Eszkola

Stany skupienia – charakterystyka

Stan skupienia to postać fizyczna, w jakiej występuje materia w określonych warunkach termodynamicznych (tj. temperatury i ciśnienia). Każdy ze stanów charakteryzuje się odmiennymi właściwościami fizycznymi. W najprostszym podziale wyróżnia się cztery stany skupienia: stały, ciekły, gazowy oraz plazmę. Znanych jest również wiele stanów pośrednich jak np. ciekłe kryształy oraz takich, które występują w warunkach ekstremalnych jak plazma kwarkowa. W zależności od podziału można łącznie wyróżnić od kilku do nawet 500 różnych stanów skupienia.

Przejścia pomiędzy poszczególnymi fazami tj. przemiany fazowe wiążą się z mierzalną zmianą entropii danej materii, która świadczy o przeorganizowaniu się struktury budujących ją cząsteczek.

Materia pod postacią ciała stałego posiada stałą objętość oraz kształt, a tworzące ją cząsteczki, atomy lub jony są ściśle upakowane. Wiązania międzycząsteczkowe są w ciałach stałych na tyle silne, że uniemożliwiają swobodny ruch cząsteczek. Mogą one ewentualnie drgać np. pod wpływem energii cieplnej, co w przypadku metali obserwuje się jako rozszerzalność cieplną – drgając, cząsteczki zwiększają odległości między sobą, co skutkuje niewielką zmianą objętości ciała.

Pojęcie ciało stałe obejmuje tak naprawdę kilka rodzajów stanów skupienia. Do ciał stałych należą fazy o silnie uorganizowanej strukturze tj. faza krystaliczna, kryształy plastyczne, kryształy condis i kwazikryształy oraz nieposiadająca zdefiniowanej struktury faza amorficzna. Kryształy plastyczne charakteryzuje fakt, że pomimo silnych wiązań międzycząsteczkowych budujące je cząsteczki mają zdolność do obracania się wokół własnej osi. Cząsteczki kryształów condis mogą zmieniać swoje konformacje, a kwazikryształy posiadają co prawda uporządkowaną strukturę, ale uporządkowanie to nie jest regularne. Faza amorficzna, chociaż posiadająca widoczne cechy ciała stałego, to pod kątem budowy molekularnej bardziej przypomina ciecz. Budujące taką strukturę cząstki nie tworzą regularnej sieci, są rozmieszczone chaotycznie, jednak siła wiązań międzycząsteczkowych utrzymuje je w miejscu. Często fazy amorficzne określa się cieczą o nieskończenie dużej lepkości lub cieczą zamrożoną.

Działając siłą ścinającą na ciało stałe, można wywołać w nim naprężenia i odwracalną lub nieodwracalną zmianę kształtu, co zależy od wielkości działającej siły oraz sprężystości samego ciała.

Faza ciekła posiada stałą objętość (tak jak faza stała jest nieściśliwa) nie posiada jednak określonego kształtu – ciecz przybiera formę naczynia, w jakim się znajduje. Oddziaływania międzycząsteczkowe są na tyle silne, że utrzymują cząsteczki blisko siebie, jednak na tyle słabe, że umożliwiają im swobodny ruch, co objawia się płynnością cieczy. Wiązaniami międzycząsteczkowymi, które występują w cieczach, są siły Van der Waalsa, wiązania wodorowe oraz oddziaływania dipolowe. W cieczach nie obserwuje się dalekosiężnego uporządkowania cząsteczek. Ciecze wraz z gazami, ze względu na swoją zdolność do przepływu są określane płynami.

W fazie ciekłej podobnie jak w stałej wyróżnić można kilka odrębnych stanów skupienia np. fazę nadciekłą czy ciekłe kryształy. Faza nadciekła charakteryzuje się całkowitym brakiem lepkości. Stan ten wynika z pewnych zjawisk kwantowych, zachodzących w cieczach o bardzo niskiej temperaturze (blisko zera bezwzględnego). Ciekłe kryształy łączą w sobie cechy cieczy (zdolność do płynięcia) oraz ciała stałego (obecność daleko zasięgowego uporządkowania). 

Ważnymi cechami cieczy są parametry takie jak lepkość, która opisuje tarcie wewnętrzne pomiędzy przesuwającymi się warstwami płynu oraz napięcie powierzchniowe, powstające na skutek wypadkowej sił międzycząsteczkowych.

Faza gazowa spośród do tej pory wymienionych cechuje się największym nieuporządkowaniem materii. Dzięki bardzo słabym oddziaływaniom międzycząsteczkowym (słabszych od energii kinetycznej samych cząstek) cząsteczki i atomy fazy gazowej poruszają się swobodnie. Zderzenia pomiędzy cząstkami mają charakter sprężysty. Wszelkie gazy charakteryzują się dużą ściśliwością i tak jak ciecze nie mają zdefiniowanego kształtu – szczelnie wypełniają naczynie, przybierając w ten sposób jego formę. 

Ciekawym zjawiskiem jest stan nadkrytyczny, występujący po przekroczeniu ciśnienia i temperatury punktu krytycznego (punkt przemiany układu fizycznego z jednego stanu skupienia w drugi). Posiada on właściwości pośrednie pomiędzy cieczą a gazem – granica pomiędzy tymi dwiema fazami ulega zatarciu. 

Plazma podobnie jak gaz nie posiada określonej objętości oraz kształtu i budujące ją cząsteczki poruszają się swobodnie. Jednak w odróżnieniu od fazy gazowej plazma przewodzi prąd elektryczny i wytwarza pole magnetyczne. Podatność plazmy na działanie sił elektromagnetycznych wynika z jej budowy – składa się z silnie zjonizowanych atomów lub cząsteczek oraz wolnych elektronów. Molekuły tworzące plazmę mają bardzo dużą energię, przez co zderzenia między nimi nie są sprężyste i prowadzą do jonizacji lub wzbudzenia. Przemiana gazu w postać plazmy może nastąpić pod wpływem ekstremalnie wysokich temperatur lub ogromnej różnicy napięć elektrycznych pomiędzy dwoma punktami w przestrzeni. Plazma występuje m.in. w jądrach gwiazd. Co więcej, można wyróżnić plazmy kwarkowe oraz neutronowe, które zbudowane się z odpowiednio kwarków oraz neutronów.