Stany skupienia

Zapamiętaj

Podstawowe stany skupienia materii to stan stały, ciekły i gazowy.

Stan skupienia substancji zależy przede wszystkim od temperatury i ciśnienia.

Stan skupienia i faza nie są tym samym. Faza jest jednorodną częścią układu o określonych właściwościach fizycznych.

W odpowiednich warunkach kilka faz tej samej substancji może pozostawać jednocześnie w równowadze.

Stan skupienia to makroskopowa postać materii charakteryzująca się określonymi właściwościami fizycznymi, takimi jak zachowanie kształtu i objętości, ściśliwość czy zdolność do przepływu. Właściwości te wynikają z ruchu cząstek oraz oddziaływań między nimi.

Stan skupienia jest uzależniony od warunków termodynamicznych, jakie panują (temperatura, ciśnienie).

W określonych warunkach temperatury i ciśnienia dany stan skupienia substancji jest trwały. Na przykład w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu atmosferycznym woda i rtęć są cieczami, wodór jest gazem, a żelazo ciałem stałym. Zmiana temperatury lub ciśnienia może spowodować zmianę stanu skupienia. Na przykład woda może zamarznąć, tworząc lód, albo przejść w stan gazowy jako para wodna.

Podział

W ujęciu klasycznym mamy do czynienia z trzema stanami skupienia:

Stan stały (ciało stałe) – ciało zachowuje własny kształt i objętość oraz jest bardzo mało ściśliwe.
Stan ciekły (ciecz) – ciecz przyjmuje kształt naczynia, zachowując w przybliżeniu stałą objętość. Ciecze są znacznie mniej ściśliwe niż gazy.
Stan gazowy (gaz) – gaz nie ma własnego kształtu ani stałej objętości, wypełnia dostępne naczynie i jest stosunkowo łatwo ściśliwy.

Poza trzema klasycznymi stanami skupienia wyróżnia się również inne stany materii, występujące w szczególnych warunkach. Należą do nich między innymi:

plazma,
kondensat Bosego-Einsteina.

Plazma jest bardzo rozpowszechniona we Wszechświecie. W postaci plazmy występuje materia tworząca między innymi gwiazdy oraz część ośrodka międzygwiazdowego.

O stanie skupienia decyduje między innymi konkurencja między ruchem cieplnym cząstek a oddziaływaniami między nimi. Gdy energia związana z ruchem cieplnym jest duża w porównaniu z energią oddziaływań między cząstkami, łatwiejsze jest powstanie stanu gazowego.

Faza

Faza to jednorodna część układu, mająca określony skład i właściwości fizyczne, oddzielona od innych faz powierzchnią rozdziału.

Na przykład w naczyniu zawierającym wodę i lód występuje jedna substancja chemiczna, ale dwie fazy: ciekła i stała.

Ciała stałe mogą występować w różnych strukturach. Zjawisko występowania tej samej substancji w różnych odmianach krystalicznych nazywa się polimorfizmem. W przypadku pierwiastków mówi się również o alotropii. Przykładem są odmiany węgla, takie jak diament i grafit. Również lód może występować w wielu różnych fazach krystalicznych.

Trwałość poszczególnych faz zależy między innymi od temperatury i ciśnienia. Zmiana tych parametrów może spowodować przejście układu do innej fazy.

W określonych warunkach różne fazy tej samej substancji mogą pozostawać ze sobą w równowadze. Mówimy wtedy o równowadze fazowej. Zmiana warunków, na przykład temperatury lub ciśnienia, może doprowadzić do przejścia fazowego, czyli przemiany jednej fazy w inną. O przejściach fazowych będzie mowa w odrębnym artykule.

Przykłady różnych faz

W fizyce wyróżnia się wiele rodzajów faz materii. Oprócz typowych faz stałych, ciekłych i gazowych istnieją między innymi plazma, fazy nadciekłe, ciekłe kryształy oraz różne odmiany faz krystalicznych.

Reguła faz Gibbsa

Dla układu znajdującego się w równowadze termodynamicznej reguła faz Gibbsa ma postać:

\(s=n-f+2\)

gdzie:

\(s\) – liczba stopni swobody układu,
\(n\) – liczba niezależnych składników układu,
\(f\) – liczba faz pozostających w równowadze.

Liczba stopni swobody określa, ile parametrów intensywnych opisujących układ można niezależnie zmieniać bez zmiany liczby faz pozostających w równowadze. Przykładowymi parametrami są temperatura i ciśnienie.

Dla czystej substancji, czyli \(n=1\), znajdującej się w jednej fazie (\(f=1\)), otrzymujemy:

\(s=1-1+2=2\)

Oznacza to, że można niezależnie zmieniać dwa parametry, na przykład temperaturę i ciśnienie, nie powodując zmiany liczby faz.

Jeżeli dwie fazy czystej substancji pozostają w równowadze, to \(f=2\), a więc:

\(s=1-2+2=1\)

Układ ma wtedy jeden stopień swobody.

Jeżeli w równowadze znajdują się trzy fazy czystej substancji, to:

\(s=1-3+2=0\)

Temperatura i ciśnienie są wtedy jednoznacznie określone. Taka sytuacja występuje w punkcie potrójnym.

Przykład

Dla czystej substancji mamy \(n=1\). Reguła faz Gibbsa przyjmuje więc postać:

\(s=3-f\)

Jeżeli występuje jedna faza, układ ma dwa stopnie swobody. Przy współistnieniu dwóch faz ma jeden stopień swobody, natomiast przy współistnieniu trzech faz liczba stopni swobody wynosi zero.

Oznacza to, że dla czystej substancji maksymalnie trzy fazy mogą pozostawać jednocześnie w równowadze. Przykładem jest punkt potrójny, w którym współistnieją faza stała, ciekła i gazowa.

Pytania

Czy w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia substancja może występować w dwóch stanach skupienia?

Tak. W odpowiednich warunkach dwie fazy mogą pozostawać w równowadze, na przykład ciekła woda i para wodna albo woda i lód.

Czy stan skupienia i faza to to samo?

Nie. Stan skupienia jest ogólnym określeniem postaci materii, na przykład stałej, ciekłej lub gazowej. Pojęcie fazy jest bardziej precyzyjne – w tym samym stanie skupienia może istnieć kilka różnych faz.