Como determinar o estado de uma substância. Estado de agregação

Questões sobre o que é um estado de agregação, quais são as características e propriedades dos sólidos, líquidos e gases, são discutidas em diversos cursos de formação. Existem três estados clássicos da matéria, com características estruturais próprias. Sua compreensão é um ponto importante na compreensão das ciências da Terra, dos organismos vivos e das atividades industriais. Essas questões são estudadas pela física, química, geografia, geologia, físico-química e outras disciplinas científicas. Substâncias que, sob certas condições, estão em um dos três tipos básicos de estado podem mudar com o aumento ou diminuição da temperatura e da pressão. Consideremos possíveis transições de um estado de agregação para outro, tal como ocorrem na natureza, na tecnologia e na vida cotidiana.

O que é um estado de agregação?

A palavra de origem latina "aggrego" traduzida para o russo significa "juntar-se". O termo científico refere-se ao estado do mesmo corpo, substância. A existência de sólidos, gases e líquidos a certas temperaturas e diferentes pressões é característica de todas as conchas da Terra. Além dos três estados básicos de agregação, existe também um quarto. Em temperatura elevada e pressão constante, o gás se transforma em plasma. Para entender melhor o que é um estado de agregação, é necessário lembrar as menores partículas que constituem as substâncias e os corpos.

O diagrama acima mostra: a - gás; b—líquido; c é um corpo sólido. Nessas imagens, os círculos indicam os elementos estruturais das substâncias. Este é um símbolo; na verdade, átomos, moléculas e íons não são bolas sólidas. Os átomos consistem em um núcleo carregado positivamente em torno do qual os elétrons carregados negativamente se movem em alta velocidade. O conhecimento sobre a estrutura microscópica da matéria ajuda a compreender melhor as diferenças que existem entre as diferentes formas agregadas.

Ideias sobre o microcosmo: da Grécia Antiga ao século XVII

As primeiras informações sobre as partículas que constituem os corpos físicos surgiram na Grécia Antiga. Os pensadores Demócrito e Epicuro introduziram um conceito como átomo. Eles acreditavam que essas menores partículas indivisíveis de diferentes substâncias têm uma forma, certos tamanhos e são capazes de se mover e interagir umas com as outras. O atomismo tornou-se o ensino mais avançado da Grécia antiga para a época. Mas o seu desenvolvimento desacelerou na Idade Média. Desde então, os cientistas foram perseguidos pela Inquisição da Igreja Católica Romana. Portanto, até os tempos modernos, não havia um conceito claro de qual era o estado da matéria. Somente depois do século XVII os cientistas R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier formularam as disposições da teoria atômico-molecular, que não perderam seu significado hoje.

Átomos, moléculas, íons - partículas microscópicas da estrutura da matéria

Um avanço significativo na compreensão do micromundo ocorreu no século 20, quando o microscópio eletrônico foi inventado. Levando em conta as descobertas feitas pelos cientistas anteriormente, foi possível montar uma imagem coerente do micromundo. As teorias que descrevem o estado e o comportamento das menores partículas da matéria são bastante complexas; elas se relacionam com o campo da matéria. Para compreender as características dos diferentes estados agregados da matéria, basta conhecer os nomes e as características das principais partículas estruturais que formam substâncias diferentes.

1. Os átomos são partículas quimicamente indivisíveis. Eles são preservados nas reações químicas, mas são destruídos nas reações nucleares. Metais e muitas outras substâncias de estrutura atômica apresentam um estado sólido de agregação em condições normais.
2. Moléculas são partículas que são quebradas e formadas em reações químicas. oxigênio, água, dióxido de carbono, enxofre. O estado físico do oxigênio, nitrogênio, dióxido de enxofre, carbono e oxigênio em condições normais é gasoso.
3. Os íons são as partículas carregadas que os átomos e as moléculas se tornam quando ganham ou perdem elétrons – partículas microscópicas com carga negativa. Muitos sais têm estrutura iônica, por exemplo, sal de cozinha, sulfato de ferro e sulfato de cobre.

Existem substâncias cujas partículas estão localizadas no espaço de uma determinada maneira. A posição mútua ordenada de átomos, íons e moléculas é chamada de rede cristalina. Normalmente, as redes cristalinas iônicas e atômicas são características de sólidos, moleculares - para líquidos e gases. O diamante distingue-se pela sua elevada dureza. Sua estrutura cristalina atômica é formada por átomos de carbono. Mas a grafite macia também consiste em átomos desse elemento químico. Só que eles estão localizados de forma diferente no espaço. O estado agregado usual do enxofre é sólido, mas em altas temperaturas a substância se transforma em líquido e em massa amorfa.

Substâncias em estado sólido de agregação

Os sólidos em condições normais mantêm o seu volume e forma. Por exemplo, um grão de areia, um grão de açúcar, sal, um pedaço de rocha ou metal. Se você aquecer o açúcar, a substância começa a derreter, transformando-se em um líquido marrom viscoso. Vamos parar de aquecer e ficaremos sólidos novamente. Isso significa que uma das principais condições para a transição de um sólido para um líquido é o seu aquecimento ou o aumento da energia interna das partículas da substância. O estado sólido de agregação do sal, que é utilizado na alimentação, também pode ser alterado. Mas para derreter o sal de cozinha, é necessária uma temperatura mais alta do que para aquecer o açúcar. O fato é que o açúcar consiste em moléculas e o sal de cozinha consiste em íons carregados que são mais fortemente atraídos uns pelos outros. Os sólidos na forma líquida não mantêm sua forma porque as redes cristalinas são destruídas.

