Kokoamistila

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 14. heinäkuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 16 muokkausta .

Aineen aggregaattitila ( latinan  sanasta aggrego "kiinni") - aineen fysikaalinen tila , riippuen sopivasta lämpötilan ja paineen yhdistelmästä . Aggregaatiotilan muutokseen voi liittyä hyppymäinen muutos vapaassa energiassa , entropiassa , tiheydessä ja muissa fysikaalisissa suureissa . [yksi]

Perinteisesti aggregaatiotilaa on kolme: kiinteä , nestemäinen ja kaasumainen . Aggregaatiotiloihin kuuluu myös plasma [2] , johon kaasut kulkeutuvat lämpötilan noustessa ja kiinteällä paineella. Erottuva piirre on plasmatilaan siirtymisen terävän rajan puuttuminen. On muitakin aggregaatiotiloja.

Aggregaattitilan määritelmät eivät aina ole tiukkoja. Joten on olemassa amorfisia kappaleita , jotka säilyttävät nesteen rakenteen ja joilla on vähän juoksevuutta ja kykyä säilyttää muoto; nestekiteet ovat nestemäisiä, mutta samalla niillä on joitain kiinteiden aineiden ominaisuuksia, erityisesti ne voivat polarisoida niiden läpi kulkevan sähkömagneettisen säteilyn .

Fysiikan eri tilojen kuvaamiseen käytetään laajempaa termodynaamisen vaiheen käsitettä . Ilmiöitä, jotka kuvaavat siirtymiä vaiheesta toiseen, kutsutaan kriittisiksi ilmiöiksi .

Pääasiallinen termodynaaminen (fenomenologinen) merkki aineen aggregaattitilan tyyppien erosta on energiarajan olemassaolo faasien välillä: haihtumislämpö nesteen ja sen höyryn rajana ja sulamislämpö kiinteän aineen ja nesteen välinen raja [3] .

Neljä perustilaa

Kiinteä runko

Kiinteässä tilassa aine säilyttää sekä muodon että tilavuuden. Alhaisissa lämpötiloissa kaikki aineet jäätyvät - muuttuvat kiinteiksi aineiksi. Kiinteytyslämpötilaa voidaan hieman nostaa lisäämällä painetta. Kiinteät aineet jaetaan kiteisiin ja amorfisiin. Mikroskooppisesta näkökulmasta kiinteille aineille on ominaista se, että niissä olevat molekyylit tai atomit säilyttävät keskimääräisen asemansa muuttumattomana pitkään, vain värähtelevät niiden ympärillä pienellä amplitudilla. Kiteissä atomien tai molekyylien keskimääräiset paikat ovat tiukasti järjestyksessä. Kiteille on ominaista spatiaalinen jaksollisuus atomien tasapainoasemien järjestelyssä, joka saavutetaan pitkän kantaman järjestyksen läsnäololla ja jota kutsutaan kidehilaksi. Kiteiden luonnollinen muoto on säännöllisiä monitahoja.

Amorfisissa kappaleissa atomit värähtelevät satunnaisesti sijaitsevien pisteiden ympärillä, niiltä puuttuu pitkän kantaman järjestys, mutta ne säilyttävät lyhyen kantaman järjestyksen, jossa molekyylit sijaitsevat lähellä etäisyyksiä, jotka ovat verrattavissa molekyyleissä olevien atomien välisiin etäisyyksiin. Klassisten käsitteiden mukaan kiinteän kappaleen vakaa tila (minimillä potentiaalienergialla) on kiteinen. Amorfisen tilan erikoistapaus on lasimainen tila. Amorfinen kappale on metastabiilissa tilassa ja sen täytyy ajan myötä siirtyä kiteiseen tilaan, mutta kiteytymisaika on niin pitkä, että metastabiilisuus ei esiinny ollenkaan. Amorfista kappaletta voidaan pitää nesteenä, jolla on erittäin korkea (usein äärettömän korkea) viskositeetti. Kiteisillä kiinteillä aineilla on anisotrooppisia ominaisuuksia, eli niiden vaste kohdistetuille ulkoisille voimille riippuu voimien suunnasta suhteessa kristallografisiin akseleihin. Kiinteässä tilassa aineilla voi olla monia faaseja, jotka eroavat rakenteeltaan tai muista ominaisuuksista, kuten spinien järjestyksestä ferromagneeteissa.

