sobota, 25 maja 2013

Stany skupienia materii

Wszyscy wiemy ze szkoły, że istnieją trzy stany materii: ciała stałe, ciecze i gazy. Podział ten jest prosty i - jak to często bywa z prostymi podziałami - nie mający wiele wspólnego z rzeczywistością. No - nie tak do końca, rzecz jasna. Istnieją ciała stałe, ciecze i gazy. Sęk w tym, że istnieje też wiele substancji, które trudno byłoby zaliczyć do jednej z tych trzech kategorii.

Plazma

Pierwszy przykład to plazma. Jest to mówiąc najprościej zjonizowany gaz. Uzyskuje się ją albo wystawiając gaz na działanie silnego pola elektrycznego, albo podgrzewając go do wysokiej temperatury. Na pozór podobna do gazów, w odróżnieniu od nich przewodzi dobrze prąd i co za tym idzie, posiada właściwości magnetyczne, czy ogólnie silnie reaguje na siły elektromagnetyczne. Z tego powodu tych właściwości, które odróżniają ją od zwykłego gazu, uznaje się ją za czwarty stan skupienia.

Plazmę można spotkać wszędzie. Tu na Ziemi w wyświetlaczach plazmowych, w neonówkach, w obecności łuków i wyładowań elektrycznych (np. łuków spawalniczych, piorunów). Ba! - nawet płomień zwykłej świeczki zawiera plazmę.

Lampa plazmowa.
Autor: Luc Viatour (Creative Commons). Źródło: Wikipedia.

W kosmosie plazmą jest właściwie wszystko: gwiazdy, które w całości składają się z plazmy i ogromna większość materii międzyplanetarnej / międzygwiezdnej / międzygalaktycznej. W stanie plazmy znajduje się ogromna większość zwykłej materii. Szacuje się, że nawet ponad 99,999% widzialnego wszechświata to plazma!

Wszechobecność plazmy i jej właściwości elektromagnetyczne dały podstawę do wysunięcia różnych teorii (czy raczej hipotez) tzw. elektrycznego wszechświata, wg. których elektromagnetyzm jest dominującą siłą we wszechświecie (w przeciwieństwie do klasycznej kosmologii, gdzie dominującą siłą jest grawitacja). Chociaż wpływ plazmy na wiele zjawisk astrofizycznych jest niezaprzeczalny, hipotezy te jednak nie zyskały szerszego poparcia.

Ciecze

Kolejnym stanem skupienia są ciecze. Jest to chyba najniezwyklejszy stan skupienia (no dobra - każdy stan skupienia jest niezwykły). Jest to rzecz jasna moja osobista opinia, ale ciecze, w odróżnieniu od pozostałych stanów (nie licząc tych naprawdę egzotycznych, ale o tym później) mogą istnieć tylko w bardzo wąskim przedziale parametrów (temperatura i ciśnienie). Jest to też jedyny stan skupienia materii umożliwiając istnienie życia (konkretnie mówię o wodzie, ale w teorii można sobie wyobrazić życie istniejące w innych cieczach - trudno natomiast zrobić to samo odnośnie gazów czy ciał stałych). Nie będę pisał o zwykłych cieczach. Chciałbym tylko wymienić parę ich niezwykłych odmian.

Ciekłe kryształy - to ciecze, w których cząsteczki potrafią układać się w regularne wzory. Niesamowite jest to, że oprócz tego, że są one podstawą działania różnego rodzaju wyświetlaczy, zawdzięczamy im istnienie życia - błony komórkowe wszystkich organizmów zbudowane są z dwuwarstw lipidowych, które mają właściwości ciekłych kryształów.

Lipidy, np. w błonach komórkowych, tworzą ciekłe kryształy.
Autor: Stephen Gilbert (Creative Commons). Źródło: Wikipedia.

Stan nadciekły - stan materii (cieczy) występujący w skrajnych warunkach fizycznych (temperatura bliska zera absolutnego). Charakteryzuje się m.in. całkowitym zanikiem lepkości, w efekcie czego ciecz o tej właściwości raz poruszona może poruszać się bez końca.

Nadciekły hel wypływający po ściankach naczynia.
Autor: Alfred Leitner (kadr z filmu „Liquid Helium,Superfluid”) (public domain). Źródło: Wikipedia.

