Агрегатное состояние вещества определяется характером взаимодействий между частицами — молекулами, атомами или ионами. Основные состояния вещества включают твердое, жидкое и газообразное, а также промежуточные и специализированные формы, такие как плазма, сверхтекучие и аморфные состояния. Переходы между агрегатными состояниями сопровождаются изменениями термодинамических параметров: внутренней энергии, энтропии, плотности и теплового содержания.
Структура и свойства В твердом состоянии частицы расположены в строго определённой упорядоченной или частично упорядоченной структуре. В кристаллах наблюдается периодическая пространственная организация атомов, молекул или ионов, определяющая кристаллическую решётку. Силы взаимодействия — ионные, ковалентные, металлические или ван-дер-ваальсовы — обеспечивают высокую прочность, малую сжимаемость и фиксированную форму.
Классификация твердых тел
Термодинамика перехода в твердое состояние Кристаллизация сопровождается выделением скрытой теплоты, уменьшением энтропии и стабилизацией системы. Точка плавления определяется энергией, необходимой для разрушения кристаллической решётки.
Микроструктура и динамика Жидкость характеризуется высокой плотностью, близкой к плотности твердого вещества, но с отсутствием жесткой формы. Частицы находятся в постоянном движении, что обеспечивает текучесть. Взаимодействия между частицами сильнее, чем в газах, но слабее, чем в кристаллах.
Свойства жидкостей
Аномалии воды Особая структура водородных связей приводит к высокой теплоемкости, плотности при 4 °C выше, чем при 0 °C, и необычным свойствам льда.
Характеристика частиц Газ отличается большой подвижностью и малой плотностью частиц, находящихся на значительном расстоянии друг от друга. Межчастичные взаимодействия в идеальном газе считаются пренебрежимо малыми.
Основные законы газов
Реальные газы Отклонения от идеального поведения описываются уравнением Ван-дер-Ваальса, учитывающим конечный объём молекул и межмолекулярное притяжение.
Плазма — высокоэнергетическое состояние вещества, в котором часть частиц находится в виде ионов и электронов. Образуется при высоких температурах, электрическом разряде или под действием сильного магнитного поля. Свойства плазмы включают электропроводность, магнетизм и способность к генерации электромагнитного излучения.
Сверхтекучесть и сверхпроводимость При температурах, близких к абсолютному нулю, жидкие гелий-4 и гелий-3 проявляют сверхтекучие свойства — отсутствие вязкости и способность подниматься по стенкам сосуда. Сверхпроводимость проявляется у некоторых металлов в нулевом электрическом сопротивлении и полном вытеснении магнитного поля.
Аморфные и гелеобразные состояния Вещества без кристаллической решётки могут образовывать стекло, гели и аэрогели. Они сочетают свойства твердого тела и жидкости: механическую прочность с частичной текучестью и диффузией молекул.
Типы фазовых переходов
Критические точки и тройная точка
Агрегатное состояние вещества определяется уравнением состояния и фазовой диаграммой. Рост давления обычно стабилизирует более плотные фазы (твердое состояние), повышение температуры способствует переходу к менее плотным состояниям (жидкость, газ). Фазовые диаграммы позволяют предсказывать условия существования различных фаз и характер фазовых переходов.