Властивості рідкого агрегатного стану. Четвертий агрегатний стан речовини

Вся матерія може існувати в одному із чотирьох видів. Кожен із них — це певний агрегатний стан речовини. У природі Землі лише одне представлено відразу трьох з них. Це вода. Її легко побачити і випаровану, і розплавлену, і затверділу. Тобто пара, воду та лід. Вчені навчилися проводити зміну агрегатних станів речовини. Найбільшу складність для них становить лише плазма. Для цього стану потрібні особливі умови.

Що це таке, від чого залежить та як характеризується?

Якщо тіло перейшло в інший агрегатний стан речовини, це не означає, що з'явилося щось інше. Речовина залишається незмінною. Якщо рідина мала молекули води, то такі ж вони будуть і у пари з льодом. Зміниться лише їхнє розташування, швидкість руху та сили взаємодії один з одним.

Під час вивчення теми «Агрегатні стану (8 клас)» розглядаються лише з них. Це рідина, газ та тверде тіло. Їхні прояви залежать від фізичних умов довкілля. Характеристики цих станів представлені у таблиці.

Перший стан: тверде тіло

Його принципова відмінністьвід інших у цьому, що молекули мають суворо певне місце. Коли говорять про твердий агрегатний стан, то найчастіше мають на увазі кристали. Вони структура решітки симетрична і строго періодична. Тому вона зберігається завжди, як далеко не поширювалося б тіло. Коливальний рухмолекул речовини недостатньо для того, щоб зруйнувати ці ґрати.

Але є ще й аморфні тіла. У них відсутня строга структура розташування атомів. Вони можуть бути будь-де. Але це місце так само стабільне, як і в кристалічному тілі. Відмінність аморфних речовин від кристалічних в тому, що вони не мають певної температури плавлення (затвердіння) і їм властива плинність. Яскраві прикладитаких речовин: скло та пластмаса.

Другий стан: рідина

Цей агрегатний стан речовини є чимось середнім між твердим тілом і газом. Тому поєднує деякі властивості від першого і другого. Так, відстань між частинками та їх взаємодія схожа на те, що було у випадку з кристалами. Але ось розташування та рух ближче до газу. Тому і форму рідина не зберігає, а розтікається по посудині, в яку налита.

Третій стан: газ

Для науки під назвою «фізика» агрегатний стан у вигляді газу не стоїть на останньому місці. Адже вона вивчає навколишній світ, А повітря в ньому дуже поширене.

Особливості цього стану полягають у тому, що сили взаємодії між молекулами практично відсутні. Цим пояснюється їхній вільний рух. Через яку газоподібну речовину заповнює весь обсяг, наданий йому. Причому цей стан можна перевести все, потрібно лише збільшити температуру на потрібну величину.

Четвертий стан: плазма

Цей агрегатний стан речовини є газом, який повністю або частково іонізований. Це означає, що в ньому число негативно та позитивно заряджених частинок практично однакове. Виникає така ситуація під час нагрівання газу. Тоді відбувається різке прискорення процесу термічної іонізації. Воно у тому, що молекули діляться на атоми. Останні потім перетворюються на іони.

У рамках Всесвіту такий стан дуже поширений. Тому що в ньому знаходяться всі зірки та середовище між ними. У межах Земної поверхні воно виникає дуже рідко. Якщо не брати до уваги іоносфери та сонячного вітру, плазма можлива тільки під час грози. У спалахах блискавки створюються такі умови, у яких гази атмосфери перетворюються на четвертий стан речовини.

Але це не означає, що плазму не створили у лабораторії. Перше, що вдалося відтворити, — це газовий розряд. Тепер плазма заповнює лампи денного світла та неонову рекламу.

Як здійснюється перехід між станами?

Для цього потрібно створити певні умови: постійний тиск та конкретну температуру. При цьому зміна агрегатних станів речовини супроводжується виділенням чи поглинанням енергії. Причому цей перехід не відбувається блискавично, а потребує певних витрат часу. Протягом усього цього часу умови мають бути незмінними. Перехід відбувається при одночасному існуванні речовини у двох іпостасях, що підтримують теплову рівновагу.