O estado líquido agregado do sal após a fusão é explicado pela quebra das ligações entre os íons nos cristais. Partículas carregadas que podem transportar cargas elétricas são liberadas. Os sais fundidos conduzem eletricidade e são condutores. Nas indústrias química, metalúrgica e de engenharia, os sólidos são convertidos em líquidos para produzir novos compostos ou dar-lhes formas diferentes. As ligas metálicas se espalharam. Existem diversas formas de obtê-los, associadas a mudanças no estado agregado das matérias-primas sólidas.

O líquido é um dos estados básicos de agregação

Se você colocar 50 ml de água em um frasco de fundo redondo, notará que a substância assumirá imediatamente a forma de um recipiente químico. Mas assim que despejarmos a água do frasco, o líquido se espalhará imediatamente pela superfície da mesa. O volume de água permanecerá o mesmo - 50 ml, mas seu formato mudará. As características listadas são características da forma líquida de existência da matéria. Muitas substâncias orgânicas são líquidas: álcoois, óleos vegetais, ácidos.

O leite é uma emulsão, ou seja, um líquido contendo gotículas de gordura. Um recurso líquido útil é o petróleo. É extraído de poços por meio de sondas de perfuração em terra e no oceano. A água do mar também é matéria-prima para a indústria. Sua diferença em relação à água doce de rios e lagos está no conteúdo de substâncias dissolvidas, principalmente sais. Ao evaporar da superfície dos reservatórios, apenas as moléculas de H 2 O passam para o estado de vapor, permanecendo as substâncias dissolvidas. Os métodos de obtenção de substâncias úteis da água do mar e os métodos de sua purificação baseiam-se nesta propriedade.

Quando os sais são completamente removidos, obtém-se água destilada. Ferve a 100°C e congela a 0°C. As salmouras fervem e se transformam em gelo em outras temperaturas. Por exemplo, a água no Oceano Ártico congela a uma temperatura superficial de 2 °C.

O estado físico do mercúrio em condições normais é líquido. Este metal cinza prateado é comumente usado para preencher termômetros médicos. Quando aquecida, a coluna de mercúrio sobe na escala e a substância se expande. Por que se usa álcool tingido com tinta vermelha e não mercúrio? Isto é explicado pelas propriedades do metal líquido. Em geadas de 30 graus, o estado agregado do mercúrio muda, a substância torna-se sólida.

Se o termômetro médico quebrar e o mercúrio derramar, é perigoso coletar as bolas prateadas com as mãos. É prejudicial inalar vapor de mercúrio, esta substância é muito tóxica. Nesses casos, as crianças precisam pedir ajuda aos pais e aos adultos.

Estado gasoso

Os gases são incapazes de manter seu volume ou forma. Vamos encher o frasco até o topo com oxigênio (sua fórmula química é O2). Assim que abrirmos o frasco, as moléculas da substância começarão a se misturar com o ar da sala. Isso ocorre devido ao movimento browniano. Até o antigo cientista grego Demócrito acreditava que as partículas da matéria estão em constante movimento. Nos sólidos, em condições normais, átomos, moléculas e íons não têm a oportunidade de sair da rede cristalina ou de se libertar de ligações com outras partículas. Isto só é possível quando uma grande quantidade de energia é fornecida de fora.

Nos líquidos, a distância entre as partículas é ligeiramente maior do que nos sólidos; elas requerem menos energia para quebrar as ligações intermoleculares. Por exemplo, o estado líquido do oxigênio é observado apenas quando a temperatura do gás diminui para -183 °C. A −223 °C, as moléculas de O 2 formam um sólido. Quando a temperatura sobe acima desses valores, o oxigênio se transforma em gás. É nesta forma que se encontra em condições normais. As empresas industriais operam instalações especiais para separar o ar atmosférico e obter dele nitrogênio e oxigênio. Primeiro, o ar é resfriado e liquefeito e, em seguida, a temperatura aumenta gradualmente. O nitrogênio e o oxigênio se transformam em gases sob diferentes condições.

A atmosfera da Terra contém 21% em volume de oxigênio e 78% de nitrogênio. Essas substâncias não são encontradas na forma líquida na camada gasosa do planeta. O oxigênio líquido é de cor azul claro e é usado para encher cilindros em alta pressão para uso em ambientes médicos. Na indústria e na construção, os gases liquefeitos são necessários para realizar muitos processos. O oxigênio é necessário para soldagem a gás e corte de metais, e em química para reações de oxidação de substâncias inorgânicas e orgânicas. Se você abrir a válvula de um cilindro de oxigênio, a pressão diminui e o líquido se transforma em gás.

