Chất rắn, lỏng và khí khác nhau thế nào?

Các sơ đồ thường vẽ hạt dưới dạng những chấm tròn chỉ là mô hình minh họa. Khoảng cách và kích thước hạt trên hình không nhất thiết đúng theo tỉ lệ thực tế, nhưng mô hình này giúp thấy rõ mức độ liên kết và khả năng chuyển động khác nhau giữa ba trạng thái.

Điểm khác biệt cốt lõi giữa ba trạng thái

Sự khác nhau cơ bản giữa chất rắn, chất lỏng và chất khí nằm ở hai yếu tố liên hệ chặt chẽ với nhau: các hạt ở gần nhau đến mức nào và chúng có thể thay đổi vị trí tự do đến đâu. Các hạt của cả ba trạng thái đều có chuyển động nhiệt; chất rắn không phải là trường hợp các hạt hoàn toàn đứng yên.

Ở cấp độ vi mô, trạng thái của chất phản ánh sự cạnh tranh giữa chuyển động nhiệt của các hạt và tương tác giữa chúng. Khi tương tác giữ các hạt quanh những vị trí ổn định, vật chất có tính chất của chất rắn; khi các hạt vẫn ở gần nhau nhưng đủ khả năng đổi chỗ, vật chất biểu hiện như chất lỏng; còn khi chúng có thể chuyển động trên khoảng cách lớn giữa các lần va chạm, trạng thái khí xuất hiện.

Chất rắn: hạt gần nhau và dao động tại chỗ

Trong chất rắn, các hạt nằm rất gần nhau và chịu lực tương tác khiến chúng có những vị trí cân bằng tương đối ổn định. Năng lượng nhiệt không làm chúng đứng yên mà khiến mỗi hạt dao động quanh vị trí cân bằng. Vì các hạt không dễ dàng di chuyển qua nhau nên quan hệ láng giềng giữa chúng được duy trì trong thời gian dài.

Cơ chế này giải thích vì sao chất rắn giữ được hình dạng. Muốn làm một phần chất rắn dịch chuyển đáng kể so với phần còn lại, phải làm biến dạng hoặc phá vỡ mạng tương tác đang giữ các hạt tại những vị trí tương đối ổn định.

Nói rằng “các hạt trong chất rắn xếp đều” chỉ đúng với một số trường hợp. Chất rắn tinh thể có trật tự tuần hoàn rõ rệt, trong khi chất rắn vô định hình không có trật tự dài hạn như vậy. Điểm chung quan trọng đối với câu hỏi về trạng thái vật chất là các hạt vẫn bị giới hạn quanh những vị trí tương đối ổn định thay vì tự do đổi chỗ như trong chất lỏng.

Khi nhiệt độ tăng, chuyển động dao động thường mạnh hơn. Nếu điều kiện thay đổi đủ để các hạt thoát khỏi sự ràng buộc giữ chúng tại những vị trí ổn định, chất rắn có thể chuyển sang trạng thái khác; vì vậy mức độ chuyển động của hạt luôn phải được hiểu trong mối liên hệ với nhiệt độ và loại chất.

Chất lỏng: hạt vẫn gần nhưng có thể đổi vị trí

Các hạt của chất lỏng không nằm cách xa nhau như trong khí. Chúng vẫn được sắp xếp khá sít và có tương tác đáng kể với các hạt lân cận, nhưng không bị khóa vào một vị trí cân bằng cố định trong thời gian dài.

Chuyển động nhiệt cho phép các hạt liên tục thay đổi láng giềng và dịch chuyển tương đối với nhau. Cách nói phổ thông rằng các hạt “trượt qua nhau” mô tả chính khả năng tái sắp xếp này. Vì vậy, một khối chất lỏng có thể thay đổi hình dạng để phù hợp với bình chứa mà vẫn duy trì mật độ tương đối cao.

Sự khuếch tán là một biểu hiện dễ quan sát của chuyển động đó. Chẳng hạn, một chất tan hoặc chất màu có thể dần phân bố trong nước ngay cả khi không khuấy liên tục, vì các phân tử luôn chuyển động và trao đổi vị trí ở cấp độ vi mô.