Перші три стани речовини можуть взаємно переходити один до одного. Існують прямі процеси та зворотні. Вони мають такі назви:

• плавлення(з твердого в рідке) та кристалізація, наприклад, танення льоду та затвердіння води;
• пароутворення(з рідкого в газоподібне) та конденсація, прикладом є випаровування води та отримання її з пари;
• сублімація(з твердого в газоподібне) та десублімація, наприклад, випаровування сухого ароматизатора для першого з них і морозні візерункина склі до другого.

Фізика плавлення та кристалізації

Якщо тверде тіло нагрівати, то за певної температури, званої температурою плавленняконкретної речовини, почнеться зміна агрегатного стану, що називається плавленням. Цей процес йде з поглинанням енергії, яка називається кількістю теплотиі позначається буквою Q. Для її розрахунку потрібно знати питому теплотуплавленняяка позначається λ . І формула приймає такий вираз:

Q = λ * m, де m - маса речовини, яка задіяна в плавленні.

Якщо відбувається зворотний процес, тобто кристалізація рідини, умови повторюються. Відмінність лише тому, що енергія виділяється, й у формулі з'являється знак «мінус».

Фізика пароутворення та конденсації

При продовженні нагрівання речовини воно поступово наблизиться до температури, при якій почнеться його інтенсивне випаровування. Цей процес називається пароутворенням. Воно знову ж таки характеризується поглинанням енергії. Тільки для його обчислення потрібно знати питому теплоту пароутворення r. А формула буде такою:

Q = r * m.

Зворотний процес або конденсація відбуваються із виділенням тієї ж кількості теплоти. Тому у формулі знову утворюється мінус.

Для того щоб зрозуміти, що такий агрегатний стан речовини, згадайте чи уявіть себе влітку біля річки з морозивом у руках. Чудова картинка, правда?

Так ось, у цій ідилії, крім отримання задоволення, можна ще здійснити фізичне спостереження. Зверніть увагу на воду. У річці вона рідка, у складі морозива у вигляді льоду – тверда, а у небі у вигляді хмар – газоподібна. Тобто вона знаходиться одночасно у трьох різних станах. У фізиці це називається агрегатним станом речовини. Розрізняють три агрегатні стани - твердий, рідкий та газоподібний.

Зміна агрегатних станів речовини

Зміна агрегатних станів речовини ми можемо спостерігати на власні очі у природі. Вода з поверхні водойм випаровується, і утворюються хмари. Так рідина перетворюється на газ. Взимку вода у водоймах замерзає, переходячи у твердий стан, а навесні знову тане, переходячи назад у рідину. Що відбувається з молекулами речовини під час переходу його з одного стану в інший? Чи змінюються вони? Чи відрізняються, наприклад, молекули льоду від молекул пари? Відповідь однозначна: ні. Молекули залишаються абсолютно тими самими. Змінюється їхня кінетична енергія, а відповідно і властивості речовини.Енергія молекул пар досить велика, щоб розлітатися в різні сторони, а при охолодженні пар конденсується в рідину, і енергії у молекул все ще достатньо для майже вільного переміщення, але вже недостатньо, щоб відірватися від тяжіння інших молекул і полетіти. При подальшому охолодженні вода замерзає, стаючи твердим тілом, і енергії молекул недостатньо навіть для вільного переміщення всередині тіла. Вони коливаються близько місця, утримувані силами тяжіння інших молекул.

Характер руху та стану молекул у різних агрегатних станах речовини можна відобразити на наступній таблиці:

процесів, у яких відбувається зміна агрегатних станів речовин, лише шість.

Перехід речовини з твердого стану в рідке називається плавленням, зворотний процес - кристалізацією. Коли речовина переходить із рідини в газ, це називається пароутвореннямз газу в рідину - конденсацією. Перехід з твердого стану відразу в газ, минаючи рідкий, називають сублімацією, зворотний процес - десублімацією.

