Stările de agregare sunt formele în care se poate afla o substanță, în funcție de cât de apropiate sunt particulele ei și cât de liber se mișcă. Cele patru mai cunoscute sunt solidul, lichidul, gazul și plasma. Apa este exemplul preferat, pentru că o întâlnim în primele trei în fiecare zi: gheață, apă și vapori.
Ce diferă între aceste stări nu sunt substanțele în sine, ci aranjamentul și agitația particulelor. Același tip de moleculă de apă poate sta în cristalul rigid al unui fulg de zăpadă sau poate zbura liber într-un nor de vapori. Mai jos vezi cum arată fiecare stare și ce se întâmplă când o substanță trece de la una la alta.
Cum se deosebesc solidul, lichidul și gazul?
Într-un solid, particulele sunt apropiate și aproape fixe, într-un lichid sunt apropiate dar pot curge, iar într-un gaz sunt depărtate și se mișcă liber. Diferența apare din echilibrul dintre atracția dintre particule și agitația lor termică.
| Stare | Formă | Volum | Particulele |
|---|---|---|---|
| solid | proprie | propriu | aranjate strâns, vibrează pe loc |
| lichid | a vasului | propriu | strânse, dar alunecă una pe lângă alta |
| gaz | a vasului | ocupă tot spațiul | depărtate, în mișcare liberă |
Un solid precum o bucată de fier își păstrează forma pentru că particulele sunt legate puternic între ele. Un lichid, ca apa din pahar, curge și se întinde la fundul vasului, dar nu poate fi comprimat ușor. Un gaz, cum este aerul dintr-un balon, se întinde în tot volumul pe care îl are la dispoziție și se lasă comprimat, fapt folosit la butelii și la pompele de bicicletă.
Solidele pot fi cristaline, cu aranjament regulat, ca sarea sau diamantul, sau amorfe, fără ordine pe distanțe mari, ca sticla.
Ce este plasma, a patra stare?
Plasma este un gaz atât de fierbinte sau atât de puternic excitat încât atomii își pierd electronii, rezultând un amestec de ioni și electroni liberi. Nu e o stare rară în Univers: aproape toată materia vizibilă din stele este plasmă.
Pe Pământ o vezi în fulger, în aurora boreală, în tuburile de neon și în flacăra unui arc electric. Soarele, pe care îl descrie articolul despre viața stelelor, este o sferă uriașă de plasmă. Fiind formată din particule încărcate electric, plasma conduce curentul și reacționează la câmpuri magnetice, ceea ce o face diferită de gazul obișnuit.
Câteva exemple din casă sau din oraș:
- ecranul unor televizoare mai vechi, cu celule de plasmă;
- lămpile fluorescente și tuburile luminoase de reclamă;
- sudura cu arc electric.
Cum trece o substanță de la o stare la alta?
Trecerile de stare apar când se adaugă sau se scoate energie termică ori când se schimbă presiunea. Cele șase tranziții uzuale au nume proprii: topire, solidificare, vaporizare, condensare, sublimare și desublimare.
- Topirea: solid în lichid, de exemplu gheața care se transformă în apă.
- Solidificarea: lichid în solid, apa care îngheață.
- Vaporizarea: lichid în gaz, prin evaporare sau fierbere.
- Condensarea: gaz în lichid, aburul care lasă picături pe geam.
- Sublimarea: solid direct în gaz, ca naftalina sau gheața carbonică.
- Desublimarea: gaz direct în solid, ca bruma de dimineață.
În timpul unei schimbări de stare la presiune constantă, temperatura rămâne aceeași chiar dacă încălzești în continuare. Energia primită nu mai încălzește, ci rupe legăturile dintre particule. Se numește căldură latentă și explică de ce o oală cu apă care fierbe nu devine mai fierbinte decât o sută de grade la nivelul mării, oricât de tare ai da focul. Energia ei se conservă în toate aceste procese, așa cum arată articolul despre energie. Pentru modul în care se transferă energia termică pe care o aduci, citește și articolul despre căldură și temperatură.
Ce este diferența dintre evaporare și fierbere?
Evaporarea are loc doar la suprafața lichidului, la orice temperatură, iar fierberea are loc în toată masa lichidului, la o temperatură precisă, numită punct de fierbere. Rufele se usucă prin evaporare, nu prin fierbere.
La evaporare, câteva molecule de la suprafață au energie suficientă să părăsească lichidul. Procesul le scoate din lichid tocmai pe cele mai energice, de aceea lichidul rămas se răcește; transpirația răcorește corpul pe același principiu. La fierbere, vaporii se formează în tot lichidul, iar bulele urcă la suprafață.
Punctul de fierbere depinde de presiune. Pe munte, unde presiunea atmosferică este mai mică, apa fierbe la o temperatură ceva mai joasă și alimentele se gătesc mai lent. Oala sub presiune funcționează invers: crește presiunea, deci apa fierbe la peste o sută de grade și gătitul merge mai repede.
De ce nu se comportă toate substanțele la fel?
Fiecare substanță are propriile puncte de topire și de fierbere, pentru că legăturile dintre particulele ei au intensități diferite. Mercurul este lichid la temperatura camerei, în timp ce fierul trebuie încălzit la temperaturi foarte mari ca să se topească.
În materialele cu legături puternice, ca metalele sau cristalele ionice, topirea cere multă energie. În cele cu legături slabe, ca multe substanțe organice, topirea și fierberea apar la temperaturi mai joase. Apa are un comportament mai deosebit: își dilată volumul la îngheț, de aceea gheața plutește, aspect pe care îl poți urmări în articolul despre principiul lui Arhimede.
Sfat: ca să vezi condensarea, scoate un pahar rece din frigider într-o zi călduroasă. Vaporii de apă din aer se răcesc la contactul cu sticla și se transformă în picături.
Există și alte stări ale materiei?
Da, fizicienii descriu și stări exotice, precum condensatul Bose-Einstein, obținut în laborator la temperaturi apropiate de zero absolut, sau materia din interiorul stelelor neutronice. Ele apar în condiții extreme, greu de reprodus în viața de zi cu zi.
Pentru majoritatea situațiilor practice, patru stări sunt suficiente. Pentru o vedere de ansamblu a legilor naturii care stau în spatele lor, merită parcursă și prezentarea generală a fizicii.
Întrebări frecvente
Care este diferența dintre gaz și vapori?
În limbajul obișnuit se folosesc adesea ca sinonime, dar în fizică „vapori” desemnează gazul unei substanțe care la temperatura camerei este de obicei lichidă sau solidă, precum apa. Vaporii pot fi lichefiați prin simpla comprimare.
De ce nu se încălzește apa peste punctul de fierbere?
La fierbere, energia primită este folosită pentru a transforma lichidul în vapori, nu pentru a crește temperatura. Temperatura crește doar dacă vaporii sunt închiși, deci presiunea urcă.
Sticla este lichid sau solid?
Este un solid amorf, cu particule dezordonate. Ideea că ar curge în timp la temperatura camerei, vizibilă la geamuri vechi, este un mit; grosimea inegală vine din felul în care se fabricau geamurile.
Aerul este tot gaz?
Da, aerul este un amestec de gaze, în principal azot și oxigen. Este descris mai detaliat în articolul despre straturile atmosferei.
Poate o substanță să fie în două stări în același timp?
Da, dacă ai gheață și apă la zero grade, cele două stări coexistă în echilibru. La fel se întâmplă cu apa care fierbe, unde lichidul și vaporii sunt prezenți deodată.
