Почему вещество существует в трех состояниях (жидкое, твердое, газообразное)?

Посылка неверна. Не все материалы существуют ровно в трех различных состояниях; это всего лишь простейшая схема, применимая к некоторым простым молекулярным или ионным веществам.

Давайте представим, что происходит с веществом, если вы начинаете с низкой температуры и добавляете все больше тепла.

Твердый

При очень низких температурах практически отсутствует тепловое движение, препятствующее слипанию молекул. И они слипаются из-за различных сил (самый простой: противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу электростатически). Если вы представите это чем-то вроде множества маленьких магнитов, то достаточно очевидно, что вы получите твердую фазу, то есть жесткую структуру, в которой ничего не движется.

Хотя на самом деле:

• Гелий не замерзает ни при каких температурах: его основное состояние в низкотемпературном пределе при атмосферном давлении — сверхтекучее состояние . Причина в том, что на микроскопическом уровне материя ведет себя не как дискретные магниты или что-то в этом роде, а в соответствии с квантовой механикой .
• Обычно существует не одно твердое состояние. В аналогии с магнитом вы можете построить совершенно разные конструкции из одних и тех же компонентов. Точно так же то, что мы только что назвали «льдом», на самом деле всего лишь одна из возможных кристаллических структур твердой воды, точнее называемая « Лед I _h » . Других твердых фаз довольно много.

Жидкость

Теперь, если вы увеличите температуру, это будет похоже на полную вибрацию вашей магнитной скульптуры. Поскольку эти связи не бесконечно сильны, некоторые из них время от времени ослабевают, позволяя целому деформироваться, не распадаясь на части. Это что-то вроде жидкого состояния.

Хотя на самом деле:

• Не все материалы имеют жидкую фазу (по крайней мере, не при всех давлениях). Например, твердый СО ₂ (сухой лед) сублимируется при атмосферном давлении при повышении температуры, т.е. сразу переходит в газообразное состояние.
• Многие материалы имеют огромные молекулы, т.е. размер химической структуры приближается к размеру физической структуры. Так вот, эту химическую структуру также можно расшатать под воздействием тепла, но тогда это называется не плавлением, а разложением . Например, пластмассы разлагаются при температуре от 200°C до 350°C. Некоторые тают раньше , т.е. имеют два состояния; некоторые остаются твердыми все время , они в основном имеют только одно состояние (твердые).
  Разложившийся материал не перешел в новое состояние материи, он просто перестал быть исходным материалом .
  • Кроме того, материалы, которые не состоят исключительно из молекул одного типа, также обычно не имеют простой точки плавления. Существует определенный диапазон, в котором две фазы могут сосуществовать. (В более общем случае у вас могут быть всевозможные эмульсии, дисперсии, гели и т. д.)

Газообразный

Однако маленькие и прочные молекулы или отдельные атомы не так сильно боятся высоких температур. У них также нет таких сильных сил между молекулами. Итак, если вы достаточно сильно встряхнете, они просто начнут самостоятельно шипеть вокруг. Тогда это газ.

Хотя на самом деле:

• Даже самые прочные молекулы не выживут, если вы сделаете температуру достаточно высокой. Даже отдельные атомы в какой-то момент потеряют связь с электронами. Это приводит к следующей фазе, плазме .
• При достаточно высоком давлении – выше критической точки , газовую фазу нельзя будет отличить от жидкой: у вас будет только сверхкритическая жидкость . (ИМХО, это все еще можно было бы назвать газом, но у него есть некоторые свойства, которые больше похожи на жидкость.)

На вопрос, почему тот или иной материал находится в определенном состоянии при заданной температуре и давлении, ответить непросто. Вам нужна статистическая физика , чтобы предсказать поведение. Важнейшими величинами являются энергия и энтропия .. По сути, случайное тепловое движение имеет тенденцию вызывать беспорядок (который количественно определяется возрастающей энтропией). При любой заданной температуре имеется соответствующее количество энергии, доступной для преодоления силы притяжения, и в пределах этого энергетического баланса система приближается к состоянию с наибольшей энтропией. Твердое тело имеет небольшую энтропию, но если энергии не так много, это единственно возможное состояние. Жидкость имеет более высокую энтропию, но требует некоторой энергии, чтобы временно отклеить молекулы. Газу требуется достаточно энергии, чтобы все время удерживать частицы друг от друга, но он полностью неупорядочен и поэтому обладает большой энтропией.

Но сколько именно энергии и энтропии имеет данное состояние, сильно различается между материалами, поэтому вы не можете просто сказать твердое тело-жидкость-газ.

