Агрегаттық күй

Заттың агрегаттық күйі — бір заттың әр-түрлі күйі.

Заттың бір күйден басқа бір күйге ауысуы оның еркін энергиясының, энтропиясының, тығыздығының, т.б. физикалық қасиеттерінің секірмелі өзгеруімен қоса қабат жүреді. Классикалық түрде агрегаттық күйдің төрт түрі бар: қатты, сұйық, газ тәрізді, плазмалық.^[1] Газдар температура көтеріліп, қысым тұрақты болғанда плазмалық күйге өтеді. Айрықша ерекшелігі – плазмалық күйге өту кезінде айқын шекараның болмауы. Басқа да агрегаттық күйлер бар.

Агрегаттық күйлердің анықтамалары әрдайым қатаң бола бермейді. Мысалы, сұйықтық құрылымын сақтап және сәл аққыштық мен пішінін сақтау қабілеті бар аморфты денелер бар; сұйық кристалдар аққыш, бірақ сонымен бірге олар қатты заттардың кейбір қасиеттеріне ие, атап айтқанда, олар арқылы өтетін электромагниттік сәулеленуді поляризациялай алады.

Физикада әртүрлі күйлерді сипаттау үшін термодинамикалық фаза ұғымы қолданылады. Бір фазадан екінші фазаға өтуді сипаттайтын құбылыстарды критикалық құбылыстар деп атайды.

Заттың агрегаттық күй түрлерінің айырмашылығының негізгі термодинамикалық (феноменологиялық) белгісі – фазалар арасында энергетикалық шекараның болуы: сұйықтық пен оның буы арасындағы шекара ретінде булану жылуы, ал қатты зат пен сұйықтық арасындағы шекара ретінде балқыту жылуы қызмет етеді.

Тарихи тұрғыдан, агрегаттық күйлер қасиеттердің сапалық айырмашылығына негізделген. Қатты күйдегі зат көлемін (температура немесе ауа қысымы өзгермеген жағдайда) және пішінін сақтайды, құрамдас бөлшектері (атомдар, молекулалар немесе иондар) бір-біріне жақын және орнында бекітіліп тұрады. Сұйық күйдегі зат белгіленген көлемді сақтайды (температура немесе ауа қысымы өзгермейді деп есептегенде), бірақ пішіні ыдыс көлеміне бейімделеді. Оның бөлшектері әлі де жақын, бірақ еркін қозғалады. Газ күйіндегі заттың көлемі де, пішіні де өзгеріп отырады, екеуі де ыдыс көлеміне бейімделеді. Оның бөлшектері бір-біріне жақын да, орнында да бекітілмеген. Плазма күйіндегі материяның айнымалы көлемі мен пішіні бар және құрамында бейтарап атомдар, сондай-ақ иондар мен электрондардың едәуір саны бар, олардың екеуі де еркін қозғала алады.

Заттың агрегаттық күйі температура мен қысымға тәуелді. Заттың агрегаттық күйін анықтайтын негізгі шама – молекулалардың өзара әсерінің орташа потенциалдық энергиясының олардың орташа кинетикалық энергиясына қатынасы [~(T, p)]. Мыс., қатты денелер үшін ~(T, p)1, газдар үшін ~(T, p)1, ал сұйықтықтар үшін ~(T, p)1.басталады. Заттың бір агрегаттық күйден басқа бір күйге ауысуы оның потенциалдық энергиясының секірмелі өзгеруімен қоса қабат жүреді және ол молекулааралық қашықтық пен молекула аралық өзара әсерге тәуелді.

Газдарда молекулааралық қашықтық молекулалардың сызықтық өлшемінен әлдеқайда үлкен. Сондықтан газда молекулалар бір-бірімен өзара әсерлеспейді деуге болады, олар еркін қозғала отырып, бүкіл көлемді толтырады. Кез келген газды белгілі бір қысым мен температурада сұйықтыққа, одан кейін қатты күйге келтіруге болады. Сұйықтықтар мен қатты денелерде (қоюланған не тығыздалған денелерде) молекулалар (атомдар), едәуір дәрежеде бір-біріне жақын орналасады да, олардың бір-бірімен әсерлесуі күштірек болып келеді. Осы себептен сұйықтықтар мен қатты денелер өз көлемдерін сақтайды. Дегенмен, қатты денелер мен сұйықтықтардағы молекулалар қозғалысының сипаты олардың әрқайсысында әр түрлі. Олардың құрылымы мен қасиеттерінің бір-бірінен өзгешелігі осы жағдаймен түсіндіріледі.

