Agregatna stanja

Termodinamika
Klasična Karnotova toplotna mašina
Grane Klasična • Statistička • Hemijska • Ravnoteža / Neravnoteža
Zakoni Nulti • Prvi • Drugi • Treći
Sistemi Stanje Jednačina stanja • Idealni gas • Realni gas • Agregatna stanja • Ravnoteža • Kontrolisana zapremina • Instrumenti Procesi Izobarni • Izohorski • Izotermski • Adijabatski • Izentropski • Izentalpijski • Kvazistatički • Politropski • Slobodna ekspanzija • Reverzibilnost • Ireverzibilnost • Endoreverzibilnost Ciklusi Toplotni matori • Toplotne pumpe • Termalna efikasnost
Osobine sistema Termodinamički dijagrami • Intenzivne i ekstenzivne veličine Funkcije stanja Temperatura / Entropija • Uvod u entropiju • Pritisak / Zapremina • Hemijski potencijal / Broj čestica • Kvalitet pare • Redukovane osobine Procesne funkcije Rad • Toplota
Osobine materijala Specifični toplotni kapacitet  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Kompresibilnost  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Termalna ekspanzija  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$ Baza podataka osobina
Jednačine Karnotova teorema • Klauzijusova teorema • Fundamentalna relacija • Jednačina stanja idealnog gasa • Maksvelove relacije • Onsagerove recipročne relacije • Bridgmanove termodinamičke jednačine • Tabela termodinamičkih jednačina
Potencijali Slobodna energija • Slobodna entropija Unutrašnja energija ${\displaystyle U(S,V)}$ Entalpija ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Helmholcova slobodna energija ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Gibsova slobodna energija ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$

Agregatno stanje je makroskopski oblik fizickih materije, uniformnih fizičkih osobina, i uniformnog hemijskog sastava u kojem čestice (atomi, molekuli, joni...) imaju karakterističnan prostorni raspored i karakteristične oblike kretanja. Tip agregatnog stanja (čvrsto, tečno, gasovito, plazma) zavisi od odnosa termalne energije čestica i energije međučestičnih interakcija. Promene agregatnih stanja se nazivaju fazni prelazi. Mnoga druga stanja su poznata kao što su Bose–Ajnštajnov kondenzati i neutron-degenerisana materija, mada se ona javljanju samo ekstremnim situacijama kao što su ultra hladna ili ultra gusta materija. Druga stanja, kao što su degenerisana materija, se smatraju mogućim ali su za sad u domenu teorije.

Istorijski, distinkcija se pravila na osnovu kvalitativnih razlika u svojstvima. Materija u čvrstom stanju zadržava fiksnu zapreminu i oblik, sa sastavnim česticama (atomima, molekulima ili jonima) blizo jedan drugog i sa fiksnim pozicijama. Materija u tečnom stanju zadržava fiksnu zapreminu, ali ima promenljivi oblik koji se prilagođava sidu. Njene čestice su još uvek blizo jedna drugoj ali su slobodnije. Materija u gasovitom stanju ima promenljivu zapreminu i oblik, adaptirajući obe da popuni sud. Njene čestice su niti blizo jedna drugoj niti imaju fiksnu poziciju. Materija u stanju plazme ima promenljivu zapreminu i oblik, kao i neutralne atome, ona sadrži znatan broj jona i elektrona, koji mogu da se slobodno kreću. Plazma je najrasprostranjenija forma vidljive materije u svemiru.^[1]

Termin faze se ponekad koristi kao sinonim za stanje materije, mada sistem može da sadrži nekoliko faza istog stanja materije koje se ne mešaju.

Glavni članak: Čvrsto agregatno stanje

Tela u čvrstom stanju mogu biti kristalna i amorfna. U kristalnim telima atomi su pravilno raspoređeni u prostoru i samo osciluju oko ravnotežnih položaja. U amorfnim telima čestice isto osciluju oko ravnotežnih položaja ali je njihov prostorni raspored neuređen.^[2]

Stakla i druge nekristalne, amorfne čvrste materije bez uređenosti na većim rastojanjima nisu u termalno ravnotežnim osnovnim stanjima; stoga se ona opisuju kao neklasična stanja materije.

