Các trạng thái vật chất pot

Các trạng thái vật chất

Trạng thái vật chất là những hình thức khác nhau của pha của vật chất. Từ trước đến
nay, khi đề cập đến câu hỏi "Vật chất tồn tại ở mấy trạng thái?" Đa số đều cho rằng vật
chất tồn tại ở 3 trạng thái rắn, lỏng, khí. Tuy nhiên, trên thực tế hiện nay vật chất đang
tồn tại ở trạng thái thứ 4 đó là trạng thái plasma.
Trạng thái rắn có đặc điểm bởi tính chất phản kháng lại sự thay đổi hình dạng. Chất lỏng
là một chất lưu mà các phân tử cấu tạo nên nó có liên kết không chặt so với liên kết rắn
và có hình dạng phụ thuộc vào vật chứa nó. Chất khí là tập hợp các nguyên tử hay phân
tử hay các hạt nói chung trong đó các hạt có thể tự do chuyển động trong không gian.
1. Trạng thái rắn (Chất rắn)
Trạng thái rắn là một trong ba trạng thái thường gặp của các chất, có đặc điểm bởi tính
chất phản kháng lại sự thay đổi hình dạng. Các chất ở trạng thái rắn được gọi là chất rắn.
Các vật được cấu tạo từ chất rắn (vật rắn) có hình dạng ổn định.
Trên thang vi mô, chất rắn có đặc tính:
* Các phân tử hay nguyên tử nằm sát nhau
* Chúng có vị trí trung bình tương đối cố định trong không gian so với nhau, tạo nên tính
chất giữ nguyên hình dáng của vật rắn.
Nếu có lực đủ lớn tác dụng các tính chất trên có thể bị phá hủy và vật rắn biến dạng. Các
phân tử hay nguyên tử của vật rắn có dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng. Khi nhiệt độ
tăng cao, dao động mạnh có thể phá hủy tính chất trên và chất rắn có thể chuyển pha sang
trạng thái lỏng.
Chất rắn được chia làm hai loại: chất rắn kết tinh và chất rắn vô định hình.
Chất rắn kết tinh
Muối ăn, gồm chủ yếu là NaCl, là một ví dụ của chất rắn kết tinh. Chúng đều có dạng lập
phương tâm khối hoặc hình hộp. Nếu đập vỡ một hạt muối tinh khiết thành những mảnh
có độ vỡ khác nhau thì tất cả chúng đều có dạng khối lập phương hoặc khối hình hộp.
Tiếp tục đập vụn hạt muối thành những hạt nhỏ li ti và đưa vào kính hiển vi, có thể thấy
những hạt muối này dù rất nhỏ vẫn có dạng khối lập phương hoặc khối hình hộp, những
kết cấu rắn có dạng hình học xác định như thế gọi là các tinh thể.
Tinh thể của mỗi chất có hình dạng đặc trưng xác định. Tinh thể muối ăn có dạng lập

phương hoặc khối hình hộp. Cùng một tinh thể tùy điều kiện hình thành mà chúng có
kích thước lớn nhỏ khác nhau.
Chất rắn vô định hình
Chất rắn vô định hình là chất rắn ở trạng thái vật chất không cấu tạo từ tinh thể, hay tổng
quát là các phân tử hay nguyên tử trong chất này không nằm ở các vị trí có trật tự diện
rộng. Cấu trúc vô định hình là cấu trúc trật tự gần.
Các chất rắn vô định hình thông thường được sản xuất khi một chất lỏng đủ độ nhớt bị
làm lạnh rất nhanh, vì thế không có đủ thời gian để các mắt lưới tinh thể thông thường có
thể tạo thành.
Ví dụ
Một ví dụ đơn giản là khi đường bị đun chảy và làm lạnh nhanh bằng cách đưa đường
nóng chảy vào vào bề mặt của một vật lạnh. Kết quả thu được là một chất rắn vô định
hình, mà không phải dạng tinh thể như đường nguyên thủy. theo những nghiên cứu gần
đây, chất rắn vô định hình cũng có dạng tinh thể! Nhưng những tinh thể này quá bé,
không thể nhìn thấy được kể cả dưới kính hiển vi.