• 1. Плавлення
• 2. Кристалізація
• 3. Пароутворення
• 4. Конденсація
• 5. Сублімація
• 6. Десублімація

Приклади всіх цих переходівми з вами не раз спостерігали у житті. Лід плавиться, утворюючи воду, вода випаровується, утворюючи пару. У зворотний бік пара, конденсуючись, переходить знову у воду, а вода, замерзаючи, стає кригою. А якщо ви думаєте, що ви не знаєте процесів сублімації та десублімації, то не поспішайте з висновками. Запах будь-якого твердого тіла – це і є не що інше, як сублімація. Частина молекул виривається з тіла, утворюючи газ, який ми можемо внюхати. А приклад зворотного процесу - це візерунки на шибках взимку, коли пара в повітрі, замерзаючи, осідає на склі і утворює химерні візерунки.

Усім, я думаю, відомо 3 основні агрегатні стани речовини: рідкий, твердий і газоподібний. Ми стикаємося з цими станами речовини щодня та всюди. Найчастіше їх розглядають на прикладі води. Рідкий стан води є найбільш звичним для нас. Ми постійно п'ємо рідку воду, вона тече у нас із крана, та й самі ми на 70% складаємось із рідкої води. Другий агрегатний стан води - це звичайний лід, який взимку ми бачимо на вулиці. У газоподібному вигляді воду теж легко зустріти в повсякденному житті. У газоподібному стані вода - це, всім нам відомий, пара. Його можна побачити, коли ми, наприклад, кип'ятимо чайник. Так, саме за 100 градусів вода переходить з рідкого стану в газоподібний.

Це три звичні для нас агрегатні стани речовини. Але чи знаєте ви, що їх насправді 4? Я думаю, хоч раз кожен чув слово « плазма». А сьогодні я хочу, щоб ви ще й дізналися більше про плазму — четвертий агрегатний стан речовини.

Плазма - це частково або повністю іонізований газ з однаковою щільністю як позитивних, так і негативних зарядів. Плазму можна отримати з газу - з 3 агрегатного стану речовини шляхом сильного нагрівання. Агрегатний стан взагалі, по суті, залежить від температури. Перший агрегатний стан - це найнижча температура, при якій тіло зберігає твердість, другий агрегатний стан - це температура, при якій тіло починає плавитися і ставати рідким, третій агрегатний стан - це найбільш висока температура, при ній речовина стає газом. У кожного тіла, речовини температура переходу від одного агрегатного стан до іншого зовсім різна, у когось нижче, у когось вище, але у всіх строго в такій послідовності. А за якої ж температури речовина стає плазмою? Якщо цей четвертий стан, значить, температура переходу до нього вища, ніж у кожного попереднього. І це справді так. Для того, щоб іонізувати газ, потрібна дуже висока температура. Найнижча і низькоіонізована (близько 1%) плазма характеризується температурою до 100 тисяч градусів. У земних умовах таку плазму можна спостерігати як блискавок. Температура каналу блискавки може перевищувати 30 тисяч градусів, що у 6 разів більше, ніж температура поверхні Сонця. До речі, Сонце і решта зірок — це теж плазма, частіше все-таки високотемпературна. Наука доводить, що близько 99% усієї речовини Всесвіту - це плазма.

На відміну від низькотемпературної, високотемпературна плазма має практично 100% іонізацію та температуру до 100 мільйонів градусів. Це справді зоряна температура. На Землі така плазма зустрічається тільки в одному випадку - для дослідів тер-мо-ядерного синтезу. Кон-тро-лі-ру-е-мая реак-ція досить складна і енер-го-за-тратна, а ось некон-тро-лі-ру-е-мая доста-точно заре-ко-мен-до -вала себе як зброя-жі колос-саль-ної потужності-тер-мо-ядер-на бомба, випробувана-на СРСР 12 серпня-ста 1953 року.

