Stan skupienia materii


Stan skupienia materii – podstawowa forma, w jakiej występuje substancja, określająca jej podstawowe właściwości fizyczne. Właściwości substancji wynikają z układu oraz zachowania cząsteczek tworzących daną substancję. Bardziej precyzyjnym określeniem form występowania substancji jest faza materii.

Spis treści

Uproszczony podział stanów skupienia


Tradycyjny podział stanów skupienia wyróżnia trzy takie stany[1]:

Podział ten, pochodzący z XVII wieku, wynika z podstawowych właściwości substancji w danym stanie:

Występowanie większości substancji w danym stanie skupienia zależy od warunków termodynamicznych, czyli ciśnienia i temperatury, np. woda pod ciśnieniem normalnym w temperaturze poniżej 0 °C jest ciałem stałym, w temperaturach od 0 do 100 °C jest cieczą, a powyżej 100 °C staje się gazem.

Niektóre substancje w identycznych warunkach mogą występować w różnych stanach skupienia w zależności od tego, w jakim stanie były przed zmianą warunków (przechłodzenie, przegrzanie). Substancja przechłodzona lub przegrzana może samorzutnie przejść do innego stanu skupienia. Różne fazy danej substancji mogą również współistnieć w tych samych warunkach, np. układ ciecz-para.

Fazy materii


Właściwości ciał w poszczególnych stanach zależą od ułożenia cząsteczek (lub atomów), z których zbudowane jest to ciało. Z tego punktu widzenia ten stary podział jest prawdziwy tylko dla niektórych substancji, gdyż badania naukowe wykazały, że to, co wcześniej uważano za jeden stan skupienia, można w rzeczywistości podzielić na wiele faz materii, różniących się konfiguracją cząsteczek. Mogą nawet występować sytuacje, w których w jednym ciele równocześnie cząsteczki mogą być ułożone w różny sposób. W szczególności okazało się, że stały i ciekły stan skupienia może być realizowany na wiele różnych sposobów. Sposoby te są nazywane fazami materii. Liczba niezależnych składników, liczba faz w układzie oraz liczba zmiennych intensywnych (np. ciśnienie, temperatura), które można zmieniać bez jakościowej zmiany układu, opisuje ważna reguła faz Gibbsa.

Zmiana fazy materii może wymagać dostarczenia lub odebrania energii, wówczas ilość przepływającej energii (ciepła Q) jest proporcjonalna do masy substancji zmieniającej fazę i można wyrazić ją wzorem:

\({\displaystyle Q=m{L}}\)
m – masa,
L – ciepło przemiany fazowej (np. ciepło topnienia, ciepło skraplania).

Niektóre przemiany fazowe przebiegają bez dostarczenia lub odebrania energii, o zmianie fazy wnioskujemy na podstawie skokowej zmiany niektórych wielkości opisujących to ciało.

Opisem procesów zmian pomiędzy fazami zajmuje się teoria przejść fazowych, zwana także czasem teorią zjawisk krytycznych.

Wykresy fazowe są często stosowaną w fizyce graficzną reprezentacją rzeczywistego fazowego zachowania się danej substancji. Mają one na osiach ciśnienie i temperaturę. Linie oznaczają warunki, w których dochodzi do przemian fazowych, zaś obszary między nimi wyznaczają warunki, w których dana faza jest stabilna.

W przypadku substancji składających się z jednego rodzaju atomów lub jednego rodzaju cząsteczek, które tak jak woda posiadają tylko trzy fazy – krystaliczną, ciekłą i gazową, wykres ten przybiera zazwyczaj następującą postać:

Strzałki przedstawiają przemiany fazowe:

  • S – sublimacja – przejście od fazy krystalicznej do gazowej
  • R – resublimacja – przejście od fazy gazowej do krystalicznej
  • T – topnienie – przejście z fazy krystalicznej (lub amorficznej) do fazy ciekłej
  • K – krzepnięcie – przejście od fazy ciekłej do fazy krystalicznej lub amorficznej
  • P – parowanie, wrzenie – przejście od fazy ciekłej do gazowej
  • Sk – skraplanie – przejście od fazy gazowej do ciekłej
Stan początkowy
stały ciekły gazowy
Stan końcowy stały krzepnięcie resublimacja
ciekły topnienie skraplanie
gazowy sublimacja parowanie

Dla substancji bardziej złożonych lub zdolnych do tworzenia większej liczby faz wykres ten przybiera często zupełnie inny kształt.