Płyny nieniutonowskie - to płyny, które nie spełniają hydrodynamicznego prawa Newtona. Brzmi poważnie (chociaż sam nie do końca wiem, o co chodzi), ale przykłady takich substancji znajdziemy wszędzie dookoła siebie. Są to różnego rodzaju kremy (kosmetyki, pasty do zębów, masło, lody, ketchup itp.), które zachowują się jak ciała stałe, dopóki nie przyłoży się do nich siły/ciśnienia - wtedy zaczynają „płynąć”. Takim płynem jest również mączka ziemniaczana z dodatkiem wody, która w przeciwieństwie do pozostałych przykładów zachowuje się jak ciecz, dopóki nie działają na nią duże siły. Jeśli jednak użyć wobec niej większej siły, twardnieje nagle i zaczyna zachowywać się jak ciało stałe.

Ciecze nadkrytyczne. Ciecz paruje - w każdej temperaturze. Pod odpowiednio dużym ciśnieniem i w odpowiednio dużej temperaturze ciecz i jej para osiągają identyczne gęstości i różnica między nimi zatraca się - ciecz staje się nadkrytyczna. Na Youtube można obejrzeć ciekawą demonstrację tego procesu.

Ciała stałe

Ciała stałe to kolejny interesujący stan skupienia. Podobnie jak w przypadku cieczy, nie będę się o nich rozpisywał - wypiszę tylko parę interesujących odmian ciał stałych.

Pierwsze, o czym chcę wspomnieć, to szkła. Wbrew temu, co można czasem usłyszeć, szkło to nie jest bardzo wolno płynąca ciecz (o bardzo wielkiej lepkości). Szkło to jak najbardziej ciało stałe - jego specjalna odmiana, tzw. ciało stałe amorficzne.

Innymi rodzajami nieregularnych ciał stałych są różnego rodzaju związki organiczne takie jak przykładowo drewno, parafina czy różne polimery. Mówiąc o polimerach i parafinie nie sposób nie wspomnieć o asfalcie. Asfalt jest co prawda cieczą, ale jest cieczą o tak wielkiej lepkości, że można ją kruszyć tak, jakby była ciałem stałym. Dla kontrastu - przykładowo lód, chociaż bez wątpienia jest ciałem stałym, może płynąć (lodowce) - a to dlatego, że jest plastyczny (inne ciała stałe też). Między tymi dwiema substancjami jest co prawda różnica, która pozwala je kwalifikować do odrębnych kategorii, ale jak widać na ich przykładzie, różnica między tymi kategoriami (stanami skupienia) jest dosyć nieostra.

Bryłka asfaltu. Wbrew pozorom asfalt jest cieczą.
Autor: Burger (public domain). Źródło: Wikipedia.
Kapiący asfalt. Od początku eksperymentu prawie 100 lat temu spadło zaledwie 8 kropel.
Autor: John Mainstone (Creative Commons). Źródło: Wikipedia.
Płynący lodowiec. Lód jest ciałem stałym, ale posiada pewną plastyczność.
Autor: Dirk Beyer (Creative Commons). Źródło: Wikipedia.

Większość takich „porządnych” ciał stałych tworzy sieci krystaliczne. Niektóre substancje tworzą tzw. plastyczne kryształy, w których cząsteczki mają pewną ilość stopni swobody. Jeszcze inne tworzą kwazikryształy, w których cząsteczki są co prawda ułożone regularnie, ale wzór, w który są ułożone, nie powtarza się okresowo.

Przykładowa struktura kwazikryształu (Al-Pd-Mn).
Autor J.W. Evans (public domain). Źródło: Wikipedia.

Do ciał stałych zalicza się również nanomateriały, jednak zastanawiam się, czy ten rodzaj substancji nie zasługuje czasem na to, aby uznać go również za odrębny stan skupienia. A to dlatego, że nanomateriały wykazują często (zawsze?) zupełnie odmienne właściwości, niż ich zwykłe odpowiedniki. Przykładowo złoto, które normalnie jest żółtym, mało reaktywnym i obojętnym biologicznie metalem, jako nanomateriał może mieć kolor czerwony i być biologicznie aktywne.