Čvrste materije se mogu transformisati u tečnosti topljenjem, a tečnositi se mogu transformisati u čvste materije zamrzavanjem. Čvrste materije takođe mogu direktno da pređu u gasove putem procesa sublimacije, i gasovi mogu na analogan način direktno da pređu u čvrsto stanje putem depozicije.

Glavni članak: tečnost

U tečnom stanju raspored čestica nalikuje na amorfno, s time što je dopušteno i translatorno kretanje čestica. Dakle, pored oscilovanja oko ravnotežnih položaja čestice se međusobno kreću. (Molekuli mogu još i da rotiraju oko svog centra mase i još da poseduju brojne oblike unutrašnjeg kretanja poput vibracija, torzionih oscilacija, rotacija, konformacionih prelaza itd.) Pri tome čestice mogu da razmenjuju položaje i da stvaraju nove, međutim, privlačne sile su dovoljno velike u odnosu na termalnu energiju da drže čestice na bliskim rastojanjima. Otuda tečnosti imaju konstantnu zapreminu ali ne i oblik.^[3]

Glavni članak: Gas

U gasovitom stanju privlačne sile među česticama znatno su slabije od njihove toplotne energije pa se čestice skoro slobodno kreću ispunjavajući celokupan raspoloživi prostor.^[4]

Glavni članak: Plazma (fizika)

Plazma je jonizovan gas koji se zbog jedinstvenih osobina smatra posebnim agregatnim stanjem materije.

Glavni članak: Fazna transformacija

Prelaz iz jednog agregatnog stanja u drugo naziva se fazni prelaz. Pri tome se menja samo relativni raspored čestica i/ili njihova pokretljivost ali ne i njihova hemijska priroda. Dakle, promena agregatnog stanja je striktno fizički proces bez hemijskih reakcija. Promena agregatnog stanja može da bude skokovita (topljenje leda, sublimacija joda, isparavanje vode) ili kontinualna (omekšavanje stakla). Na temperaturi apsolutne nule skoro sve supstance su u čvrstom stanju. Na ekstremno visokim temperaturama skoro sve supstance prelaze u plazmu.^[5] Pojava superprovodnosti je vezana za fazni prelaz, tako da postoje superprovodna stanja. Slično tome, feromagnetična stanja su označena faznim prelazima i imaju prepoznatljiva svojstava. Kad dođe do promene stanja posredni koraci se nazivaju mezofazama. Takve faze su iskorišćene uvođenjem tehnolgije tečnih kristala. ^[6][7]

Stanje ili faza date materije se može promeniti u zavisnosti od pritiska i temperature, pri čemu dolazi do prelaza u druge faze kad se uslovi promene tako da pogoduju njihovom postojanju; na primer, čvrsta materija prelazi u tečnost sa povišenjem temperature. U blizini apsolutne nule, supstanca postoji kao čvsta materija. Sa dodatkom toplote supstanca se topi u tečnost na tački topljenja, ključa u gas na njenoj tački ključanja, i ako se dovoljno zagreje prelazi bilo u stanje plazme u kome elektroni imaju dovoljno energije da napuste atome.

Forme materije koje se ne sastoje od molekula i koje su organizovane različitim silama se takođe mogu smatrati različitim stanjima materije. Superfluidi (poput Fermionskog kondenzata) i kvark–gluonske plazme su primeri.

U hemijskoj jednačini, stanje materije hemikalija se može prikazati kao (s) za čvrste materije, (l) za tečnosti, i (g) za gas. Vodeni rastvor se označava sa (aq). Materija u stanju plazme se retko koristi (ako ikad) u hemijskim jednačinama, tako da nema standardnog simbola za njeno označavanje. U retkim jednačinama u kojima se koristi plazma ona se obeležava sa (p).

Pod osobinama agregatnog stanja podrazumevamo statičke osobine kao što su:

• pritisak
• temperatura
• entropija
• toplotni kapacitet
• simetrija prostornog uređenja (simetrija kristala u čvrstom stanju)

Kao i dinamičke osobine kao:

• brzina zvuka u sredini
• toplotna provodljivost
• električna provodljivost
• modul elastičnosti

Odrednice koje karakterišu "vrstu čestica" od kojih se sistem sastoji ne određuju direktno agregatno stanje. Drugim rečima, tečnost je tečnost jer se ponaša kao ista, pa makar bila voda, aceton, etanol, anti-voda (anti-kiseonik + anti-vodonik), itd.