Fluid

Nestemäisessä tilassa aine säilyttää tilavuuden, mutta ei säilytä muotoaan. Nestemäistä tilaa pidetään yleensä kiinteän aineen ja kaasun välissä. Nestekappaleiden muoto voi määräytyä kokonaan tai osittain sen perusteella, että niiden pinta käyttäytyy elastisen kalvon tavoin. Joten vesi voi kerääntyä pisaroihin. Sekoituksella ja lämpötilaerolla nesteen sisällä ja pinnalla neste pystyy virrata kiinteän pinnansa alle. Nesteen molekyyleillä ei ole tiettyä asemaa, mutta samalla niillä ei ole täydellistä liikkumisvapautta. Heidän välillään on vetovoima, joka on tarpeeksi vahva pitääkseen heidät lähellä. Nestemäisessä tilassa oleva aine esiintyy tietyllä lämpötila-alueella, jonka alapuolella se siirtyy kiinteään tilaan (kiteytyy tai muuttuu kiinteään amorfiseen tilaan - lasi), yläpuolella - kaasumaiseen tilaan (haihtumista tapahtuu). Tämän intervallin rajat riippuvat paineesta. Nestemäisessä tilassa olevalla aineella on yleensä vain yksi muunnos. (Tärkeimmät poikkeukset ovat kvanttinesteet ja nestekiteet.) Siksi useimmissa tapauksissa neste ei ole vain aggregaatiotila, vaan myös termodynaaminen faasi (nestefaasi). Kaikki nesteet jaetaan yleensä puhtaisiin nesteisiin ja seoksiin. Jotkut nesteiden seokset ovat tärkeitä elämän kannalta: veri, merivesi jne. Nesteet voivat toimia liuottimina. Kuten kaasu, myös nesteet ovat enimmäkseen isotrooppisia. On kuitenkin olemassa nesteitä, joilla on anisotrooppisia ominaisuuksia - nestekiteitä . Isotrooppisen, ns. normaalifaasin lisäksi näillä aineilla, mesogeeneillä, on yksi tai useampi järjestetty termodynaaminen faasi, joita kutsutaan mesofaseiksi . Koostumus mesofaasiin tapahtuu nestekidemolekyylien erityisen muodon vuoksi. Yleensä nämä ovat pitkiä, kapeita molekyylejä, jotka hyötyvät pinoamisesta siten, että niiden akselit osuvat yhteen.

Kaasu

Kaasumaiselle olomuodolle on ominaista se, että se ei säilytä muotoa tai tilavuutta. Lisäksi se täyttää koko käytettävissä olevan volyymin. Tämä tila on ominaista aineille, joilla on pieni tiheys. Siirtymistä nestemäisestä tilasta kaasumaiseen kutsutaan haihdutukseksi ja päinvastaista siirtymistä kaasumaisesta nestemäiseen tilaan kutsutaan kondensaatioksi. Siirtymistä kiinteästä tilasta kaasumaiseen tilaan, joka ohittaa nestemäisen tilan, kutsutaan sublimaatioksi tai sublimaatioksi. Mikroskooppisesta näkökulmasta katsottuna kaasu on aineen tila, jossa sen yksittäiset molekyylit vuorovaikuttavat heikosti ja liikkuvat satunnaisesti. Niiden välinen vuorovaikutus rajoittuu satunnaisiin yhteenotoihin. Molekyylien kineettinen energia ylittää potentiaalin. Kuten nesteet, kaasut ovat nestemäisiä ja kestävät muodonmuutoksia. Toisin kuin nesteillä, kaasuilla ei ole kiinteää tilavuutta eivätkä ne muodosta vapaata pintaa, vaan pyrkivät täyttämään koko käytettävissä olevan tilavuuden (esimerkiksi astian). Kaasujen ja niiden seosten kemialliset ominaisuudet ovat hyvin erilaisia ​​- matala-aktiivisista inerttistä kaasuista räjähtäviin kaasuseoksiin. "Kaasun" käsite ulotetaan joskus paitsi atomien ja molekyylien aggregaatteihin, myös muiden hiukkasten - fotonien, elektronien, Brownin hiukkasten ja myös plasman - aggregaatteihin. Joillakin aineilla ei ole kaasumaista tilaa. Nämä ovat monimutkaisen kemiallisen rakenteen omaavia aineita, jotka lämpötilan noustessa hajoavat kemiallisten reaktioiden seurauksena ennen kuin ne muuttuvat kaasuksi. Yhdellä aineella ei ole erilaisia ​​kaasumaisia ​​termodynaamisia faaseja. Kaasuille on ominaista isotropia, eli ominaisuuksien riippumattomuus suunnasta. Ihmisille tutuissa maanpäällisissä olosuhteissa kaasulla on sama tiheys missä tahansa pisteessä, mutta tämä ei ole universaali laki, ulkoisissa kentissä, esimerkiksi maan vetovoimakentässä tai eri lämpötiloissa kaasun tiheys voi vaihdella pisteestä pisteeseen. Aineen kaasumaista tilaa olosuhteissa, joissa saman aineen stabiilin nestemäisen tai kiinteän faasin olemassaoloa kutsutaan yleensä höyryksi.