Można by długo opowiadać o niezwykłych właściwościach aerożeli. Są to niesamowicie lekkie, a przy tym wytrzymałe (jak na swoją masę) materiały. Dzięki swoim właściwościom znajdują zastosowanie właściwie wszędzie - jako izolatory, katalizatory, w kosmetykach, w misjach kosmicznych... Otrzymuje się je ze „zwykłych” żeli, w których płynny składnik został zamieniony na gazowy.

Cegła (2,5 kg) ustawiona na kawałku aerożelu (2 g).
Autorstwo: NASA/JPL-Caltech (public domain). Źródło: Wikipedia.

Przyglądając się nanomateriałom i aerożelom można dojść do wniosku, że bardzo ważna w określaniu właściwości danej substancji jest jej struktura. Potrafi ona całkowicie zmieniać właściwości „prostych” substancji. Dzięki wytworzeniu odpowiednich struktur można tworzyć całkowicie nowe materiały (np. materiały kompozytowe) czasem o „magicznych” wręcz właściwościach .

Gazy

No i na koniec trzeba jeszcze wspomnieć o gazach, chociaż są one na potrzeby tego artykułu mało ciekawe .

Egzotyczne stany materii

Oprócz różnego rodzaju odmian wymienionych wyżej czterech podstawowych stanów skupienia istnieją też stany tak egzotyczne, że nie można ich zaliczyć do żadnej z powyższych kategorii.

Takimi stanami są np. wspomniane już wcześniej nadciecze. Innym przykładem są kondensaty Bosego-Einsteina, w których wszystkie atomy zachowują się „jak jeden”. Te stany materii utworzone są przez „zwykłe” atomy w bardzo niskich temperaturach. Jednak materia może przybierać jeszcze dziwniejsze formy. W gwiazdach neutronowych materia poddawana jest tak wielkim ciśnieniom, że zapada się do postaci jednego wielkiego skupiska neutronów, przyrównywanego czasem do ogromnego jądra atomowego (i nie jest to tylko poetyckie porównanie). W bardzo, bardzo wysokich temperaturach materia rozpada się „całkowicie” i tworzy (jak sądzimy) plazmę kwarkowo-gluonową.

Najbardziej jednak niesamowitym stanem materii jest ciemna materia. Nie wiemy nawet, z czego jest zrobiona ani jakie dokładnie ma właściwości. Niektórzy sądzą, że składa się ona z jednego rodzaju cząstek, inni, że cząsteczki ciemnej materii mogą być tak różnorodne, jak tej zwykłej.

I po co ja to piszę?

Przede wszystkim napisałem ten artykuł dlatego, że miałem na to ochotę . Chciałem coś w tym temacie napisać tak czy siak, ale do napisania tego postu zainspirowały mnie trzy odcinki internetowego komiksu Sci-ence (O szkle część 1, o szkle część 2 i o asfalcie).

Pisząc ten artykuł chciałem pokazać dwie rzeczy:

Po pierwsze - bogactwo różnych form materii. Stany, które wymieniłem to tylko część wszystkich możliwych stanów skupienia - na Wikipedii można znaleźć ich więcej.

Po drugie, chciałem pokazać, że otaczająca nas rzeczywistość jest bardzo skomplikowana i nie daje się łatwo wtłaczać w wymyślone przez ludzi kategorie.

Ktoś mógłby powiedzieć, że to oczywiste i od dawna wszyscy o tym wiedzą. Możliwe. Kiedy ja uczyłem się o stanach skupienia, mówiono nam tylko o trzech podstawowych i nic więcej. W miarę zdobywania dalszej wiedzy zacząłem mieć jednak trudności w zakwalifikowaniu różnych substancji do poznanych przeze mnie kategorii, co było odrobinę deprymujące. Możliwe jednak, że dzisiaj uczy się dzieci lepiej, niż kiedyś.

Ale nawet jeśliby tak było, to i tak zawsze warto przypominać o tym, że rzeczywistość jest niesamowicie bogata i różnorodna, a kategorie są tworzone przez ludzi, i że nie wszystko pasuje ładnie i czysto do owych wymyślonych przez nas szufladek.

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz