Přeskočit na obsah

Skupenství

Z Infopedia
Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox Skupenství

Skupenství je makroskopický stav látky, který je určen uspořádáním a pohybem jejích částic (atomů, molekul nebo iontů) a silami působícími mezi nimi. Základní, nejběžnější skupenství, která se přirozeně vyskytují na Zemi, jsou pevné, kapalné a plynné. S rostoucí teplotou a energií přechází látka do dalších skupenství, z nichž nejrozšířenější ve vesmíru je plazma. Kromě těchto klasických existují i exotická skupenství, která se objevují za extrémních podmínek, jako jsou velmi nízké teploty nebo vysoké tlaky. Fyzikové a chemici neustále zkoumají nová skupenství a jejich vlastnosti, přičemž v roce 2025 pokračuje výzkum například v oblasti kvantových kapalin a supravodičů.

🧪 Definice a základní charakteristiky

Skupenství je makroskopická forma existence látky, která je definována především jejím objemem a tvarem, stejně jako chováním jejích částic. Tyto vlastnosti jsou ovlivněny teplotou, tlakem a mezimolekulárními silami. Každé skupenství má charakteristickou kinetickou energii částic a jejich uspořádání. Přechody mezi skupenstvími se nazývají fázové přechody a vyžadují dodání nebo odebrání energie.

💎 Pevné skupenství

V pevném skupenství jsou částice (atomy, molekuly nebo ionty) vázány silnými mezimolekulárními silami a tvoří stabilní krystalovou mřížku nebo jsou uspořádány amorfně. Částice pevné látky kmitají kolem svých rovnovážných poloh, ale nemohou se volně pohybovat. Díky tomu si pevné látky udržují stálý tvar i objem. Pevné látky jsou většinou nestlačitelné. Příkladem je led, železo nebo diamant.

  • Krystalické látky: Mají pravidelné, opakující se uspořádání částic v prostoru, tvořící krystalovou mřížku. Příkladem je kuchyňská sůl (chlorid sodný) nebo křemen.
  • Amorfní látky: Nemají pravidelné uspořádání částic, jsou "neúplně" uspořádané. Příkladem je sklo, plast nebo guma.

💧 Kapalné skupenství

V kapalném skupenství jsou mezimolekulární síly slabší než v pevných látkách, což umožňuje částicím volnější pohyb. Kapaliny si udržují stálý objem, ale nemají stálý tvar – přizpůsobují se tvaru nádoby, ve které se nacházejí. Jsou téměř nestlačitelné. Mezi charakteristické vlastnosti kapalin patří viskozita (odpor proti proudění) a povrchové napětí. Příkladem je voda, olej nebo rtuť.

💨 Plynné skupenství

V plynném skupenství jsou mezimolekulární síly velmi slabé nebo zanedbatelné. Částice se pohybují zcela volně a náhodně, vyplňují celý dostupný objem. Plynné látky nemají stálý tvar ani objem a jsou snadno stlačitelné. Jejich chování je popsáno stavovými rovnicemi, jako je rovnice ideálního plynu. Příkladem je vzduch, kyslík nebo helium.

🔥 Plazma

Plazma je čtvrté a nejběžnější skupenství látky ve vesmíru, tvořící více než 99 % viditelné hmoty. Jedná se o ionizovaný plyn, ve kterém jsou atomy nebo molekuly zbaveny některých elektronů, čímž vznikají volné elektrony a ionty. Plazma je elektricky vodivé a reaguje na magnetická pole. Přirozeně se vyskytuje ve hvězdách (včetně našeho Slunce), v mezihvězdném prostoru, v polárních zářích a při blescích. Uměle se využívá v plazmových televizorech, termonukleární fúzi a plazmových řezačkách.

🔬 Exotická skupenství

Kromě čtyř základních skupenství existuje řada dalších, tzv. exotických skupenství, která se objevují za specifických, často extrémních podmínek.

Bose-Einsteinův kondenzát

Bose-Einsteinův kondenzát (BEC) je stav látky, který vzniká, když jsou bosony ochlazeny na teploty velmi blízké absolutní nule (asi nanokelviny). Za těchto podmínek se velká část atomů dostane do nejnižšího kvantového stavu a začnou se chovat jako jedna kvantová entita, projevující kvantové jevy na makroskopické úrovni. Poprvé byl experimentálně pozorován v roce 1995. V roce 2025 se nadále zkoumá jeho potenciální využití v kvantových počítačích a pro přesná měření.

