identice cu spin întreg, numite bosoni. Bosonii, care sunt, de exemplu, atât particule elementare individuale - fotoni, cât și atomi întregi, pot fi unul cu altul în aceleași stări cuantice. Einstein a sugerat că răcirea atomilor - bozoni la temperaturi foarte scăzute, i-ar determina să treacă (sau, cu alte cuvinte, să se condenseze) în cea mai scăzută stare cuantică posibilă. Rezultatul unei astfel de condens va fi apariția unei noi forme de materie.
Această tranziție are loc sub temperatura critică, care este pentru un gaz tridimensional omogen format din particule care nu interacționează fără grade interne de libertate.
3. Condens ferionic- starea de agregare a unei substanțe, asemănătoare suportului, dar diferită ca structură. Când se apropie de zero absolut, atomii se comportă diferit în funcție de mărimea propriului moment unghiular (spin). Bosonii au spini întregi, în timp ce fermionii au spini care sunt multipli de 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Fermionii se supun principiului de excludere Pauli, care afirmă că doi fermioni nu pot avea aceeași stare cuantică. Pentru bosoni, nu există o astfel de interdicție și, prin urmare, au posibilitatea de a exista într-o stare cuantică și, prin urmare, să formeze așa-numitul condensat Bose-Einstein. Procesul de formare a acestui condensat este responsabil pentru trecerea la starea supraconductoare.
Electronii au spin 1/2 și, prin urmare, sunt fermioni. Se combină în perechi (așa-numitele perechi Cooper), care formează apoi un condensat Bose.
Oamenii de știință americani au încercat să obțină un fel de moleculă din atomii de fermion prin răcire profundă. Diferența față de moleculele reale a fost că nu a existat nicio legătură chimică între atomi - doar s-au mișcat împreună într-o manieră corelată. Legătura dintre atomi s-a dovedit a fi chiar mai puternică decât între electroni din perechile Cooper. Pentru perechile de fermioni formate, spinul total nu mai este multiplu de 1/2, prin urmare, aceștia se comportă deja ca bosoni și pot forma un condensat Bose cu o singură stare cuantică. În timpul experimentului, un gaz de 40 de atomi de potasiu a fost răcit la 300 de nanokelvin, în timp ce gazul a fost închis într-o așa-numită capcană optică. Apoi s-a aplicat un câmp magnetic extern, cu ajutorul căruia a fost posibilă schimbarea naturii interacțiunilor dintre atomi - în loc de repulsie puternică, a început să se observe o atracție puternică. La analizarea influenței câmpului magnetic, a fost posibil să se găsească o astfel de valoare la care atomii au început să se comporte ca perechile de electroni Cooper. În următoarea etapă a experimentului, oamenii de știință își propun să se obțină efectele supraconductivității pentru condensatul fermionic.
4. Materie superfluida- o stare în care substanța nu are practic vâscozitate și, atunci când curge, nu experimentează frecare cu o suprafață solidă. Consecința acestui lucru este, de exemplu, un efect atât de interesant, cum ar fi „ieșirea” completă spontană a heliului superfluid din vas de-a lungul pereților săi împotriva gravitației. Desigur, aici nu există nicio încălcare a legii conservării energiei. În absența forțelor de frecare, asupra heliului acționează doar forțele gravitaționale, forțe de interacțiune interatomică între heliu și pereții vasului și între atomii de heliu. Deci, forțele interacțiunii interatomice depășesc toate celelalte forțe combinate. Ca urmare, heliul tinde să se răspândească cât mai mult posibil pe toate suprafețele posibile și, prin urmare, „călătorește” de-a lungul pereților vasului. În 1938, omul de știință sovietic Pyotr Kapitsa a demonstrat că heliul poate exista în stare superfluid.
Este de remarcat faptul că multe dintre proprietățile neobișnuite ale heliului sunt cunoscute de ceva timp. Cu toate acestea, în ultimii ani, acest element chimic ne-a „răsfațat” cu efecte interesante și neașteptate. Așadar, în 2004, Moses Chan și Eun-Syong Kim de la Universitatea din Pennsylvania au intrigat lumea științifică susținând că au reușit să obțină o stare complet nouă de heliu - un solid superfluid. În această stare, unii atomi de heliu din rețeaua cristalină pot curge în jurul altora, iar heliul poate curge astfel prin el însuși. Efectul „superdurității” a fost prezis teoretic încă din 1969. Și în 2004 - ca și cum ar fi confirmarea experimentală. Cu toate acestea, experimentele ulterioare și foarte curioase au arătat că totul nu este atât de simplu și poate că o astfel de interpretare a fenomenului, care a fost luată anterior pentru superfluiditatea heliului solid, este incorectă.
