Các Trạng Thái Của Vật Chất

hoctp ⮞Nhiệt kỹ thuật ⮞Một số tính chất nhiệt ⮞Các trạng thái của vật chất

Các trạng thái của vật chất

Vật chất được cấu tạo nên từ những phần tử cơ sở có kích thước rất nhỏ là các phân tử hay nguyên tử, được gọi chung là các hạt. Số lượng vật chất của một vật thể được thể hiện bằng khối lượng hay số mol (hoặc kmol). Nếu ta bỏ qua sự biến đổi vật chất thành năng lượng, chỉ xẩy ra trong một số ít trường hợp như trong phản ứng hạt nhân, thì tính chất cơ bản của vật chất là tính bảo toàn: vật chất không tự sinh ra và không bị mất đi mà chỉ di chuyển từ nơi này sang nơi khác, hay chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng khác.

Các hạt cấu tạo nên vật chất không đứng yên mà di chuyển liên tục. Chuyển động này được gọi là chuyển động nhiệt vì cường độ chuyển động này có liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ. Mặt khác giữa các hạt luôn tồn tại các lực tương tác như lực hấp dẫn, lực tĩnh điện, lực Van der Vaal. Tùy thuộc vào chuyển động nhiệt và lực tương tác này mà vật chất có thể tồn tại dưới một số dạng khác nhau.

Chất rắn

Các hạt cấu tạo nên chất rắn rất gần nhau, giữa chúng có lực tương tác khá lớn nên mỗi hạt chỉ có thể dao động quanh một vị trí cân bằng xác định. Vì thế vật thể rắn có hình dáng và kích thước xác định. Khi nhiệt độ tăng, chuyển động dao động này mạnh hơn, khoảng cách trung bình giữa các hạt tăng nên chất rắn dãn nở.

Hình 1 Chất rắn

Các hạt cấu tạo nên chất rắn có thể sắp xếp một cách trật tự, theo một quy luật nào đấy (Hình 1), để tạo thành trạng thái tinh thể. Đối với chất rắn loại này, một số tính chất cơ lý theo các phương khác nhau có thể không giống nhau. Tính chất này được gọi là bất đẳng hướng.

Các hạt của chất rắn cũng có thể sắp xếp một cách vô trật tự và ta có trạng thái vô định hình. Thường thì những chất rắn vô định hình có tính đẳng hướng.

Chất lỏng

Chất lỏng có thể được xem như dạng trung gian giữa trạng thái rắn và trạng thái khí. Trong chất lỏng, các hạt cũng vẫn còn ở khá gần nhau, lực tương tác giữa chúng vẫn còn mạnh, chưa cho phép chúng di chuyển tự do như ở chất khí. Tuy nhiên do chuyển động nhiệt mạnh hơn nên chúng có khả năng chuyển từ vị trí cân bằng này sang vị trí cân bằng kế cận một cách dễ dàng, các hạt có thể chuyển động tương đối với nhau (Hình 2). Vì thế thể tích chất lỏng không thay đổi nhưng hình dáng lại có thể thay đổi.

Hình 2 Chất lỏng

Chất khí

Trong chất khí, khoảng cách giữa các hạt là khá xa nhau, lực tương tác giảm đi rất nhiều. Mặt khác, chuyển động của các hạt mạnh hơn đáng kể. Vì thế các hạt có thể di chuyển dễ dàng theo mọi phương khác nhau (Hình 3). Do đó chất khí không có hình dáng và kích thước nhất định mà thay đổi theo vật chứa (nếu có).

Hình 3 Chất khí

Như vậy mức độ trật tự của các hạt tăng dần theo thứ tự sau:

chất khí - chất lỏng - chất rắn

Đồ thị `T-p` của các trạng thái

Một chất tinh khiết và đơn giản có thể tồn tại ở trạng thái rắn, lỏng, hay khí tùy thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Điều này được thể hiện trên đồ thị `T-p` (Hình 4).

pT CIII AI II

Hình 4 Đồ thị `T - p` của chất tinh khiết

Biểu đồ này gồm 3 đường, chia đồ thị làm 3 vùng, tương ứng với 3 thể (hay 3 pha): rắn (vùng I), lỏng (vùng II), khí (vùng III). 3 đường này đồng quy tại điểm A. Tại trạng thái này có thể tồn tại đồng thời cả ba pha rắn, lỏng và khí; nên điểm A còn được gọi là điểm ba.

Khi một chất chuyển từ pha này sang pha khác, nhiệt độ hay áp suất hoặc cả hai phải thay đổi. Quá trình chuyển pha luôn đi kèm với hiệu ứng nhiệt (thu nhiệt hay tỏa nhiệt). Khi chuyển sang pha có độ trật tự thấp hơn, quá trình chuyển pha thu nhiệt, và nếu chuyển sang pha có độ trật tự cao hơn, quá trình tỏa nhiệt. Lượng nhiệt do sự chuyển pha này được gọi là ẩn nhiệt.

Đường cong phân cách pha lỏng và pha khí kết thúc tại điểm C, còn được gọi là điểm tới hạn. Các trạng thái nằm bên ngoài điểm C được gọi là trạng thái siêu tới hạn. Mặc dù đã có một vài ứng dụng nhưng sự hiểu biết của chúng ta về trạng thái này vẫn còn khá hạn chế.