Агрегатные состояния и фазы

Одно и то же вещество может в зависимости от температуры и давления находиться в различных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и кристаллическом. Например, при нормальном атмосферном давлении и температуре ниже 0 ⁰С вода находится в кристаллическом состоянии (лед), при температуре от 0 до 100 ⁰С – в жидком состоянии и при температурах свыше 100 ⁰С – в газообразном состоянии (водяной пар).

Агрегатное состояние вещества определяется соотношением между кинетической энергией теплового движения молекул и энергией межмолекулярного взаимодействия. Средняя энергия взаимодействия молекул газа много меньше их средней кинетической энергии, поэтому они движутся практически свободно, в результате чего газ занимает весь предоставленный ему объем.

Среднее расстояние между молекулами жидкости много меньше, чем в газе. Молекулы жидкости расположены практически вплотную друг к другу, вследствие чего их энергия взаимодействия сравнима с кинетической энергией. Поэтому молекулы жидкости обладают большой подвижностью и расположены неупорядоченно, но при этом жидкость занимает определенный практически неизменный объем. Согласно общепризнанной модели поведения молекул жидкости, предложенной Я. Френкелем[24], каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия. Затем молекула скачком перемещается в новое равновесное положение. В результате молекула может медленно перемещаться по всему объему жидкости, чем и объясняется характерное для жидкостей свойство текучести.

В кристаллах энергия взаимодействия частиц (молекул, атомов или ионов) превышает их кинетическую энергию теплового движения, поэтому расположение частиц является строго упорядоченным. Каждая частица совершает совершает колебания около строго определенного положения – узла кристаллической решетки. Упорядоченность строения кристаллов приводит к возникновению анизотропии – многие свойства кристаллов (механические, тепловые, электрические, оптические и др.) зависят от направления.

В зависимости от природы частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки, различают четыре типа кристаллов.

Ионные кристаллы: в узлах решетки расположены ионы противоположных знаков. Например, кристалл поваренной соли NaCl имеет кубическую решетку, в которой чередуются ионы Na⁺ и Cl^-.

Атомные кристаллы: в узлах решетки расположены нейтральные атомы. Примеры: графит, алмаз.

Металлические кристаллы: в узлах решетки находятся положительные ионы, пространство между ионами заполнено «газом», состоящим из свободных в пределах кристалла электронов проводимости. Электронный газ компенсирует отталкивание между ионами, удерживая их вместе. В свою очередь притяжение к ионам решетки не дает электронам проводимости покинуть кристалл. Примеры: Fe, Cu и т.д.

Молекулярные кристаллы: в узлах решетки расположены молекулы. Пример: вода в форме льда.

Помимо газообразного, жидкого и кристаллического состояний вещества, существует четвертое состояние – плазма. Плазмой называется ионизированный квазинейтральный газ. Квазинейтральность означает, что алгебраическая сумма зарядов в любом макроскопическом объеме плазмы близка к нулю. Отношение числа ионизированных атомов в данном объеме к их полному числу называется степеньюионизации. Газ считается плазмой при степенях ионизации 0,001 и выше. Благодаря наличию большого числа заряженных частиц свойства плазмы кардинально отличаются от свойств обычного неионизированного газа, чем и обусловлено выделение плазмы в отдельное агрегатное состояние вещества. В повседневной жизни мы сталкиваемся с плазмой, когда пользуемся газоразрядными лампами (например, люминесцентными лампами дневного света).

Для описания различий между частями сложных неоднородных систем в термодинамике используют понятие фазы. Фазой называется совокупность всех частей системы, обладающих одинаковым химическим составом и находящихся в одном состоянии. Например, если в сосуде находятся жидкая вода и водяной пар, система будет двухфазной, если в воде при этом плавают куски льда, то трехфазной.

Следует помнить, что понятие фазы в термодинамике является более узким, чем понятие агрегатного состояния вещества. Так, разными фазами будут графит и алмаз, которые представляют собой кристаллический углерод с разными типами кристаллической решетки; разными фазами будут обычный жидкий гелий и сверхтекучий гелий, один и тот же металл в проводящем и сверхпроводящем состояниях, ферромагнетик и парамагнетик и т.д.