Propano, metano e butano liquefeitos são amplamente utilizados em energia, transporte, indústria e atividades domésticas. Estas substâncias são obtidas a partir do gás natural ou durante o craqueamento (divisão) da matéria-prima do petróleo. As misturas líquidas e gasosas de carbono desempenham um papel importante nas economias de muitos países. Mas as reservas de petróleo e gás natural estão gravemente esgotadas. Segundo os cientistas, essa matéria-prima durará de 100 a 120 anos. Uma fonte alternativa de energia é o fluxo de ar (vento). Rios e marés de fluxo rápido nas margens dos mares e oceanos são usados ​​para operar usinas de energia.

O oxigênio, como outros gases, pode estar no quarto estado de agregação, representando um plasma. A transição incomum do estado sólido para o gasoso é uma característica do iodo cristalino. A substância roxa escura sofre sublimação - transforma-se em gás, contornando o estado líquido.

Como são feitas as transições de uma forma agregada de matéria para outra?

Mudanças no estado agregado das substâncias não estão associadas a transformações químicas, são fenômenos físicos. À medida que a temperatura aumenta, muitos sólidos derretem e se transformam em líquidos. Um novo aumento de temperatura pode levar à evaporação, ou seja, ao estado gasoso da substância. Na natureza e na economia, tais transições são características de uma das principais substâncias da Terra. Gelo, líquido e vapor são estados da água sob diferentes condições externas. O composto é o mesmo, sua fórmula é H 2 O. Na temperatura de 0 ° C e abaixo desse valor, a água cristaliza, ou seja, vira gelo. À medida que a temperatura aumenta, os cristais resultantes são destruídos - o gelo derrete e a água líquida é novamente obtida. Quando é aquecido, forma-se a evaporação - transformação da água em gás - mesmo em baixas temperaturas. Por exemplo, poças congeladas desaparecem gradualmente porque a água evapora. Mesmo em climas gelados, a roupa molhada seca, mas esse processo demora mais do que em um dia quente.

Todas as transições listadas da água de um estado para outro são de grande importância para a natureza da Terra. Os fenômenos atmosféricos, o clima e o tempo estão associados à evaporação da água da superfície do Oceano Mundial, à transferência de umidade na forma de nuvens e neblina para a terra e à precipitação (chuva, neve, granizo). Esses fenômenos constituem a base do ciclo mundial da água na natureza.

Como os estados agregados do enxofre mudam?

Em condições normais, o enxofre é um cristal brilhante ou um pó amarelo claro, ou seja, é uma substância sólida. O estado físico do enxofre muda quando aquecido. Primeiro, quando a temperatura sobe para 190°C, a substância amarela derrete, transformando-se em um líquido móvel.

Se você derramar rapidamente enxofre líquido em água fria, obterá uma massa amorfa marrom. Com maior aquecimento, o enxofre fundido torna-se cada vez mais viscoso e escurece. Em temperaturas acima de 300 °C, o estado agregado do enxofre muda novamente, a substância adquire propriedades de um líquido e torna-se móvel. Essas transições surgem devido à capacidade dos átomos de um elemento formar cadeias de diferentes comprimentos.

Por que as substâncias podem estar em diferentes estados físicos?

O estado agregado do enxofre, uma substância simples, é sólido em condições normais. O dióxido de enxofre é um gás, o ácido sulfúrico é um líquido oleoso mais pesado que a água. Ao contrário dos ácidos clorídrico e nítrico, não é volátil; as moléculas não evaporam de sua superfície. Qual é o estado de agregação do enxofre plástico, obtido pelo aquecimento dos cristais?

Em sua forma amorfa, a substância possui estrutura de líquido, com fluidez insignificante. Mas o enxofre plástico mantém simultaneamente a sua forma (como um sólido). Existem cristais líquidos que possuem várias propriedades características dos sólidos. Assim, o estado de uma substância sob diferentes condições depende de sua natureza, temperatura, pressão e outras condições externas.

Quais características existem na estrutura dos sólidos?

As diferenças existentes entre os estados agregados básicos da matéria são explicadas pela interação entre átomos, íons e moléculas. Por exemplo, por que o estado sólido da matéria leva à capacidade dos corpos de manter o volume e a forma? Na estrutura cristalina de um metal ou sal, as partículas estruturais são atraídas umas pelas outras. Nos metais, os íons carregados positivamente interagem com o que é chamado de “gás de elétrons”, uma coleção de elétrons livres em um pedaço de metal. Os cristais de sal surgem devido à atração de partículas com carga oposta - íons. A distância entre as unidades estruturais de sólidos acima é muito menor que o tamanho das próprias partículas. Nesse caso, atua a atração eletrostática, confere força, mas a repulsão não é forte o suficiente.

Para destruir o estado sólido de agregação de uma substância, é necessário fazer um esforço. Metais, sais e cristais atômicos derretem em temperaturas muito altas. Por exemplo, o ferro torna-se líquido a temperaturas acima de 1538 °C. O tungstênio é refratário e é usado na fabricação de filamentos incandescentes para lâmpadas. Existem ligas que se tornam líquidas em temperaturas acima de 3.000 °C. Muitos na Terra estão em estado sólido. Essas matérias-primas são extraídas com tecnologia em minas e pedreiras.