Sựchuyển hóa của các trạng thái vật chất khác nhau
2. Trạng thái lỏng (Chất lỏng)
Chất lỏng là một trạng thái vật chất khá phổ biến. Chất lỏng là một chất lưu mà các phân
tử cấu tạo nên nó có liên kết không chặt so với liên kết rắn và có hình dạng phụ thuộc vào
vật chứa nó.
Hình dạng của chất lỏng được xác định bởi vật chứa nó nên có thể nói các hạt chất lỏng
(thường là các phân tử) có thể chuyển động tự do trong khối chất lỏng, nhưng chúng tạo
thành một bề mặt rõ ràng không nhất thiết phải giống với bình chứa. Không giống với
chất khí, hình dạng của nó không khớp hoàn toàn với bình chứa.
Ở nhiệt độ bên dưới điểm sôi, chất lỏng sẽ bố hơi, trừ khi bình được đậy kín, cho đến khi
nồng độ hơi của nó đạt đến trạng thái áp suất riêng phần cân bằng ở thể khí. Do đó,
không có chất lỏng nào tồn tại trong môi trường chân không tuyệt đối. Bề mặt chất lỏng
ứng xử như một màng đàn hồi do xuất hiện sức căng bề mặt cho phép tạo thành các giọt
và bong bóng. Hiện tượng mao dẫn là một trường hợp của sức căng bề mặt. Chỉ có chất

lỏng mới thể hiện tính không trộn lẫn và tính [dính ướt]]. Hỗn hợp của hai chất lỏng
không trộn lẫn được thường gặp nhất trong đời sống hàng ngày là dầu thực vật và nước.
Hỗn hợp tương tự khác của các chất lỏng có thể trộn lẫn là nước và rượu. Các chất lỏng ở
tại điểm sôi tương ứng sẽ chuyển thành khí (trừ khi đun quá sôi), và tại điểm đông nó
chuyển thành chất rắn (trừ khi quá lạnh). Thậm chí bên dưới điểm sôi chất lỏng bốc hơi
trên bề mặt của nó. Các vật thể khi nhúng trong chất lỏng sẽ có hiện tượng đẩy nổi, là
hiện tượng cũng được quan sát trong các chất lưu khác, nhưng là một trường hợp rất đặc
biệt trong chất lỏng vì chúng có tỷ trọng cao. Các thành phần của chất lỏng trong hợp
chất có thể tách riêng biệt bởi quá trình chưng cất phân đoạn.
Thể tích của một lượng chất lỏng được cố định bởi nhiệt độ và áp suất của nó. Trừ khi thể
tích này khích hoàn toàn với thể tích của bình chứa, thì cần xem xét đến một hoặc nhiều
bề mặt của nó. Các chất lỏng trong trường trọng lực, cũng giống như tất cả các chất lỏng
khác, đều tác động áp suất lên các mặt của bình chứa cũng như những vật bên trong
chúng. Áp suất này được truyền đi theo tất cả các hướng và tăng dần khi càng xuống sâu.
Trong các nghiên cứu về động lực học chất lưu, các chất lỏng thường được sử dụng như
là chất không nén được, đặc biệt khi nghiên cứu dòng không nén được.
Các chất lỏng thường gặp khác như dầu khoáng và dầu hỏa, và ở dạng hỗn hợp như sữa,
máu, và các dung dịch gốc nước khác như thuốc tẩy. Chỉ có sáu nguyên tố ở dạng lỏng
trong điều kiện nhiệt độ và áp suất trong phòng như: thủy ngân (chất lỏng đặc), brôm,
franxi, xêzi, gali và rubidi.[2] Trong nghiên cứu về định cư trên các hành tinh, nước lỏng
được xem là cần thiết cho sự tồn tại của sự sống.
3. Trạng thái khí (Chất khí)
Các chất khí là tập hợp các nguyên tử hay phân tử hay các hạt nói chung trong đó các hạt
có thể tự do chuyển động trong không gian. Lực tương tác giữa các hạt rất yếu, và các hạt
chủ yếu tương tác với nhau qua va chạm ngẫu nhiên, hoặc với thành chứa. Các hạt
chuyển động với tốc độ và hướng ngẫu nhiên, và các vận tốc của các hạt chỉ thay đổi
đáng kể thông qua các va chạm ngẫu nhiên với nhau hoặc với thành vật chứa.
Các chất khí trong cuộc sống thường được coi là một trong bốn trạng thái vật chất quan
trọng nhất. Các trạng thái kia là chất rắn, chất lỏng và plasma. Các chất thông thường
thường tồn tại ở trạng thái rắn ở nhiệt độ thấp, chuyển sang trạng thái lỏng ở nhiệt độ cao