Кристалл күйдегі қатты дене атомдары кристалдық тор түйіндерінің маңында әлсіз тербеліс жасайды. Мұндай денелердің құрылымы атомдардың реттелгендік (алыс және жақын реттелгендік) дәрежесінің жоғарылығымен сипатталады. Сұйықтық молекулаларының (атомдарының) жылулық қозғалысы молекулалардың тепе-теңдік қалып маңындағы әлсіз тербелістері мен олардың бір тепе-теңдік қалыптан басқа бір тепе-теңдік қалыпқа секірмелі түрде жиі ауысып тұруынан құралады. Сұйықтық бөлшектерінің тепе-теңдік қалыпқа ауысуы олардың орналасуында тек жақын реттіліктің болатындығын және оларға қозғалғыштық пен аққыштық қасиеттер тән екендігін көрсетеді. Ал, плазманың басқа агрегаттық күйлерден айырмашылығы – оның зарядталған бөлшектер (иондар, электрондар) газынан тұратындығы. Плазмада бөлшектер бір-бірімен үлкен қашықтықта әсерлесе береді. Бұл жағдай плазманың өзіне тән кейбір қасиеттерін анықтайды.^[2]

Құрылымы жағынан көбірек реттелген заттың агрегаттық күйінің одан гөрі азырақ реттелген күйге ауысуы белгілі бір температура мен қысымда секірмелі түрде (қ. Балқу, Қайнау), сондай-ақ, үздіксіз де (қ. Фазалық ауысу) жүруі мүмкін. Сондықтан, үздіксіз ауысу мүмкіндігі, Заттың агрегаттық күйінің әр түрге бөлінуінің шартты екендігін көрсетеді. Бұл жағдай сұйықтық құрылымын сақтайтын аморф денелердің, кейбір заттарда бірнеше кристалдық күйлердің, сұйық кристалдардың, т.б. болуымен дәлелденеді. Осыған байланысты қазіргі физикада З. а. к. ұғымының орнына одан гөрі кеңірек — фаза ұғымы пайдаланылады.^[3]

Фаза термині кейде заттың күйінің синонимі ретінде қолданылады, бірақ бір қосылыс бір күйде әртүрлі фазаларды құрауы мүмкін. Мысалы, мұз – судың қатты күйі, бірақ әртүрлі қысым мен температурада қалыптасатын әртүрлі кристалл құрылымдары бар бірнеше мұз фазалары бар.

Заттың төрт агрегаттық күйі

Қатты дене

Қатты дене — заттың төрт негізгі күйінің бірі. Қатты заттағы молекулалар бір-біріне тығыз жиналған және ең аз мөлшердегі кинетикалық энергияға ие. Басқа агрегаттық күйлерден (сұйық, газдар, плазма) пішін тұрақтылығымен және тепе-теңдік позицияларына жақын мардымсыз шағын тербелістер жасайтын атомдардың жылу қозғалысының сипатымен ерекшеленеді.

Қатты дене кристалды немесе аморфты болып ажыратылады. Қатты денедегі атомдар бір-бірімен не тұрақты геометриялық торда (металлдар мен қарапайым мұздар кіретін кристалдық қатты заттар), немесе тұрақты емес (қарапайым терезе әйнегі сияқты аморфты қатты дене) байланыста болады.

Қатты дене құрылымдық қаттылығымен және бетіне қолданылатын күшке қарсы төзімділігімен сипатталады. Сұйықтықтан айырмашылығы, қатты зат кеңістіктің пішінін алу үшін ағып кетпейді және қол жетімді көлемді газ секілді толтыруға кеңеймейді.

Қатты денелердің құрамы мен ішкі құрылысын зерттейтін физика саласы қатты денелер физикасы деп аталады. Қатты дененің әсер ету және қозғалыс кезінде пішінін өзгеру әдісін жеке пән - қатты (деформацияланатын) дененің механикасы зерттейді. Абсолютті қатты дененің қозғалысымен үшінші ғылым - қатты дененің кинематикасы айналысады.