Poniższy diagram przedstawia stany równowagi fazowej dla roztworu węgla w żelazie (linia ciągła dotyczy roztworu cementytu w żelazie, a linia przerywana – roztworu grafitu w żelazie). Z wykresu tego wynika podział stopów żelaza na stal (0–2,11% C) i żeliwo (2,11–6,67% C) oraz właściwości różnych gatunków stali. Każdy obszar odpowiada stanowi stabilnemu jednej z form, szybkie chłodzenie stali powoduje zachowanie układu cząsteczek fazy z wyższej temperatury w temperaturach pokojowych (tzw. hartowanie i obróbka cieplna stali).

Osobny artykuł: Stop żelaza z węglem.

Pełny podział stanów skupienia


W najobszerniejszej dotąd opublikowanej klasyfikacji występuje 500 stanów skupienia[2]. Nie każda zmiana wyglądu danej substancji musi od razu wiązać się z faktyczną zmianą fazy. Wiele substancji – zwłaszcza tych, które są mieszaninami różnych związków chemicznych – może występować naraz w dwóch lub więcej fazach. W substancjach takich występują wtedy tzw. domeny, czyli małe obszary różnych faz, które łącznie tworzą tzw. mikrostrukturę danej substancji. Zjawisko to występuje np. w szkle oraz w stopach metali, gdzie występują domeny fazy krystalicznej i fazy amorficznej.
W fizyce przyjmuje się, że dana substancja istnieje w dwóch różnych fazach, gdy:

Aktualnie w fizyce przyjmuje się istnienie następujących faz:

Zobacz też


Przypisy


  1. Stany skupienia materii , [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2021-07-22].
  2. The 500 phases of matter: Entering a new phase , phys.org [dostęp 2017-11-26] (ang.).
Źródło: „https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Stan_skupienia_materii&oldid=65546607

Menu nawigacyjne


<



Facebook Twitter WhatsApp Telegram e-mail





Kategorie: Termodynamika | Właściwości fizyczne




Informacje na dzień: 10.12.2021 02:55:17 CET

Źródło: Wikipedia (Autorzy [Historia])    Licencja: CC-BY-SA-3.0

Zmiany: Wszystkie zdjęcia i większość powiązanych z nimi elementów projektu zostały usunięte. Niektóre ikony zostały zastąpione przez FontAwesome-Icons. Niektóre szablony zostały usunięte (np. „Artykuł wymaga rozszerzenia) lub przypisane (np.„ Przypisy ”). Klasy CSS zostały usunięte lub zharmonizowane.
Usunięto linki do Wikipedii, które nie prowadzą do artykułu lub kategorii (takie jak „Redlinki”, „linki do strony edycji”, „linki do portali”). Każde łącze zewnętrzne ma dodatkową ikonę FontAwesome. Oprócz drobnych zmian w projekcie usunięto kontener multimediów, mapy, pola nawigacji, wersje mówione i geomikroformaty.

Proszę zanotować: Ponieważ podana treść jest automatycznie pobierana z Wikipedii w danym momencie, ręczna weryfikacja była i nie jest możliwa. Dlatego LinkFang.org nie gwarantuje dokładności i aktualności pozyskanych treści. Jeśli istnieją informacje, które są obecnie niepoprawne lub mają niedokładny wygląd, prosimy o Skontaktuj się z nami: e-mail.
Zobacz też: Znak firmowy wydawcy & Polityka prywatności.