Плазму класифікують не лише за температурою та ступенем іонізації, а й за щільністю, і за квазінейтральністю. Словосполучення щільність плазмизазвичай позначає щільність електронів, Тобто кількість вільних електронів в одиниці об'єму. Ну, з цим, гадаю, все зрозуміло. А ось що таке квазінейтральність знають далеко не всі. Квазінейтральність плазми - це одна з найважливіших її властивостей, що полягає в практично точній рівності щільностей позитивних іонів і електронів, що входять до її складу. Через хорошу електричну провідність плазми поділ позитивних і негативних зарядів неможливий на відстанях великих дебаївської довжини і часах великих періоду плазмових коливань. Майже вся плазма квазінейтральна. Прикладом неквазінейтральної плазми пучок електронів. Однак щільність ненейтральних плазм має бути дуже мала, інакше вони швидко розпадуться за рахунок кулонівського відштовхування.

Ми дуже мало розглянули земних прикладів плазми. Адже їх досить багато. Людина навчилася застосовувати плазму собі на благо. Бла-го-даря чет-вер-тому агре-гат-ному стану реч-ства ми можемо користуватися газо-роз-ряд-ними лам-пами, пла-мен-ними теле-ви- зо-рами, дуго-вий елек-тро-зваркою, лазерами. Звичайні газо-розрядні лампи денного світла - це теж плазма. Існує в нашому світі також плазмова лампа. Її переважно використовують у науці, щоб вивчити, а головне — побачити деякі з найскладніших плазмових явищ, включаючи філаментацію. Фотографію такої лампи можна побачити на малюнку нижче:

Крім побутових плазмових приладів, Землі так само часто можна бачити природну плазму. Про один із її прикладів ми вже говорили. Це блискавка. Але крім блискавок плазмовими явищами можна назвати північне сяйво, "вогні святого Ельма", іоносферу Землі і, звичайно, вогонь.

Зверніть увагу, і вогонь, і блискавка, і інші прояви плазми, як ми це називаємо, горять. Чим зумовлене таке яскраве випромінювання світла плазмою? Світіння плазми обумовлено переходом електронів із високоенергетичного стану в стан з низькою енергією післярекомбінації з іонами. Цей процес призводить до випромінювання зі спектром, що відповідає збуджуваного газу. Саме тому плазма світиться.

Хотілося б трохи розповісти про історію плазми. Адже колись плазмою називалися лише такі речовини, як рідка складова молока та безбарвна складова крові. Все змінилося 1879 року. Саме того року знаменитий англійський вчений Вільям Крукс, досліджуючи електричну провідність у газах, відкрив явище плазми. Щоправда, назвали цей стан речовини плазмою лише 1928. І це зробив Ірвінг Ленгмюр.

На закінчення хочу сказати, що таке цікаве і загадкове явищеЯк кульова блискавка, про яку я не раз писала на цьому сайті, це, звичайно ж, теж плазмойд, як і звичайна блискавка. Це, мабуть, найнезвичайніший плазмойд із усіх земних плазмових явищ. Адже існує близько 400 різних теорій на рахунок кульової блискавки, але не одна з них не була визнана воістину правильною. У лабораторних умовах схожі, але короткочасні явища вдалося отримати кількома. різними способамиТак що питання про природу кульової блискавки залишається відкритим.

Звичайну плазму, звісно, ​​теж створювали у лабораторіях. Колись це було складним, але зараз подібний експеримент не складає особливих труднощів. Якщо плазма міцно увійшла до нашого побутового арсеналу, то і в лабораторіях над нею чимало експериментують.

Найцікавішим відкриттям у галузі плазми стали експерименти з плазмою у невагомості. Виявляється, у вакуумі плазма кристалізується. Це відбувається так: заряджені частинки плазми починають відштовхуватися один від одного, і, коли у них є обмежений об'єм, вони займають той простір, який їм відведено, розбігаючись у різні боки. Це дуже схоже на кристалічні ґрати. Чи не означає це, що плазма є замикаючою ланкою між першим агрегатним станом речовини та третім? Адже вона стає плазмою завдяки іонізації газу, а у вакуумі плазма знову стає як би твердою. Але це лише моє припущення.

