Olomuoto

Olomuoto on aineen tila, joka määrittää sen fysikaalista käyttäytymistä. Olomuodon muutoksiin vaikuttavat lämpötila ja paine.

Kolme perinteisesti tunnetuinta ja maapallolla tavallisimmin kohdattavaa olomuotoa ovat kiinteä, neste ja kaasu.

Arvioidaan, että maailmankaikkeuden yleisin olomuoto on plasma, jota esiintyy tähdissä ja tähtisumuissa niin runsaasti, että sitä saattaa olla jopa yli 99 prosenttia kaikesta aineesta. Maapallolla plasmaa esiintyy jonkin verran muun muassa salamoinnin yhteydessä. Plasman ominaisuudet eivät kuitenkaan täysin sovi perinteiseen olomuodon määritelmään.

Muita olomuotoja ovat, määritelmistä riippuen, muun muassa amorfinen aine, kvarkki-gluoniplasma, Bosen–Einsteinin kondensaatti, fermioninen kondensaatti, neutronium ja degeneroitunut aine.

Muuttuminen olomuodosta toiseen tapahtuu yleensä tarkoin määritetyssä sulamis- tai kiehumispisteessä. On kuitenkin olemassa aineita, joilla ei ole selkeää sulamispistettä. Amorfinen aine pehmenee vähitellen lasisiirtymäpisteen jälkeen, eikä sitä tällöin voi yksiselitteisesti määritellä kiinteäksi tai nestemäiseksi. Amorfisia aineita ovat muun muassa lasi ja jotkin muovit.

Eri olomuodot

Kuvassa lasi on kiinteää, juoma nestettä, ja niitä ympäröivä ilma kaasua.

Kiinteä aine

Pääartikkeli: Kiinteä olomuoto

Alhaisimmassa lämpötilassa ja paineessa pääosa aineista on kiinteitä. Tätä merkitään kemiallisissa kaavoissa kirjaimella s (solid). Tässä olomuodossa aine pitää muotonsa, jos sitä ei rasiteta millään voimalla (esimerkiksi leikkausvoima rikkoo muodon). Veden kiinteää olomuotoa kutsutaan triviaalinimellä jää. Sen tilavuus on poikkeuksellisesti suurempi kuin samalla ainemäärällä on nestemäisessä olotilassa. Tämä johtuu jään kidemäisestä rakenteesta, joka jättää paljon tyhjää tilaa vesimolekyylien väliin.

Nestemäinen aine

Pääartikkeli: Neste

Aineen saavutettua sulamispisteensä, kiinteä rakenne muuttuu ja molekyylit pääsevät liikkumaan vapaammin. Ne ovat kuitenkin vielä vahvasti toisiinsa sidoksissa ja vastustavat pinta-alan kasvamista, mikä aiheuttaa jokaiselle nesteelle ominaisen jännityksen (poikkeuksena supranesteet). Nestemäinen aine täyttää mahdollisimman suuren tilan astiassa tai tasolla. Kemiallisissa yhtälöissä kyseistä faasia merkitään kirjaimella l (liquid).

Eräät pitkät orgaaniset molekyylit ovat nestekiteitä. Näillä aineilla on nestemäisessä muodossa erikoinen rakenne hieman sulamispisteen yläpuolella. Aineet ovat viskoosin nesteen ja kiteisen aineen välimuotoja. Molekyylit asettuvat samansuuntaisesti ja kääntyilevät jännite-erojen mukaan. Tätä ominaisuutta hyödynnetään nestekidenäytöissä, joita on muun muassa kannettavissa tietokoneissa.

Kaasu

Pääartikkeli: Kaasu

Aineen ohitettua kiehumispisteensä, aine muuttuu kaasumaiseksi, jolloin sen molekyylien välillä ei enää ole juurikaan vuorovaikutusta. Hiukkaset (molekyylit tai atomit) voivat olla hyvinkin etäällä toisistaan ja ne täyttävät hetkessä tasaisesti esimerkiksi huoneen koko tilavuuden. Hiukkaset pääsevät liikkuman vapaasti ja törmäilevät rajapintoihin. Mitä enemmän törmäilyä tapahtuu, sitä suurempi on kaasun paine. Painetta voidaan kasvattaa pakottamalla sama määrä kaasua pienempään tilaan. Jos painetta nostetaan riittävästi tarpeeksi alhaisessa lämpötilassa saadaan kaikkein kevyimmätkin kaasut nestemäiseksi.