Адам жасаған техникалық құрылғылар қатты дененің әртүрлі қасиеттерін пайдаланады. Бұрын қатты зат құрылымдық материал ретінде пайдаланылған және оны пайдалану қаттылық, масса, икемділік, серпімділік, сынғыштық сияқты тікелей сезілетін механикалық қасиеттерге негізделген.

Сұйық

Толық мақаласы: Сұйықтық

Сұйық - агрегаттық күйдегі зат, газ бен қатты күйлердің арасындағы аралықты алып жатыр.

Сұйық күйде зат көлемін сақтайды, бірақ пішінін сақтамайды. Сұйық денелердің пішінін олардың бетінің серпімді мембрана тәрізді әрекет ету фактісі бойынша толық немесе ішінара анықтауға болады. Сонымен, су тамшыларға жиналуы мүмкін. Араластыру кезінде және сұйықтықтың ішіндегі және бетіндегі температураның айырмашылығы кезінде сұйықтық өзінің қозғалмайтын бетінің астынан ағуы мүмкін.

Сұйық молекулалардың белгілі бір орны болмайды, бірақ сонымен бірге олардың толық қозғалыс еркіндігі жоқ. Оларды жақын ұстауға жеткілікті араларында тартымдылық күші бар.

Зат сұйық күйде белгілі бір температура аралығында болады: төменгі температурада ол қатты күйге өтеді (кристалдану немесе қатты аморфты күйге – әйнекке айналу жүреді), ал жоғары температурада – газ тәрізді күйге өтеді (булану жүреді). Бұл аралықтың шекаралары қысымға байланысты өзгереді.

Әдетте, сұйық күйдегі зат бір ғана модификацияға ие. (Ең маңызды ерекшеліктер кванттық сұйықтықтар мен сұйық кристалдар болып табылады.) Сондықтан көп жағдайда сұйықтық тек агрегаттық күйі ғана емес, сонымен қатар термодинамикалық фаза (сұйық фаза) болып табылады.

Барлық сұйықтықтар әдетте таза сұйықтықтар және қоспалар болып бөлінеді. Кейбір сұйықтық қоспаларының тіршілік үшін маңызы зор: қан, теңіз суы және т.б. Сұйықтар еріткіш қызметін атқара алады. Газ сияқты сұйықтықтар да негізінен изотропты, бірақ анизотропты қасиеттері бар сұйықтықтар да бар — бұлар сұйық кристалдар. Изотропты, қалыпты деп аталатын фазадан басқа, бұл заттар, мезогендер, бір немесе бірнеше реттелген термодинамикалық фазаларға ие, оларды мезофазалар деп атайды. Мезофазаларға қосылу сұйық кристалды молекулалардың ерекше пішініне байланысты болады. Әдетте, бұл ұзын және жіңішке молекулалар, осьтері бір-бірімен сәйкес келетіндей орналастыруға бейім.^[4]

Газ

Толық мақаласы: Газ

Газ күйі оның пішінін де, көлемін де сақтамайтынымен сипатталады. Сонымен қатар, ол оған қол жетімді бүкіл көлемді толтырады. Бұл күй аз тығыздығы бар заттарға тән. Сұйық күйден газ тәріздес күйге өту булану, ал газ күйінен сұйық күйге керісінше өту конденсация деп аталады. Сұйық күйді айналып өтіп, қатты күйден газ тәрізді күйге өту сублимация деп атайды.

Микроскопиялық тұрғыдан алғанда, газ - оның жеке молекулалары әлсіз әрекеттесетін және хаотикалық қозғалатын зат күйі. Олардың арасындағы өзара әрекеттестік көбінесе кездейсоқ қақтығыстарға дейін азаяды. Молекулалардың кинетикалық энергиясы потенциалдық энергиясынан асып түседі. Сұйықтар сияқты, газдар да ағынды болып келеді және деформацияға қарсы тұрады. Сұйықтардан айырмашылығы, газдарда тұрақты көлем жоқ және олар еркін беткей қалыптастырмайды, бірақ барлық қолда бар көлемді толтыруға бейім (мысалы, ыдыстың көлемі).

Газдар мен олардың қоспаларының химиялық қасиеттері өте алуан түрлі – аз белсенді инертті газдардан жарылғыш газ қоспаларына дейін. «Газ» ұғымы кейде атомдар мен молекулалардың жиынтығымен ғана шектелмей, басқа бөлшектердің жиынтығына да қатысты — фотондар, электрондар, броундық бөлшектер, сондай-ақ плазманың жинақтарына да таралады.

