حالت های مختلف ماده

در این مقاله به معرفی حالات ماده می پردازیم. همه ما با 3 حالت ماده یعنی جامد، مایع و گاز آشنایی داریم. ممکن است برخی از شما تا به حال نام حالت چهارم ماده یعنی پلاسما را نیز شنیده باشید و یا اطلاعاتی راجع به آن داشته باشید که در این مقاله به آن توضیح داده می‌شود.

تا کنون با سه حالت جامد، مایع و گاز آشنا شدیم. در ابتدا به بررسی این حالات می‌پردازیم و نقش گرما را در این حالات بررسی می‌کنیم.

جامد:

جامد سخت ترین حالت هر ماده‌است. در این حالت اتم‌ها در مکان های مشخصی قرار گرفته و فقط می‌توانند در حول نقطه‌ی‌ تعادل خود در شبکه نوسان کنند. جامد حجم و شکل ثابت دارد و ثابت است و خاصیت ارتجاعی و کشسانی بسیار کمی دارد. مواد جامد در برابر تغییر شکل مقاومت می کنند و آن ها سفت و شکننده هستند.

برای درک چگونگی این موضوع می توان جامدات را این گونه تعریف کنیم. در حالت جامد، نیروهای بین مولکولی، به قدری قوی تر از انرژی جنبشی هستند که باعث سخت شدن جسم در نتیجه عدم جاری شدن آن می‌گردند. در جامدات فاصله‌ی مولکول ها مانند فاصله‌ی آن ها در مایع است. جامدات نمی توانند مانند وضعیتی که حالات مایع و گاز دارند، آزادانه به اطراف حرکت کنند. بلکه در جامد، مولکول ها در مکان های خاصی قرار می‌گیرند و فقط می توانند در اطراف این مکان ها حرکت نوسانی رفت و برگشتی بسیار کوچک انجام دهند. این حرکت نوسانی، به خصوص در جامدات بلورین، کاربردهای صنعتی و علمی زیادی را برای این دسته از مواد به دنبال دارد.

مواد جامد را از لحاظ خواص می‌توان به شکل زیر طبقه‌بندی کرد:

فلزات و آلیاژ‌ها

جامدات آلی(پلیمرها)

سرامیک‌ها

کامپوزیت‌ها

مایع

مایع یکی از حالاتی است که ماده می‌تواند به آن شکل وجود داشته باشد. ذرات تشکیل دهنده‌ی مایع (اتم/مولکول) می‌توانند تغییر مکان بدهند اما نیروهای بین‌ملکولی کماکان آن ها را در کنار هم نگه می‌دارد. بنابراین مایعات (برخلاف جامدات) شکل ثابتی ندارند. چون فاصله‌ی‌ ذرات در حالت مایع قابل تغییر نیست، بنابراین نمی‌توان آن ها را فشرده کرد و (برخلاف گازها) حجم ثابتی دارند.

همه‌ی مواد را می‌توان با بالا بردن (یا پایین آوردن) دما به مایع تبدیل کرد.

مشخصه مایع: حجم ثابت دارد ولی شکل ثابت ندارد و سیال است. در حالت مایع، مولکول ها به هم نزدیک تر بوده، به طوری که نیروهای بین آن ها قوی تر از انرژی جنبشی آنان می باشد. از طرف دیگر، نیروها آن قدر قوی نیستند که قادر به ممانعت از حرکت مولکول ها گردند. از این روست که جریان مایع از ظرفی به ظرف دیگر شدنی است، اما نسبت سرعت جاری شدن آب در مقایسه با مایعات دیگر از قبیل روغن ها و گلسیرین بسیار متفاوت است که این تفاوت در سرعت جاری شدن، میزان مقاومت یک مایع در مقابل جاری شدن،(یعنی ویسکوزیته‌ی آن) خوانده می شود.

گازها

گاز یکی از حالت‌های وجود ماده است. وابستگی حرکت اتم‌ها یا مولکول‌های ماده از یکدیگر در حالت گاز بسیار کمتر از حالت‌های جامد و یا مایع است. در این حالت از ماده فواصل مولکول‌ها از یکدیگر بسیار زیاد بوده و به همین دلیل نیروهای برهم کنش مولکولی در آن بسیار اندک هستند.

در حالت گازی نیز مولکول‌ها به‌صورت کاتوره‌ای حرکت می‌کنند اما از آن جا که فواصل آن ها از یکدیگر زیاد است تعداد برخوردهای میان آن‌ها بسیار کمتر از حالت‌های دیگر ماده است. گازها نیز مانند مایعات و پلاسما از شاره‌ها هستند.

