1.1. Агрегатные состояния тел

Задавшись вопросом, откуда всё возникает и во что превращается, ещё древнегреческие философы искали основу происхождения и изменения всех вещей, их свойств и состояния. Они считали, что весь мир состоит из четырех «элементов» – огня, воды, земли и воздуха. Можно было бы рассматривать землю как пример твердого состояния, воду – жидкого и воздух – газообразного. А с чем же сопоставить четвертый «элемент» – огонь?

Как известно, первые три агрегатные состояния могут переходить из одного в другое, особенно при изменениях температуры. Любое твердое тело нагреванием можно перевести в жидкое или газообразное состояние, т.е. расплавить или непосредственно выпарить. И наоборот, каждая жидкость может стать твердым телом, если ее в достаточной мере охладить.

Такие превращения имеют место тогда, когда вещество достигает определенной температуры – точки плавления. Например, ртути необходимо –39°С, тогда как железу 1539°С, а вольфраму около 3400°С, чтобы они перешли в жидкое состояние. Ещё более высокими являются точки плавления таких соединений, как карбиды, оксиды и т.п. При температурах выше 6000°С ни одно из известных нам веществ не может существовать как твердое тело.

Если плавление можно наблюдать невооруженным глазом, то переход жидкости в газообразное состояние – испарение – не всегда заметен, поскольку газы или пары, как правило, являются невидимыми.

Испаряются не только жидкости, но и твердые тела. Так, кусок вольфрама при комнатной температуре и через тысячу лет практически не потеряет своей массы. Если же его поместить в вакуум при температуре около 3000°С, вольфрам уже через день потеряет свою массу (приблизительно 1,7 грамма с квадратного сантиметра).

Естественно, возникает вопрос: является ли газ окончательным состоянием материи при любой высокой температуре или он может перейти к новому состоянию – «ультрагаза?» Такое состояние существует, а вещество, которое находится в нем, получило название плазмы.

Газ характеризуется как плазма тогда, когда в нем появились электрически заряженные частицы обоих знаков. А они могут возникнуть в процессе разрушения электронных оболочек газовых молекул под влиянием высокой температуры.

Это происходит следующим образом. При столкновении молекул вследствие большой силы удара одна или обе частицы могут потерять свои внешние электроны. При этом появляются один свободный электрон и ион. Этот акт является ионизацией. Итак, в процессе ионизации в газе появляются положительно и отрицательно заряженные частицы – ионы и электроны. Существование носителей электрических зарядов в газе превращает его в плазму, обладающую свойством электропроводности.

Заряженные частицы можно, например, обнаружить уже в пламени спички или газовой горелки, т. е. при сравнительно невысоких температурах. Как видим, древнегреческие философы были правы, когда интуитивно представляли огонь четвертым «элементом» мира.

Существуют разные способы переведения обычного газа в состояние плазмы. Один из них – термическая ионизация – это нагревание газа до высоких температур (несколько тысяч градусов).

Таким образом, мы видим, что, воздействуя на тела теплотой с определённой температурой, мы можем перевести их из одного агрегатного состояния в другое, вплоть до четвёртого состояния – плазмы.

Но что такое теплота? Рассмотрим её природу.