Plasma

Aineen neljättä aggregaatiotilaa kutsutaan usein plasmaksi. Plasma on osittain tai täysin ionisoitunut kaasu, ja se esiintyy tasapainossa yleensä korkeassa lämpötilassa, useista tuhansista K [1] ja korkeammissa lämpötiloissa. Maanpäällisissä olosuhteissa plasmaa muodostuu kaasupurkauksissa. Sen ominaisuudet muistuttavat kaasumaisen aineen ominaisuuksia, paitsi että sähködynamiikalla on keskeinen rooli plasmassa, eli sähkömagneettinen kenttä on plasman yhtäläinen komponentti ionien ja elektronien kanssa.

Plasma on maailmankaikkeuden yleisin aineen tila . Tässä tilassa on tähtien aine ja aine, joka täyttää planeettojen välisen , tähtienvälisen ja galaktisen tilan . Suurin osa maailmankaikkeuden baryonisesta aineesta (noin 99,9 massaprosenttia) on plasmatilassa. [4] .

Vaiheen muutos

Vaiheenmuutos faasikaaviota pitkin ja sen intensiivisten parametrien ( lämpötila , paine jne.) muutos tapahtuu, kun järjestelmä ylittää kaksi vaihetta erottavan linjan. Koska eri termodynaamisia faaseja kuvataan eri tilayhtälöillä , on aina mahdollista löytää suure, joka muuttuu äkillisesti faasisiirtymän aikana.

Ensimmäisen tyyppisen vaihesiirtymän aikana tärkeimmät, ensisijaiset laajat parametrit muuttuvat äkillisesti : ominaistilavuus , varastoidun sisäisen energian määrä , komponenttien pitoisuus jne. Toisen tyyppisiä vaihesiirtymiä esiintyy tapauksissa, joissa rakenteen symmetria aine muuttuu ( symmetria voi kadota kokonaan tai pienentyä).

Matalan lämpötilan tilat

Superfluidity

Aineen erityistilassa ( kvanttineste ), joka syntyy, kun lämpötila laskee absoluuttiseen nollaan ( termodynaaminen vaihe ), kyky virrata kapeiden rakojen ja kapillaarien läpi ilman kitkaa . Viime aikoihin asti superfluiditeetti tunnettiin vain nestemäisessä heliumissa , mutta viime vuosina superfluiditeettia on löydetty myös muista systeemeistä: harvinaisista atomi Bose-kondensaateista , kiinteästä heliumista .

Superfluiditeetti selitetään seuraavasti. Koska heliumatomit ovat bosoneja , kvanttimekaniikka sallii mielivaltaisen määrän hiukkasia olla samassa tilassa. Lähellä absoluuttista nollaa, kaikki heliumatomit ovat maaenergiatilassa. Koska tilojen energia on diskreetti, atomi ei voi vastaanottaa mitä tahansa energiaa, vaan vain sellaisen, joka on yhtä suuri kuin vierekkäisten energiatasojen välinen energiarako. Mutta matalissa lämpötiloissa törmäysenergia voi olla tätä arvoa pienempi, minkä seurauksena energian haihtumista ei yksinkertaisesti tapahdu. Neste virtaa ilman kitkaa.

