Агрегáтний стан — термодинамічний стан речовини, сильно відмінний за своїми фізичними властивостями від інших станів цієї ж речовини. Зміна агрегатного стану може супроводжуватися стрибкоподібною зміною вільної енергії, ентропії, щільності та інших фізичних величин.

Класично виділяють чотири агрегатні стани: твердий, рідкий, газоподібний, плазмовий. У плазмовий стан переходять гази при підвищенні температури та фіксованому тиску. Відмінною рисою є відсутність різкої межі переходу до плазмового стану. Існують та інші агрегатні стани.

Визначення агрегатних станів який завжди є строгими. Так, існують аморфні тіла, що зберігають структуру рідини та мають невелику плинність і здатність зберігати форму; рідкі кристали текучи, але при цьому володіють деякими властивостями твердих тіл, зокрема, можуть поляризувати електромагнітне випромінювання, що проходить через них.

Для опису різних станів у фізиці використовується ширше поняття термодинамічної фази. Явища, що описують переходи від однієї фази до іншої, називають критичними явищами.

Основною термодинамічною (феноменологічною) ознакою відмінності видів агрегатного стану речовини є наявність енергетичної межі між фазами: теплота випаровування як межа між рідиною та її парою та теплота плавлення як межа між твердою речовиною та рідиною.Белоконь, Н. И. Основные принципы термодинамики, 1968. — С. 25.

Загальний опис

Макроскопічний фізичний стан, в якому перебуває речовина при певних умовах тиску та температури.

Переходи між агрегатними станами однієї й тієї ж речовини супроводжуються стрибкоподібними змінами вільної енергії, ентропії, густини і інших фізичних властивостей. Зазвичай, серед агрегатних станів виділяють: тверде тіло, рідину, газ та плазму. Відрізняються вони насамперед характером руху молекул та порядком симетрії. У випадку твердого стану розрізняють кристалічний та склоподібний. Кожний зі станів має свій ступінь впорядкованості, який визначається силами, що діють між частинками.

Термін «агрегатний стан» досить розмитий, що часто дуже огрублює властивості речовини. Так, майже всі речовини в твердому агрегатному стані можуть мати, залежно від тиску і температури, декілька різних термодинамічних фаз. Відмінність поняття агрегатного стану речовини від термодинамічної фази полягає у виділеному вище слові «сильно». Звичайно вимагається, щоб агрегатні стани «виглядали» сильно по-різному. Термодинамічні ж фази можуть відрізнятися «непомітними оку» величинами, як-от теплоємність, структура кристалічних ґраток тощо. Проте при акуратному міркуванні рекомендується говорити саме у термінах термодинамічних фаз.

Чотири класичні агрегатні стани

Тверде тіло

У твердотільному стані речовина зберігає як форму, так і об'єм. При низьких температурах майже всі речовини замерзають — перетворюються у тверді тіла. Тверді тіла поділяють на кристалічні й аморфні.

З мікроскопічного погляду тверді тіла характерні тим, що молекули або атоми в них впродовж довгого часу зберігають своє середнє положення незмінним, тільки здійснюючи коливання з невеликою амплітудою навколо них. У кристалах середні положення атомів чи молекул строго впорядковані. Кристалічні тіла зберігають не тільки ближній, а й дальній порядок. В аморфних тілах дальній порядок не зберігається, як і в рідинах.

Кристалічні тверді тіла мають анізотропні властивості, тобто їхній відгук на прикладені зовнішні сили залежить від орієнтації сил відносно кристалічних осей.

У твердотільному стані речовини можуть мати багато фаз, які відрізняються упорядкуванням атомів або іншими характеристиками, такими як упорядкування спінів у феромагнетиках.

Рідина

У рідкому стані речовина зберігає об'єм, але не тримає форму. Це означає, що рідина може займати тільки частину об'єму посудини, але вільно перетікати й проникати у всі її закутки. Рідина, на відміну від газу, має добре визначену поверхню. Для більшості речовин рідина — проміжний стан між газом і твердим тілом. Речовина переходить у рідкий стан із твердого в результаті процесу, який називається плавленням.

