Агрегатно състояние е състояние на веществото, което се характеризира с определени качествени свойства. Четири агрегатни състояния могат да се наблюдават в ежедневието – твърдо, течно, газообразно и плазма. Известни са и други агрегатни състояния, които могат да съществуват само при екстремни условия, например Бозе-Айнщайнова кондензация, неутронно изродена материя или кварк-глуонна плазма, които възникват съответно при крайно ниска температура, крайно висока плътност и крайно високоенергийно цветнозаредено вещество. Някои други агрегатни състояния се смятат за възможни, но не са наблюдавани експериментално. Най-разпространеното агрегатно състояние във Вселената е плазмата, на която се падат около 99% от видимата материя, включително основната маса на звездите.
В миналото разграничението между агрегатните състояния е правено въз основа на качествени разлики между тях. Веществото в твърдо състояние запазва постоянен обем и форма, като съставните частици (атоми, молекули или йони) са близки една до друга и с постоянно положение. Течните вещества имат постоянен обем, но променлива форма, изменяща се според съда, в който се намират, техните частици са близко разположени, но се движат свободно. Газообразната материя има променлив обем и форма, зависещи от съда, а частиците ѝ са раздалечени и подвижни. В плазмено състояние веществото е с променлива форма и обем, но освен неутрални атоми съдържа и значително количество свободно движещи се йони и електрони.
Веществата могат да преминават от едно агрегатно състояние в друго, като това се съпровожда със скокообразно изменение на свободната енергия, плътността, ентропията и други основни физически характеристики. Често дадено агрегатно състояние се нарича и фаза, затова тези промени се наричат фазови преходи. Така например топенето е фазов преход, при който твърдо вещество преминава в течно, което обикновено става при повишаване на температурата над определена граница, наричана температура на топене.
Четирите фундаментални състояния Твърдо състояние
Твърдо се нарича агрегатното състояние, характеризиращо се със способност на веществото да запазва обема и формата си. Частиците (йони, атоми или молекули) в твърдите тела са разположени близо една до друга. Свързващите ги сили са силни и те не могат да се движат свободно, а само извършват слаби трептения около състоянието си на равновесие. На това се дължи устойчивата и определена форма и обем. Твърдите тела променят формата си само под действието на сила, например при счупване или срязване.
В зависимост от това как са подредени атомите в твърдите тела, се наблюдава по-голяма подреденост (далечен порядък) и по-малка (близък порядък) и веществата се делят съответно на кристални и аморфни. При кристалните твърди вещества частиците (атоми, молекули или йони) са разположени в определен порядък. Съществуват различни видове кристални структури и едно и също вещество може да има повече от една такава структура (твърда фаза). Например, желязото има кубична обемноцентрирана структура при температури под 912 °C и кубична стенноцентрирана структура между 912 и 1394 °C. Ледът има петнадесет известни кристални структури (твърди фази), които съществуват при различни температури и налягания. Стъклото и други некристални (аморфни) твърди вещества без далечен порядък не са основни състояния в топлинно равновесие и понякога са определяни като некласичски агрегатни състояния.
Твърдите вещества могат да се превръщат в течности чрез топене, а течностите да преминават в твърдо състояние чрез замръзване. Директният преход на твърдо вещество в газ се нарича сублимация, а обратният, от газ в твърдо вещество – десублимация.
Течност
Течностите са почти несвиваеми флуиди, които заемат формата на съда, в който се намират, но запазват почти постоянен обем независимо от налягането. Когато твърдо вещество се загрее над температурата на топене, то се превръща в течност, стига налягането да е по-високо от тройната точка на веществото. Силите между частиците (атоми, молекули или йони) са значителни, но те имат достатъчно енергия, за да се придвижват една спрямо друга и структурата е подвижна. Това означава, че формата на течността не е определена, а зависи от съда. Обемът обикновено е по-голям от този на съответното твърдо вещество, като най-известното изключение е водата (H2O). Най-високата температура, при която дадена течност може да съществува, е нейната критична точка. На границата с другите тела междумолекулните сили се проявяват като повърхностно напрежение. При определени условия настъпва втвърдяване или изпарение на течностите.
Само два химични елемента са течности при стайна температура – живак и бром. Най-важната течност е водата, която е от съществено значение за поддържане живота на Земята.
Газ
Газът е свиваем флуид, който не само заема формата на съда, в който е поставен, но и може да се разшири, за да го изпълни. Частиците (молекули, атоми или йони) в газовете имат достатъчна кинетична енергия, за да преодолее до голяма степен (или напълно при идеален газ) ефекта на действащите между тях сили, като обикновено разстоянието между съседните частици е много по-голямо от техния размер. Газът няма определена форма и обем, а заема целия съд, в който е поставен. При атмосферно налягане обемът на едно вещество в газообразно състояние е около 1000 пъти по-голям от обема на съответната течност.
Течностите могат да се превърнат в газове чрез загряване при постоянно налягане до температурата на кипене или чрез намаляване на налягането при постоянна температура. При температури под критичната точка газовете се наричат пара и могат да бъдат втечнени само чрез повишаване на налягането, без охлаждане. Парата може да съществува в равновесие с течност (или твърдо вещество), като в този случай се нарича наситена пара.