Кристаліки плазми в космосі мають також досить дивну структуру. Цю структуру можна спостерігати і вивчати лише у космосі, у справжньому космічному вакуумі. Навіть якщо створити вакуум на Землі і помістити туди плазму, то гравітація просто стискатиме всю «картину», що утворюється всередині. У космосі ж кристали плазми просто злітають, утворюючи об'ємну тривимірну структуру дивної форми. Після відправлення результатів спостереження за плазмою на орбіті земним ученим, з'ясувалося, що завихрення у плазмі дивним чином повторюють структуру нашої галактики. А це означає, що у майбутньому можна буде зрозуміти, як зародилася наша галактика шляхом вивчення плазми. Нижче на фотографіях показана та сама кристалізована плазма.

Це все, що мені хотілося б сказати на тему плазми. Сподіваюся, вона вас зацікавила та здивувала. Адже це воістину дивовижне явище, а точніше стан - 4 агрегатний стан речовини.

Агрегатний стан речовини

Речовина- реально існуюча сукупність частинок, пов'язаних між собою хімічними зв'язками і які знаходяться за певних умов в одному з агрегатних станів. Будь-яка речовина складається з сукупності дуже великої кількостічастинок: атомів, молекул, іонів, які можуть об'єднуватися між собою в асоціати, які називаються також агрегатами або кластерами. Залежно від температури та поведінки частинок в асоціатах ​​(взаємне розташування частинок, їх кількість та взаємодія в асоціаті, а також розподіл асоціатів у просторі та їх взаємодії між собою) речовина може перебувати у двох основних агрегатних станах – кристалічному (твердому) або газоподібному,та в перехідних агрегатних станах – аморфному (твердому), рідкокристалічному, рідкому та пароподібному.Твердий, рідкокристалічний та рідкий агрегатні стани є конденсованими, а пароподібний та газоподібний – сильно розрядженими.

Фаза– це сукупність однорідних мікрообластей, що характеризуються однаковою впорядкованістю та концентрацією частинок та ув'язнених у макроскопічному обсязі речовини, обмеженому поверхнею розділу. У цьому розумінні фаза характерна лише речовин, що у кристалічному і газоподібному станах, т.к. це однорідні агрегатні стани.

Метафаза- це сукупність різнорідних мікрообластей, що відрізняються один від одного ступенем упорядкованості частинок або їх концентрацією і ув'язнених у макроскопічному обсязі речовини, обмеженому поверхнею розділу. У такому розумінні метафаза характерна лише для речовин, що перебувають у неоднорідних перехідних агрегатних станах. Різні фази та метафази можуть змішуватися між один з одним, утворюючи один агрегатний стан, і тоді між ними немає поверхні розділу.

Зазвичай не поділяють поняття «основний» та «перехідний» агрегатні стани. Поняття «агрегатний стан», «фаза» та «мезофаза» часто використовують як синоніми. Доцільно розглядати стану речовин п'ять можливих агрегатних станів: тверде, рідкокристалічне, рідке, пароподібне, газоподібне.Перехід однієї фази в іншу фазу називають фазовим переходом першого та другого роду. Фазові переходи першого роду характеризуються:

Стрибкоподібною зміною фізичних велич, що описують стан речовини (обсяг, щільність, в'язкість тощо);

Певною температурою, за якої відбувається даний фазовий перехід

Певною теплотою, що характеризує цей перехід, т.к. рвуться міжмолекулярні зв'язки.

Фазові переходи першого роду спостерігаються під час переходу з одного агрегатного стану до іншого агрегатного стану. Фазові переходи другого роду спостерігаються при зміні упорядкованості частинок у межах одного агрегатного стану, що характеризуються:

Поступова зміна фізичних властивостейречовини;

Зміна упорядкованості частинок речовини під дією градієнта зовнішніх полів або за певної температури, яка називається температурою фазового переходу;

Теплота фазових переходів другого роду рівна і близька до нуля.

Головна відмінність фазових переходів першого і другого роду у тому, що з переходах першого роду, передусім, змінюється енергія частинок системи, а разі переходів другого роду – упорядкованість частинок системи.