Experimentul oamenilor de știință condus de Humphrey Maris de la Universitatea Brown din SUA a fost simplu și elegant. Oamenii de știință au plasat o eprubetă întoarsă cu susul în jos într-un rezervor închis de heliu lichid. O parte din heliul din eprubetă și din rezervor a fost înghețată în așa fel încât limita dintre lichid și solid din interiorul eprubetei a fost mai mare decât în rezervor. Cu alte cuvinte, era heliu lichid în partea superioară a eprubetei și heliu solid în partea inferioară; a trecut fără probleme în faza solidă a rezervorului, peste care a fost turnat puțin heliu lichid - mai mic decât nivelul lichidului. în eprubetă. Dacă heliul lichid ar începe să se scurgă prin solid, atunci diferența de nivel ar scădea și atunci putem vorbi de heliu superfluid solid. Și, în principiu, în trei din 13 experimente, diferența de nivel a scăzut.
5. Materie super-dură- o stare de agregare in care materia este transparenta si poate "curge" ca un lichid, dar de fapt este lipsita de vascozitate. Astfel de lichide sunt cunoscute de mulți ani și sunt numite superfluide. Cert este că dacă superfluidul este amestecat, acesta va circula aproape pentru totdeauna, în timp ce lichidul normal se va calma în cele din urmă. Primele două superfluide au fost create de cercetători folosind heliu-4 și heliu-3. Au fost răcite aproape la zero absolut - la minus 273 de grade Celsius. Și din heliu-4, oamenii de știință americani au reușit să obțină un corp foarte dur. Au comprimat heliul înghețat prin presiune de peste 60 de ori, apoi paharul umplut cu substanța a fost instalat pe un disc rotativ. La o temperatură de 0,175 grade Celsius, discul a început brusc să se rotească mai liber, ceea ce, potrivit oamenilor de știință, indică faptul că heliul a devenit un supercorp.
6. Solid- starea de agregare a materiei, caracterizată prin stabilitatea formei și a naturii mișcării termice a atomilor, care produc mici vibrații în jurul pozițiilor de echilibru. Starea stabilă a solidelor este cristalină. Distingeți solidele cu legături ionice, covalente, metalice și alte tipuri de legături între atomi, ceea ce determină varietatea proprietăților lor fizice. Proprietățile electrice și alte proprietăți ale solidelor sunt determinate în principal de natura mișcării electronilor exteriori ai atomilor săi. În funcție de proprietățile lor electrice, solidele sunt împărțite în dielectrici, semiconductori și metale; în funcție de proprietățile lor magnetice, ele sunt împărțite în diamagneți, paramagneți și corpuri cu o structură magnetică ordonată. Investigațiile proprietăților solidelor s-au unit într-un domeniu larg – fizica stării solide, a cărei dezvoltare este stimulată de nevoile tehnologiei.
7. Solid amorf- o stare condensata de agregare a unei substante, caracterizata prin izotropia proprietatilor fizice datorita dispunerii dezordonate a atomilor si moleculelor. În solidele amorfe, atomii vibrează în jurul unor puncte situate aleatoriu. Spre deosebire de starea cristalină, trecerea de la un solid amorf la un lichid are loc treptat. Diverse substanțe sunt în stare amorfă: pahare, rășini, materiale plastice etc.
8. Cristal lichid- aceasta este o stare specifică de agregare a unei substanțe în care prezintă simultan proprietățile unui cristal și ale unui lichid. Trebuie să facem imediat o rezervă că nu toate substanțele pot fi în stare de cristal lichid. Cu toate acestea, unele substanțe organice cu molecule complexe pot forma o stare specifică de agregare - cristalul lichid. Această stare se realizează în timpul topirii cristalelor anumitor substanțe. Când se topesc, se formează o fază lichid-cristalină, care diferă de lichidele obișnuite. Această fază există în intervalul de la temperatura de topire a cristalului până la o temperatură mai mare, când este încălzită, la care cristalul lichid se transformă într-un lichid obișnuit.