به طور کلی می توانیم گازها را اینگونه تعریف کنیم ؛گاز ها ساده متراکم می شوند (در اصطلاح می‌گوییم کم چگالند) و نه تنها شکل ظرف خود را می گیرند بلکه آن قدر منبسط می شوند تا ظرف را کاملا پر کنند.

اما اگر بخواهیم گازها را بهتر بشناسیم می توانیم بگوییم که؛ حالت فیزیکی مواد در شرایط فشار و درجه‌ی حرارت طبیعی، بستگی به اندازه‌ی مولکولی و نیروهای بین آن دارد. اگر مقدار کمی از یک گاز، در یک تانک نسبتا بزرگ قرار گیرد، مولکول های آن با سرعت در سرتاسر تانک پخش می شوند. پخش سریع مولکول های گاز به این معنی است که نیروهای موجود بین مولکول ها، بسیار ضعیف تر از انرژی جنبشی آن است و از آنجایی که ممکن است مقدار کمی از یک گاز در سرتاسر تانک یافت شود، نشان دهنده‌ی آن است که مولکول های گاز باید نسبتا از هم فاصله گرفته باشند.

بنابراین گازها شکل و حجمشان بستگی به ظرفی دارد که در آن جای دارند. در حالت گازی، مولکول ها آزادانه به اطراف حرکت کرده و با یکدیگر و نیز با دیواره‌ی ظرف برخورد میکنند. فاصله‌ی مولکول ها در حالت گازی در ده ها برابر فاصله‌ی آن ها در حالت مایع و جامد است. اگر درِ یک ظرف نوشابه‌ی پلاستیکی را بسته و آن را متراکم کنید و سپس آن را با آب پر کرده و دوباره سعی کنید که آن را متراکم کنید، در حالت اول به علت فاصله‌ی زیاد بین مولکول ها در گاز، متراکم کردن آن سنگین تر و سخت تر صورت می گیرد، در صورتی که در حالت دوم چنین نیست.

اثر گرما بر حالت مواد

مواد در دمای معمولی به سه حالت جامد، مایع و گاز وجود دارند. با تغییرات دما حالت مواد تغییر می کند شما شاهد بسیاری از این تغییر حالت ها در محیط اطراف خود هستید.

ذوب:

در جسم جامدی مانند آهن مولکول ها به هم نزدیک، جنبش مولکول ها کم و جادبه بین آن ها زیاد است. اگر جسم جامد گرم شود جنبش و فاصله مولکول ها افزایش و ربایش آن ها کم می شود اگر جسم جامد به اندازه کافی گرم شود ربایش مولکول ها به اندازه ایی کم می شود که می توانند آزادانه حرکت کنند در این صورت جامد به مایع تبدیل می شود این تغییر حالت ذوب نامیده می شود. به بیان ساده تر:

ذوب یعنی تبدیل جامد به مایع بر اثر گرما و یا:

و حالات دیگر نیز مانند بالا در اثر گرفتن یا از دست دادن گرما رخ می‌دهد.

و دیگر حالت مواد:

پلاسما

حالت چهارم ماده پلاسما، شبیه گاز است و از اتم هایی تشکیل شده است که تمام یا تعدادی از الکترون های خود را از دست داده اند (یونیده شده اند). بیشتر مواد جهان در حالت پلاسما هستند مانند خورشید که از پلاسما تشکیل شده است. پلاسما اغلب بسیار گرم است و می توان آن را در میدان مغناطیسی به دام انداخت. اما در تعریفی کلی از پلاسما باید گفت که؛ پلاسما حالت چهارمی از ماده است که دانش امروزی نتوانسته آن ها را جزو سه حالت دیگر پندارد و مجبور شده آن را حالت مستقلی به حساب آورد.

پدیده های طبیعی زیادی از جمله آتش، خورشید، ستارگان و غیره در رده حالت پلاسمایی ماده قرار می گیرند. پلاسما شبیه به گاز است، ولی مرکب از ذرات باردار متحرکی به نام یون است. یون ها به شدت تحت تاثیر نیروهای الکتریکی و مغناطیسی قرار می گیرند. مواد طبیعی در حالت پلاسما عبارتند از انواع شعله، بخش خارجی جو زمین، اتمسفر ستارگان، بسیاری از مواد موجود در فضای سحابی و بخشی از دم ستاره دنباله دار و شفق های قطبی شمالی که نمایش خیره کننده ای از حالت پلاسمایی ماده است که در میدان مغناطیسی جریان می یابد.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: مرتضی عرفانیان

تنظیم: مریم فروزان کیا