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相態也就是物質的狀態(或簡稱相,也叫物態)指一個宏觀物理系統所具有的一組狀態。一個態中的物質擁有單純的化學組成和物理特性(如密度、晶體結構、折射率等)。最常見的物質狀態有固態、液態和氣態。少見一些的物質狀態包括等離子態、夸克—膠子等離子態、玻色—愛因斯坦凝聚態、費米子凝聚態、酯膜結構、奇異物質、液晶、超液體、超固體、和磁性物質中的順磁性、逆磁性等等。
相態列表是關於各種常見和不常見的相態(物態,相)的列表:
固態(Solid):具有一定形狀和體積。
液態(Liquid):可變形但不可壓縮的流體。性狀由容器限定,在壓力影響下,體積(幾乎)不變。
氣態(Gas):可壓縮流體。形狀和體積都由容器限定。
等離子態(電漿)(Plasma):在高溫下,電子完全從原子中電離出來,所組成的自由電子氣體。
超流態(Superfluid):極少數流體,比如液氦,在極低溫下會形成一種完全無摩擦的流體。
超固態(Supersolid):同超流態相似,超固態可以(在保持形狀的情況下)完全無摩擦運動。
電子簡並態(Electronic degenerate matter):白矮星的組成物質,密度很大。電離的電子在被電離的離子能態上形成的簡並態物質。
中子態(Neutronium):中子星的組成物質。恆星引力坍縮的巨大壓力將電子壓入原子核,與質子結合為中子,形成主要由中子組成的密度極大的物質。
玻色-愛因斯坦凝聚態(Bose-Einstein condensate):有大量玻色子佔據同一量子態形成。
費米子凝聚態(Fermionic condensate):和玻色-愛因斯坦凝聚態相似,但由費米子組成。根據泡利不相容原理,不同費米子部能佔據同一量子態,但費米子可以配對成為具有玻色子性質的合成「粒子」,從而佔據同一量子態。
夸克-膠子等離子態(Quark-gluon plasma):一種理論上預言的,自由夸克存在於膠子海洋中的物質狀態。
強對稱物質(Strongly symmetric matter)
弱對稱物質(Weakly symmetric matter)
奇異物質(Strange matter,Quark matter)
酯膜結構
定義
對自由能的分析
雖然相態的概念從表面上來看非常簡單,但要對它作一個精確的定義卻很困難。一個比較好的定義是一個相態是一個在其範圍內其熱力學參數的自由能在參數空間中的函數是解析的。這個定義實際上就是說,假如兩個系統是同一個相態的話,那麼在從一個系統轉換到另一個系統的時候它們的熱力學參數不會突然改變。
熱力學中的參數如熵、熱容量、壓縮度等都可以被表示為自由能和它的導數。比如熵是自由能對溫度的導數。只要自由能是解析的,那麼熱力學的其它參數也是連續的。
假如一個系統從一個相態演變為另一個相態,那麼在這個過程中總會有一個階段里自由能是不解析的。這個過程被稱為相變。最常見的相變有溶化(從固態到液態)、凍結(從液態到固態)、沸騰(從液態到氣態)和凝結(從氣態到液態)。由於自由能在這個過程中是不解析的,因此在這個過程的兩邊它是兩個完全不同的函數。兩個相態中熱力學的參數也完全不同。最顯著的是熱容量,在相變過程中熱容量可以達到無窮大,從一個值跳到另一個值。
相關的熱力學參數
實際上每個相態與另一個相態之間總有一些相關的熱力學參數非常不同。比如固體比液體要堅固得多,固體不象液體或氣體那樣,它可以保持它的形狀。而液體則比氣體的壓縮性小得多。在一個大的容器中,氣體可以充滿整個容器,而液體則只佔據一小部分。固體、液體和氣體之間也有許多相同的熱力學特性,比如它們的磁特性。但一個物質的鐵磁態和順磁態之間最大的區別就是它們的磁特性了。
另一個例子是同素異形體,許多物質在固態中可以有不同的晶體結構而具有非常不同的特性。鑽石和石墨就是碳的同素異形體。從熱力學的角度出發它們屬於不同的相態。