З мікроскопічної точки зору молекули рідини сильно взаємодіють між собою таким чином, що утворюють зв'язаний стан, тобто агрегуються. Потенціальна енергія їхнього притягання більша, ніж кінетична енергія теплового руху. Однак, на відміну від твердого тіла, молекули рідини достатньо рухливі, щоб часто змінювати своє положення. Рухаючись, молекули рідини в будь-який момент мають більш-менш упорядковане розташування, яке називають ближнім порядком, однак, цей порядок не строгий, і на далеких віддалях не зберігається.

Як і газ, рідини теж здебільшого ізотропні. Однак існують рідини з анізотропними властивостями — рідкі кристали. Крім ізотропної, так званої нормальної фази, ці речовини, мезогени, мають одну або кілька упорядкованих термодинамічних фаз, які називають мезофазами. Упорядкування у мезофазах відбувається завдяки особливій формі молекул рідких кристалів. Зазвичай це довгі вузькі молекули, яким вигідно укладатися так, щоб їхні осі збігалися.

Газ

Газоподібний стан характерний тим, що не зберігає ні форму, ні об'єм. Він заповнює весь доступний об'єм і проникає в будь-які його закутки. Це стан, властивий речовинам із малою густиною. Більшість речовин переходять у газоподібний стан з рідкого або твердого при підвищенні температури. Перехід із рідкого в газоподібний стан називають випаровуванням, а протилежний йому перехід із газоподібного стану в рідкий — конденсацією. Перехід із твердого стану в газоподібний, минаючи рідкий, називають сублімацією.

Деякі речовини не мають газоподібного стану. Це речовини зі складною хімічною будовою, які при підвищенні температури розпадаються внаслідок хімічних реакцій раніше, ніж стають газом.

З мікроскопічної точки зору газ — це стан речовини, в якому окремі її молекули взаємодіють слабо й рухаються хаотично. Взаємодія між ними зводиться до спорадичних зіткнень. Кінетична енергія молекул перевищує потенціальну.

Газу властива ізотропія, тобто незалежність характеристик від напрямку. Здебільшого, у звичних для людини земних умовах, газ має однакову густину в будь-якій точці, однак це не є універсальним законом. В зовнішніх полях, наприклад у полі тяжіння Землі, або в умовах різних температур густина газу може мінятися від точки до точки.

Не існує різних газоподібних термодинамічних фаз однієї речовини.

При температурах нижче критичної температури газ також називають парою і його можна зріджувати лише шляхом стиснення без охолодження. Пара може існувати в рівновазі з рідиною (або твердим тілом), і в цьому випадку тиск газу дорівнює тиску пари рідини (або твердого тіла).

Надкритична рідина (НКФ) – це газ, температура і тиск якого перевищують критичну температуру і критичний тиск відповідно. У цьому стані зникає різниця між рідиною і газом. Надкритична рідина має фізичні властивості газу, але її висока щільність у деяких випадках надає їй властивостей розчинника, що відкриває корисні можливості застосування. Наприклад, надкритичний вуглекислий газ використовується для екстракції кофеїну у виробництві кави без кофеїну.

Плазма

Плазма у фізиці — стан речовини, в якому її атоми іонізовані, тобто електрони відірвані від ядер. Завдяки цьому речовина стає не тільки електропровідною, але й надзвичайно чутливою до електромагнітних полів. Плазму називають четвертим агрегатним станом речовини.