Para separar pelo menos um íon de um cristal, uma grande quantidade de energia deve ser gasta. Mas basta dissolver o sal na água para que a estrutura cristalina se desintegre! Este fenômeno é explicado pelas incríveis propriedades da água como solvente polar. As moléculas de H 2 O interagem com os íons de sal, destruindo a ligação química entre eles. Assim, a dissolução não é uma simples mistura de diferentes substâncias, mas uma interação físico-química entre elas.

Como as moléculas líquidas interagem?

A água pode ser líquida, sólida e gasosa (vapor). Estes são os seus estados básicos de agregação em condições normais. As moléculas de água consistem em um átomo de oxigênio ao qual dois átomos de hidrogênio estão ligados. Ocorre a polarização da ligação química na molécula e uma carga negativa parcial aparece nos átomos de oxigênio. O hidrogênio se torna o pólo positivo da molécula, atraído pelo átomo de oxigênio de outra molécula. Isso é chamado de "ligação de hidrogênio".

O estado líquido de agregação é caracterizado por distâncias entre partículas estruturais comparáveis ​​aos seus tamanhos. A atração existe, mas é fraca, por isso a água não mantém a sua forma. A vaporização ocorre devido à destruição de ligações que ocorrem na superfície do líquido mesmo em temperatura ambiente.

Existem interações intermoleculares em gases?

O estado gasoso de uma substância difere do líquido e do sólido em vários parâmetros. Existem grandes lacunas entre as partículas estruturais dos gases, muito maiores que os tamanhos das moléculas. Neste caso, as forças de atração não atuam de forma alguma. O estado gasoso de agregação é característico das substâncias presentes no ar: nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono. Na figura abaixo, o primeiro cubo está cheio de gás, o segundo com líquido e o terceiro com sólido.

Muitos líquidos são voláteis; moléculas da substância se desprendem de sua superfície e vão para o ar. Por exemplo, se você colocar um cotonete embebido em amônia na abertura de um frasco aberto de ácido clorídrico, aparecerá uma fumaça branca. Uma reação química entre o ácido clorídrico e a amônia ocorre no ar, produzindo cloreto de amônio. Em que estado de agregação está esta substância? Suas partículas que formam a fumaça branca são minúsculos cristais sólidos de sal. Esta experiência deve ser realizada sob um capô; as substâncias são tóxicas.

Conclusão

O estado agregado do gás foi estudado por muitos físicos e químicos notáveis: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Clayperon, Mendeleev, Le Chatelier. Os cientistas formularam leis que explicam o comportamento das substâncias gasosas nas reações químicas quando as condições externas mudam. Os padrões abertos não foram incluídos apenas nos livros escolares e universitários de física e química. Muitas indústrias químicas baseiam-se no conhecimento sobre o comportamento e as propriedades das substâncias em diferentes estados de agregação.

Estados agregados da matéria (do latim aggrego - anexe, conecte) - são estados da mesma substância, cujas transições correspondem a mudanças abruptas na energia livre, entropia, densidade e outros parâmetros físicos da substância.

Gás (Gaz francês, derivado do grego caos - caos) é um estado de agregação de uma substância em que as forças de interação de suas partículas, preenchendo todo o volume que lhes é fornecido, são desprezíveis. Nos gases, as distâncias intermoleculares são grandes e as moléculas movem-se quase livremente.

• Os gases podem ser considerados vapores significativamente superaquecidos ou subsaturados.
• Há vapor acima da superfície de cada líquido devido à evaporação. Quando a pressão do vapor aumenta até um certo limite, denominado pressão de vapor saturado, a evaporação do líquido cessa, pois a pressão do vapor e do líquido torna-se a mesma.
• Uma diminuição no volume do vapor saturado causa a condensação de parte do vapor, em vez de um aumento na pressão. Portanto, a pressão de vapor não pode ser superior à pressão de vapor saturado. O estado de saturação é caracterizado pela massa de saturação contida em 1m de massa de vapor saturado, que depende da temperatura. O vapor saturado pode tornar-se insaturado se o seu volume ou a sua temperatura aumentar. Se a temperatura do vapor for muito superior ao ponto de ebulição correspondente a uma determinada pressão, o vapor é denominado superaquecido.

Plasma é um gás parcial ou totalmente ionizado no qual as densidades de cargas positivas e negativas são quase iguais. O sol, as estrelas e as nuvens de matéria interestelar consistem em gases - neutros ou ionizados (plasma). Ao contrário de outros estados de agregação, o plasma é um gás de partículas carregadas (íons, elétrons), que interagem eletricamente entre si por grandes distâncias, mas não possuem ordens de curto nem de longo alcance no arranjo das partículas.

Líquido - este é o estado agregado de uma substância, intermediário entre sólido e gasoso.

1. Os líquidos possuem algumas características de sólido (mantém seu volume, forma uma superfície, possui certa resistência à tração) e de gás (assume a forma do recipiente em que está localizado).
2. O movimento térmico das moléculas (átomos) de um líquido é uma combinação de pequenas vibrações em torno das posições de equilíbrio e saltos frequentes de uma posição de equilíbrio para outra.
3. Ao mesmo tempo, movimentos lentos de moléculas e suas vibrações ocorrem dentro de pequenos volumes, saltos frequentes de moléculas perturbam a ordem de longo alcance no arranjo das partículas e determinam a fluidez dos líquidos, e pequenas vibrações em torno das posições de equilíbrio determinam a existência de curtos ordem de intervalo em líquidos.