Neka dobro poznata agregatna stanja:

• čvrsto
• tekuće (tečnost)
• gasovito (Bose, Fermi i klasični gasovi)
• plazma
• U(1) superfluid (primer: Cooper parovi elektrona u običnom superprovodniku; deo He4 tekućine ispod 4K; Bose-Einstein kondenzat Rb atoma)

Manje poznata agregatna stanja su:

• supersolid
• frakciona kvantna Hall tečnost (nisko-temperaturni elektronski gas)
• poremećena X-Y kristalna rešetka

Pored osnovnih agregatnih stanja (čvrsto, tečno, gasovito i plazma) postoji i čitava serija međustanja, koja se nazivaju i tečni kristali ili mezomorfna stanja, koja su po svojim osobinama između tečnog i čvrstog stanja. Praktično radi se o anizotropnim tečnostima, dakle, sistemima u kojima čestice imaju pokretljivost tečnosti ali prostorni raspored kristala.

Glavni članak: Staklo

Šematska reprezentacija randomne mreže staklaste forme (levo) i uređene kristalne rešetke (desno) sa identičnim hemijskim sastavom.

Staklo je nekristalni ili amorfni čvrsti materijal koji ispoljava stakleni prelaz kad se zagreva do tečnog stanja. Stakla mogu da budu napravljena od sasvim različitih klasa materijala: neorganskih mreža (kao što je prozorsko staklo, napravljeno od silikata sa aditivima), metalnih legura, jonskih rastopa, vodenih rastvora, molekulskih tečnosti, i polimera. Termodinamički, staklo je u metastabilnom stanje u odnosu na svoje kristalne pandane. Brzina konverzije je međutim praktično jednaka nuli.

Plastični kristal je molekulski čvrsti materijal sa pozicionim uređenjem na velikim rastojanjima, pri čemu konstituentni molekuli zadržavaju rotacionu slobodu; u orijentacionom staklu ti stepeni slobode su zamrznuti u ugaženom neuređenom stanju.

Slično tome, u spinskom staklu magnetna neuređenost je zamrznuta.

Glavni članak: Tečni kristal

Stanja tečnih kristala imaju svojstva koja su na prelazu između pokretnih tečnosti i uređenih čvrstih materija. Generalno, tečni kristali mogu da teku, poput tečnosti, mada ispoljavaju uređenost na velikim rastojanjima. Na primer, nematična faza se sastoji od dugih štapićastkih molekula, kao što je para-azoksianizol, koji je nematičan u temperaturnom opsegu 118–136 °C.^[8] U tom stanju molekuli teku kao tečnosti, ali su svi usmereni u istom pravcu (unutar svakog domena) i ne mogu slobodno da rotiraju.

Drigi tipovi tečnih kristala su opisani u glavnom članku o njima. Nekoliko topova ima tehnološki značaj, na primer, u tečno kristalnim displejima.

Atomi prelaznih metala često imaju magnetske momente usled neto spina elektrona koji ostaju nespareni i ne formiraju hemijske veze. U nekim čvrstim materijalima magnetni momenti različitih atoma su uređeni i mogu da formiraju feromagnet, antiferomagnet ili ferimagnet.

Kod feromagnetizma — na primer čvrstog gvožđa — magnetni momenat na svakom atomu je poravnat u istom pravcu (unutar magnetnog domena). Ako su i domeni poravnati, čvrsti materijal je permanentni magnet, koji je magnetan čak i u odsustvu vanjskog magnetnog polja. Magnetizacija se gubi kad se magnet zagreva do Kirijeve tačke, koja je kod gvožđa na 768 °C.

Antiferomagnet ima dve mreže jednakih i suprotnih magnetnih momenata, koje poništavaju jedna drugu tako da je neto magnetizacija jednaka nuli. Na primer, u nikal(II) oksidu (NiO), polovina niklovih atoma ima momente poravnate u jednom smeru, a polovina u suprotnom smeru.