Окончательный ответ на вопрос физики «почему» — «потому что».

Физика занимается наблюдением и измерением природы, а затем поиском математических моделей, которые соответствуют измерениям и предсказывают новое поведение в различных условиях.

Потому что мы наблюдали эти четыре состояния материи. мы сформулировали математические теории, называемые термодинамикой и квантовой механикой, которые могут описывать поведение материи и предсказывать ее будущее поведение в дополнение к описанию множества других поведений (например, как мы можем общаться на этой доске).

Как это происходит, можно объяснить в рамках математических моделей.

1. атомы и молекулы являются нейтральными связанными состояниями зарядов, и с математической точки зрения существуют перетекающие силы , которые создают притяжение и отталкивание.

2. состояния квантованы , т.е. связи не произвольны и непрерывны, но определенные энергетические состояния стабильны, а другие не стабильны

3. твердые тела - это когда энергетические состояния располагаются в конфигурациях решетки и находятся в самом низком энергетическом состоянии.

4. жидкости происходят, когда термодинамические условия, температура и давление таковы, что некоторые связи решеток ослабевают и появляются дополнительные степени свободы.

5. газы появляются, когда комбинации температуры и давления ослабляют все связи внутримолекулярных энергетических уровней, и он ведет себя как идеальный газ.

6. плазма возникает, когда температура и давление таковы, что электроны выбрасываются со своих орбиталей, а газ превращается в ионы и электроны.

Все эти процессы прекрасно описываются с использованием квантовой электродинамики и термодинамики , как это также описано в других ответах.

Это математическая карта природы, в которой мы оказались. (Вот так крошится печенье, вот так катится мяч и т. д.). Если бы существовала только одна фаза, их описывал бы другой набор теорий, а не те, что успешно описать наш сегодняшний мир.

В основном существование различных состояний материи связано с межмолекулярными силами , температурой окружающей среды и самой материи, а также с плотностью вещества.

На этом изображении ниже показано, как происходит переход между каждым состоянием (называемый фазовыми переходами).

Эти переходы происходят на основе изменения температуры вещества

Теперь, если вы сожмете (увеличите давление) и уменьшите температуру таких газов, как$CO_2$затем он может существовать в твердом состоянии, которое обычно называют сухим льдом (5,18 бар, -56,6°C)

Но есть и другие экзотические состояния материи, такие как плазма и конденсат Бозе-Эйнштейна.

Это один из тех забавных вопросов, когда телегу ставят впереди лошади. Материя не «существует» ни в каком состоянии. Он просто делает то, что делает, и так, как делает. Люди, желая понять, как ведут себя разные виды материи , решили создать систему из трех состояний.

Этот выбор является ключевым: причина, по которой «материя существует в трех состояниях», заключается в том, что мы решили смоделировать ее таким образом. Было бы тривиально заявить, что «материя существует в 5 состояниях» или «материя существует в 2 состояниях». В общем, мы решили рассматривать 3 состояния, твердое тело, жидкость и газ (плюс плазма), как «фундаментальные» не потому, что они на самом деле являются фундаментальными для физики, а потому, что наш выбор этих подразделений помогает нам предсказать, как будут вести себя материалы. когда с ними взаимодействуют. Например, мы обнаруживаем, что поведение твердого объекта, такого как камень, коренным образом отличается от поведения жидкости, такой как поток воды, потому что для вещей, о которых мы беспокоимся, это полезное различие. Удар камнем по лицу, как правило, сильно отличается от обрызгивания водой.

У нас есть обоснование возникновения этих состояний, основанное на концепции межмолекулярных сил. В твердом теле молекулы имеют очень небольшую свободу движения, потому что межмолекулярные силы захватывают их. Твердые вещи имеют жесткое поведение. В жидкости молекулы имеют достаточную свободу движения, чтобы перемещаться в любом месте объема, но межмолекулярные силы по-прежнему оказывают большое влияние на их поведение. Эта мобильность приводит к чертам, которые мы сочли достаточно важными для классификации, например, текучести. В газах молекулы обладают настолько большой свободой движения, что межмолекулярные силы становятся скорее второстепенным примечанием, когда дело доходит до предсказания их поведения.

Мы обнаружили, что во многих случаях границы между этими видами поведения довольно резкие. Переход между твердым телом и жидкостью или жидкостью в газ имеет тенденцию происходить очень близко к определенной температуре. Не говоря уже о том, что процесс кипячения или замораживания является статистическим, а не точным.

