Агрегатно състояние е такова състояние на веществата, което се характеризира с точно определени физични параметри. Понятието фаза често се асоциира с понятието агрегатно състояние, но не винаги двете понятия се припокриват. В първия пример, който ще дадем, двуфазната система кока-кола с лед е в две различни агрегатни състояния – течно и твърдо. Двуфазната система вода и олио обаче, е само в едно агрегатно състояние – течно. Но въпреки това, оставени в покой, двете фази лесно могат да се разделят, като образуват обща гранична повърхност между тях.
Влияние на температурата и налягането
Трите основни агрегатни състояния на планетата Земя са твърдо, течно и газообразно. В зависимост от температурата и налягането веществата могат да се намират в едно от тези състояния. Пример за различните фази на веществото са неговите агрегатни състояния.
Когато едно вещество, при термична обработка достигне температурата си на топене (ТТ), то преминава от твърдо в течно агрегатно състояние, а когато достигне температурата си на кипене (ТК), същото вещество преминава от течно в газообразно състояние. Налягането е също фактор. Например водата при една атмосфера налягане има ТТ=00С и ТК=1000С. Ако понижим обаче налягането, ще се понижи и температурата и на кипене, а ще се повиши температурата и на топене.
Има много фактори, които могат да повлияят върху състоянието на дадена система, но в реални условия те са пренебрежимо малки. В общия случай преминаването от една фаза в друга зависи от двата главни фактора – температура и налягане.
Агрегатното състояние на веществата се определя от междумолекулните сили на взаимодействие, които могат да бъдат променяни под въздействието на горните два фактора. При газовете например подобни сили почти отсъстват. Независимо дали частиците им са молекули или атоми, то те се движат хаотично и напълно свободно. При течностите междумолекулните сили са значителни, но недостатъчни да спрат свободното преместване на една молекула спрямо друга. При твърдите вещества междумолекулните сили са толкова силни, че напълно възпрепятстват разместването на градивните частици една спрямо друга.
Видове агрегатни състояния
Газовете са изградени от молекули и атоми, които се намират на големи разстояния едни от други. Поради тази причина между тях не възникват междумолекулни връзки и сили на привличане, а се движат хаотично и свободно. Липсата на междумолекулни връзки е причината газовете да нямат постоянна форма. Голямото разстояние между частиците им, определя голямата им свиваемост и способността им да се разширяват спонтанно ако се поставят от малък съд в съд с по-голям обем. При газообразно агрегатно състояние, веществата нямат постоянен обем или форма.
Течностите са изградени от молекули, между които се образуват междумолекулни връзки (например водородни като при водата) и сили на взаимодействие, но те са слаби. Поради тази причина течностите имат постоянен обем, плътност, трудно свиваеми са и не се разширяват спонтанно, но нямат собствена форма и заемат тази на съда, в който се намират. Следователно при течно агрегатно състояние, веществата нямат постоянна форма, но притежават постоянен обем.
Твърдите вещества са изградени от молекули, атоми и йони, между които действат много големи междумолекулни сили на привличане, които не позволяват на частиците да променят спонтанно взаимното си положение. Заради това твърдите вещества имат постоянни форма, обем и плътност. Ако частиците им са подредени то твърдите вещества са кристални, а иначе – аморфни.
Течни кристали е състояние, което може да се разглежда като междинно между твърдата и течната фаза. Тук веществата запазват своята течливост и неопределена форма, но молекулите им имат определена пространствена подреденост и ориентация, присъщи за кристалните решетки на твърдите вещества.
Общо уравнение на състоянието. Параметри на състоянието
При преминаването в различните фази се променя и обемът на системата. При постоянно налягане и температура, обемът на една система е пропорционален на нейната масата (ако не се изменя съставът ѝ).
V = m.v
v-специфичен обем, m-маса, V-обем на системата. Специфичният обем зависи само от температурата и налягането. Оттук може да бъде дадена функцията:
f(v,t,Р)=0,
която еднозначно може да определи всяка от трите променливи, ако се знаят стойностите на другите две. Трите променливи се наричат параметри на състоянието, а функцията се нарича общо уравнение на състоянието и се отнася само за проста хомогенна система.
Частните уравнения на състоянието
Общото уравнение на състоянието се намира опитно, като се установят частните уравнения на състоянието. Те представляват връзки между два от параметрите на състоянието при постоянна стойност на третия.
Кривата на уравнението, което дава зависимостта между обема и налягането при постоянна температура се нарича изотерма. Кривата на уравнението, което дава зависимостта между температурата и налягането при постоянен обем се нарича изохора. Кривата на уравнението, което дава зависимостта между температурата и обема при постоянно налягане се нарича изобара.
Плазма
Познато е и четвърто агрегатно състояние – плазмата. Тя представлява частично или напълно йонизирани газове. Смята се, че е най-разпространеното агрегатно състояние във Вселената, защото дори и звездите са съставени от нея. Получава се при висока температура или при йонизиращи лъчения. Свойствата, които притежава са доста различни от останалите три агрегатни състояния.
Преминаване в различни фази (фазови преходи)
Обикновено при нарастване на температурата веществата в твърдо агрегатно сътояние се стапят и преминават в течна фаза, след което се изпаряват (кипене) и стават газове. Обратно при спад в температурата газовете кондензират (втечняват се), а след това и замръзват (втвърдяват се). Когато твърдите вещества директно се изпаряват, явлението се нарича сублимация, а обратният процес – ресублимация.
Преминаване в различни фази (на дясно се повишава енергията на системата)
Всички тези процеси на преминаване от една фаза в друга се наричат фазови преходи. Както става ясно, те са съпроводени с поглъщането или отделянето на топлина. Скокообразното преминаване на веществата от една фаза в друга, което е съпроводено с изменение на енергията, ентропията и обема на системата се нарича фазов преход от първи род. Съществуват и фазови преходи от втори род, при които преминаването в различните фази не е скокообразно. При тях не се изменят енергията, ентропията и обемът на системата.
Фазово равновесие
Фазово равновесие се постига при постоянна температура и налягане, когато физичните параметри на отделните фази не се променят.
Равновесие между две фази е възможно само в конкретен температурен интервал, като на всяка температурна стойност от него, съответства точно определена стойност на налягането. Равновесие между три фази може да съществува при само при една стойност на температурата и налягането. Равновесие между четири фази не може да съществува.