Перехід речовини з твердого стану в рідке називається плавленнямта характеризується температурою плавлення. Перехід речовини з рідкого в пароподібний стан називається випаровуваннямта характеризується температурою кипіння. Для деяких речовин з невеликою молекулярною масою та слабкою міжмолекулярною взаємодією можливий безпосередній перехід із твердого стану в пароподібний, минаючи рідкий. Такий перехід називається сублімацією.Всі перелічені процеси можуть протікати і у зворотному напрямку: тоді їх називають замерзанням, конденсацією, десублімацією.

Речовини, що не розкладаються при плавленні та кипінні, можуть залежати від температури і тиску у всіх чотирьох агрегатних станах.

Твердий стан

При досить низькій температурі практично всі речовини знаходяться у твердому стані. У цьому стані відстань між частинками речовини можна порівняти з розмірами самих частинок, що забезпечує їх сильну взаємодію та значне перевищення у них потенційної енергії над кінетичною енергією. твердої речовиниобмежено лише незначними коливаннями та обертаннями щодо займаного становища, а поступальний рух у них відсутній. Це призводить до внутрішньої впорядкованості розташування частинок. Тому для твердих тіл характерна власна форма, механічна міцність, постійний обсяг (вони практично стисливі). Залежно від рівня упорядкованості частинок тверді речовини поділяються на кристалічні та аморфні.

Кристалічні речовини характеризуються наявністю порядку розташування всіх частинок. Тверда фаза кристалічних речовин складається з частинок, які утворюють однорідну структуру, що характеризується строгою повторюваністю однієї і тієї ж елементарної комірки у всіх напрямках. Елементарна осередок кристала характеризує тривимірну періодичність розташування частинок, тобто. його кристалічні ґрати. Кристалічні грати класифікуються залежно від типу частинок, що становлять кристал, і зажадав від природи сил тяжіння з-поміж них.

Багато кристалічних речовин залежно від умов (температура, тиск) можуть мати різну кристалічну структуру. Це явище називається поліморфізм.Загальновідомі поліморфні модифікації вуглецю: графіт, фулерен, алмаз, карбін.

Аморфні (безформні) речовини.Цей стан притаманний полімерів. Довгі молекули легко згинаються і переплітаються з іншими молекулами, що призводить до нерегулярності розташування частинок.

Відмінність аморфних частинок від кристалічних:

ізотропія – однаковість фізичних і хімічних властивостей тіла чи середовища у всіх напрямах, тобто. незалежність властивостей від спрямування;

відсутність фіксованої температури плавлення.

Аморфну ​​структуру мають скло, плавлений кварц, багато полімерів. Аморфні речовини менш стійкі, ніж кристалічні, і тому будь-яке аморфне тілозгодом може перейти в енергетично стійкіший стан – кристалічний.

Рідкий стан

При підвищенні температури енергія теплових коливань частинок зростає і для кожної речовини є температура, починаючи з якої енергія теплових коливань перевищує енергію зв'язків. Частинки можуть здійснювати різні рухи, зміщуючись щодо один одного. Вони ще залишаються у контакті, хоча правильна геометрична структура частинок порушується – речовина існує у рідкому стані. Внаслідок рухливості частинок для рідкого стану характерні броунівський рух, дифузія та леткість частинок. Важливою властивістю рідини є в'язкість, яка характеризує міжасоціатні сили, що перешкоджають вільному перебігу рідини.

Рідини займають проміжне положення між газоподібним та твердим станом речовин. Більше впорядкова структура, ніж газ, але менш ніж тверда речовина.

Паро - і газоподібний стан

Паро-газоподібний стан зазвичай не розрізняють.

Газ - це сильно розряджена однорідна система, що з окремих молекул, далеко віддалених друг від друга, яку можна як єдину динамічну фазу.

Пар - це сильно розряджена неоднорідна система, що є сумішшю молекул і нестійких невеликих асоціатів, що складаються з цих молекул.

Молекулярно-кінетична теорія пояснює властивості ідеального газу, ґрунтуючись на таких положеннях: молекули здійснюють безперервний безладний рух; об'єм молекул газу дуже малий в порівнянні з міжмолекулярними відстанями; між молекулами газу не діють сили тяжіння чи відштовхування; середня кінетична енергія молекул газу пропорційна його абсолютній температурі. Внаслідок незначності сил міжмолекулярної взаємодії та наявності великого вільного об'єму для газів характерні: висока швидкість теплового руху та молекулярної дифузії, прагнення молекул зайняти якомога більший об'єм, а також більша стисливість.