Cum diferă un cristal lichid de un lichid și un cristal obișnuit și cum este similar cu acestea? Ca un lichid obișnuit, un cristal lichid are fluiditate și ia forma unui vas în care este plasat. Prin aceasta se deosebește de cristalele cunoscute tuturor. Cu toate acestea, în ciuda acestei proprietăți, care îl unește cu un lichid, are o proprietate caracteristică cristalelor. Aceasta este ordonarea în spațiu a moleculelor care formează cristalul. Adevărat, această ordonare nu este la fel de completă ca în cristalele obișnuite, dar, cu toate acestea, afectează în mod semnificativ proprietățile cristalelor lichide, ceea ce le diferențiază de lichidele obișnuite. Ordonarea spațială incompletă a moleculelor care formează un cristal lichid se manifestă prin faptul că în cristalele lichide nu există o ordine completă în aranjarea spațială a centrelor de greutate ale moleculelor, deși poate exista o ordine parțială. Aceasta înseamnă că nu au o rețea cristalină rigidă. Prin urmare, cristalele lichide, ca și lichidele obișnuite, au proprietatea fluidității.
O proprietate obligatorie a cristalelor lichide, care le apropie de cristalele obișnuite, este prezența unei ordini în orientarea spațială a moleculelor. O astfel de ordine de orientare se poate manifesta, de exemplu, prin faptul că toate axele lungi ale moleculelor dintr-o probă de cristale lichide sunt orientate în același mod. Aceste molecule ar trebui să aibă o formă alungită. Pe lângă cea mai simplă ordonare numită a axelor moleculelor, se poate realiza o ordine de orientare mai complexă a moleculelor într-un cristal lichid.
În funcție de tipul de ordonare a axelor moleculare, cristalele lichide se împart în trei tipuri: nematice, smectice și colesterice.
Cercetările privind fizica cristalelor lichide și aplicațiile acestora se desfășoară în prezent pe un front larg în toate cele mai dezvoltate țări ale lumii. Cercetarea autohtonă este concentrată atât în instituții de cercetare academică, cât și industrială și are o tradiție îndelungată. Lucrările lui V.K. Frederiks către V.N. Tsvetkova. În ultimii ani, studiul rapid al cristalelor lichide, cercetătorii ruși au, de asemenea, o contribuție semnificativă la dezvoltarea teoriei cristalelor lichide în general și, în special, a opticii cristalelor lichide. Deci, lucrările lui I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Blinov și mulți alți cercetători sovietici sunt cunoscuți pe scară largă comunității științifice și servesc drept fundație pentru o serie de aplicații tehnice eficiente ale cristalelor lichide.
Existența cristalelor lichide a fost stabilită cu foarte mult timp în urmă, și anume în 1888, adică în urmă cu aproape un secol. Deși oamenii de știință au întâlnit această stare a materiei înainte de 1888, ea a fost descoperită oficial mai târziu.
Primul care a descoperit cristale lichide a fost botanistul austriac Reinitzer. Cercetând noua substanță benzoat de colesteril sintetizat de el, a constatat că la o temperatură de 145 ° C, cristalele acestei substanțe se topesc, formând un lichid tulbure care împrăștie puternic lumina. Cu încălzirea continuă, la atingerea unei temperaturi de 179 ° C, lichidul devine limpede, adică începe să se comporte optic ca un lichid obișnuit, cum ar fi apa. Benzoatul de colesteril a prezentat proprietăți neașteptate în faza tulbure. Examinând această fază la microscop polarizant, Reinitzer a descoperit că are birefringență. Aceasta înseamnă că indicele de refracție al luminii, adică viteza luminii în această fază, depinde de polarizare.
9. Lichid- starea de agregare a unei substanțe, combinând caracteristicile unei stări solide (conservarea volumului, o anumită rezistență la rupere) și a unei stări gazoase (variabilitatea formei). Un lichid se caracterizează printr-o ordine cu rază scurtă de aranjare a particulelor (molecule, atomi) și o mică diferență în energia cinetică a mișcării termice a moleculelor și energia lor potențială de interacțiune. Mișcarea termică a moleculelor lichide constă în oscilații în jurul pozițiilor de echilibru și salturi relativ rare de la o poziție de echilibru la alta, care este asociată cu fluiditatea lichidului.
10. Fluid supracritic(GFR) este starea de agregare a unei substanțe, în care diferența dintre faza lichidă și cea gazoasă dispare. Orice substanță la o temperatură și presiune peste punctul critic este un fluid supercritic. Proprietățile unei substanțe în stare supercritică sunt intermediare între proprietățile sale în faza gazoasă și lichidă. Astfel, SCF are o densitate mare, apropiată de lichid și vâscozitate scăzută, precum gazele. Coeficientul de difuzie în acest caz are o valoare intermediară între lichid și gaz. Substanțele în stare supercritică pot fi folosite ca înlocuitori pentru solvenții organici în procesele de laborator și industriale. Apa supercritică și dioxidul de carbon supercritic au primit cel mai mare interes și distribuție în legătură cu anumite proprietăți.
