Stan skupienia materii

Stan skupienia materii - podstawowa forma, w jakiej występuje substancja, określająca jej podstawowe własności fizyczne.

Własności substancji wynikają z układu oraz zachowania cząsteczek tworzących daną substancję.

Bardziej precyzyjnym określeniem form występowania substancji jest faza materii.

Tradycyjny podział stanów skupienia

Tradycyjny, pochodzący z XVII w. podział stanów skupienia, wyróżnia trzy takie stany (w nawiasach nazwy substancji w tym stanie):

• stały (ciało stałe)

• ciekły (ciecz)

• lotny (gaz)

Podział ten wynika z podstawowych własności substancji w danym stanie:

• stały - trudno zmienić objętość i kształt,

• ciekły - trudno zmienić objętość, a kształt łatwo,

• lotny - łatwo zmienić objętość i kształt, ciało zajmuje całą dostępną mu przestrzeń.

Występowanie większości substancji w danym stanie skupienia zależy od panujących w niej warunków termodynamicznych, czyli ciśnienia i temperatury, np. woda pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym 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 wcześniejszych warunków, jakie w nich panowały, lecz zazwyczaj jeden ze stanów jest uprzywilejowany i substancja może samorzutnie przejść do tego stanu.

Fazy materii

Własności ciał w poszczególnych stanach zależą od układu cząsteczek (Atomów) budujących 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 układem cząsteczek w ciele.

Mogą nawet występować sytuacje, w których istnieją w jednym ciele, w jednym momencie różne układy cząsteczek.

W szczególności okazało się, że stały i ciekły stan skupienia może być realizowany na wiele różnych sposobów.

Sposoby te są nazywane fazami materii. Ilość niezależnych składników, ilość faz w układzie oraz ilość 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 energii jest proporcjonalna do masy substancji zmieniającej fazę, co można opisać wzorem:


zwanej też ciepłem przemiany fazowej, gdzie (m) masa, (L) jednostkowe ciepło przemiany fazowej.

Możliwe zależności ciepła właściwego (C) w zależności od temperatury (T) w okolicy przemiany fazowej.

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

Nazwy przemian fazowych		Stan początkowy
				stały	ciekły	gazowy
Stan końcowy	stały		krzepnięcie	resublimacja
		ciekły	topnienie		skraplanie
		gazowy	sublimacja	parowanie

---