Κατάσταση της ύλης

Η κατάσταση της ύλης ενός σώματος παραδοσιακά περιγράφει το πόσο εύκολα μεταβάλλεται το σχήμα και το μέγεθός του. Υπάρχουν τέσσερις βασικές καταστάσεις της ύλης η στερεά, η υγρή, η αέρια.και το πλάσμα. Η κατάσταση στην οποία θα βρεθεί ένα σώμα εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την πίεση του περιβάλλοντός του.
Η σύγχρονη περιγραφή της κατάστασης της ύλης γίνεται με σύγκριση των διαφορών σχέσης της κατάστασης των μορίων. Στερεά θεωρούνται τα υλικά στα οποία τα μόρια κρατούνται σε σταθερές θέσεις μεταξύ τους στο χώρο. Υγρά θεωρούνται τα υλικά στα οποία τα μόρια είναι κοντά μεταξύ τους αλλά όχι σε σταθερές θέσεις. Αέρια είναι τα υλικά στα οποία τα μόρια βρίσκονται σε σχετικά μεγάλη απόσταση μεταξύ τους και η θέση τους δεν επηρεάζεται από τις δυνάμεις αλληλεπίδρασης των μορίων. Σαν τέταρτη κατάσταση της ύλης αναφέρεται το πλάσμα, ιδιαίτερα ιονισμένο αέριο σε υψηλή θερμοκρασία. Η ιονισμένη κατάσταση δημιουργεί ελκτικές και απωθητικές δυνάμεις που δίνουν ιδιαίτερες ιδιότητες στο πλάσμα που το ξεχωρίζουν από τα αέρια.

Αλλαγή φάσης

Αν ένα σώμα βρίσκεται σε διαφορετική κατάσταση από αυτήν που αντιστοιχεί στις συνθήκες του περιβάλλοντός, τότε τη μεταβάλλει για να βρεθεί στην κατάλληλη. Ακόμα κι αν φαίνεται ότι είναι στην κατάλληλη κατάσταση, ένα μέρος του μετατρέπεται σε άλλη λόγω διαφοράς στη τάση ατμών. Η μετατροπή του στερεού σε υγρό ονομάζεται τήξη, ενώ η αντίστροφη διαδικασία ονομάζεται πήξη. Η μετατροπή από αέριο σε υγρό ονομάζεται υγροποίηση ή συμπύκνωση, ενώ η μετατροπή από αέριο σε στερεό ονομάζεται απόθεση.
Στις παραπάνω μετατροπές δεν ενδιαφερόμαστε, αν αυτές προκλήθηκαν από την ασυμφωνία τρέχουσας και κατάλληλης κατάστασης ή λόγω μερικών πιέσεων. Όμως, στη μετατροπή υγρού σε αέριο διακρίνουμε δύο διαδικασίες το βρασμό και την εξάτμιση. Ο βρασμός οφείλεται στην ασυμφωνία τρέχουσας και κατάλληλης κατάστασης, ενώ η εξάτμιση γίνεται λόγω της μερικής πίεσης. Για αυτό ο βρασμός εμφανίζεται μόνο σε συγκεκριμένες συνθήκες και συμβαίνει σε όλην την έκταση του υγρού, ενώ η εξάτμιση μπορεί να γίνει σε οποιεσδήποτε συνθήκες και συμβαίνει μόνο στην επιφάνεια του υγρού.
Γενικά, οι αλλαγές φάσεις (που δε οφείλονται στις μερικές πιέσεις) γίνονται σε συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης για την κάθε καθαρή ουσία. Για αυτό αυτές αποτελούν χαρακτηριστικές ιδιότητες του κάθε υλικού και μάλιστα αποτελούν τις συνθήκες ισορροπίας δύο διαφορετικών καταστάσεών του. Αντίθετα, στα μίγματα οι συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, που απαιτούνται για τις αλλαγές φάσεων, εξαρτώνται από τις αναλογίες των συστατικών τους, άρα μεταβάλλονται

Θερμική ενέργεια στις αλλαγές φάσης

Σημαντικό ρόλο στις αλλαγές φάσεις παίζει η θερμική ενέργεια. Συνήθως οι αλλαγές φάσης γίνονται σε κανονική πίεση (μία ατμόσφαιρα ή 760 mm Hg), οπότε οι μετατροπές οφείλονται στην αλλαγή της θερμοκρασίας, άρα και την πρόσληψη ή αποβολή θερμικής ενέργειας. Γενικά ένα σώμα είναι στερεό σε χαμηλές θερμοκρασίες, και καθώς αυτές αυξάνονται το σώμα μετατρέπεται διαδοχικά σε υγρό και έπειτα σε αέριο. Σε αυτήν την περίπτωση η θερμική ενέργεια του σώματος αυξάνεται. Αντίστροφα, ένα σώμα σε υψηλές θερμοκρασίες είναι αέριο και καθώς αυτή μειώνεται το σώμα μετατρέπεται διαδοχικά σε υγρό και έπειτα σε στερεό. Εδώ η θερμική ενέργεια του σώματος μειώνεται. Παρόλ' αυτά, υπάρχει περίπτωση απευθείας μετατροπής από στερεό σε αέριο, η οποία ονομάζεται εξάχνωση .
Κατά την πρόσληψη ή αποβολή θερμικής ενέργειας το σώμα μεταβάλλει τη θερμοκρασία του, εκτός κι αν αλλάζει κατάσταση . Όταν ένα σώμα αλλάζει κατάσταση, τότε η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή, ενώ η ανταλλασσόμενη θερμική ενέργεια αξιοποιείται στη διάλυση ή δημιουργία των διαμοριακών δυνάμεων. Αυτό το φαινόμενο σχετίζεται άμεσα με τη δομή του σώματος σε μικροσκοπικό, μοριακό επίπεδο. Επίσης, αυτή η δομή εξηγεί την ύπαρξη και συμπεριφορά των τριών καταστάσεων της ύλης.
Εκτός από τη θερμότητα, σημαντικό ρόλο παίζει και η πίεση, όταν αυτή μεταβάλλεται. Τότε η μελέτη των αλλαγών φάσεων γίνεται με διαγράμματα φάσεων .