Una dintre cele mai importante proprietăți ale stării supercritice este capacitatea de a dizolva substanțele. Schimbând temperatura sau presiunea fluidului, se pot modifica proprietățile acestuia într-un interval larg. Astfel, este posibil să se obțină un fluid ale cărui proprietăți sunt apropiate fie de un lichid, fie de un gaz. Astfel, puterea de dizolvare a unui fluid crește odată cu creșterea densității (la o temperatură constantă). Deoarece densitatea crește odată cu creșterea presiunii, schimbarea presiunii poate afecta puterea de dizolvare a fluidului (la o temperatură constantă). În cazul temperaturii, dependența proprietăților fluidului este oarecum mai complicată - la o densitate constantă, puterea de dizolvare a fluidului crește și ea, dar în apropierea punctului critic, o ușoară creștere a temperaturii poate duce la o scădere bruscă a densității, și, în consecință, puterea de dizolvare. Fluidele supercritice se amestecă între ele la nesfârșit, astfel încât atunci când se atinge punctul critic al amestecului, sistemul va fi întotdeauna monofazat. Temperatura critică aproximativă a unui amestec binar poate fi calculată ca medie aritmetică a parametrilor critici ai substanțelor Tc(mix) = (fracția molară a lui A) x TcA + (fracția molară a lui B) x TcB.
11. Gazos- (franceză gaz, din greacă haos - haos), starea agregată a materiei în care energia cinetică a mișcării termice a particulelor sale (molecule, atomi, ioni) depășește semnificativ energia potențială a interacțiunilor dintre ele și, prin urmare, a particulelor. se deplasează liber, completând uniform în absența câmpurilor externe, întregul volum pus la dispoziție acestora.
12. Plasma- (din grecescul plasma - turnat, modelat), o stare a materiei, care este un gaz ionizat, in care concentratiile sarcinilor pozitive si negative sunt egale (cvasi-neutralitate). Marea majoritate a materiei din Univers se află în stare de plasmă: stele, nebuloase galactice și mediul interstelar. Lângă Pământ, plasma există sub formă de vânt solar, magnetosferă și ionosferă. Plasma la temperatură înaltă (T ~ 106 - 108 K) dintr-un amestec de deuteriu și tritiu este investigată în scopul implementării fuziunii termonucleare controlate. Plasma la temperatură joasă (T Ј 105K) este utilizată în diferite dispozitive de descărcare în gaz (lasere cu gaz, dispozitive cu ioni, generatoare MHD, pistoleți cu plasmă, motoare cu plasmă etc.), precum și în tehnologie (vezi Metalurgia cu plasmă, Forarea cu plasmă, Tehnologia cu plasmă).
13. Materie degenerată- este o etapă intermediară între plasmă și neutroniu. Se observă la piticele albe și joacă un rol important în evoluția stelelor. Când atomii se află în condiții de temperaturi și presiuni extrem de ridicate, își pierd electronii (intră într-un gaz de electroni). Cu alte cuvinte, ele sunt complet ionizate (plasmă). Presiunea unui astfel de gaz (plasmă) este determinată de presiunea electronilor. Dacă densitatea este foarte mare, toate particulele sunt forțate să se apropie unele de altele. Electronii pot fi în stări cu anumite energii, iar doi electroni nu pot avea aceeași energie (cu excepția cazului în care spinurile lor sunt opuse). Astfel, într-un gaz dens, toate nivelurile inferioare de energie se dovedesc a fi umplute cu electroni. Un astfel de gaz se numește degenerat. În această stare, electronii prezintă o presiune electronică degenerată care se opune forțelor gravitaționale.
14. Neutroniu— stare de agregare în care materia trece sub presiune ultraînaltă, care este încă de neatins în laborator, dar există în interiorul stelelor neutronice. În timpul tranziției la starea neutronică, electronii materiei interacționează cu protonii și se transformă în neutroni. Drept urmare, materia în stare de neutroni este formată în întregime din neutroni și are o densitate de ordinul nuclearului. Temperatura substanței în acest caz nu trebuie să fie prea mare (în echivalent de energie, nu mai mult de o sută de MeV).