Ізольована газофазна система характеризується чотирма параметрами: тиском, температурою, об'ємом, кількістю речовини. Зв'язок між цими параметрами описується рівнянням стану ідеального газу:

R = 8,31 кДж/моль – універсальна газова стала.

Усім, я думаю, відомо 3 основні агрегатні стани речовини: рідкий, твердий і газоподібний. Ми стикаємося з цими станами речовини щодня та всюди. Найчастіше їх розглядають на прикладі води. Рідкий стан води є найбільш звичним для нас. Ми постійно п'ємо рідку воду, вона тече у нас із крана, та й самі ми на 70% складаємось із рідкої води. Другий агрегатний стан води - це звичайний лід, який взимку ми бачимо на вулиці. У газоподібному вигляді воду також легко зустріти у повсякденному житті. У газоподібному стані вода - це, всім нам відомий, пара. Його можна побачити, коли ми, наприклад, кип'ятимо чайник. Так, саме за 100 градусів вода переходить з рідкого стану в газоподібний.

Це три звичні для нас агрегатні стани речовини. Але чи знаєте ви, що їх насправді 4? Я думаю, хоч раз кожен чув слово «плазма». А сьогодні я хочу, щоб ви ще й дізналися більше про плазму — четвертий агрегатний стан речовини.

Плазма - це частково або повністю іонізований газ з однаковою щільністю як позитивних, так і негативних зарядів. Плазму можна отримати з газу - з 3 агрегатного стану речовини шляхом сильного нагрівання. Агрегатний стан взагалі, по суті, залежить від температури. Перший агрегатний стан - це найнижча температура, при якій тіло зберігає твердість, другий агрегатний стан - це температура, при якій тіло починає плавитися і ставати рідким, третій агрегатний стан - це найбільш висока температура, при ній речовина стає газом. У кожного тіла, речовини температура переходу від одного агрегатного стан до іншого зовсім різна, у когось нижче, у когось вище, але у всіх строго в такій послідовності. А за якої ж температури речовина стає плазмою? Якщо цей четвертий стан, значить, температура переходу до нього вища, ніж у кожного попереднього. І це справді так. Для того, щоб іонізувати газ, потрібна дуже висока температура. Найнижча і низькоіонізована (близько 1%) плазма характеризується температурою до 100 тисяч градусів. У земних умовах таку плазму можна спостерігати як блискавок. Температура каналу блискавки може перевищувати 30 тисяч градусів, що у 6 разів більше, ніж температура поверхні Сонця. До речі, Сонце і решта зірок — це теж плазма, частіше все-таки високотемпературна. Наука доводить, що близько 99% усієї речовини Всесвіту - це плазма.

На відміну від низькотемпературної, високотемпературна плазма має практично 100% іонізацію та температуру до 100 мільйонів градусів. Це справді зоряна температура. На Землі така плазма зустрічається лише в одному випадку – для дослідів термоядерного синтезу. Контрольована реакція досить складна і енерговитратна, а ось неконтрольована досить зарекомендувала себе як зброя колосальної потужності – термоядерна бомба, випробувана СРСР 12 серпня 1953 року.

Плазму класифікують не лише за температурою та ступенем іонізації, а й за щільністю, і за квазінейтральністю. Словосполучення щільність плазмизазвичай позначає щільність електронів, Тобто кількість вільних електронів в одиниці об'єму. Ну, з цим, гадаю, все зрозуміло. А ось що таке квазінейтральність знають далеко не всі. Квазінейтральність плазми - це одна з найважливіших її властивостей, що полягає в практично точній рівності щільностей позитивних іонів і електронів, що входять до її складу. Через хорошу електричну провідність плазми поділ позитивних і негативних зарядів неможливий на відстанях великих дебаївської довжини і часах великих періоду плазмових коливань. Майже вся плазма квазінейтральна. Прикладом неквазінейтральної плазми пучок електронів. Однак щільність ненейтральних плазм має бути дуже мала, інакше вони швидко розпадуться за рахунок кулонівського відштовхування.