Plasma

Pääartikkeli: Plasma

Plasmaa

Plasma on aineen olomuoto, jossa atomit ovat menettäneet elektroneja eli ionisoituneet. Plasmaa syntyy korkean lämpötilan (vähintään 2000-8000 K) vaikutuksesta ja sähkökentässä kiihdytettyjen hiukkasten törmäillessä atomeihin irrottaen niistä elektroneja. Plasma koostuu positiivisista ioneista ja vapaista elektroneista.

Kvarkki-gluoniplasma

Pääartikkeli: Kvarkki-gluoniplasma

Erittäin suuren lämpötilan ja paineen vallitessa kvarkit ja gluonit voivat irtautua toisistaan, jolloin protonit, neutronit ja muut hadronit hajoavat ja lakkaavat olemasta. Näin syntyy kvarkki-gluoniplasmaa. Sitä ei maapallolla luonnonoloissa esiinny, mutta hiukkaskiihdyttimissä sitä kyetään tuottamaan mittauslaittein havaittavia määriä.

Bosen-Einsteinin kondensaatti

Bosen-Einsteinin kondensaatti on matalassa lämpötilassa esiintyvä aineen tila, jossa makroskooppisesti merkittävä osa hiukkasista miehittää alinta mahdollista energiatilaa. Bosen-Einsteinin kondensaatissa hiukkaset menettävät yksilöllisen luonteensa ja kondensaatti alkaa hiukkasten muodostamana makroskooppisena kokonaisuutena noudattaa kvanttimekaniikan lakeja. Normaalisti kvanttimekaniikan lainalaisuudet eivät tule esille makroskooppisilla hiukkasmäärillä. Bosen-Einsteinin kondensaatti voi muodostua vain hiukkasilla, jotka ovat bosoneja. Myös fermionit voivat muodostaa keskenään pariutumalla fermionikondensaatteja. Tämän olomuodon löytäjät palkittiin Nobelin palkinnolla 1995.

Fermioninen kondensaatti

Fermionisessa kondensaatissa aineen atomit pariutuvat ja käyttäytyvät keskenään yhdenmukaisesti. Tällainen tila saavutetaan hyvin alhaisessa lämpötilassa, magneettisen sekä optisen käsittelyn avulla. Käyttäytyminen parillisina on tuttua suprajohteista, joissa elektronit pariutuvat ja alkavat liikkua ilman vastusta. Tämä aineen olomuoto on myös Bose-Einstein kondensaatin tavoin löydetty Coloradon Boulder-yliopistossa

Aineen olomuodon muutokset

Olomuotojen väliset muutokset

• Härmistyminen tarkoittaa kaasun muuttumista suoraan kiinteäksi aineeksi.
• Höyrystyminen tai kiehuminen on nesteen muuttuminen kaasuksi.
• Jähmettyminen tarkoittaa nesteen muuttumista amorfiseksi kiinteäksi aineeksi. Kiteytyminen on nesteen muuttuminen kiinteäksi kiteiseksi aineeksi. Jäätyminen on yleisnimitys nesteen - erityisesti veden - muuttumiselle kiinteäksi jääksi.
• Sulaminen on kiinteän aineen muuttuminen nestemäiseksi.
• Sublimoituminen on kiinteän aineen muuttuminen suoraan kaasuksi.
• Tiivistyminen on kaasun muuttuminen nesteeksi.

Katso myös

• Faasi

Kirjallisuutta

• Karttunen, Hannu: Fysiikka. (Tiedettä kaikille. Ursan julkaisuja 89) Helsingissä: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, 2006. ISBN 952-5329-32-1

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Olomuoto Wikimedia Commonsissa

Aineen olomuodot

kiinteä • neste • kaasu • plasma

jähmettyminen ↔ sulaminen • höyrystyminen ↔ tiivistyminen • härmistyminen ↔ sublimoituminen

(Bosen–Einsteinin kondensaatti • fermioninen kondensaatti • supralasi • supraneste)