Tuy nhiên, không nên hình dung giữa các phân tử chất lỏng có những khoảng trống lớn giống chất khí. Khoảng cách giữa các hạt trong chất lỏng nhìn chung vẫn nhỏ, nên việc ép chúng lại gần hơn nhiều thường khó hơn đáng kể so với nén một chất khí.

Chất khí: hạt cách xa và chuyển động tự do hơn

Trong trạng thái khí thông thường, khoảng cách trung bình giữa các hạt lớn hơn nhiều so với trong chất rắn và chất lỏng. Các hạt không duy trì một nhóm láng giềng cố định mà liên tục di chuyển, va chạm với nhau rồi tiếp tục chuyển động theo những hướng khác.

Chuyển động này là nguyên nhân trực tiếp tạo ra áp suất khí. Khi các phân tử va vào thành bình, động lượng của chúng thay đổi và tạo lực lên thành; tổng hợp số lượng rất lớn các va chạm tạo nên áp suất có thể đo được ở cấp độ vĩ mô.

Tốc độ của từng phân tử không giống nhau và luôn thay đổi sau các va chạm. Để thấy quy mô của chuyển động, theo mô hình khí lý tưởng, ở khoảng 25°C, phân tử nitơ N₂ có tốc độ hiệu dụng căn quân phương vào khoảng 515 m/s. Con số này chỉ là một ví dụ: tốc độ đặc trưng của hạt khí còn phụ thuộc vào nhiệt độ và khối lượng phân tử, nên không có một tốc độ cố định áp dụng cho mọi chất khí.

Mô tả “các hạt khí cách rất xa và gần như chỉ tương tác khi va chạm” cũng là một mô hình gần đúng, đặc biệt phù hợp với khí loãng. Khi khí bị nén mạnh hoặc ở điều kiện gần ngưng tụ, khoảng cách giữa các hạt giảm và tương tác giữa chúng trở nên đáng kể hơn.

Cấu trúc hạt quyết định hình dạng, thể tích và khả năng nén

Những tính chất quen thuộc của ba trạng thái có thể suy ra trực tiếp từ mức độ tự do chuyển động và khoảng cách giữa các hạt. Chúng không phải những đặc điểm tách rời khỏi cấu trúc vi mô.

Ở chất rắn, các hạt giữ vị trí tương đối ổn định nên cả hình dạng lẫn thể tích thay đổi rất ít trong điều kiện thông thường. Khoảng cách giữa các hạt vốn đã nhỏ nên chất rắn cũng khó bị nén đáng kể.

Ở chất lỏng, các hạt có thể đổi vị trí nên chất lỏng không giữ hình dạng riêng mà nhận hình dạng của phần bình chứa nó. Tuy vậy, vì các hạt vẫn ở khá gần nhau, thể tích của chất lỏng chỉ thay đổi nhỏ khi áp suất thay đổi trong các điều kiện thông thường.

Ở chất khí, các hạt có khoảng cách lớn và chuyển động qua toàn bộ không gian có thể tiếp cận. Vì thế khí không có hình dạng hay thể tích cố định: nó lan ra để chiếm bình chứa và có thể bị nén đáng kể bằng cách giảm khoảng cách giữa các hạt.

“Chất rắn và chất lỏng không nén được” vì vậy nên được hiểu là một cách nói gần đúng. Chúng vẫn có thể bị nén, nhưng mức thay đổi thể tích thường nhỏ hơn nhiều so với chất khí dưới cùng kiểu biến đổi áp suất.

Có thể phân biệt ba trạng thái bằng một nguyên tắc ngắn gọn: chất rắn có các hạt gần nhau và chủ yếu dao động quanh vị trí ổn định; chất lỏng có các hạt vẫn gần nhưng có thể đổi vị trí; chất khí có các hạt cách xa và chuyển động tự do hơn giữa các lần va chạm. Chính mức độ ràng buộc và khoảng cách giữa các hạt tạo nên sự khác nhau về hình dạng, thể tích và khả năng nén mà ta quan sát được ở cấp độ vĩ mô.