Aineen tila vs. aineen vaihe
Fysiikassa jotain, jolla on lepomassa, voidaan pitää asiana; se on aine maailmankaikkeudessa. Se voi olla joko maailmankaikkeuden pienimmät hiukkaset, joilla on massa, tai suurimmat tähdet. Aine, josta olemme huolissamme, koostuu vain 4,6 prosentista maailmankaikkeudesta ja loput massasta ovat vielä havaitsemattomissa muodoissa.
Energian tavoin myös aine voi esiintyä monissa muodoissa. Nämä muodot tunnetaan aineen tiloina. Ainetilassa atomit ja molekyylit voivat olla erilaisia. Näitä kutsutaan vaiheiksi.
Mikä on aineen vaihe?
Heterogeenisen järjestelmän homogeeninen osa, jonka erottaa erottuva raja, tunnetaan faasina. Se viittaa yleensä tilavuuteen avaruudessa, jossa aineen kaikki ominaisuudet ovat yhtenäisiä ja fysikaaliset ominaisuudet eroavat.
Ajattele esimerkiksi vedenkeittimen sisäosaa, kun vesi kiehuu. Vesi (neste) peittää kattilan pohja-alueen, ja sen erottavat kattilan seinämät ja veden yläpinta. Ja koko tällä alueella kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet ovat yhtenäisiä. Juuri vedenpinnan yläpuolella alue on täynnä höyryn ja ilman seosta. Tälläkin alueella kattilan seinämät ja veden pinta muodostavat erottuvan rajan, ja ominaisuuksia voidaan pitää yhtenäisinä koko alueella. Tässä tapauksessa kiehuva vesi on yksi faasi ja höyryilmaseos yksi faasi. Joten tätä järjestelmää voidaan pitää kaksivaiheisena järjestelmänä. Harkitse läpinäkyvään pulloon kaadettua vettä ja bensiiniä. Tämä on myös kaksivaiheinen järjestelmä, jossa kaksi nestettä erotetaan selvästi toisistaan marginaalilla.
Aineen faasien tutkiminen on tärkeää määritettäessä aineen fysikaalisia ominaisuuksia muutosten jälkeen. Prosessien aikana voi tapahtua vaihemuutoksia, jotka voidaan esittää vaihekaaviolla. Vaihekaavio on kaavio, joka näyttää, kuinka erillisiä vaiheita voi esiintyä erilaisissa tasapainoolosuhteissa. Kun monivaiheisen järjestelmän koostumus pysyy muuttumattomana, sen sanotaan olevan vaihetasapainossa.
Mikä on aineen tila?
Aineen tilaksi katsotaan ne erilliset muodot, jotka aine eri vaiheissa voi ottaa. Kolme klassista aineen tilaa ovat kiinteä, nestemäinen ja kaasu.
Kiinteissä aineissa ja nesteissä molekyylien väliset voimat ovat voimakkaita ja niitä pidetään tiivistyneinä tiloina. Kiinteillä aineilla on vahvimmat molekyylien väliset voimat; siksi nämä voimat pitävät rakennetta tiukasti koossa. Siksi kiinteän aineen muoto on muuttumaton.
Nesteissä molekyylien väliset voimat ovat suhteellisen heikkoja; siksi niitä pidetään kohtalaisen yhdessä. Ja molekyylit voivat liukua ohittaa toisensa, mutta voimat ovat riittävän vahvoja, jotta ne eivät pääse pakoon. Kaasuissa molekyylien väliset voimat ovat niin heikkoja, että ne pysyvät hyvin kevyesti yhdessä. Ja ne voivat liukua toistensa ohi ja täyttää kokonaan sen äänenvoimakkuuden, johon ne laitetaan.
Aine vaihtaa tilaa sisäisen energiatasonsa ja lämpötilan mukaan, mikä on sisäisen energian indikaattori. Korkeammassa lämpötilassa molekyylien värähtelyt ovat voimakkaita, joten ne kilpailevat molekyylien välisten voimien kanssa vapautuakseen sidoksista. Kiinteissä aineissa sisäenergia on pienempi, ja kun sisäistä energiaa lisätään tietyllä tasolla, sidokset löystyvät ja kiinteä jää muuttuu nestemäiseksi. Kun sisäinen energia/lämpötila nousee edelleen, neste muuttuu kaasuksi.
Plasmaa pidetään myös aineen fysikaalisena tilana, jossa kaasun elektronit irrotetaan ja sekä elektronit että ytimet ovat erittäin korkealla energiatasolla. Suurin osa maailmankaikkeuden aineesta on tässä muodossa; tähtien välisissä v altavissa pilvissä, joita kutsutaan tähtienvälisiksi pilviksi, ja tähdissä, joissa syntyvä lämpö muuttaa ne plasmaksi.
Lasia ja nestekiteitä pidetään myös erillisinä tiloina fysiikassa. Ja hyvin matalissa lämpötiloissa aine muodostaa erilaisia tiloja supernesteinä ja Bose-Einstein-kondensaatteina. Äärimmäisissä tapauksissa mustia aukkoja pidetään myös toisena aineen olomuotona, jonka tarkkoja fysikaalisia ominaisuuksia emme tiedä.
Mitä eroa on aineen tilan ja aineen vaiheen välillä?
• Vaihe on alue, jolla on tasaiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet ja joka on erotettu toisistaan erottuvilla rajoilla.
• Aineen tilat ovat muotoja, joissa eri faaseja voi esiintyä. Kiinteät, nestemäiset ja kaasut ovat yleisimmät aineen tilat maan päällä.
• Yhdessä aineen tilassa voi esiintyä monia eri faasimuotoja. Harkitse esimerkiksi pulloa, jossa on bensiiniä ja vettä. Molemmat ovat nestemäisessä tilassa, mutta eri vaiheissa. Samaa käsitettä voidaan soveltaa kiinteisiin aineisiin, vaikka kaasut yleensä rikkovat tätä, mutta ei nimenomaisesti.