Кейбір заттардың газ тәрізді күйі болмайды. Бұл химиялық күрделі құрылымы бар заттар, олар температураның жоғарылауына байланысты химиялық реакциялар нәтижесінде газға айналудан бұрын ыдырайды.

Бір заттың әртүрлі газ тәрізді термодинамикалық фазалары болмайды. Газдарға изотропия тән, яғни олардың сипаттамалары бағытқа тәуелсіз. Адам үшін қалыпты жағдайларда газдың кез келген нүктесінде бірдей тығыздығы бар, бірақ бұл әмбебап заң емес, мысалы, Жердің тартылыс өрісінде немесе әртүрлі температура жағдайларында газдың тығыздығы әртүрлі нүктелерде өзгеруі мүмкін. Бір заттың тұрақты сұйық немесе қатты фазасының болуы мүмкін жағдайдағы заттың газ күйі әдетте бу деп аталады.^[5]

Плазма

Толық мақаласы: Плазма

Заттың төртінші агрегаттық күй ретінде жиі плазманы атайды. Плазма — бұл ішінара немесе толық иондалған газ болып табылады және тепе-теңдік күйде әдетте бірнеше мың Кельвин және оданда жоғары температурада болады. Жер жағдайларында плазма газды разрядтарда қалыптасады. Оның қасиеттері газ тәрізді күйге ұқсас, бірақ плазма үшін негізгі рөлді электродинамика атқарады, яғни плазманың құрамында иондар мен электрондармен қатар электромагниттік өріс те маңызды компонент болып табылады.^[1]

Газды плазмаға айналдыру әдетте екі жолмен жүзеге асады: екі нүкте арасында үлкен кернеу айырмашылығын жасау арқылы немесе оны өте жоғары температураға дейін қыздыру арқылы. Материяны жоғары температураға дейін қыздыру электрондардың атомдардан кетуіне әкеледі, нәтижесінде бос электрондар пайда болады. Бұл ішінара иондалған плазманы жасайды. Жұлдыздардағыдай өте жоғары температураларда барлық электрондар "еркін" болып, өте жоғары энергиялы плазмада тек электрондар арасында жүзіп жүрген жалаң ядролар болады деп болжанады. Бұл толық иондалған плазма деп аталады.

Плазма күйі жиі дұрыс түсінілмейді және Жердегі қалыпты жағдайларда еркін кездеспегенімен, ол әдетте найзағай, электр ұшқындары, флуоресцентті шамдар, неон шамдары немесе плазмалық теледидарлар арқылы жасалады. Күн тәжі, жалынның кейбір түрлері және жұлдыздар плазмалық күйдегі жарық шығаратын материя мысалдары болып табылады.^[6]

Плазма - дүниедегі ең көп таралған материя күйі. Бұл күйде жұлдыздар материясы және ғаламшараралық, жұлдызаралық және галактикааралық кеңістікті толтыратын материя болады. Әлемдегі бариондық заттардың көп бөлігі (массасы бойынша шамамен 99,9%) плазма күйінде болады.^[7]

Фазалық ауысулар

Заттың күйі фазалық ауысулармен де сипатталады. Фазалық ауысу құрылымның өзгеруін көрсетеді және қасиеттердің күрт өзгеруі арқылы танылуы мүмкін. Заттың айқын күйі фазалық өту арқылы басқа кез келген күйден ажыратылатын күй жиынтығы ретінде анықталуы мүмкін. Судың бірнеше айқын қатты күйі бар деп айтуға болады. Асқынөткізгіштіктің пайда болуы фазалық ауысумен байланысты, сондықтан асқынөткізгіштік күйлері де болады. Сол сияқты, ферромагниттік күйлер фазалық ауысулармен шектеледі және ерекше қасиеттерге ие. Егер күйдің өзгерісі кезеңдермен жүрсе, аралық кезеңдер «мезофазалар» деп аталады. Мұндай фазалар сұйық кристал технологиясын енгізу арқылы пайдаланылды.^[8]^[9]

Еріп жатқан мұз текшелері күйдің өзгеруін көрсетеді.