Líquidos e sólidos, diferentemente dos gases, podem ser considerados meios altamente condensados. Neles, as moléculas (átomos) estão localizadas muito mais próximas umas das outras e as forças de interação são várias ordens de grandeza maiores do que nos gases. Portanto, líquidos e sólidos têm possibilidades de expansão significativamente limitadas; obviamente não podem ocupar um volume arbitrário e, a pressão e temperatura constantes, retêm o seu volume, independentemente do volume em que sejam colocados. As transições de um estado de agregação mais estruturalmente ordenado para um estado menos ordenado também podem ocorrer continuamente. Neste sentido, em vez do conceito de estado de agregação, é aconselhável utilizar um conceito mais amplo - o conceito de fase.

Estágio é o conjunto de todas as partes de um sistema que possuem a mesma composição química e estão no mesmo estado. Isto é justificado pela existência simultânea de fases termodinamicamente em equilíbrio em um sistema multifásico: líquido com seu vapor saturado; água e gelo no ponto de fusão; dois líquidos imiscíveis (uma mistura de água com trietilamina), com concentrações diferentes; a existência de sólidos amorfos que retêm a estrutura de um líquido (estado amorfo).

Estado sólido amorfo da matéria é um tipo de estado super-resfriado de líquido e difere dos líquidos comuns por sua viscosidade significativamente maior e valores numéricos de características cinéticas.

Estado sólido cristalino da matéria é um estado de agregação caracterizado por grandes forças de interação entre partículas de matéria (átomos, moléculas, íons). Partículas de sólidos oscilam em torno de posições médias de equilíbrio, chamadas nós de rede; a estrutura dessas substâncias é caracterizada por um alto grau de ordem (ordem de longo e curto alcance) - ordem no arranjo (ordem de coordenação), na orientação (ordem de orientação) das partículas estruturais, ou ordem nas propriedades físicas (para exemplo, na orientação de momentos magnéticos ou momentos de dipolo elétrico). A região de existência da fase líquida normal para líquidos puros, cristais líquidos e líquidos é limitada a partir de baixas temperaturas por transições de fase, respectivamente, para o estado sólido (cristalização), superfluido e líquido-anisotrópico.

Acho que todo mundo conhece os 3 principais estados da matéria: líquido, sólido e gasoso. Encontramos esses estados da matéria todos os dias e em todos os lugares. Na maioria das vezes eles são considerados usando o exemplo da água. O estado líquido da água é o mais familiar para nós. Bebemos constantemente água líquida, ela sai da nossa torneira e nós próprios somos 70% água líquida. O segundo estado físico da água é o gelo comum, que vemos nas ruas no inverno. A água também é fácil de encontrar na forma gasosa na vida cotidiana. No estado gasoso, a água é, como todos sabemos, vapor. Isso pode ser visto quando, por exemplo, fervemos uma chaleira. Sim, é a 100 graus que a água passa de líquida para gasosa.

Estes são os três estados da matéria que nos são familiares. Mas você sabia que na verdade existem 4 deles? Acho que todo mundo já ouviu a palavra “plasma” pelo menos uma vez. E hoje quero que você também aprenda mais sobre o plasma – o quarto estado da matéria.

O plasma é um gás parcial ou totalmente ionizado com densidades iguais de cargas positivas e negativas. O plasma pode ser obtido a partir do gás - a partir do 3º estado de agregação de uma substância por forte aquecimento. O estado de agregação em geral, na verdade, depende completamente da temperatura. O primeiro estado de agregação é a temperatura mais baixa na qual o corpo permanece sólido, o segundo estado de agregação é a temperatura na qual o corpo começa a derreter e se tornar líquido, o terceiro estado de agregação é a temperatura mais alta, na qual a substância se torna um gás. Para cada corpo, substância, a temperatura de transição de um estado de agregação para outro é completamente diferente, para alguns é mais baixa, para alguns é mais alta, mas para todos é estritamente nesta sequência. A que temperatura uma substância se transforma em plasma? Por ser este o quarto estado, significa que a temperatura de transição para ele é superior à de cada um dos anteriores. E de fato é. Para ionizar um gás é necessária uma temperatura muito alta. A temperatura mais baixa e o plasma pouco ionizado (cerca de 1%) são caracterizados por uma temperatura de até 100 mil graus. Em condições terrestres, esse plasma pode ser observado na forma de relâmpagos. A temperatura do canal do raio pode ultrapassar 30 mil graus, o que é 6 vezes maior que a temperatura da superfície do Sol. A propósito, o Sol e todas as outras estrelas também são plasma, na maioria das vezes de alta temperatura. A ciência prova que cerca de 99% de toda a matéria do Universo é plasma.

Ao contrário do plasma de baixa temperatura, o plasma de alta temperatura tem quase 100% de ionização e uma temperatura de até 100 milhões de graus. Esta é realmente uma temperatura estelar. Na Terra, esse plasma é encontrado apenas em um caso - para experimentos de fusão termonuclear. Uma reação controlada é bastante complexa e consome energia, mas uma reação descontrolada provou ser uma arma de poder colossal - uma bomba termonuclear testada pela URSS em 12 de agosto de 1953.

O plasma é classificado não apenas pela temperatura e grau de ionização, mas também pela densidade e quase-neutralidade. Colocação densidade plasmática geralmente significa densidade eletrônica, isto é, o número de elétrons livres por unidade de volume. Bem, com isso, acho que está tudo claro. Mas nem todo mundo sabe o que é quase-neutralidade. A quase neutralidade do plasma é uma de suas propriedades mais importantes, que consiste na igualdade quase exata das densidades dos íons positivos e elétrons incluídos em sua composição. Devido à boa condutividade elétrica do plasma, a separação de cargas positivas e negativas é impossível em distâncias maiores que o comprimento de Debye e às vezes maiores que o período de oscilações do plasma. Quase todo o plasma é quase neutro. Um exemplo de plasma não quase neutro é um feixe de elétrons. No entanto, a densidade dos plasmas não neutros deve ser muito pequena, caso contrário eles irão decair rapidamente devido à repulsão de Coulomb.

Vimos muito poucos exemplos terrestres de plasma. Mas existem muitos deles. O homem aprendeu a usar o plasma em seu próprio benefício. Graças ao quarto estado da matéria, podemos usar lâmpadas de descarga de gás, TVs de plasma, soldagem por arco elétrico e lasers. As lâmpadas de descarga fluorescentes convencionais também são de plasma. Também existe uma lâmpada de plasma em nosso mundo. É usado principalmente na ciência para estudar e, o mais importante, observar alguns dos fenômenos plasmáticos mais complexos, incluindo a filamentação. Uma fotografia dessa lâmpada pode ser vista na imagem abaixo:

Além dos dispositivos domésticos de plasma, o plasma natural também pode ser visto com frequência na Terra. Já falamos sobre um de seus exemplos. Isso é um raio. Mas, além dos relâmpagos, os fenômenos de plasma podem ser chamados de aurora boreal, “fogo de Santo Elmo”, ionosfera da Terra e, claro, fogo.

Observe que o fogo, o relâmpago e outras manifestações de plasma, como o chamamos, queimam. O que causa uma emissão de luz tão brilhante do plasma? O brilho do plasma é causado pela transição dos elétrons de um estado de alta energia para um estado de baixa energia após recombinação com íons. Este processo resulta em radiação com espectro correspondente ao gás excitado. É por isso que o plasma brilha.

Gostaria também de falar um pouco sobre a história do plasma. Afinal, antigamente apenas substâncias como o componente líquido do leite e o componente incolor do sangue eram chamadas de plasma. Tudo mudou em 1879. Foi nesse ano que o famoso cientista inglês William Crookes, ao estudar a condutividade elétrica em gases, descobriu o fenômeno do plasma. É verdade que esse estado da matéria foi chamado de plasma apenas em 1928. E isso foi feito por Irving Langmuir.

Concluindo, quero dizer que um fenômeno tão interessante e misterioso como o relâmpago esférico, sobre o qual escrevi mais de uma vez neste site, é, obviamente, também um plasmóide, como o relâmpago comum. Este é talvez o plasmóide mais incomum de todos os fenômenos do plasma terrestre. Afinal, existem cerca de 400 teorias diferentes sobre relâmpagos esféricos, mas nenhuma delas foi reconhecida como verdadeiramente correta. Em condições de laboratório, fenômenos semelhantes, mas de curto prazo, foram obtidos de várias maneiras diferentes, de modo que a questão da natureza dos raios esféricos permanece em aberto.

O plasma comum, é claro, também foi criado em laboratórios. Isso já foi difícil, mas agora tal experimento não é particularmente difícil. Como o plasma entrou firmemente em nosso arsenal diário, eles estão fazendo muitas experiências com ele em laboratórios.

A descoberta mais interessante no campo do plasma foram os experimentos com plasma em gravidade zero. Acontece que o plasma cristaliza no vácuo. Acontece assim: partículas carregadas de plasma começam a se repelir e, quando têm volume limitado, ocupam o espaço que lhes é atribuído, espalhando-se em diferentes direções. Isso é bastante semelhante a uma rede cristalina. Isso não significa que o plasma é o elo de ligação entre o primeiro estado da matéria e o terceiro? Afinal, torna-se plasma devido à ionização do gás, e no vácuo o plasma torna-se novamente sólido. Mas este é apenas meu palpite.

Os cristais de plasma no espaço também têm uma estrutura bastante estranha. Esta estrutura só pode ser observada e estudada no espaço, no vácuo real do espaço. Mesmo se você criar um vácuo na Terra e colocar plasma lá, a gravidade simplesmente comprimirá toda a “imagem” que se forma em seu interior. No espaço, os cristais de plasma simplesmente decolam, formando uma estrutura tridimensional tridimensional de formato estranho. Depois de enviar os resultados da observação do plasma em órbita aos cientistas na Terra, descobriu-se que os vórtices no plasma repetem estranhamente a estrutura da nossa galáxia. Isso significa que no futuro será possível entender como nasceu a nossa galáxia através do estudo do plasma. As fotografias abaixo mostram o mesmo plasma cristalizado.

Estado de agregação- um estado da matéria caracterizado por certas propriedades qualitativas: a capacidade ou incapacidade de manter volume e forma, a presença ou ausência de ordem de longo e curto alcance, e outras. Uma mudança no estado de agregação pode ser acompanhada por uma mudança abrupta na energia livre, entropia, densidade e outras propriedades físicas básicas.
Existem três estados principais de agregação: sólido, líquido e gasoso. Às vezes não é totalmente correto classificar o plasma como um estado de agregação. Existem outros estados de agregação, por exemplo, cristais líquidos ou condensado de Bose-Einstein. Mudanças no estado de agregação são processos termodinâmicos chamados transições de fase. Distinguem-se as seguintes variedades: de sólido a líquido - fusão; de líquido a gasoso - evaporação e ebulição; do sólido ao gasoso - sublimação; de gasoso para líquido ou sólido - condensação; do líquido ao sólido - cristalização. Uma característica distintiva é a ausência de um limite nítido da transição para o estado plasmático.
As definições dos estados de agregação nem sempre são rigorosas. Assim, existem corpos amorfos que retêm a estrutura de um líquido e apresentam baixa fluidez e capacidade de manter a forma; os cristais líquidos são fluidos, mas ao mesmo tempo possuem algumas propriedades dos sólidos, em particular, podem polarizar a radiação eletromagnética que passa por eles. Para descrever vários estados da física, é usado o conceito mais amplo de fase termodinâmica. Os fenômenos que descrevem transições de uma fase para outra são chamados de fenômenos críticos.
O estado agregado de uma substância depende das condições físicas em que ela se encontra, principalmente da temperatura e da pressão. A quantidade determinante é a razão entre a energia potencial média de interação das moléculas e sua energia cinética média. Assim, para um sólido esta relação é maior que 1, para gases é menor que 1 e para líquidos é aproximadamente igual a 1. A transição de um estado agregado de uma substância para outro é acompanhada por uma mudança abrupta no valor desta razão, associado a uma mudança abrupta nas distâncias intermoleculares e nas interações intermoleculares. Nos gases, as distâncias intermoleculares são grandes, as moléculas dificilmente interagem entre si e movem-se quase livremente, preenchendo todo o volume. Em líquidos e sólidos - matéria condensada - as moléculas (átomos) estão localizadas muito mais próximas umas das outras e interagem mais fortemente.
Isso faz com que líquidos e sólidos mantenham seu volume. No entanto, a natureza do movimento das moléculas em sólidos e líquidos é diferente, o que explica a diferença na sua estrutura e propriedades.
Em sólidos em estado cristalino, os átomos vibram apenas perto dos nós da rede cristalina; a estrutura desses corpos é caracterizada por um alto grau de ordem - ordem de longo e curto alcance. O movimento térmico das moléculas (átomos) de um líquido é uma combinação de pequenas vibrações em torno das posições de equilíbrio e saltos frequentes de uma posição de equilíbrio para outra. Estes últimos determinam a existência em líquidos de ordem apenas de curto alcance no arranjo das partículas, bem como a sua mobilidade e fluidez inerentes.
A. Sólido- um estado caracterizado pela capacidade de manter volume e forma. Os átomos de um sólido sofrem apenas pequenas vibrações em torno do estado de equilíbrio. Existe ordem de longo e curto alcance.
b. Líquido- estado da matéria em que apresenta baixa compressibilidade, ou seja, mantém bem o seu volume, mas não consegue manter a sua forma. O líquido assume facilmente a forma do recipiente em que é colocado. Átomos ou moléculas de um líquido vibram perto de um estado de equilíbrio, bloqueados por outros átomos, e muitas vezes saltam para outros locais livres. Apenas pedidos de curto alcance estão presentes.
Derretendo- esta é a transição de uma substância de um estado agregado sólido (ver Estados agregados da matéria) para líquido. Este processo ocorre quando aquecido, quando uma certa quantidade de calor +Q é transmitida ao corpo. Por exemplo, o chumbo metálico de baixo ponto de fusão muda do estado sólido para o líquido se for aquecido a uma temperatura de 327 C. O chumbo derrete facilmente em um fogão a gás, por exemplo, em uma colher de aço inoxidável (sabe-se que a chama a temperatura de um queimador de gás é 600-850°C, e a temperatura de fusão do aço é 1300-1500°C).
Se, ao derreter o chumbo, você medir sua temperatura, descobrirá que a princípio ela aumenta suavemente, mas depois de um certo ponto permanece constante, apesar do aquecimento adicional. Este momento corresponde ao derretimento. A temperatura permanece constante até que todo o chumbo derreta e só então começa a subir novamente. Quando o chumbo líquido é resfriado, observa-se o quadro oposto: a temperatura cai até o início da solidificação e permanece constante o tempo todo até que o chumbo passe para a fase sólida e depois caia novamente.
Todas as substâncias puras se comportam de maneira semelhante. A constância da temperatura durante a fusão é de grande importância prática, pois permite calibrar termômetros e fazer fusíveis e indicadores que derretem a uma temperatura estritamente especificada.