Αέρια - ατμοί

Μεταξύ αερίων και ατμών δεν υπάρχουν μεγάλες διαφορές. Η βασική μεταξύ τους διάκριση συνίσταται στο ότι σε ΚΣ περιβάλλοντος τα μεν αέρια παρουσιάζονται υπό μορφή αερίου, ενώ οι ατμοί παρουσιάζονται ως υγρά (τα οποία όμως θερμαινόμενα μεταπίπτουν σε αέριο κατάσταση).
Βασική όμως διάκριση μεταξύ αερίων και ατμών κατά την χρησιμοποίηση αυτών στις θερμικές μηχανές είναι ότι τα αέρια όσο κι αν συμπιεσθούν παραμένουν αέρια, δεν μετατρέπονται σε υγρά, παρά μόνο αν η συμπίεσή τους συνοδεύεται και με ανάλογη ψύξη. Αντίθετα οι ατμοί και με μικρή ακόμη συμπίεση ή ψύξη μετατρέπονται εύκολα σε υγρά .

Υπερκρίσιμο ρευστό

Ας φανταστούμε μία καθαρή ουσία σε συνθήκες ισορροπίας υγρής και αέριας κατάστασης. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, για να διατηρηθεί η ισορροπία αυξάνεται και η πίεση. Όσο εξελίσσεται αυτή η διαδικασία ένα υγρό μέρος της ουσίας διαλύεται στην αέρια φάση, ενώ ένα αέριο μέρος διαλύεται στην υγρή. Τελικά, προκύπτει ένα ρευστό το οποίο δεν είναι αμιγώς αέριο ή υγρό, οι δύο φάσεις έχουν διαλυθεί η μία μέσα στην άλλη. Το υπερκρίσιμο ρευστό αποτελεί έναν πολύ καλό διαλύτη

Άλλες καταστάσεις ύλης

Σε μερικές ακραίες συνθήκες καταρρέει η δομή της ύλης όπως περιγράφτηκε παραπάνω και πλέον δεν αποτελείται από άτομα, μόρια και ιόντα. Τότε η ύλη εμφανίζεται με διαφορετικές μορφές:

Πλάσμα

Σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες η ύλη είναι αέρια. Αν η θερμοκρασία αυξάνεται συνεχώς κάποια στιγμή τα ηλεκτρόνια των εξωτερικών στοιβάδων ξεφεύγουν από τα άτομα και κινούνται ελεύθερα στο σώμα, ενώ τα άτομα μετατρέπονται σε κατιόντα. Έτσι, το σώμα αποτελείται πλέον από ελευθέρα κινούμενα ηλεκτρόνια και κατιόντα. Αυτή η κατάσταση της ύλης έχει πολλές ομοιότητες με τα αέρια (κυρίως τα θερμά), αλλά επειδή αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια, επηρεάζεται περισσότερο από ηλεκτρικά, μαγνητικά πεδία και την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και όχι από τη θερμοκρασία και την πίεση.

Συμπύκνωμα Bose-Einstein

Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες η ύλη είναι στερεή. Αν η θερμοκρασία μειώνεται συνεχώς (φτάνει το απόλυτο μηδέν), τότε η κινητική ενέργεια των σωματιδίων που απαρτίζουν την ύλη (ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια) δεν είναι αρκετή για να τα συγκρατήσει στις τροχιές τους και όλα τους καταρρέουν σε μια σημειακή ιδιομορφία (διαφορετική από αυτή της μαύρης τρύπας).

Αστέρας νετρονίων

Στον πυρήνα ενός γερασμένου άστρου υπάρχουν εξαιρετικά μεγάλες πιέσεις, αλλά και θερμοκρασίες. Τότε καταρρέει η εσωτερική δομή των ατόμων, τα ηλεκτρόνια αντιδρούν με τα πρωτόνια δημιουργώντας νετρόνια, τα οποία συσσωρεύονται στο κέντρο του. Αυτά είναι τόσα πολλά, ώστε ένα ολόκληρο ουράνιο σώμα αρκετά μεγάλων διαστάσεων να αποτελείται αποκλειστικά από νετρόνια. Αυτή η κατάσταση της ύλης είναι εξαιρετικά συμπυκνωμένη δημιουργεί ισχυρό βαρυτικό πεδίο και εκπέμπει υψηλής ενέργειας ακτινοβολία Χ και γ