Жидкость принимает любую форму сосуда

Вещество может пребывать в твердом, жидком или газообразном состояниях, а при особых условиях также в плазменном состоянии.

Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой. В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное.

Газ

Газ расширяется, пока не заполнит весь отведенный ему объем. Если рассмотреть газ на молекулярном уровне, мы увидим беспорядочно мечущиеся и сталкивающиеся между собой и со стенками сосуда молекулы, которые, однако, практически не вступают во взаимодействие друг с другом. Если увеличить или уменьшить объем сосуда, молекулы равномерно перераспределятся в новом объеме. Молекулярно-кинетическая теория связывает молекулярные свойства газа с его макроскопическими свойствами, такими как температура и давление.

Жидкость

В отличие от газа жидкость при заданной температуре занимает фиксированный объем, однако и она принимает форму заполняемого сосуда — но только ниже уровня ее поверхности. На молекулярном уровне жидкость проще всего представить в виде молекул-шариков, которые хотя и находятся в тесном контакте друг с другом, однако имеют свободу перекатываться друг относительно друга, подобно круглым бусинам в банке. Налейте жидкость в сосуд — и молекулы быстро растекутся и заполнят нижнюю часть объема сосуда, в результате жидкость примет его форму, но не распространится в полном объеме сосуда.

Твердое тело

Твердое тело имеет собственную форму, не растекается по объему контейнера и не принимает его форму. На микроскопическом уровне атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жесткие упорядоченные структуры — кристаллические решетки, — так и беспорядочное нагромождение — аморфные тела (именно такова структура полимеров, которые похожи на перепутанные и слипшиеся макароны в миске).

Плазма

Выше были описаны три классических агрегатных состояния вещества. Имеется, однако, и четвертое состояние, которые физики склонны относить к числу агрегатных. Это плазменное состояние. Плазма характеризуется частичным или полным срывом электронов с их атомных орбит, при этом сами свободные электроны остаются внутри вещества. Таким образом, плазма, будучи ионизированной, в целом остается электрически нейтральной, поскольку число положительных и отрицательных зарядов в ней остается равным. Мы можем наблюдать как холодную и в незначительной степени ионизированную плазму (например, в люминесцентных лампах), так и полностью ионизированную горячую плазму (внутри Солнца, например).

Конденсат Бозе-Эйнштейна

При сверхнизких температурах скорости молекул снижаются настолько, что мы не можем точно определить их местоположение. Это происходит в силу принципа неопределенности Гейзенберга. Когда температура снижается настолько, что степень неопределенности положения атомов оказывается сопоставимой с размерами группы атомов, к которой они принадлежат, вся группа начинает вести себя, как единое целое. Такое состояние вещества называется конденсатом Бозе—Эйнштейна, и его можно считать пятым агрегатным состоянием вещества.

Естественные науки, включающая химию и физику, обычно рассматриваются как науки, изучающие природу и свойства вещества и энергии в неживых системах. Вещество во Вселенной – атомы, молекулы и ионы, которые составляют все физические тела, все, что имеет массу и занимает пространство. Энергия — это способность вызывать изменения. Энергия не может быть создана или уничтожена; он может быть только сохранена и преобразована из одной формы в другую. Потенциальная энергия — это энергия, хранящаяся в объекте из-за его положения – например, ведро с водой, повешенное над дверью, может упасть. Кинетическая энергия — это энергия, движения, любой объект или частица, находящаяся в движении, обладает кинетической энергией, зависящей от массы и скорости тела. Кинетическая энергия может быть преобразована в другие виды энергии, такие как электрическая энергия и тепловая энергия.

Существует пять известных фаз или состояний вещества: твердое тело, жидкость, газ, плазма и бозе-эйнштейновский конденсат. Основное различие в структурах каждого состояния находится в плотностях частиц.

ТВЕРДОЕ ТЕЛО

В твердом теле частицы плотно упакованы, поэтому они не могут двигаться очень сильно. Частицы твердого вещества имеют очень низкую кинетическую энергию. Электроны каждого атома находятся в движении, поэтому атомы имеют небольшую вибрацию, но они фиксируются в своем положении. Твердые тела имеют определенную форму, и могут длительное время ее сохранять. У них также есть определенный объем. Частицы твердого тела уже настолько плотно упакованы вместе, что увеличивающееся давление не будет сжимать твердое тело до меньшего объема.

