7.1. Агрегатные состояния вещества

     Если пространственно разнесенные части термодинамической системы имеют различный химический состав и, соответственно, образованы различными веществами, то в этом случае явления на границе раздела кроме теплопередачи и обмена веществом могут быть связаны с протеканием тех или иных химических реакций. В случае, когда имеется система, части которой образованы одним и тем же веществом, находящимся в разных состояниях, то переход этого вещества через границу раздела не будет сопровождаться протеканием химических реакций, но при этом состояние вещества может изменяться.

     Состояние вещества связано с условиями, в которых оно находится. Одно и тоже вещество в различных интервалах температур и давлений может находиться в состояниях, отличающихся друг от друга по своим физическим, в первую очередь механическим свойствам. Эти состояния одного и того же вещества называются агрегатными состояниями. Примерами агрегатных состояний окиси водорода являются: лед, вода и водяной пар. Выделяют три основных агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное.

     Четвертым основным агрегатным состоянием вещества считается плазма. Так называют сильно ионизированный газ с высокой относительной концентрацией заряженных частиц, который в целом электрически нейтрален. Далее такое состояние вещества нами рассматриваться не будет. Отметим только, что плазма является самым распространённым состоянием вещества во Вселенной, так как из неё состоит большинство звезд. Примером низкотемпературной плазмы, наблюдаемой в земных условиях, является пламя, представляющее собой сильно разогретый, частично ионизированный газ, возникающий в процессе горения.

     Кроме плазмы во Вселенной встречаются такие специфические состояния вещества как нейтронная жидкость (из неё состоят нейтронные звезды) и вырожденная плазма (состоящая из полностью ионизированных ядер и электронов). Эти состояния встречаются при сверхвысоких давлениях и температурах.

     Твердое, жидкое и газообразное состояния веществ различаются, прежде всего, подвижностью атомов и молекул, из которых состоят эти вещества. В газах и жидкостях частицы совершают хаотическое поступательное движение, а в твердых веществах - колебательное движение вокруг положения равновесия. Различие между газами и жидкостями заключается в том, что в жидкостях расстояние между молекулами сравнимо с их размерами, и поэтому потенциальная энергия взаимодействия молекул сравнима по величине с энергией их теплового движения. Это приводит к тому, что тепловое движение молекул жидкости затруднено по сравнению с молекулами газа. Потенциальной энергии взаимодействия молекул жидкости недостаточно для сохранения устойчивой межмолекулярной структуры, как это наблюдается для твердых тел. Поэтому в жидкостях, в отличие от твердых кристаллических тел, в которых существует дальний порядок, наблюдается только некоторое упорядочение положения близлежащих частиц, то есть ближний порядок. По этой причине жидкость легко принимает форму сосуда, предоставленного ей. Это отличает её от твердых кристаллических тел, в которых существует упорядоченная межатомная структура - кристаллическая решетка.

     Среди твердых тел существует особый класс тел - аморфные тела, занимающие промежуточное положение между кристаллическими телами и жидкостями. Для них характерно долговременное сохранение формы, но при этом их атомы не образуют упорядоченную кристаллическую решетку.

     Среди жидкостей так же выделяется особый класс - жидкие кристаллы, механические свойства которых близки к свойствам жидкости, но при этом для них, так же как и для твердых кристаллических тел, характерно наличие анизотропии свойств. Такое состояние возможно у веществ с большими протяжёнными молекулами, например у органических соединений. Молекулы жидких кристаллов могут достаточно легко совершать поступательные перемещения, сохраняя при этом свою ориентацию в пространстве. Анизотропия жидких кристаллов особенно проявляется в их оптических свойствах, что позволяет использовать их в устройствах формирования изображения.

     Отметим, что одному и тому же агрегатному состоянию могут соответствовать несколько различных по своим свойствам состояний одного и того же вещества. Примерами этого являются различные модификации кристаллической решетки у твердых тел, отличающиеся симметрией, или состояния жидкого гелия - He I и He II, первое из которых обладает вязкостью, а второе - сверхтекучее.