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.

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 (téměř) nejdou stlačit. Kapalinu je nutno uchovávat v nádobách, protože nedokáže udržet svůj tvar – rozlévá se. Kapaliny společně s plyny se také označují jako tekutiny.

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 poněkud zvláštní skupenství, protože chemie již nedokáže popsat chování látek v něm. Z fyzikálního hlediska ale není jedno, zda jde třeba o plazma vodíkové nebo heliové. Podstatným kritériem, podle kterého lze 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. Druhy plazmatu:
- Běžné plazma: Některé elektrony (zejména ty valenční) mají dostatečnou energii, aby se uvolnily z elektronového obalu
- Termonukleární plazma: atomární obaly většinou neexistují, látka je směsicí holých jader a volných elektronů. V tomto stavu je plazma v jádrech hvězd, kde probíhá termojaderná syntéza.
- Nukleonové plazma: vysokou teplotou nebo tlakem jsou rozrušena sama jádra atomů. Látka je směsicí elektronů, protonů a neutronů. Nukleonové plazma se ve vesmíru objevilo přibližně v čase 10 mikrosekund po vzniku vesmíru, kdy se z kvarků tvořily první protony a neutrony. Nachází se také ve vnějších obalech explodující supernovy, kde jeho vznik vyvolá stlačení plynů rázovou vlnou. V obálce krátkodobě probíhají překotné termonukleární reakce vedoucí ke vzniku těžkých prvků.
- Kvarkové-gluonové plazma

Kvarkgluonovým 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.

Bose-Einsteinův kondenzát je látka tvořená bosony při teplotě blížící se absolutní nule (0 kelvinů neboli −273,15 °C). Za takovýchto podmínek má velká část atomů minimální kvantovou energii. Kvantový efekt je pozorovatelný na makromolekulární úrovni. Příkladem Boseho-Einsteinovy kondenzace je extrémně zchlazený oblak atomů s celočíselným spinem, kdy všechny atomy přejdou do stejného kvantového stavu a vykazují makroskopicky pozorovatelné kvantové chování.

Supratekutost – Supratekutá látka nebo též supratekutina (z lat. supra = nad) je kapalina s nulovou viskozitou. Tato vlastnost se nazývá supratekutost. Donedávna byla pozorovaná jen u helia při teplotách blízkých absolutní nule.

Fermiho plyn, Degenerovaný Fermiho plyn nebo též Fermiho atomární plyn je stav fermionů, kdy při absolutní nule fermiony obsazují energetické hladiny od nejnižší tak, aby v žádném stavu nebyl víc než jeden. Na jedné energetické hladině se může vyskytovat více částic, pokud se liší dalším kvantovým číslem. Poslední obsazené energetické hladině se říká Fermiho energie (E_F).

Atomy zchlazené na absolutní nulu se nazývají Fermionický kondenzát. Částice v tomto stavu ztratí veškerou energii. Látka v tomto skupenství přenáší energii téměř beze ztrát.

Při vysokých hustotách látky jsou všechny energetické hladiny elektronů obsazeny až do určité maximální energie, které odpovídá určitá maximální hybnost; tomuto stavu se říká degenerace, jedná se o degenerovaný elektronový plyn. Každý další elektron musí zaujmou novou vyšší energetickou hladinu a mít tím i vyšší hybnost. Toto skupenství hmoty je pozorovatelné v bílých trpaslících.

Degenerovaný neutronový plyn vzniká při obrovských hustotách, kdy jsou elektrony „vmáčknuty“ gravitací do jádra, kde se společně s protony přemění na neutrony. Látky v tomto skupenství se vyskytuje na povrchu neutronových hvězd.

Přechody mezi skupenstvími

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.

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.

Pevná látka – plyn

Pokud částici na mikroskopické 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.

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. (Plazma je vysoce ionizovaný plyn při samostatném výboji.)

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 by měl přinést urychlovač částic LHC (Large Hadron Collider) v CERNu se soustavou detektorů pro projekt ALICE (A Large Ion Collider Experiment) dokončenou roku 2008.

Související články

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu skupenství na Wikimedia Commons
Slovníkové heslo skupenství ve Wikislovníku