Kod ferimagneta, dve mreže magnetnih momenata su suprotne ali su nejednake, tako da poništavanje nije kompletno i postoji izvesna magnetizacija. Primer je magnetit (Fe₃O₄), koji sadrži Fe²⁺ i Fe³⁺ jone sa različitim magnetnim momentima.

Glavni članak: Kopolimer

Kopolimeri mogu da podlegnu mikrofaznoj separaciji i da formiraju raznovrsne nizove periodičnih nanostruktura, kao što je prikazano na primeru kopolimera stiren-butadien-stirenskog bloka prikazanog desno. Mikrofazna separacija se može razumeti po analogiji sa faznim razdvajanjem između ulja i vode. Usled hemijske inkompatibilnosti između dva bloka, blok kopolimera podleže sličnoj faznoj separaciji. Međutim, pošto su blokovi kovalentno vezani jedan za drugi, oni se ne mogu makroskopski razdvojiti kao što to voda i ulje čine, nego umesto toga blokovi formiraju strukture nanometarske veličine. U zavisnosti od relativnih dužina svakog bloka i sveukupne topologije blokova polimera, može nastati mnoštvo morfologija, svaka od kojih je zasebna faza materije.

Glavni članak: Kvantno spinska tečnost

Kvantno spinska tečnost ima neuređeno stanje u sistemu interagujućih kvantnih spinova, koje očuvava svoju neuređenost do veoma niskih temperatura, za razliku od drugih neorjentisanih stanja.

Glavni članak: Superfluid

U blizini apsolutne nule, neke tečnosti formiraju drugo tečno stanje koje se naziva superfluidom, koje ima nulti viskozitet (ili infinitnu fluidnost; i.e., teče bez trenja). To je oktriveno 1937. godine za helijum, koji formira superfluid ispod lambda temperature od 2,17 K. U tom stanju on pokušava da se „ispenje“ iz svog suda.^[9] On isto tako ima beskonačnu termalnu provodnost, tako da se temperaturni gradijent ne može formirati u superfluidu. Smeštanje superfluida u vrteći kontejner proizvodi kvantizovane vrtloge.

Ta svojstva se teorijski objašnjavaju pretpostavkom da uobičajeni izotop helijum-4 formira Boze–Ajnštajnov kondenzat (pogledajte sledeću sekciju) u superfluidnom stanju. Nedavno su superfluidi Fermionskog kondenzata bili formirani na još nižim temperaturama za retke izotope helijum-3 i litijum-6.^[10]

Glavni članak: Boze–Ajnštajnov kondenzat

Godine 1924, Albert Einstein i Satyendra Nath Bose su predvideli postojanje „Boze–Ajnštajnovog kondenzata“ (BEC), koje se u ponekad naziva petim stanjem materije. U ovom stanju materija prestaje da se ponaša kao set nezavisnih čestica, i kolapsira u jedno kvantno stanje koje se može opisati sa jednom uniformnom talasnom funkcijom.

U gasnoj fazi, Boze–Ajnštajnom kondenzat je ostao nepotvrđeno teoretsko predviđanje dugi niz godina. Israživačke grupe Erika Kornela i Karla Vimana sa univerzita u Koloradu su 1995. godine eksperimentalno proizvele prvi takav kondenzat. Boze–Ajnštajnov kondenzat je „hladniji“ od čvrste materije. On se može formirati kad atomi imaju veoma slične (ili iste) kvantne nivoe, na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli (−273,15 °C).

Glavni članak: Fermionski kondenzat

Fermionski kondenzat je sličan Boze–Ajnštajnovom kondenzatu ali se sastoji od fermiona. Paulijev princip isključenja sprečava fermione da zauzmu isto kvantno stanje, ali se par fermiona može ponašati kao bozon, i višestruki takvi parovi mogu zatim da stupe u isto kvantno stanje bez ograničenja.

