Stan skupienia materii - podstawowa forma, w jakiej występuje substancja, określająca jej podstawowe własności fizyczne. Własności substancji wynikają z układu oraz zachowania cząsteczek tworzących daną substancję. Bardziej precyzyjnym określeniem form występowania substancji jest faza materii.
Spis treści |
Tradycyjny, pochodzący z XVII w. podział stanów skupienia, wyróżnia trzy takie stany (w nawiasach nazwy substancji w tym stanie):
Dodany w czasach nam współczesnych.
Podział ten wynika z podstawowych własności substancji w danym stanie:
Występowanie większości substancji w danym stanie skupienia zależy od panujących w niej warunków termodynamicznych, czyli ciśnienia i temperatury, np. woda pod ciśnieniem normalnym w temperaturze poniżej 0°C jest ciałem stałym, w temperaturach od 0 do 100°C jest cieczą, a powyżej 100°C staje się gazem.
Niektóre substancje w identycznych warunkach mogą występować w różnych stanach skupienia w zależności od wcześniejszych warunków, jakie w nich panowały, lecz zazwyczaj jeden ze stanów jest uprzywilejowany i substancja może samorzutnie przejść do tego stanu.
Własności ciał w poszczególnych stanach zależą od układu cząsteczek (lub atomów), z których zbudowane jest to ciało. Z tego punktu widzenia ten stary podział jest prawdziwy tylko dla niektórych substancji, gdyż badania naukowe wykazały, że to, co wcześniej uważano za jeden stan skupienia, można w rzeczywistości podzielić na wiele faz materii, różniących się konfiguracją cząsteczek. Mogą nawet występować sytuacje, w których w jednym ciele równocześnie cząsteczki mogą być ułożone w różny sposób. W szczególności okazało się, że stały i ciekły stan skupienia może być realizowany na wiele różnych sposobów. Sposoby te są nazywane fazami materii. Ilość niezależnych składników, ilość faz w układzie oraz ilość zmiennych intensywnych (np. ciśnienie, temperatura), które można zmieniać bez jakościowej zmiany układu opisuje ważna reguła faz Gibbsa.
Zmiana fazy materii może wymagać dostarczenia lub odebrania energii, wówczas ilość przepływającej energii jest proporcjonalna do masy substancji zmieniającej fazę i można wyrazić ją wzorem:
Niektóre przemiany fazowe przebiegają bez dostarczenia lub odebrania energii, o zmianie fazy wnioskujemy na podstawie skokowej zmiany niektórych wielkości opisujących to ciało.
Opisem procesów zmian pomiędzy fazami zajmuje się teoria przejść fazowych, zwana także czasem teorią zjawisk krytycznych.
Wykresy fazowe są często stosowaną w fizyce graficzną reprezentacją rzeczywistego fazowego zachowania się danej substancji. Mają one na osiach ciśnienie i temperaturę. Linie oznaczają warunki, w których dochodzi do przemian fazowych, zaś obszary między nimi wyznaczają warunki, w których dana faza jest stabilna.
W przypadku substancji składających się z jednego rodzaju atomów lub jednego rodzaju cząsteczek, które tak jak woda posiadają tylko trzy fazy - krystaliczną, ciekłą i gazową, wykres ten przybiera zazwyczaj następującą postać:
Strzałki przedstawiają przemiany fazowe:
|
Nazwy przemian fazowych |
Stan początkowy | |||
| stały | ciekły | gazowy | ||
| Stan końcowy | stały | krzepnięcie | resublimacja | |
| ciekły | topnienie | skraplanie | ||
| gazowy | sublimacja | parowanie | ||
Dla substancji bardziej złożonych lub zdolnych do tworzenia większej liczby faz wykres ten przybiera często zupełnie inny kształt.
Poniższy diagram przedstawia stany równowagi fazowej dla roztworu węgla w żelazie ( linia ciągła dotyczy roztworu cementytu w żelazie, a linia przerywana - roztworu grafitu w żelazie). Z wykresu tego wynika podział stopów żelaza na stal (0-2,11%C) i żeliwo (2,11-6,67%C) oraz własności różnych gatunków stali. Każdy obszar odpowiada stanowi stabilnemu jednej z form, szybkie chłodzenie stali powoduje zachowanie układu cząsteczek fazy z wyższej temperatury w temperaturach pokojowych (tzw. hartowanie i obróbka cieplna stali).
.svg)
Nie każda zmiana wyglądu danej substancji musi od razu wiązać się z faktyczną zmianą fazy. Wiele substancji - zwłaszcza tych, które są mieszaninami różnych związków chemicznych - może występować naraz w dwóch lub więcej fazach. W substancjach takich występują wtedy tzw. domeny, czyli małe obszary różnych faz, które łącznie tworzą tzw. mikrostrukturę danej substancji. Zjawisko to występuje np. w szkle oraz w stopach metali, gdzie występują domeny fazy krystalicznej i fazy amorficznej.
W fizyce przyjmuje się, że dana substancja istnieje w dwóch różnych fazach, gdy:
Aktualnie w fizyce przyjmuje się istnienie następujących faz:
a) fazy płynne - czyli takie, które płyną, gdy poddaje się je siłom ścinającym:
b) fazy stałe - czyli takie, które nie płyną, tzn. pod wpływem sił ścinających ulegają naprężeniom, a przy większych pękają lub płyną (plastyczne):
Układy nadciekłe należą do nietypowych stanów skupienia. Zbliżone są do zwykłych cieczy, ale ruchy atomów wykonywane są kolektywnie. Wykazują one zerową lepkość podczas przepływu, mogą wypełzać z naczynia po jego ściankach i wykazują ciekawe właściwości akustyczne. Obecnie znane są tylko dwa przykłady układów nadciekłych: Hel 4 w temperaturze poniżej 2,1768 K oraz Hel 3 o temperaturze poniżej 0,0026 K.