Bose-Einstein-kondensaatti

Se saadaan jäähdyttämällä Bose-kaasu lämpötilaan, joka on lähellä absoluuttista nollaa. Tällaisessa vahvasti jäähtyneessä tilassa riittävän suuri määrä atomeja on mahdollisimman pienissä kvanttitiloissaan ja kvanttivaikutukset alkavat ilmetä makroskooppisella tasolla. Bose-Einstein-kondensaatilla on useita kvanttiominaisuuksia, kuten superfluiditeetti ja Feshbach-resonanssi .

Fermioninen kondensaatti

Se on Bose-kondensaatio BCS- tilassa "atomi-Cooper-parien" kaasuissa, jotka koostuvat fermioniatomeista . (Toisin kuin perinteisessä Bose-Einsteinin yhdistebosonien kondensaatiossa).

Tällaiset fermioniset atomikondensaatit ovat suprajohteiden "sukulaisia", mutta niiden kriittinen lämpötila on huonelämpötilaa korkeampi. [5]

Degeneroitunut kaasu

Kaasu , jonka ominaisuuksiin vaikuttavat merkittävästi sen hiukkasten identiteetistä johtuvat kvanttimekaaniset vaikutukset. Degeneraatiota tapahtuu olosuhteissa, joissa kaasuhiukkasten väliset etäisyydet tulevat suhteessa de Broglien aallonpituuteen ; hiukkasten spinistä riippuen erotetaan kahta tyyppiä degeneroituneita kaasuja - fermionien muodostama Fermi-kaasu (hiukkaset, joilla on puolikokonaisluku spin) ja Bose-kaasu, jonka muodostavat bosonit (hiukkaset, joilla on kokonaisluku spin).

Superfluid kiinteä

Kvanttinesteen termodynaaminen faasi , joka on kiinteä kappale , jolla on supernesteen ominaisuudet .

Korkean energian tilat

Glasma

Hadronikentän [6] tila , joka edeltää kvarkki-gluoniplasmaa törmäyksissä . Koostuu värillisistä virtaputkista. [7] Glasma on värilasikondensaatin teoreettisen mallin piirre , lähestymistapa voimakkaan vuorovaikutuksen kuvaamiseen suurilla tiheyksillä [8] .  

Glasma muodostuu, kun hadronit törmäävät toisiinsa (esimerkiksi protonit protonien kanssa, ionit ionien kanssa, ionit protonien kanssa). Uskotaan myös, että universumin evoluutiossa glasmatila edelsi kvarkkigluoniplasmaa, joka oli olemassa sekunnin ensimmäisissä miljoonasosissa välittömästi alkuräjähdyksen jälkeen . Glasman käyttöikä on muutama okto sekuntia [ 9] .

Quark-gluon plasma

Aineen tila korkeaenergisessä ja hiukkasfysiikassa , jossa hadroniaine siirtyy samanlaiseen tilaan kuin tavallisen plasman elektronit ja ionit . Sitä edeltää silmän tila [10] (silmä termistyy, eli tuhoutuu, jolloin syntyy monia satunnaisesti liikkuvia kvarkeja , antikvarkeja ja gluoneja : kvarkkigluoniplasma [11] ).

Korkeapainetilat

Neutronin tila

Pohjimmiltaan erilainen aineen tila, joka koostuu vain neutroneista. Aine siirtyy neutronitilaan ultrakorkealla paineella, jota ei vielä ole saatavilla laboratoriossa, mutta joka on olemassa neutronitähtien sisällä. Siirtyessään neutronitilaan aineen elektronit yhdistyvät protonien kanssa ja muuttuvat neutroneiksi. Tämä edellyttää, että painovoimat puristavat ainetta tarpeeksi voittamaan Paulin periaatteesta johtuvan elektronien hylkimisen . Tämän seurauksena neutronitilassa aine koostuu kokonaan neutroneista ja sen tiheys on ydinluokkaa. Aineen lämpötila ei tässä tapauksessa saa olla kovin korkea (energiaekvivalentteina, satoista MeV).