Jedno od metastabilnih stanja jako neidealne plazme je Rajdbergova materija, koja se formira nakon kondenzacije pobuđenih atoma. Ti atomi isto tako mogu da se pretvore u jone i elektrone, ako dostignu određenu temperaturu. Aprila 2009, Nature je objavila članak o formiranju Rajdbergovih molekula iz Rajdbergovog atoma i atoma u osnovnom stanju,^[11] čime je potvrđeno da takvo stanje materije može da postoji.^[12] Eksperiment je izveden koristeći ultrahladne atome rubidijuma.

Glavni članak: Kvantni Holov efekat

Kvantno Holovo stanje dovodi do kvantizovanog Holovog napona koji se meri u normalnom pravcu na protok struje. Kvantno spinsko Holovo stanje je teoretska faza koja može da poploča put do razvoja elektronskih uređaja koji rasipaju manje energije i generišu manje toplote. Ono je derivat kvantnog Holovog stanja materije.

Glavni članak: Čudna materija

Čudna materija je tip kvarkne materija koja može da postoji u unutrašnjosti nekih neutronskih zvezda u blizini Tolman–Openhejmer–Volkofovog limita (aproksimativno 2–3 solarne mase). Ona može da bude stabilna na nižim energetskim stanjima nakon formiranja.

Glavni članak: Fotonska materija

Kod fotonske materije, fotoni se ponašaju kao da imaju masu, i mogu da formiraju međusobne interakcije, čak i da formiraju fotonske „molekule“. To je u kontrastu sa uobičajenim svojstvima fotona, koji nemaju masu mirovanja, i ne mogu da formiraju interakcije.

Glavni članak: Dropleton

Dropleton je „kvantna magla“ elektrona i otvora koji teku jedni oko drugih, i čak formiraju talase poput tečnosti, umesto da se javljaju kao diskretni parovi.^[13]

Glavni članak: Degenerisana materija

Pod ekstremno visokim pritiscima, obična materija podleže tranziciji do serije egzotičnih stanja materije koja su kolektivno poznata kao degenerasana materija. U tim uslovima, struktura materije je podržana Paulijevim principom isključenja. Ova stanja su od velikog interesa za astrofizičare, pošto se smatra da se uslovi visokog pritiska javljaju unutar zvezda koje su iskoristile njihovo nuklearno fuziono „gorivo“, kao što su beli patuljci i neutronske zvezde.

Elektronski degenerisana materija se javljaju unutar belih patuljaka. Elektroni ostaju vezani za atome, ali se mogu preneti na susedne atome. Neutronski degenerisana materija je prisutna u neutronskim zvezdama. Ogromni gravitacioni pritisak kompresuje atome toliko puno da su elektroni prisiljeni da se kombinuju sa protonima putem inverznog beta raspada, što dovodi do supergustih konglomeracija neutrona. (Normalno se slobodni neutroni izvan atomskih jezgara raspadaju sa poluživotom manjim od 15 minuta, ali u neutronskoj zvezdi, kao i u jezgru atoma, drugi efekti stabilizuju neutrone.)

Glavni članak: Kvark–gluonska plazma

Kvark–gluonska plazma je faza u kojoj kvarkovi postaju slobodni i mogu da se kreću nezavisno (umesto da budu neprestano vezani za čestice) u moru gluona (subatomskih čestica koje transmituju jaku silu koja vezuje kvarkove); to je slično rastavljanju molekula na atome. Ovo stanje se može kratkotrajno stvariti u akceleratorima čestica, i ono omugućava naučnicima da uoče svojstva pojedinačnih kvarkova, i da potvrde teorije.

Kvark–gluonska plazma je otkrivena u CERN institutu 2000. godine.

Glavni članak: Obojeni stakleni kondenzat

Obojeni stakleni kondenzat je tip materije za koji se teoretski pretpostavlja da postoji u atomskim jezgrima čija brzina kretanja je bliska brzini svetlosti. Sledstveno Ajnštajnovoj teoriji relativnosti, visoko energetska jezgra izgledaju kao da imaju smanjenu dužinu, ili da su kompresovana, duž pravca kretanja. Konsekventno, gluoni unutar jezgra izgledaju nepokretnom posmatraču kao „gluonski zid“ koji putuje brzinom svetlosti. Pri veoma visokim energijama, gustina gluona u tom zidu se znatno povećava. Za razliku od kvark–gluonske plazme proizvedene kolizijom takvih zidova, obojeni stakleni kondenzat opisuje same zidove, i jedan je od unutrašnjih svojstava čestica pod visoko energetskim uslovima kao što su oni pri RHIC i verovatno u Vekom hadronskom kolajderu.

