物質(zhì)狀態(tài)是指一種物質(zhì)出現(xiàn)不同的相。
分類形式(1)在固態(tài)時(shí),物質(zhì)擁有固定的形狀和容量;而在液態(tài)時(shí),物質(zhì)維持固定的容量但形狀會隨容器的形狀而改變;氣態(tài)時(shí),物質(zhì)不論有沒有容量都會膨脹以進(jìn)行擴(kuò)散。
分類形式(2)分子之間的相互關(guān)系作分類。固態(tài)是指因分子之間相互的吸力因而只會在固定位置震動。而在液體的時(shí)候,分子之間距離仍然比較近,分子之間仍有一定的吸引力,因此只能在有限的范圍中活動。至于在氣態(tài),分子之間的距離較遠(yuǎn),因此分子之間的吸引力并不顯著,所以分子可以隨意活動。等離子態(tài),是在高溫之下出現(xiàn)的高度離化氣體。而由于相互之間的吸力是離子力,因而出現(xiàn)與氣體不同的性質(zhì),所以等離子態(tài)被認(rèn)為是第四種物質(zhì)狀態(tài)。
假如有一種物質(zhì)狀態(tài)不是由分子組成而是由不同力所組成,科學(xué)家會考慮成一種新的物質(zhì)狀態(tài)。例如:費(fèi)米凝聚和夸克-膠子漿。
用相圖表達(dá)的物質(zhì)狀態(tài)。
物質(zhì)狀態(tài)亦可用相的轉(zhuǎn)變來表達(dá)。相的轉(zhuǎn)變可以是結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)變又或者是出現(xiàn)一些獨(dú)特的性質(zhì)。根據(jù)這個定義,每一種相都可以其他的相中透過相的轉(zhuǎn)變分離出來。超導(dǎo)電性便是由相的轉(zhuǎn)變引伸出來,因此便有超導(dǎo)電性的狀態(tài)。同樣,液晶體狀態(tài)和鐵磁性狀態(tài)都是用相的轉(zhuǎn)變所劃分出來并同時(shí)擁有不一樣的性質(zhì)。
三大基本物質(zhì)狀態(tài)+等離子態(tài)(四態(tài))
(一)固態(tài)
分子在固體時(shí)的排列情況
粒子(包括離子、原子或者分子)都是緊密排列。粒子之間有很強(qiáng)的吸力,所以只能在原位震動。因而令固體擁有穩(wěn)定、固定形狀和固定容量的特性,只有因施力而切斷或打碎時(shí)才可改變它的形狀。在晶體固體中,粒子(包括原子、分子、和離子)都是以三維空間的結(jié)構(gòu)排列,而同一種物質(zhì)可以排列成不同形式晶體結(jié)構(gòu)。例如鐵在攝氏912度下是面心立方,攝氏912至1394度之間便是體心立方。又例如冰,已知有關(guān)冰的晶體結(jié)構(gòu)有15種,這15種的固體物質(zhì)狀態(tài)分別存在于不同的溫度和壓力之下。在物質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中,固體會透過熔化變成液體,相反液體會凝固成固體。如果由固體直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w,例如在大氣壓力下的二氧化碳,我們稱之為升華,反之則是凝華。
(二)液態(tài)
經(jīng)典單原子液體的結(jié)構(gòu);原子有許多最近的鄰居接觸,但沒有遠(yuǎn)距離順序
在溫度和氣壓是常數(shù)的情況下,液體的容量是固定的。當(dāng)固體加熱到熔點(diǎn)之上時(shí),便會成為液體。內(nèi)分子(內(nèi)原子或者內(nèi)離子)之間的力仍然不可忽略,但分子有足夠的能量,因而可以有相對運(yùn)動,結(jié)構(gòu)亦是流動的。液體的形狀是不定的,由容器的大小來決定。一般情況下液體的容量會比它在固體時(shí)要大,水(H2O)是一個反例,因?yàn)樗畯?-4攝氏下密度上升并達(dá)到頂點(diǎn)。而物質(zhì)以液體存在的最高溫度和最高壓力分別名為臨界溫度和臨界壓力。
(三)氣態(tài)
分子在氣體時(shí)的排列情況
氣體分子之間的空間很大。氣體分子的鍵很弱或根本沒有鍵。“氣體”中的分子可以自由,快速地移動。
在氣態(tài)中,分子擁有足夠多的動能,因而內(nèi)分子力的影響相對減少(對于理想氣體會是0),分子之間的距離亦較遠(yuǎn)。氣體并沒有限定的形狀和容量,但是它會占據(jù)整個密封的容器。液體可以透過在常壓下加熱到沸點(diǎn)或者在常溫下減壓而轉(zhuǎn)變成氣體。當(dāng)氣體溫度低過臨界溫度時(shí),這種氣體稱為蒸氣,可以單單透過加壓而變成液體。如果氣體的壓力等同液體的蒸氣壓,兩者便可達(dá)致平衡,固體亦然。當(dāng)一種氣體的溫度和氣壓分別超越自身的臨界壓力及臨界溫度時(shí)便成為超臨界流體(SCF)。它擁有氣體的特性,同時(shí)是一種高密度的溶劑,因此而工業(yè)中有不少用途。例如超臨界二氧化碳可用透過超流體抽取法去抽取咖啡因,從而制造出脫咖啡因的咖啡。
(四)等離子態(tài)
在等離子體中,電子從其原子核中剝離,形成電子“海”。這使其具有導(dǎo)電能力。
像氣體一樣,等離子體也沒有確定的形狀或體積。與氣體不同,等離子體具有導(dǎo)電性,會產(chǎn)生磁場和電流,并對電磁力產(chǎn)生強(qiáng)烈反應(yīng)。帶正電的原子核在自由移動的解離電子的“海”中游動,類似于這種電荷存在于導(dǎo)電金屬中的方式,其中該電子“海”使處于等離子體狀態(tài)的物質(zhì)能夠?qū)щ姟?/p>
氣體通常以兩種方式之一轉(zhuǎn)換為等離子體,例如,通過兩點(diǎn)之間的巨大電壓差或?qū)⑵浔┞对跇O高的溫度下。將物質(zhì)加熱到高溫會導(dǎo)致電子離開原子,從而導(dǎo)致存在自由電子。這產(chǎn)生了所謂的部分電離的等離子體。在非常高的溫度下,例如恒星中存在的溫度,可以假定基本上所有的電子都是“自由的”,并且非常高能的等離子體基本上是在電子海中游動的裸核。這形成了所謂的完全電離的等離子體。
等離子體狀態(tài)常常被誤解,盡管在正常情況下在地球上并不是自由存在的,但它通常是由閃電,電火花,熒光燈,霓虹燈或等離子電視產(chǎn)生的。太陽的日冕,某些類型的火焰和恒星都是等離子狀態(tài)下被照明物質(zhì)的示例。
總結(jié)一下“四態(tài)”,這張圖是從能量增長的角度對四態(tài)進(jìn)行分類。其中等離子態(tài)就是說能量(溫度)高到一定程度,原子失去了電子的狀態(tài)。
再梳理一下幾種態(tài)之間的轉(zhuǎn)化
之后有時(shí)間再總結(jié)一下其他的形態(tài):
液晶態(tài);
無定形態(tài)(玻璃);
磁序狀態(tài);
超導(dǎo)體;
超流體;
玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。
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等離子
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原文標(biāo)題:物質(zhì)的狀態(tài)(固、液、氣、等離子體)
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