Muut osavaltiot

Pimeä aine

Aineen muoto , joka ei lähetä sähkömagneettista säteilyä tai ole vuorovaikutuksessa sen kanssa . Tämä tämän aineen muodon ominaisuus tekee sen suoran havainnoinnin mahdottomaksi . Pimeän aineen läsnäolo on kuitenkin mahdollista havaita sen luomien gravitaatiovaikutusten perusteella .

Pimeän aineen luonteen löytäminen auttaa ratkaisemaan piilomassan ongelman , joka koostuu erityisesti galaksien ulompien alueiden epätavallisen suuresta pyörimisnopeudesta .

Ylikriittinen neste

Aineen tila, jossa neste- ja kaasufaasin ero katoaa. Mikä tahansa aine, jonka lämpötila ja paine ylittää kriittisen pisteen, on ylikriittistä nestettä. Aineen ominaisuudet ylikriittisessä tilassa ovat kaasu- ja nestefaasin ominaisuuksien välissä. Siten SCF:llä on korkea tiheys, lähellä nestettä, alhainen viskositeetti, ja rajapinnan rajojen puuttuessa myös pintajännitys katoaa. Diffuusiokerroin on tässä tapauksessa nesteen ja kaasun välissä. Ylikriittisessä tilassa olevia aineita voidaan käyttää orgaanisten liuottimien korvikkeina laboratorio- ja teollisuusprosesseissa. Ylikriittinen vesi ja ylikriittinen hiilidioksidi ovat saaneet eniten kiinnostusta ja leviämistä tiettyjen ominaisuuksien yhteydessä.

Degeneroitunut aine

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ 1 2 Aineen aggregoidut tilat // A - Engobe. - M .  : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1969. - ( Great Soviet Encyclopedia  : [30 osassa]  / päätoimittaja A. M. Prokhorov  ; 1969-1978, osa 1).
  2. ↑ Aggregaattitilat // Fysikaalinen tietosanakirja  : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M .: Neuvostoliiton Encyclopedia (osa 1-2); Great Russian Encyclopedia (vols. 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
  3. ↑ Belokon, N.I. Termodynamiikan perusperiaatteet, 1968. - s. 25.
  4. ↑ Vladimir Ždanov. Plasma avaruudessa . Maailman ympäri . Haettu 21. helmikuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 22. elokuuta 2011.
  5. ↑ "Fermionic Condensate" (pääsemätön linkki) . science.ru. Haettu 16. kesäkuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 9. elokuuta 2011. 
  6. ↑ C. Fuchs, H. Lenske, H. H. Wolter. Dencity Dependent Hadron Field Theory . arxiv.org (29.06.1995). Haettu 30. marraskuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 16. marraskuuta 2017.
  7. ↑ I. M. Dremin, A. V. Leonidov. Quark-Gluon Medium , s. 1172. Edistykselliset fysikaaliset tieteet (marraskuu 2010). doi : 10.3367/UFNr.0180.201011c.1167 . UFN 180 1167–1196 (2010). Käyttöpäivä: 29. maaliskuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 5. huhtikuuta 2013.
  8. ↑ Teoreetikot kommentoivat ensin viimeaikaista CMS-löytöä . Käyttöpäivä: 4. helmikuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 4. helmikuuta 2015.
  9. ↑ Igor Ivanov. Kuinka he jakavat hetken . Elementy.ru (29.06.2009). Haettu 29. marraskuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 8. joulukuuta 2012.
  10. ↑ V.L. Lyhyt. Kuuman ydinaineen räjähdys S. 6. old.sinp.msu.ru. Käyttöpäivä: 29. maaliskuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 5. huhtikuuta 2013.
  11. ↑ Ydintörmäysten tutkiminen . Elements.ru . Haettu 30. lokakuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 30. lokakuuta 2013.
  12. ↑ Atomiytimien sulaminen tapahtuu kahdessa vaiheessa? . Haettu 1. helmikuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 21. tammikuuta 2015.

Kirjallisuus

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa