Skupenství

Skupenství neboli stav je konkrétní forma látky, charakterizovaná především uspořádáním částic v látce a projevující se typickými vlastnostmi.

Pro označení skupenství se také používá pojem fáze, který je však obecnější než skupenství, neboť látka může za různých teplot a tlaků existovat v jednom skupenství, ale v různých fázích, lišících se např. krystalovou stavbou.

Čistá látka může v rovnovážném stavu za dané teploty a tlaku existovat buď v jedné, ve dvou, nebo nejvýše ve třech fázích současně. To je graficky popisováno fázovým diagramem, někdy nazývaným též stavový diagram. Na osu x se obvykle vynáší teplota a na osu y tlak. Jednotlivé oblasti roviny grafu odpovídají existenci jediné fáze, hraniční křivky mezi oblastmi odpovídají koexistenci dvou fází a v bodech, v nichž se setkávají tři křivky (tzv. trojný bod), mohou existovat současně tři fáze.

Nejčastěji rozlišujeme tři skupenství pevné, kapalné a plynné, která jsou běžná v našem okolí. Jako čtvrté skupenství bývá často označováno plazma.

Skupenství látky úzce souvisí s vnitřní energií. Změny vnitřní energie mohou vést ke změně skupenství látky.

[editovat] Výčet skupenství

• Pevná látka se vyznačuje pevným, často pravidelným uspořádáním částic. Těleso z pevné látky drží svůj tvar, i když není uzavřeno do nějakého objemu. Síly mezi částicemi pevné látky jsou obvykle silnější než síly, které by způsobily jeho rozpad, nejčastěji se uvažuje gravitační síla s velikostí srovnatelnou s pozemskými podmínkami.

• V kapalině jsou částice látky stále drženy pohromadě slabými silami, ale již nejsou pevně uspořádány. Kapaliny nejdou stlačit. Kapalinu je nutno uchovávat v nádobách, protože nedokáže udržet svůj tvar - rozlívá se. Říkáme, že je kapalina je tekutina.

• Plyn patří s kapalinou do skupiny tekutin. Částice plynu již nejsou drženy pohromadě žádnými silami a ovlivňují se pouze při vzájemných srážkách. Oproti kapalině bývá mnohem snadněji stlačitelný. Plyn nelze skladovat v otevřené nádobě, musíme ho uzavřít ze všech stran, protože ačkoli střední volná dráha částic je obvykle poměrně malá, postupem času by z otevřené nádoby vyprchával a mísil se s atmosférou.

• Za čtvrté skupenství se obvykle považuje plazma. Je to trochu zvláštní skupenství, protože chemie již nedokáže popsat chování látek v něm. Z fyzikálního hlediska ale není jedno, zda jde třeba o plazmu vodíkovou, nebo heliovou. Podstatným kritériem, podle kterého můžeme rozhodnout, zda látka je plazmatem, je existence některých kolektivních procesů, například společné specifické reakce na elektromagnetické pole. 99 % veškeré viditelné hmoty ve vesmíru je ve skupenství plazmatu.

• Kvark gluonovým plazmatem se nazývá páté skupenství, které se dosahuje při velmi vysoké teplotě (větší než 10¹² K), kdy se kvarky a gluony začnou chovat jako volné částice. V tomto případě již opravdu ztrácí smysl mluvit o prvcích, ze kterých je látka složena. Poprvé bylo pozorováno v 90. letech 20. století při srážkách jader těžkých prvků na urychlovačích. Jeho objev byl oznámen 10. února 2000.

[editovat] Přechody mezi skupenstvími

Podrobnější informace naleznete v článku Fázový přechod.

[editovat] Pevná látka – kapalina

Přechodu od pevné látky ke kapalině se říká tání. Opačný jev se nazývá tuhnutí. Aby těleso přešlo z pevné fáze do kapalné, musíme mu dodat skupenské teplo tání . Na mikroskopické úrovni se to rovná dodání energie částici, která bude větší než energie vazby, která částici v pevné látce drží.

Není potřeba, aby pevné těleso mělo nějakou konkrétní teplotu, aby se některé částice z něj uvolňovaly do kapalné fáze. V případě ale, že teplota dosáhne bodu tání, přechod do kapalné fáze nastane spontánně v celém jeho objemu.

[editovat] Kapalina – plyn

Přechodu od kapaliny k plynu se říká vypařování. Opačný jev se nazývá zkapalnění. Aby těleso přešlo z kapalné fáze do plynné, musíme mu dodat skupenské teplo varu. Na mikroskopické úrovni se to rovná dodání energie částici, která bude větší než energie vazby, která částici v kapalině drží.

Není potřeba, aby kapalné těleso mělo nějakou konkrétní teplotu, aby se některé částice z něj uvolňovaly do plynné fáze. V případě ale, že teplota dosáhne bodu varu, přechod do plynné fáze nastane spontánně v celém jeho objemu. Tehdy mluvíme o varu.

[editovat] Pevná látka – plyn

Pokud částici na makroskopické úrovni dodáme tolik energie, že se přetrhne nejen vazba, která ji držela na pevném místě, ale také vazba, která by ji udržela v kapalině, částice se uvolní jako plyn. V některých vhodných případech lze tento přechod pozorovat i na makroskopické úrovni a říká se mu sublimace. Opačný jev se nazývá desublimace. Někdy se můžeme setkat s pojmem sublimace pro oba směry.

[editovat] Přechod k plazmatu

Zde není rozhodující, zda první skupenství je plynné, kapalné nebo pevné. Látka se změní kvalitativně v úplně novém směru - uvolní část nebo všechny své elektrony z atomových obalů. Rozhodující přitom není, jak silná ionizace proběhne, ale zda tato ionizace bude mít vliv na kolektivní chování látky. I velmi slabě ionizovaná látka může být plazmatem (například ionosféra), ale na druhou stranu třeba plamen ohně se za plazma obvykle nepovažuje.

Ekvivalentem skupenského tepla zde může být energie potřebná k ionizaci.

[editovat] Přechod ke kvark gluonovému plazmatu

Tento přechod byl zatím pozorován jen ve velmi speciálních případech. Dodnes není zcela jasné, jaké všechny děje při přechodu z normálního stavu hmoty (ve smyslu existence nukleonů) do stavu kvark gluonového plazmatu probíhají. Mnoho odpovědí nám přinese urychlovač LHC (Large Hadron Collider) v CERNu s právě (rok 2005) dokončovanou soustavou detektorů pro projekt ALICE (A Large Ion Collider Experiment).

[editovat] Související články

• Látka
• Fáze
• Termodynamika