Плазма — високоіонізоване квазінейтральне суцільне середовище. На відміну від газу або рідини, в плазмі відбувається далекосяжна кулонівська взаємодія між частинками, що і визначає її різноманітні властивості. Плазмові об'єкти у природі — зорі, планетарні туманності, верхні шари атмосфери — йоносфера. Штучно плазма створюється у тліючому газовому розряді, газорозрядних лампах, мас-спектрометрах, при термоядерному синтезі, при роботі йонних двигунів, генераторів і т. д. Зокрема, плазму застосовують у термоелектронних і магнітоплазмодинамічних (МПД) генераторах — перетворювачах тепла безпосередньо в електричну енергію (минаючи перетворення в механічну).

Плазма — найпоширеніший у Всесвіті агрегатний стан речовини. У цьому стані знаходиться речовина зірок і речовина, що наповнює міжпланетний, міжзоряний та міжгалактичний простір. Більшість баріонної речовини (за масою близько 99,9 %) у Всесвіті перебуває у стані плазми.

Фазові переходи

Часто речовина при зміні температури та тиску переходить з одного агрегатного стану в інший різко, при деяких критичних значеннях цих параметрів. Таке перетворення називається фазовим переходом. Багато фазових переходів мають власні назви:

Фазові переходи поділяються на фазові переходи першого роду, при яких стрибкоподібно міняються перші похідні термодинамічних потенціалів по температурі та тиску, і фазові переходи другого роду, при якому різко міняються лише другі похідні. Переходи між агрегатними станами є фазовими переходами першого роду.

Низькотемпературні стани

Конденсат Бозе — Ейнштейна

При глибокому охолоджуванні, гази деяких (далеко не усіх) речовин переходять в стан конденсату Бозе — Ейнштейна. Деякі інші речовини при низьких температурах переходять в надпровідний або надтекучий стан. Будучи, безумовно, окремими термодинамічними фазами, ці стани навряд чи слід називати новими агрегатними станами речовини через їх неуніверсальність.

Ферміонний конденсат Частинки з напівцілим спіном, тобто такі, що підкоряються статистиці Фермі, не можуть конденсуватися, так само як частинки з цілим спіном. Проте, при достатньому охолодженні, такі частинки утворюють скорельовані пари, і ці пари починають поводити себе як частинки, що мають цілий спін. Це явище подібне до утворення куперівських пар, що є відповідальними за явище надпровідності. Ферміонну конденсацію було відкрито у 2004 у лабораторіях NASA.A New Form of Matter: II

Надплинне тверде тіло Надплинне тверде тіло — стан речовини, що має ознаки одночасно твердого тіла і надплинної рідини. Однією з особливостей цього стану є переміщення дефектів у кристалі без тертя. Для створення таких систем атоми охолодженого газу розміщують у максимумах стоячої хвилі, що рухається між двома дзеркалами. Цей стан був передбачений ще у 1969, проте надійно зафіксований — лише у 2017.

Вироджений газ

Стан, у який переходять гази при сильному охолодженні або високому тиску. За таких умов принцип Паулі починає сильно впливати на здатність газу до стискання та інші його фізичні характеристики. Залежно від спіна, відрізняють вироджений фермі-газ і вироджений бозе-газ, властивості яких сильно відрізняються. Зазвичай, у такому стані перебувають сукупності окремих частинок, тобто, говорять про вироджений електронний газ, вироджений нейтронний газ тощо.вырождения температура

Стан при великому тиску

Нейтронний стан

Принципово відмінний від інших стан речовини, яка складається тільки з нейтронів. У нейтронний стан речовина переходить при надвисокому тиску, недосяжному поки в лабораторії, але який існує всередині нейтронних зір. При переході в нейтронний стан електрони речовини об'єднуються з протонами і перетворюються на нейтрони. Для цього необхідно, щоб сили гравітації стиснули речовину настільки, щоб подолати відштовхування електронів, зумовлене принципом Паулі. В результаті, в нейтронному стані речовина повністю складається з нейтронів і має густину порядку ядерної. Температура речовини при цьому не повинна бути дуже високою (в енергетичному еквіваленті не більше від 100 МеВ).

Високоенергетичні стани

Глазма