Для большей части того, что мы делаем, эти два разделения, между твердым и жидким и между жидким и газообразным, настолько эффективны, чтобы помочь нам понять вселенную, что мы считаем их «фундаментальными». Однако не все согласны. Физики высоких энергий рассматривают случай, когда тепловая энергия газа становится настолько высокой, что он начинает отрывать собственные электроны, превращаясь в сгусток ионов. Этот материал ведет себя достаточно иначе, чем газ, поэтому его объявили новым «фундаментальным» типом (во-первых, на него воздействуют магнитные поля!).

Выяснилось, что свойства многих материалов хорошо описываются этими категориями, поэтому мы их сохраняем!

С другой стороны, есть много случаев, когда «твердого» на самом деле недостаточно, чтобы зафиксировать поведение, которое нас интересует. В этих случаях мы приспосабливаемся. Мой любимый пример — шоколад, потому что шоколад — странный материал. Вы можете растопить его (от твердого до жидкого), и кристаллы шоколадного жира исчезнут, как и следовало ожидать. Однако некоторые кристаллические структуры более прочны, чем другие, и требуют более высоких температур. Точно так же кристаллы образуются при разных температурах при охлаждении. Это приводит к некоторой замечательной химии. Как оказалось, существует 6 «полиморфов» кристаллов шоколадного жира, каждый со своими свойствами. Из них только форма V подходит для шоколадной глазури. Это кристалл, который имеет характерное хрустящее ощущение, которое мы хотим от шоколада.

Таким образом, когда темперируют шоколад, сначала повышают температуру, чтобы расплавить все кристаллы. Затем уменьшают температуру, чтобы охладить его и сформировать кристаллы (чем больше, тем лучше). Все виды кристаллов образуются, когда жиры превращаются в твердые, от формы I до формы V (форма VI отличается и связана с поседением). После этого вы повышаете температуру до 81,1F и 92,8F, что является точкой плавления формы IV и точкой плавления формы V соответственно. Это позволяет расплавить все кристаллы от Формы I до Формы IV, но сохраняет кристаллы Формы V. Затем выливают шоколад и дают ему остыть, оставляя только кристаллические структуры формы V.

Обратите внимание, что все, о чем я говорил, касалось твердых тел, роста кристаллов. На протяжении всего процесса обычный неспециалист назвал бы этот материал «жидким», но я постоянно замораживаю и плавлю вещи в этом жидком состоянии. Простого понятия «жидкость» недостаточно.

Чтобы попытаться ответить на то, что, как я думаю, является вашим основным вопросом, а не на конкретную формулировку, которую вы используете...

Электромагнитные силы настолько сильны. Допустим, у вас есть коробка, наполовину заполненная какой-то молекулой. Электромагнетизм удерживает вместе отдельные атомы (удерживая электроны связанными с ядрами) и удерживает вместе сами молекулы (что, упрощенно, на самом деле то же самое, что и в предыдущем случае - ключ в том, чтобы снова удерживать электроны связанными с ядрами; просто электроны в некоторой степени распределяются между двумя ядрами одновременно). Наконец, молекулы в теле могут удерживаться вместе одними и теми же электромагнитными силами, образуя твердые тела или жидкости.

Говоря о состояниях вещества, мы обычно чаще всего говорим о теплоте и давлении. Для упрощения я собираюсь объединить их вместе — на практике это не очень полезно, но давайте просто посмотрим, к чему мы придем. Мы уже говорили, что отдельные молекулы (давайте пока представим, что вся материя состоит из молекул) имеют какое-то притяжение между собой. Эти «связи» обладают определенной потенциальной энергией — по сути, мерой того, сколько энергии вам нужно добавить, чтобы разорвать «связь». Например, молекула азота сцепляется гораздо прочнее, чем молекула кислорода, поэтому для расщепления азота требуется больше энергии, чем для расщепления кислорода. Один из способов рассматривать теплоту как среднюю кинетическую энергию отдельных частей, составляющих материю, что полезно при размышлениях о состояниях материи. Чем выше температура, тем выше вероятность того, что при любом данном «столкновении» будет достаточно энергии, чтобы разорвать эту межмолекулярную «связь», определяющую состояние.