ЖИДКОСТИ

В жидкой фазе частицы вещества имеют большую кинетическую энергию, чем частицы в твердом теле. Частицы жидкости не удерживаются в регулярном расположении, но все еще очень близки друг к другу, поэтому жидкости имеют определенный объем. Жидкости, как и твердые тела, трудно сжимаемы. Частицы жидкости имеют достаточно места для обтекания друг друга, поэтому жидкости имеют неопределенную форму. Жидкость принимает форму емкости, в которую она помещена. Сила распределяется равномерно по всей жидкости, поэтому, когда объект помещается в жидкость, частицы жидкости перемещаются за объектом.

Величина восходящей плавучей силы равна весу жидкости, в объеме тела. Когда плавучая сила равна силе тяжести, объект будет плавать. Этот принцип плавучести был обнаружен греческим математиком Архимедом, который, согласно легенде, выпрыгнул из своей ванны и побежал обнаженным по улицам, крича «Эврика!», после того, как догадался о выталкивающих силах в жидкости. Эту силу еще называют силой Архимеда, как дань уважения и признания древнему ученому.

Частицы жидкости, как правило, удерживаются слабым межмолекулярным притяжением, а не свободно перемещаются, как частицы газа. Эта сила сцепления соединяет частицы вместе, образуя капли или потоки.

Ученые сообщили, что в апреле 2016 года они создали странное состояние материи, которое, как предполагалось, существовало, но никогда не было видно в реальной жизни. Хотя этот тип материи можно держать в руке, как если бы он был сплошным, увеличение материала выявило бы беспорядочные взаимодействия его электронов, более характерные для жидкости. Это тип материи называют квантовой спиновой жидкостью Китаева, в ней электроны входят в своеобразный квантовый танец, в котором они взаимодействуют или «разговаривают» друг с другом. Обычно, когда вещество остывает, спин его электронов имеет тенденцию выстраиваться в линию. Но в этой квантовой спиновой жидкости электроны взаимодействуют так, что они влияют на то, как другие вращаются и никогда не выравниваются независимо от того, насколько материал холодный. Материал будет вести себя так, как будто его электроны, считающиеся неделимыми, разрушались.

ГАЗЫ

Частицы газа находятся на большом расстоянии друг от друга и имеют высокую кинетическую энергию. Если пространство не ограничено, частицы газа будут разбросаны бесконечно; если оно ограничено, газ будет расширяться, чтобы заполнить весь объем. Когда газ оказывается под давлением, то есть уменьшается объем емкости, пространство между частицами уменьшается, а давление, оказываемое их столкновениями, увеличивается. Если объем сосуда поддерживается постоянным, но температура газа увеличивается, то давление также увеличивается. Частицы газа обладают достаточной кинетической энергией для преодоления межмолекулярных сил, которые удерживают твердые частицы и жидкости вместе, поэтому газ не имеет определенного объема и формы.

ПЛАЗМА

Плазма не является общим состоянием материи здесь, на Земле, но может быть самым распространенным состоянием материи во Вселенной. Плазма состоит из сильно заряженных частиц с чрезвычайно высокой кинетической энергией. Благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) часто используются для создания светильников, используя электричество для их ионизации в плазменное состояние. Звезды, по сути, являются перегретыми шарами плазмы.

КОНДЕНСАТ БОЗЕ-ЭЙНШТЕЙНА

В 1995 году технология позволила ученым создать новое состояние материи – конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ). Используя комбинацию лазеров и магнитов, Эрик Корнелл и Карл Вейман охладили образец рубидия с точностью до нескольких градусов до абсолютного нуля. При этой чрезвычайно низкой температуре молекулярное движение очень близко к остановке. Так как кинетическая энергия почти не передается от одного атома к другому, атомы начинают сжиматься вместе. Уже не тысячи отдельных атомов, а один «супер атом». КБЭ используется для изучения квантовой механики на макроскопическом уровне. Свет, кажется, замедляется, когда он проходит через КБЭ, что позволяет изучать парадокс частиц/волн. КБЭ также обладает многими свойствами сверхтекучей жидкости без трения, также используются для моделирования условий, которые могут выполняться в черных дырах.

СМЕНА ФАЗЫ

Добавление энергии к веществу приводит к физическому изменению – материя переходит из одного состояния в другое. Например, добавление тепловой энергии – тепла – к жидкой воде приводит к тому, что она становится паром или газом. Извлечение энергии также приводит к физическим изменениям, например, когда жидкая вода становится льдом – твердой – при удалении тепла. Физическое изменение фазы также может быть вызвано движением и давлением.

ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ

Когда тепло прикладывается к твердому веществу, его частицы начинают быстрее вибрировать и склонны двигаться дальше друг от друга. Когда вещество при стандартном давлении достигает определенной точки, называемой точкой плавления, твердое вещество начинает превращаться в жидкость. Точку плавления чистого вещества часто можно определить с точностью до 0,1 градуса Цельсия, точкой, в которой твердая и жидкая фазы находятся в равновесии. Если вы продолжаете нагревать образец, температура не будет повышаться выше точки плавления, пока весь образец не будет сжижен. Тепловая энергия используется для преобразования твердого вещества в жидкую форму. Как только весь образец станет жидким, температура снова начнет расти. Соединения, которые в остальном очень похожи, могут иметь разные точки плавления, поэтому точка плавления может быть полезным способом различения среди них. Например, сахароза имеет точку плавления 186,1 градусов Цельсия, тогда как температура плавления глюкозы составляет 146 градусов Цельсия. Твердая смесь, такая как металлический сплав, часто может быть разделена на ее составные части путем нагревания смеси и извлечения жидкостей по мере достижения ими различных точек плавления.

Точка замерзания – это температура, при которой жидкое вещество достаточно охлаждается для образования твердого вещества. По мере охлаждения жидкости движение частиц замедляется. Во многих веществах частицы выравниваются точными геометрическими узорами для образования кристаллических твердых веществ. Большинство жидкостей сжимаются, когда они замерзают. Одной из важных характеристик воды является то, что она расширяется при замерзании, поэтому лед плавает. Если бы лед не плавал, не было бы жидкой воды под замерзшим льдом, и многие формы водной жизни были бы невозможны.

Температура замерзания часто близка к той же температуре, что и температура плавления, но не считается характерной для вещества, поскольку несколько факторов могут ее изменить. Например, добавление растворенных веществ в жидкость приведет к снижению температуры замерзания. Примером этого является использование суспензии соли для снижения температуры, при которой вода замерзает на наших дорогах. Другие жидкости можно охлаждать до температур, значительно ниже их температуры плавления, до того, как они начнут затвердевать. Такие жидкости называются суперохлаждаемыми и часто требуют наличия пылевой частицы или затравочного кристалла для начала процесса кристаллизации.

СУБЛИМАЦИЯ

Когда твердое вещество превращается непосредственно в газ без прохождения жидкой фазы, процесс известен как сублимация. Сублимация происходит, когда кинетическая энергия частиц больше атмосферного давления, окружающего образец. Это может произойти, когда температура образца быстро увеличивается за точку кипения (испарение вспышки). Чаще всего вещество может быть «высушено в замороженном состоянии» путем его охлаждения в условиях вакуума, так что вода в веществе подвергается сублимации и удаляется из образца. Несколько летучих веществ будут подвергаться сублимации при нормальной температуре и давлении. Наиболее известным из этих веществ является CO2 или сухой лед.

ПАРООБРАЗОВАНИЕ

Испарение представляет собой превращение жидкости в газ. Испарение может происходить путем испарения или кипения.

Поскольку частицы жидкости находятся в постоянном движении, они часто сталкиваются друг с другом, передавая при этом энергию. Этот перенос энергии имеет малое влияние внутри жидкости, но когда достаточная энергия передается частице вблизи поверхности, она может получить достаточную энергию, чтобы полностью удалиться из образца в виде частицы свободного газа. Этот процесс называется испарением, и он продолжается до тех пор, пока остается жидкость. Энергия, передаваемая поверхностным молекулам, вызывающая их вылет, уносится от оставшегося жидкого образца.

Когда к жидкости добавляется достаточно тепла, образуя пузырьки пара ниже поверхности, мы говорим, что жидкость кипит. Температура, при которой жидкость кипит, является переменной. Точка кипения зависит от давления вещества. Жидкость под более высоким давлением будет требовать больше тепла до того, как в ней могут образоваться пузырьки пара. На больших высотах атмосферном давлении ниже, чем при нормальных условиях, поэтому жидкость будет кипеть при более низкой температуре. Такое же количество жидкости на уровне моря находится под большим атмосферным давлением и будет кипеть при более высокой температуре.

КОНДЕНСАЦИЯ И ДЕСУБЛИМАЦИЯ

Конденсация – это когда газ превращается в жидкость. Конденсация происходит, когда газ охлаждается или сжимается до такой степени, что кинетическая энергия частиц больше не может преодолевать межмолекулярные силы. Первоначальный кластер частиц инициирует процесс, который имеет тенденцию дополнительно охлаждать газ, так что конденсация продолжается. Когда газ превращается непосредственно в твердое вещество, не проходя через жидкую фазу, процесс называется осаждением или десублимацией. Примером этого является то, как при пониженных температурах преобразуется водяной пар в атмосфере в иней и лед. Иней имеет тенденцию обрисовывать сплошные листья травы и веток, потому что воздух, касающийся этих твердых веществ, охлаждается быстрее, чем воздух, который не касается твердой поверхности.