Gravitaciona singularnost predviđena opštom relativnošću da postoji u centru crne rupe nije faza materije; ona uopšte nije materijalni objekat (mada je masa-energija materije doprinela njenom kreiranju) nego je svojstvo prostor-vremena na datoj lokaciji. Svakako se može tvrditi da su sve čestice svojstva prostor-vremena lokacije,^[14] čime se otvara kontroverzna polemika o ovoj temi.

Glavni članak: Superčvrsto stanje

Superčvrsto stanje je prostorno uređeni materijal (koji je čvrst ili kristalan) sa superfluidnim svojstvima. Slično superfluidu, superčvrsta materija ima sposobnost kretanja bez trenja ali zadržava čvrst oblik. Mada je superčvrsta supstanca čvrsta materija, ona ispojava znatan broj karakteristika koje je razdvajaju od drugih čvrstih materija, te je mnogi smatraju zasebnim stanjem materije.^[15]

Glavni članak: String-net tečnost

U string-net tečnosti, atomi imaju očevidno nestabilan raspored, poput tečnosti, ali su još uvek konzistentni u svekupnom paternu, poput čvrstog materijala. Kad su u normalnom čvrstom stanju, atomi materije se poravnavaju u rešetkastom obrascu, tako da je spin svakog elektrona suprotan spinu svih drugih elektrona u dodiru. U string-net tečnosti, atomi su organizovani u obrascu koji zahteva da neki od elektrona imaju susede sa istim spinom. To dovodi do retkih svojstava, a isto tako daje i podršku nekim neoubičajenim pretpostavkama o fundamentnim svojstvima samog svemira.

Glavni članak: Superstaklo

Superstaklo je faza materije koja je okarakterisana istovremeno superfluidnošću i zamrznutom amorfnom strukturom.

Glavni članak: Tamna materija

Dok se procenjuje da tamna materija sačinjava 83% sveukupne mase svemira, većina njenih svojstva ostaje misterija zbog toga što ona niti absorbuje niti emituje elektromagnetnu radijaciju. Postoji mnoštvo konkurentskih teorija koje objašnjavaju sastav tamne materije. Dakle, mada se hipotetiše da ona postoji i da sačinjava najveći deo materije svemira, skoro sva njena svojstva su nepoznata i stvar spekulacije, pošto je ona jedino uočena putem njenih gravitacionih dejstava.^[16][17]

Glavni članak: Ekvilibrijumski gel

Ekvilibrijumski gel je sačinjen od sintetičke gline zvane Laponit. Za razliku od drugih gelova, on zadržava istu konzistenciju širom svoje strukture i stabilan je, što znači da se ne razdvaja u sekcije čvrste mase i one koje su više tečna masa. Ekvilibrijumska gelna filtraciona tečna hromatografija je tehnika koja se koristi za kvantizaciju vezivanja liganda.^[18]

• Skrivena stanja materije
• Osnovni elementi
• Fizika kondenzovanje materije
• Kriva hlađenja
• Faza (materija)
• Superhlađenje
• Superzagrevanje

Agregatna stanja na Wikimedijinoj ostavi

• 2005-06-22, MIT News: MIT physicists create new form of matter Citat: "... They have become the first to create a new type of matter, a gas of atoms that shows high-temperature superfluidity."
• 2003-10-10, Science Daily: Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
• 2004-01-15, ScienceDaily: Probable Discovery Of A New, Supersolid, Phase Of Matter Citat: "...We apparently have observed, for the first time, a solid material with the characteristics of a superfluid...but because all its particles are in the identical quantum state, it remains a solid even though its component particles are continually flowing..."
• 2004-01-29, ScienceDaily: NIST/University Of Colorado Scientists Create New Form Of Matter: A Fermionic Condensate
• Short videos demonstrating of States of Matter, solids, liquids and gases by Prof. J M Murrell, University of Sussex