Берілген заттардың жиынтығының күйі немесе фазасы қысым мен температура жағдайларына байланысты өзгеруі мүмкін, басқа фазаларға ауысады, өйткені бұл жағдайлар олардың болуына қолайлы болған сайын басқа фазаларға өтеді; мысалы, температураның жоғарылауымен қатты заттардың сұйықтыққа ауысуы. Абсолюттік нөлге жақын зат қатты дене түрінде болады. Бұл затқа жылу қосылғанда, ол балқу температурасында сұйыққа ериді, қайнау температурасында газға айналады және жеткілікті деңгейде қатты қыздырса, электрондар өздерінің бастапқы атомдарынан шығып, плазмалық күйге өтеді.

Молекулалардан тұрмайтын және әртүрлі күштермен ұйымдастырылған материяның формаларын да заттың әртүрлі күйлері деп санауға болады. Асқынаққыш зат (фермионды конденсат сияқты) және кварк-глюон плазмасы мысал болып табылады.

Химиялық теңдеуде химиялық заттардың зат күйін қатты дене үшін (қ), сұйық үшін (с) және газ үшін (г) түрінде көрсетуге болады. Су ерітіндісі (се) деп белгіленеді, мысалы,

{\text{2 Na (қ) + 2 H}}_{2}{\text{O (с)}}\rightarrow {\text{H}}_{2}\,{\text{(г) + 2 Na}}^{+}{\text{(се) + 2 OH}}^{-}{\text{(се)}}

Классикалық емес күйлер

Шыны

Шыны — бұл сұйық күйге қарай қыздырылған кезде шыны тәрізді ауысуды көрсететін кристалдық емес немесе аморфты қатты материал. Көзілдіріктерді әртүрлі материалдар класынан жасауға болады: бейорганикалық торлар (мысалы, силикат пен қоспалардан жасалған терезе әйнегі), металл қорытпалары, иондық балқымалар, сулы ерітінділер, молекулалық сұйықтықтар және полимерлер.

Atoms of Si and O; each atom has the same number of bonds, but the overall arrangement of the atoms is random.

Шынының кездейсоқ-торлы аморфты құрылымының (сол жақта) және бірдей химиялық құрамдағы реттелген кристалды тордың (оң жақта) схемалық кескіні.

Термодинамикалық тұрғыдан шыны өзінің кристалдық аналогына қатысты метатұрақты күйде болады. Алайда, конверсия жылдамдығы іс жүзінде нөлге тең.

Дереккөздер

↑ ^a ^b Агрегатные состояния вещества // А — Ангоб. — М. : Советская энциклопедия, 1969. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 1).
↑ Фриш С.Э., Тиморева А.В., Жалпы физика курсы, 1-т., А., 1971.
↑ "Қазақ Энциклопедиясы",4 том 3 бөлім
↑ F. White (2003). Fluid Mechanics. McGraw-Hill. p. 4. ISBN 978-0-07-240217-9
↑ F. White (2003). Fluid Mechanics. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-240217-9
↑ Piel, Alexander (7 September 2017). Plasma Physics: An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas Springer. ISBN 978-3-319-63427-2.
↑ Владимир Жданов. ПЛАЗМА
↑ D.L. Goodstein (1985). States of Matter. Dover Phoenix. ISBN 978-0-486-49506-4.
↑ A.P. Sutton (1993). Electronic Structure of Materials. Oxford Science Publications. pp. 10–12. ISBN 978-0-19-851754-2.

[:0-1] Агрегатные состояния вещества // А — Ангоб. — М. : Советская энциклопедия, 1969. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 1).

[2] Фриш С.Э., Тиморева А.В., Жалпы физика курсы, 1-т., А., 1971.

[3] "Қазақ Энциклопедиясы",4 том 3 бөлім

[4] F. White (2003). Fluid Mechanics. McGraw-Hill. p. 4. ISBN 978-0-07-240217-9

[5] F. White (2003). Fluid Mechanics. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-240217-9

[6] Piel, Alexander (7 September 2017). Plasma Physics: An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas Springer. ISBN 978-3-319-63427-2.

[7] Владимир Жданов. ПЛАЗМА

[8] D.L. Goodstein (1985). States of Matter. Dover Phoenix. ISBN 978-0-486-49506-4.

[9] A.P. Sutton (1993). Electronic Structure of Materials. Oxford Science Publications. pp. 10–12. ISBN 978-0-19-851754-2.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]