Os átomos em um cristal oscilam em torno de suas posições de equilíbrio. Com o aumento da temperatura, a amplitude das vibrações aumenta e atinge um certo valor crítico, após o qual a rede cristalina é destruída. Isto requer energia térmica adicional, de modo que a temperatura não aumenta durante o processo de fusão, embora o calor continue a fluir.
O ponto de fusão de uma substância depende da pressão. Para substâncias cujo volume aumenta durante a fusão (e estas são a grande maioria), um aumento na pressão aumenta o ponto de fusão e vice-versa. Quando a água derrete, seu volume diminui (portanto, quando a água congela, ela rompe os canos) e, quando a pressão aumenta, o gelo derrete a uma temperatura mais baixa. Bismuto, gálio e algumas marcas de ferro fundido se comportam de maneira semelhante.
V. Gás- um estado caracterizado por boa compressibilidade, falta de capacidade de reter volume e forma. O gás tende a ocupar todo o volume que lhe é fornecido. Os átomos ou moléculas de um gás se comportam de forma relativamente livre, as distâncias entre eles são muito maiores que seus tamanhos.
O plasma, muitas vezes classificado como um estado agregado da matéria, difere do gás pelo alto grau de ionização dos átomos. A maior parte da matéria bariônica (cerca de 99,9% em massa) do Universo está no estado de plasma.
cidade C fluido supercrítico- Ocorre com aumento simultâneo de temperatura e pressão até um ponto crítico no qual a densidade do gás é comparada com a densidade do líquido; neste caso, a fronteira entre as fases líquida e gasosa desaparece. O fluido supercrítico tem um poder de dissolução excepcionalmente alto.
d. Condensado de Bose-Einstein- é obtido pelo resfriamento de um gás Bose a temperaturas próximas ao zero absoluto. Como resultado, alguns átomos encontram-se em um estado com energia estritamente zero (ou seja, no estado quântico mais baixo possível). O condensado de Bose-Einstein exibe uma série de propriedades quânticas, como superfluidez e ressonância de Fischbach.
e. Condensado de férmions- representa a condensação de Bose no modo BCS de “pares atômicos de Cooper” em gases constituídos por átomos de férmions. (Em contraste com o regime tradicional de condensação de Bose-Einstein de bósons compostos).
Esses condensados ​​atômicos fermiônicos são “parentes” dos supercondutores, mas com uma temperatura crítica da ordem da temperatura ambiente e superior.
Matéria degenerada - gás Fermi Estágio 1 O gás degenerado de elétrons, observado em anãs brancas, desempenha um papel importante na evolução das estrelas. No segundo estágio, o estado de nêutrons, a matéria passa para ele a uma pressão ultra-alta, o que ainda não é alcançável em laboratório, mas existe dentro de estrelas de nêutrons. Durante a transição para o estado de nêutrons, os elétrons da substância interagem com os prótons e se transformam em nêutrons. Como resultado, a matéria no estado de nêutrons consiste inteiramente de nêutrons e tem uma densidade da ordem da nuclear. A temperatura da substância não deve ser muito alta (em equivalente energético, não mais que cem MeV).
Com um forte aumento na temperatura (centenas de MeV e acima), vários mésons começam a nascer e aniquilar no estado de nêutrons. Com um novo aumento na temperatura, ocorre o desconfinamento e a substância passa para o estado de plasma quark-glúon. Já não consiste em hádrons, mas em quarks e glúons que nascem e desaparecem constantemente. Talvez o desconfinamento ocorra em duas etapas.
Com um novo aumento ilimitado de pressão sem aumento de temperatura, a substância entra em colapso em um buraco negro.
Com um aumento simultâneo da pressão e da temperatura, outras partículas são adicionadas aos quarks e glúons. O que acontece com a matéria, o espaço e o tempo em temperaturas próximas às de Planck ainda é desconhecido.
Outros estados
Durante o resfriamento profundo, algumas substâncias (não todas) se transformam em um estado supercondutor ou superfluido. Esses estados, é claro, são fases termodinâmicas separadas, mas dificilmente podem ser chamados de novos estados agregados da matéria devido à sua não universalidade.
Substâncias heterogêneas como pastas, géis, suspensões, aerossóis, etc., que sob certas condições demonstram as propriedades tanto de sólidos quanto de líquidos e até mesmo de gases, são geralmente classificadas como materiais dispersos, e não como quaisquer estados agregados específicos da matéria.

Dependendo da temperatura e da pressão, qualquer substância é capaz de assumir diferentes estados de agregação. Cada um desses estados é caracterizado por certas propriedades qualitativas que permanecem inalteradas dentro das temperaturas e pressões necessárias para um determinado estado de agregação.

As propriedades características dos estados de agregação incluem, por exemplo, a capacidade de um corpo em estado sólido de manter sua forma, ou vice-versa, a capacidade de um corpo líquido de mudar de forma. No entanto, por vezes as fronteiras entre os diferentes estados da matéria são bastante confusas, como no caso dos cristais líquidos, ou dos chamados “sólidos amorfos”, que podem ser elásticos como os sólidos e fluidos como os líquidos.

A transição entre estados de agregação pode ocorrer com liberação de energia livre, mudança de densidade, entropia ou outras grandezas físicas. A transição de um estado de agregação para outro é chamada de transição de fase, e os fenômenos que acompanham essas transições são chamados de fenômenos críticos.

Lista de estados de agregação conhecidos