1.1. Агрегатні стани тіл

Поставивши запитання про те, звідки все виникає і на що перетворюється, ще старогрецькі філософи шукали основу походження і зміни всіх речей, їх властивостей і стану. Вони вважали, що весь світ складається з чотирьох «елементів» – вогню, води, землі та повітря. Можна було б розглядати землю як приклад твердого стану, воду – рідкого іповітря – газоподібного. А з чим же зіставити четвертий «елемент» – вогонь?

Як відомо, перші три агрегатні стани можуть переходити з одного в інший, особливо при змінах температури. Будь-яке тверде тіло нагріванням можна перевести в рідкий або газоподібний стан, тобто розплавити або безпосередньо випарувати. І навпаки, кожна рідина може стати твердим тілом, якщо її в достатній мірі охолодити.

Такі перетворення мають місце тоді, коли речовина досягає певної температури – точки плавлення. Наприклад, ртуті необхідно –39°С, тоді як залізу 1539°С, а вольфраму біля 3400°С, щоб вони перейшли в рідкий стан. Ще вищими є точки плавлення таких сполук, як карбіди, оксиди і т.п. При температурах вище 6000°С жодна з відомих нам речовин не може існувати як тверде тіло.

Якщо плавлення можна спостерігати неозброєним оком, то перехід рідини в газоподібний стан – випаровування – не завжди помітний, оскільки гази або пара зазвичай є невидимими.

Випаровуються не лише рідини, але й тверді тіла. Так, шматок вольфраму при кімнатній температурі й через тисячу років практично не втратить своєї маси. Якщо ж його помістити у вакуум при температурі біля 3000°С, вольфрам вже через день втратить свою масу (приблизно 1,7 грама з квадратного сантиметра).

Природно, виникає питання: чи є газ остаточним станом матерії при будь-якій високій температурі або він може перейти до нового стану – «ультрагазу?» Такий стан існує, а речовина, яка знаходиться в нім, отримала назву плазми.

Газ характеризується як плазма тоді, коли в нім з'явилися електрично заряджені частинки обох знаків. А вони можуть виникнути в процесі руйнування електронних оболонок газових молекул під впливом високої температури.

Це відбувається таким чином. При зіткненні молекул внаслідок великої сили удару одна або обидві частинки можуть втратити свої зовнішні електрони. При цьому з'являються один вільний електрон та іон. Цей акт є іонізацією. Отже, в процесі іонізації в газі з'являються позитивно і негативно заряджені частинки – іони й електрони. Існування носіїв електричних зарядів в газі перетворює його на плазму, що володіє властивістю електропровідності.

Заряджені частинки можна, наприклад, виявити вже в полум'ї сірника або газового пальника, тобто при порівняно невисоких температурах. Як бачимо, старогрецькі філософи мали рацію, коли інтуїтивно уявляли вогонь четвертим «елементом» світу.

Існують різні способи переведення звичайного газу в стан плазми. Один з них – термічна іонізація – це нагрівання газу до високих температур (декілька тисяч градусів).

Таким чином, ми бачимо, що, впливаючи на тіла теплотою з певною температурою, ми можемо перевести їх з одного агрегатного стану в інший, аж до четвертого стану – плазми.

Але що таке теплота? Розглянемо її природу.