Учитывая четыре основных состояния материи, тогда:

1. Твердые - связи между отдельными молекулами намного прочнее (для разрыва требуется больше энергии), чем тепло. Таким образом, молекулы образуют относительно жесткую структуру, в которой молекулы «остаются на месте».
2. Жидкость - связи между отдельными молекулами достаточно прочны, чтобы удерживать поверхность. Они достаточно слабы, чтобы случайные тепловые эффекты продолжали разрывать и восстанавливать связи непрерывно, поэтому молекулы относительно свободно перемещаются, а не удерживаются на месте в жесткой структуре твердого тела. Они не сохраняют макроскопическую форму, но их объем в значительной степени постоянен. Это работает в обе стороны — они не расширяются, как газы, и почти не сжимаются.
3. Газ - связи между отдельными молекулами уже недостаточно сильны, чтобы придать газу какую-либо структуру. Отдельные молекулы практически не взаимодействуют друг с другом, поэтому газы легко расширяются и сжимаются. Если вы достаточно сожмете газ, вы получите жидкость (и, наконец, твердое тело) — вы в основном заставляете отдельные молекулы приближаться достаточно близко и усиливаете внутримолекулярные силы внешним давлением.
4. Плазма - теплота настолько велика, что не только разрушает любые связи между молекулами, но и разрушает молекулы и отрывает электроны от отдельных атомов. В целом плазма ведет себя так же, как газ, но с некоторыми дополнительными интересными свойствами.

В общем, это баланс между всеми силами, действующими на составляющие материи. Представьте себе гоняемый ветром лотерейный автомат с вентилятором внизу и кучей шаров. И просто, чтобы сделать это немного более реальным, представьте, что шарики липкие. По мере увеличения потока воздуха от вентилятора вы увидите (в последовательности):

1. Шарики, сидящие и покачивающиеся на земле, — это «сплошные». Липкости достаточно, чтобы предотвратить движение.
2. Мячи прыгают и двигаются, но все еще в основном держатся на земле - это "жидкость". Липкости уже недостаточно, чтобы предотвратить движение, но она по-прежнему удерживает массу в тандеме с давлением, создаваемым гравитацией.
3. Шарики прыгают по контейнеру, отскакивая от стенок (и друг от друга, но не забывайте, что молекулы абсурдно малы по сравнению с шариками — настоящий газ не так уж много столкновений) — «газ». . Ни липкость, ни гравитация уже недостаточно сильны, чтобы ограничивать движение шаров.
4. Липкая поверхность сдувается с шариков и свободно перемещается по всему контейнеру – «плазма».

Поток воздуха от вентилятора является аналогом «тепла», а сила тяжести обеспечивает нам давление. Увеличьте гравитацию, и шарики останутся твердыми или жидкими при более высоких потоках воздуха («температурах»). Увеличьте липкость ("электромагнитная сила" - в действительности разные молекулы имеют разную липкость), и шарики останутся твердыми или жидкими при более высоких потоках воздуха.

Не совсем уверен, о чем вы спрашиваете, но я могу объяснить разницу между тремя распространенными состояниями материи в качественной шкале:

Твердые: молекулы образуют связи с соседними молекулами, очень небольшое количество этих связей разрывается в любой момент времени.

Жидкость: большую часть времени молекулы образуют связи с соседними молекулами, но энергии достаточно, чтобы связи на мгновение разорвались и образовались снова с другой молекулой.

Газ: молекулы почти никогда не подходят друг к другу достаточно близко, чтобы взаимодействовать.

Для образования связи высвобождается энергия, для разрыва связи энергия расходуется, поэтому, когда энергия (представленная температурой) какого-либо вещества (например, воды) высока, состояние стремится к жидкости и газу, а если достаточно энергия передается в виде тепла, все связи на отдельных молекулах разорвутся и высвободят эту молекулу из жидкости или твердого тела в газ.

Причина, по которой на Земле существует несколько состояний материи, заключается в том, что Земля содержит вещества, которые плавятся/испаряются при разных температурах, а Земля имеет разные температуры в разных местах.

Потому что вообще состояние материи по-разному реагирует на тепло. Например, при комнатной температуре вода жидкая. Удалите достаточно тепла из воды, и в какой-то момент (т.е. точка замерзания) она станет твердой (т.е. льдом). Разогрейте лед, и он снова станет жидким. Добавьте еще больше тепла, и он станет газом. Если вы продолжите добавлять больше тепла, в конце концов он достигнет состояния плазмы.

Почему камень тверд, а вода жидка (или они оба тверды) при разных температурах, происходит потому, что разные атомы по-разному реагируют на другие атомы и условия, в которых они существуют. Это немного похоже на вопрос, почему два разных человека думают по-разному в одних и тех же условиях/обстоятельствах — хотя оба они люди, то, что отличает их друг от друга, связано с тем, почему оба не реагируют одинаково.