Odată cu o creștere puternică a temperaturii (sute de MeV și peste), în starea de neutroni, încep să se nască și să se anihileze diverși mezoni. Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii, are loc deconfinerea, iar materia trece în starea de plasmă cuarc-gluon. Nu mai este format din hadroni, ci din quarci și gluoni care se nasc și dispar în mod constant.
15. Plasmă cuarc-gluon(cromoplasma) este o stare agregată a materiei în fizica energiilor înalte și în fizica particulelor elementare, în care materia hadronică trece într-o stare similară cu starea în care electronii și ionii se află în plasma obișnuită.
De obicei, materia din hadroni este în așa-numita stare incoloră („albă”). Adică, quarcii de culori diferite se compensează reciproc. O stare similară există în materia obișnuită - când toți atomii sunt neutri din punct de vedere electric, adică
sarcinile pozitive din ele sunt compensate de cele negative. La temperaturi ridicate, se poate produce ionizarea atomilor, în timp ce sarcinile sunt separate, iar substanța devine, după cum se spune, „cvasi-neutră”. Adică, întregul nor de materie în ansamblu rămâne neutru, iar particulele sale individuale încetează să fie neutre. Probabil, același lucru se poate întâmpla și cu materia hadronică - la energii foarte mari, culoarea este eliberată și face ca substanța să fie „cvasi-incoloră”.
Se presupune că materia Universului a fost în starea plasmei de quarc-gluoni în primele momente după Big Bang. Acum, plasma quarc-gluon poate fi formată pentru o perioadă scurtă de timp în ciocnirile de particule de energii foarte mari.
Plasma Quark-gluon a fost obținută experimental la acceleratorul RHIC de la Brookhaven National Laboratory în 2005. Temperatura maximă a plasmei de 4 trilioane de grade Celsius a fost obținută acolo în februarie 2010.
16. Substanță ciudată- stare de agregare, în care materia este comprimată până la valorile limită ale densității, poate exista sub formă de „ciorbă de cuarc”. Un centimetru cub de materie în această stare ar cântări miliarde de tone; în plus, va transforma orice substanță normală cu care intră în contact în aceeași formă „ciudată” cu eliberarea unei cantități semnificative de energie.
Energia care poate fi eliberată în timpul transformării substanței nucleului unei stele într-o „substanță ciudată” va duce la o explozie super-puternică a unei „nove de cuarc” - și, potrivit lui Leahy și Wyed, tocmai a fost această explozie pe care astronomii au observat-o în septembrie 2006.
Procesul de formare a acestei substanțe a început cu o supernovă obișnuită, în care s-a transformat o stea masivă. În urma primei explozii, s-a format o stea neutronică. Dar, potrivit lui Leahy și Wyed, nu a durat mult - deoarece rotația sa părea să fie încetinită de propriul câmp magnetic, a început să se micșoreze și mai mult, odată cu formarea unui cheag de „lucruri ciudate”, ceea ce a dus la o explozie și mai puternică decât într-o explozie normală de supernovă, eliberarea de energie - și straturile exterioare ale substanței fostei stele neutronice, zburând în spațiul înconjurător cu o viteză apropiată de viteza luminii.
17. Materie puternic simetrică- aceasta este o substanță comprimată în așa măsură încât microparticulele din interiorul ei sunt stratificate una peste alta, iar corpul însuși se prăbușește într-o gaură neagră. Termenul de „simetrie” este explicat astfel: Să luăm stările agregate ale materiei cunoscute de toată lumea de pe banca școlii - solid, lichid, gazos. Pentru certitudine, considerați un cristal infinit ideal ca un solid. Are o anumită, așa-numita simetrie discretă în raport cu translația. Aceasta înseamnă că, dacă rețeaua cristalină este deplasată cu o distanță egală cu intervalul dintre doi atomi, nimic nu se va schimba în ea - cristalul va coincide cu el însuși. Dacă cristalul este topit, atunci simetria lichidului rezultat va fi diferită: va crește. Într-un cristal, doar punctele care erau îndepărtate unele de altele la anumite distanțe, așa-numitele noduri ale rețelei cristaline, în care se aflau atomi identici, erau echivalente.