hơn (thông qua hiện tượng nóng chảy), rồi sang trạng thái khí khi nhiệt độ được tiếp tục
nâng lên (hiện tượng bay hơi), và cuối cùng là sang trạng thái plasma ở nhiệt độ đủ cao.
Cũng có những chất có thể chuyển ngay từ trạng thái rắn sang trạng thái khí ở điều kiện
thích hợp (hiện tượng thăng hoa).
Mặc dù chuyển động của các hạt trong chất khí là ngẫu nhiên, vận tốc của chúng có thể
được mô tả theo thống kê bằng các phân bố như phân bố Maxwell-Boltzmann, phân bố
Fermi hay phân bố Bose. Các phân bố này cho thấy sự phụ thuộc của dải biến đổi của vận
tốc, cũng như vận tốc trung bình, vào nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao thì vận tốc trung bình
của các hạt càng lớn.

Trạng thái của các phân tử trong các pha rắn, lỏng và khí
4. Trạng thái plasma
PLASMA là trạng thái thứ tư của vật chất (các trạng thái khác là rắn, lỏng, khí) trong đó
các chất bị ion hóa mạnh. Đại bộ phận phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân; các
electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân. Plasma không phổ biến trên Trái
Đất tuy nhiên trên 99% vật chất trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma, vì thế trong bốn
trạng thái vật chất, plasma được xem như trạng thái đầu tiên trong vũ trụ.
Nếu sự ion hóa được xảy ra bởi việc nhận năng lượng từ các dòng vật chất bên ngoài,
như từ các bức xạ điện từ thì plasma còn gọi là plasma nguội. Thí dụ như đối với hiện
tượng phóng điện trong chất khí, các electron bắn từ catod ra làm ion hóa một số phân tử
trung hòa. Các electron mới bị tách ra chuyển động nhanh trong điện trường và tiếp tục
làm ion hóa các phân tử khác. Do hiện tượng ion hóa mang tính dây chuyền này, số đông
các phân tử trong chất khí bị ion hóa, và chất khí chuyển sang trạng thái plasma. Trong
thành phần cấu tạo loại plasma này có các ion dương, ion âm, electron và các phân tử
trung hòa
Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử ở nhiệt độ cao thì
plasma còn gọi là plasma nóng. Khi nhiệt độ tăng dần, các electron bị tách ra khỏi
nguyên tử, và nếu nhiệt độ khá lớn, toàn bộ các nguyên tử bị ion hóa. Ở nhiệt độ rất cao,
các nguyên tử bị ion hóa tột độ, chỉ còn các hạt nhân và các electron đã tách rời khỏi các
hạt nhân.

Các hiện tượng xảy ra trong plasma chuyển động là rất phức tạp. Để đơn giản hóa, trong
nghiên cứu plasma, người ta thường chỉ giới hạn trong việc xét các khối plasma tĩnh, tức
là các khối plasma có điện tích chuyển động nhưng toàn khối vẫn đứng yên.