Fermiho kondenzát

Fermiho kondenzát je podobný Bose-Einsteinovu kondenzátu, ale je tvořen fermiony. Fermiony, na rozdíl od bosonů, nemohou obsadit stejný kvantový stav. Fermiho kondenzát vzniká při velmi nízkých teplotách, kdy fermiony tvoří páry, které se pak chovají jako bosony a mohou kondenzovat. Byl poprvé vytvořen v roce 2003.

Kvark-gluonové plazma

Kvark-gluonové plazma (QGP) je stav látky, který existoval jen zlomek sekundy po Velkém třesku. Jedná se o extrémně horkou a hustou formu plazmatu, ve které kvarky a gluony (elementární částice, které tvoří protony a neutrony) nejsou vázány uvnitř hadronů, ale pohybují se volně. Vědci jej krátkodobě vytvářejí v urychlovačích částic, jako je Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu.

Neutronová degenerovaná hmota

Toto skupenství se nachází uvnitř neutronových hvězd. Pod extrémním gravitačním tlakem se elektrony a protony stlačí a spojí do neutronů, které pak tvoří extrémně hustou, degenerovanou hmotu. Je to jedno z nejhustších známých skupenství látky.

🔄 Fázové přechody

Fázové přechody jsou fyzikální procesy, při kterých dochází ke změně skupenství látky v důsledku změny teploty, tlaku nebo obou. Během fázového přechodu se mění uspořádání a energie částic.

Tání a tuhnutí

Vypařování a kondenzace

Sublimace a desublimace

Ionizace a rekombinace

📈 Fázové diagramy

Fázový diagram je grafické znázornění závislosti skupenství látky na teplotě a tlaku. Diagram ukazuje oblasti, ve kterých je látka stabilní v určitém skupenství, a křivky, které představují podmínky pro fázové přechody. Důležité body na fázovém diagramu jsou:

🤷 Pro laiky

Představte si látku jako skupinku tančících lidí.

  • Když jsou lidé v pevném skupenství, drží se za ruce a jen se mírně pohupují na místě. Mají pevné pozice a celý dav drží pohromadě. Takto se chovají třeba kostka ledu nebo kámen.
  • V kapalném skupenství se lidé stále drží poblíž, ale už se pustili rukou a mohou se volně proplétat mezi sebou. Nemají pevné místo, ale drží se v určitém prostoru. Takto teče voda nebo džus.
  • V plynném skupenství už se lidé úplně rozeběhli po celé místnosti, narážejí do sebe a do stěn. Jsou od sebe daleko a zabírají veškerý dostupný prostor. To je jako vzduch nebo páry z vařící vody.
  • Plazma je jako diskotéka, kde je tolik energie, že se lidé nejen rozeběhli, ale někteří z nich se dokonce "rozpadli" na menší části (jako když z atomu odlétne elektron). Je tam spousta volné energie a všechno svítí – jako ve Slunci nebo při blesku.

Změna skupenství je jako změna hudby na diskotéce. Když se zpomalí, lidé se začnou držet za ruce (tuhnutí). Když se zrychlí, pustí se a začnou se proplétat (tání). Když se hudba utrhne ze řetězu, rozeběhnou se po celé místnosti (vypařování), a když se přidá ještě víc energie, začnou se rozpadat na menší části (ionizace do plazmatu).

📚 Historie a vývoj poznání

Pojem skupenství látky je součástí lidského poznání od starověku. Již starověcí Řekové, například Aristoteles, uvažovali o základních elementech jako oheň, voda, vzduch a země, které lze volně interpretovat jako rané koncepty skupenství. S rozvojem alchymie a později chemie v novověku se začalo detailněji studovat chování látek při různých teplotách a tlacích. Významný pokrok nastal v 17. a 18. století s pracemi Roberta Boylea a Jacquese Charlese, kteří formulovali zákony popisující chování plynů. V 19. století se s rozvojem termodynamiky a kinetické teorie plynů prohloubilo pochopení mikroskopických procesů vedoucích ke změnám skupenství. Objev plazmatu Williamem Crookesem v roce 1879 a následný výzkum Irvinga Langmuira ve 20. století rozšířil klasické chápání na čtvrté skupenství. Ve 20. a 21. století přinesl rozvoj kvantové mechaniky objevy a teoretické předpovědi pro exotická skupenství, jako jsou Bose-Einsteinův kondenzát a Fermiho kondenzát, které byly experimentálně potvrzeny v posledních dekádách. Současný výzkum (k roku 2025) se zaměřuje na materiály s neobvyklými kvantovými vlastnostmi, superkritické tekutiny a chování látek v extrémních podmínkách vesmíru a urychlovačů částic.

Citováno z „https://infopedia.cz/index.php?title=Skupenství&oldid=13668“