Надкритичните флуиди са газове с температура и налягане съответно над критичната температура и налягане – в това състояние разграничението между течност и газ изчезва. Надкритичните флуиди имат физичните свойства на газ, но в някои случаи голямата плътност му придава свойства на разтворител, което им дава някои полезни приложения. Например, надкритичният въглероден диоксид се използва за екстракция на кофеин при производството на безкофеиново кафе.
Плазма
Плазмата е цялостно или частично йонизирано вещество с голяма относителна концентрация на йоните, еднаква или почти еднаква за положителните и отрицателните йони, чиято скорост на движение под действието на външно електрическо поле е по-малка от топлинната им скорост на движение. Подобно на газовете, плазмата няма определена форма или обем, но за разлика от тях тя е електропроводима, създава магнитни полета и електрически ток и реагира силно на електромагнитни сили.
Явлението е открито през 1879 година, а названието плазма получава през 1928 г. Плазмата е най-разпространеното състояние на материята във Вселената – среща се в йоносферата, в светкавиците, в звездните атмосфери, където температурата на най-горещите звезди достига до 60 000 K, в планетарни мъглявини и други. Тя играе важна роля в космическите процеси, тъй като в нея протичат естествените термоядрени реакции – източник на звездната енергия. Изкуствено се създава при някои газови разряди, при електрическа дъга, електрическа искра и други. Плазмата изпълва разрядното пространство на газоразрядните лампи. Интересно приложение има в плазмените дисплеи.
Характерно свойство на плазмата е възможността в нея да възникват електромагнитни трептения на йоните с много широк честотен спектър – от звукова честота до честоти от порядъка на милиони трептения в секунда. Интересът към плазмата е силно повишен във връзка с проблемите на управляемите термоядрени реакции, при които е необходимо получаване на плазма с много висока температура. Действието на подходящи силни магнитни полета служи за задържане на плазмата в дадено пространство и откъсване от стените на съда, което води до стабилизиране и термоизолация. Така може да се получи плазма с температура няколко десетки милиона келвина, а се очаква и до няколкостотин милиона градуса, достатъчна за протичане на термоядрена реакция. Не са преодолени всички трудности при образуването на напълно стабилна, дълготрайна, високотемпературна плазма, необходима за получаване на енергия за сметка на ядрен синтез.
Газовете обикновено се трансформират в плазма чрез прилагане на голямо електрическо напрежение между две точки или чрез нагряването им до висока температура. Силното нагряване на веществото позволява на електроните да напуснат атомите и създават среда от свободни електрони. При много високи температури, като тези в звездите, се смята, че практически всички електрони са свободни и такава високоенергийна плазма представлява всъщност голи атомни ядра в среда от електрони.
Фазови преходи
Агрегатните състояния се характеризират и чрез фазовите преходи – резки промени в структурата и свойствата при преминаване от едно състояние в друго. Отделните агрегатни състояния могат да се дефинират и като набор от термодинамични състояния, разграничен от всеки друг набор състояния чрез фазов преход. Например, водата има няколко отделни твърди състояния. Появата на свръхпроводимост е свързана с фазов преход, следователно съществува свръхпроводимо агрегатно състояние. По подобен начин феромагнитните състояния са разграничени от фазови преходи и имат различни свойства. Когато промяната на агрегатното състояние се осъществява на няколко етапа, междинните стъпки се наричат мезофази. Такива мезофази намират приложение в технологията на течните кристали.
Фазов преход е преминаването от една фаза в друга. Преминаването от едно агрегатно състояние в друго е частен случай на смяна на фазата. То се извършва чрез изпарение, втечняване, кристализация, сублимация, топене и други. Извършва се когато се създават или разкъсват значително количество физични връзки между молекулите на веществото при съответно поглъщане или отделяне на енергия. При това се променят физични характеристики като плътност, вискозитет, оптични свойства.
Агрегатното състояние на дадено вещество може да се променя в зависимост от налягането и температурата, преминавайки в друго състояние. Например твърдите вещества преминават в течности с нарастване на температурата. Близо до абсолютната нула всички вещества са в твърдо състояние. При нарастване на температурата, те се превръщат в течности при температурата на топене и в газ при температурата на кипене, а при продължаващо нагряване достигат състояние на плазма.
Вещества, които не са съставени от молекули, а се структурират от други сили, също могат да се разглеждат като агрегатни състояния. Примери за това са свръхфлуидите, като фермионния кондензат, или кварк-глуонната плазма.
Некласически състояния Стъкла и пластични кристали
Стъклото е некристално или аморфно твърдо вещество, което преминава през фазов преход при нагряване до течно състояние. Стъклата в общ смисъл могат да бъдат формирани от широко разнообразие материали – неорганични структури (като обичайното стъкло, получавано от силикат с добавки), метални сплави, йонни стопилки, водни разтвори, молекулни течности и полимери. От термодинамична гледна точка стъклото е в метастабилно състояние по отношение на кристалното си съответствие, но степента на преминаване между двете състояния е практически нулева.
Пластичните кристали са молекулни твърди вещества с подредена структура, но при тях съставните молекули запазват ротационна свобода, а при ориентационното стъкло тази степен на свобода е отнета, но частиците са заели произволна позиция. По подобен начин в спиновото стъкло е замразен магнитния безпорядък.
Течни кристали