До сих пор никто не интерпретировал вопрос буквально, поэтому я скажу:

«Почему вся материя [на Земле] не может существовать только в одном состоянии (т.е. твердое/жидкое/газообразное)?»

Может, но тогда мы не были бы живы, чтобы наблюдать это. Жизнь - явление неравновесное. Конечно, во Вселенной есть места, где вся материя (более или менее) находится в одном и том же состоянии, но они холодные (или очень горячие) и мертвые.

Принцип запрета Паули — два фермиона не могут находиться в одном и том же состоянии.

Это и прочее ленивое: ему «нравится» находиться в низкоэнергетическом состоянии.

Они вместе с силами между частицами создают несколько наборов статистического поведения для большого количества частиц. Конкретные свойства рассматриваемых частиц определяют, когда и достигают ли они какого-либо из этих состояний.

Ниже плазмы энергетические уровни электронов таковы, что все они могут «поместиться» в потенциальной яме различных ядер. Лень заставляет их переходить в это низкоэнергетическое состояние. Исключение Паули заставляет их накладываться друг на друга.

При переходе в плазму у электронов столько энергии, что они оставляют под собой пустые состояния. Когда электрон падает в такую ​​дыру (испуская фотон), он быстро получает больше энергии от других фотонов, плавающих вокруг, и снова выбрасывается. Энергии достаточно для того, чтобы электроны и ядра действовали независимо друг от друга. Вы можете увидеть плазму в своей повседневной жизни, поджигая что-то.

Когда доступная энергия падает, электроны накапливаются в доступных состояниях вокруг ядер. В этом состоянии атомы (ядра + электроны) или молекулы (плотно электрически связанные совокупности атомов) свободно перемещаются, а иногда и отскакивают друг от друга. Это называется газовым состоянием вещества.

Когда электроны в основном находятся в самом низком энергетическом состоянии, они в некотором смысле перестают иметь значение. Целая куча "степеней свободы" уходит.

Каждый атом/молекула по-прежнему имеет множество состояний с более низкой энергией, в которые он может перейти, но, как и выше, когда атом/молекула переходит в состояние с более низкой энергией, ее часто «подбрасывает» до более высокого энергетического состояния более быстро движущаяся другая частица/фотон. ударяя по нему.

Теперь меньше энергии. Теперь тесно связанные атомы или молекулы движутся достаточно медленно, чтобы низкоэнергетические состояния рядом с ними были заполнены другими атомами или молекулами. Они начинают связываться с указанными соседними атомами и молекулами, и у немногих есть энергия, чтобы просто «уйти». Если вы сожмете его еще больше, в нем не останется достаточно отверстий для размещения атомов/молекул, и он оттолкнется. Если вы распаковываете его, более высокий объем открывает новые состояния для соскальзывания атомов/молекул, поэтому он всасывает энергию.

Это жидкое состояние относительно постоянно по объему и поглощает много энергии, если вы пытаетесь уменьшить или увеличить его плотность. Для его сжатия требуется большое давление.

Однако состояний по-прежнему достаточно, чтобы отдельные атомы/молекулы могли двигаться достаточно быстро.

Теперь меньше энергии. Теперь каждая молекула/атом застряла в ловушке. Движение в любом направлении ограничено другими частицами поблизости, поэтому ваша молекула отталкивается от молекулы в том направлении, в котором она движется, и отскакивает назад. Это делает материю жесткой . Путешествие молекул/атомов на большие расстояния становится крайне маловероятным. Увеличение/уменьшение громкости обычно становится еще более энергичным.

В металлах наименее связанные электроны в молекулах/атомах действуют как жидкость, в том смысле, что они могут перетекать от одного к другому, поскольку поблизости доступны состояния с одинаковой энергией.

Это не единственные состояния материи, а скорее наиболее распространенные состояния материи, с которыми мы взаимодействуем. У нас может быть конденсат Бозе-Эйнштейна, кварк-глюонная плазма, электронно-вырожденная материя (белые карлики) и т. д. и т. д. Даже при наших типичных температурах и давлениях могут быть достигнуты тройные состояния, в которых вещи ведут себя как смесь вышеперечисленного.

Вы заметите, что выше я говорил о молекулах, атомах и электронах. Молекулы — это связи, которые могут возникнуть до того, как произойдет «макроскопическое» поведение, но, как и все остальное, все это может стать нечетким на пределе. Молекулы могут стать достаточно большими, чтобы стать макроскопическими (и, возможно, кристаллы именно такими и являются), и добавление энергии к системе может привести к их распаду до того, как произойдут крупномасштабные статистические изменения в поведении частиц.