Ми дуже мало розглянули земних прикладів плазми. Адже їх досить багато. Людина навчилася використовувати плазму собі на благо. Завдяки четвертому агрегатному стану речовини ми можемо користуватися газорозрядними лампами, плазмовими телевізорами, дуговим електрозварюванням, лазерами. Звичайні газорозрядні лампи денного світла це теж плазма. Існує в нашому світі також плазмова лампа. Її переважно використовують у науці, щоб вивчити, а головне — побачити деякі з найскладніших плазмових явищ, включаючи філаментацію. Фотографію такої лампи можна побачити на малюнку нижче:

Крім побутових плазмових приладів, Землі так само часто можна бачити природну плазму. Про один із її прикладів ми вже говорили. Це блискавка. Але, крім блискавок, плазмовими явищами можна назвати північне сяйво, “вогні святого Ельма”, іоносферу Землі і, звичайно, вогонь.

Зверніть увагу, і вогонь, і блискавка, і інші прояви плазми, як ми це називаємо, горять. Чим зумовлене таке яскраве випромінювання світла плазмою? Світіння плазми обумовлено переходом електронів із високоенергетичного стану в стан з низькою енергією післярекомбінації з іонами. Цей процес призводить до випромінювання зі спектром, що відповідає збуджуваного газу. Саме тому плазма світиться.

Хотілося б трохи розповісти про історію плазми. Адже колись плазмою називалися лише такі речовини, як рідка складова молока та безбарвна складова крові. Все змінилося 1879 року. Саме того року знаменитий англійський вчений Вільям Крукс, досліджуючи електричну провідність у газах, відкрив явище плазми. Щоправда, назвали цей стан речовини плазмою лише 1928. І це зробив Ірвінг Ленгмюр.

На закінчення хочу сказати, що таке цікаве та загадкове явище, як кульова блискавка, про яку я не раз писала на цьому сайті, це, звичайно ж, теж плазмойд, як і звичайна блискавка. Це, мабуть, найнезвичайніший плазмойд із усіх земних плазмових явищ. Адже існує близько 400 різних теорій на рахунок кульової блискавки, але не одна з них не була визнана воістину правильною. У лабораторних умовах схожі, але короткочасні явища вдалося отримати кількома різними способами, отже питання природі кульової блискавки залишається відкритим.

Звичайну плазму, звісно, ​​теж створювали у лабораторіях. Колись це було складним, але зараз подібний експеримент не складає особливих труднощів. Якщо плазма міцно увійшла до нашого побутового арсеналу, то і в лабораторіях над нею чимало експериментують.

Найцікавішим відкриттям у галузі плазми стали експерименти з плазмою у невагомості. Виявляється, у вакуумі плазма кристалізується. Це відбувається так: заряджені частинки плазми починають відштовхуватися один від одного, і, коли у них є обмежений об'єм, вони займають той простір, який їм відведено, розбігаючись у різні боки. Це дуже схоже на кристалічні ґрати. Чи не означає це, що плазма є замикаючою ланкою між першим агрегатним станом речовини та третім? Адже вона стає плазмою завдяки іонізації газу, а у вакуумі плазма знову стає як би твердою. Але це лише моє припущення.

Кристаліки плазми в космосі мають також досить дивну структуру. Цю структуру можна спостерігати і вивчати лише у космосі, у справжньому космічному вакуумі. Навіть якщо створити вакуум на Землі і помістити туди плазму, то гравітація просто стискатиме всю «картину», що утворюється всередині. У космосі кристали плазми просто злітають, утворюючи об'ємну тривимірну структуру дивної форми. Після відправлення результатів спостереження за плазмою на орбіті земним ученим, з'ясувалося, що завихрення у плазмі дивним чином повторюють структуру нашої галактики. А це означає, що у майбутньому можна буде зрозуміти, як зародилася наша галактика шляхом вивчення плазми. Нижче на фотографіях показана та сама кристалізована плазма.