Lichidul este omogen pe tot volumul său, toate punctele sale nu se pot distinge unele de altele. Aceasta înseamnă că lichidele pot fi deplasate de orice distanțe arbitrare (și nu doar de unele discrete, ca într-un cristal) sau rotite prin orice unghiuri arbitrare (ceea ce nu se poate face deloc în cristale) și va coincide cu el însuși. Gradul său de simetrie este mai mare. Gazul este și mai simetric: lichidul ocupă un anumit volum în vas și există o asimetrie în interiorul vasului, acolo unde este lichid, și puncte în care nu este. Gazul, pe de altă parte, ocupă întregul volum care îi este furnizat și, în acest sens, toate punctele sale nu se pot distinge unele de altele. Cu toate acestea, mai corect ar fi să vorbim aici nu despre puncte, ci despre elemente mici, dar macroscopice, pentru că la nivel microscopic există încă diferențe. În unele momente există atomi sau molecule, în timp ce altele nu. Simetria se observă doar în medie, fie în unii parametri macroscopici de volum, fie în timp.
Dar încă nu există o simetrie instantanee la nivel microscopic. Dacă substanța este comprimată foarte puternic, la presiuni inacceptabile în viața de zi cu zi, comprimată astfel încât atomii au fost zdrobiți, învelișurile lor s-au pătruns unul în celălalt, iar nucleele au început să se atingă, apare simetria la nivel microscopic. Toate nucleele sunt la fel și sunt presate unul împotriva celuilalt, nu există doar distanțe interatomice, ci și internucleare, iar substanța devine omogenă (substanță ciudată).
Dar există și un nivel submicroscopic. Nucleii sunt formați din protoni și neutroni care se mișcă în interiorul nucleului. Există, de asemenea, ceva spațiu între ei. Dacă continuați să comprimați astfel încât nucleii să fie și zdrobiți, nucleonii se vor apăsa strâns unul împotriva celuilalt. Apoi, la nivel submicroscopic, va apărea simetria, care nici măcar nu se află în interiorul nucleelor obișnuite.
Din cele spuse, se poate observa o tendință destul de clară: cu cât temperatura este mai mare și presiunea este mai mare, cu atât substanța devine mai simetrică. Pe baza acestor considerații, substanța comprimată la maximum se numește puternic simetrică.
18. Materie slab simetrică- o stare opusă materiei puternic simetrice în proprietățile sale, care era prezentă în Universul foarte timpuriu la o temperatură apropiată de temperatura Planck, poate la 10-12 secunde după Big Bang, când forțele puternice, slabe și electromagnetice erau o singură superforță . În această stare, materia este comprimată într-o asemenea măsură încât masa sa este transformată în energie, care începe să se umfle, adică să se extindă fără limită. Nu este încă posibil să se realizeze energii pentru producerea experimentală a superputerii și transferul materiei în această fază în condiții terestre, deși astfel de încercări au fost făcute la Large Hadron Collider pentru a studia universul timpuriu. Din cauza absenței interacțiunii gravitaționale în compoziția superforței care formează această substanță, superforța nu este suficient de simetrică în comparație cu forța supersimetrică, care conține toate cele 4 tipuri de interacțiuni. Prin urmare, această stare de agregare a primit un astfel de nume.
19. Materia radiațiilor- aceasta, de fapt, nu mai este o substanta, ci energie in forma sa cea mai pura. Cu toate acestea, aceasta este starea ipotetică de agregare pe care o va lua un corp care a atins viteza luminii. Se poate obține și prin încălzirea corpului la temperatura Planck (1032K), adică prin dispersarea moleculelor substanței la viteza luminii. După cum rezultă din teoria relativității, atunci când viteza atinge mai mult de 0,99 s, masa corpului începe să crească mult mai repede decât cu accelerația „normală”, în plus, corpul se prelungește, se încălzește, adică începe să crească. radiază în spectrul infraroșu. La trecerea pragului de 0,999 s, corpul se schimbă radical și începe o tranziție rapidă de fază până la starea fasciculului. După cum rezultă din formula lui Einstein, luată în întregime, masa în creștere a substanței finale este formată din mase care sunt separate de corp sub formă de radiații termice, cu raze X, optice și alte radiații, energia fiecăreia fiind descris de următorul termen din formulă. Astfel, un corp care se apropie de viteza luminii va începe să radieze în toate spectrele, să crească în lungime și să încetinească în timp, subțiendu-se până la lungimea Planck, adică la atingerea vitezei c, corpul se va transforma într-un infinit de lung și subțire. fascicul care se mișcă cu viteza luminii și este format din fotoni care nu au lungime, iar masa sa infinită se va transforma complet în energie. Prin urmare, o astfel de substanță se numește radiație.
