Aine olekud

Kõik meid ümbritsevad kehad koosnevad ainetest või nende segudest. Ained omakorda koosnevad molekulidest või aatomitest. Nii molekulid kui aatomid on imepisikesed, mistõttu pole inimestel võimalik neid oma meeleorganitega tajuda.

Ained võivad looduses eksisteerida kolmes olekus – tahkes, vedelas ja gaasilises. Füüsikas nimetatakse erinevaid aine olekuid faasideks.

Tahke (jää)

Vedel (vesi)

Gaas (aur)

Faasideks nimetatakse ka ühe ja sama aine erinevaid kristallstruktuure (nt. grafiit, teemant või tina ja „tinakatk“).

Üleminekuid ühest faasist teise nimetatakse faasisiireteks.

Sageli nimetatakse neljanda aine olekuna ka plasmat, mis on täielikult ioniseeritud gaas. Kuna selles osas vaatleme aine siseehitusega seonduvat peamiselt soojusliikumise, mitte elektromagnetismi seisukohtadelt, siis jätame siinkohal plasmaga seonduva vaatluse alt välja.

Pole vahet millise aineolekuga on tegemist – aineosakesed on kõikides olekutes ühed ja samad, muutub vaid osakeste:

• vastastikune asend (kaugus, korrapära),
• vahelise vastastikmõju tugevus ning
• liikuvus.

Tahke

Molekulid mõjutavad tahkes kehas ehk tahkises üksteist tõmbe– ja tõukejõududega. Deformeerimata kehas on need jõud omavahel tasakaalus. Tõmbejõud muutuvad osakeste vahel valdavaks kui eemaldada molekule teineteisest, tõukejõud aga siis kui osakesi teineteisele lähendada.

Tahkes aines paiknevad molekulid kristallvõre sõlmedes korrapäraselt, nad asuvad üksteisega üsna lähestikku. Kuna nendevaheline vastastikmõju on tugev, siis ei saa molekulid eriti liikuda, vaid ainult võnguvad mingi kindla tasakaaluasendi ümber.

Tänu eelpooltoodule on tahkel kehal alati kindel kuju ja kindel ruumala.

Oluliseks tahkiseid iseloomustavaks omaduseks on nende isotroopsus või selle puudumine – anisotroopsus.

Tahkised ja anisotroopsed ained kannavad tänu nende omadusele olla kindla kujuga ühist nimetust kondensaine.

Isotroopsuseks nimetatakse füüsikalise keha või mõne muu objekti (ka ruumi) teatud omaduste sõltumatus suunast. Kui osakesed asetsevad kristallvõre sõlmedes korrapäraselt, siis taolise ainetüki omadused on erinevates suundades reeglina erinevad – tegemist on anisotroopse kehaga.

Kristallilised kehad jagunevad monokristallilisteks (ülemisel joonisel keedusoola kristall – NaCl) – sellisteks kristallideks, milles esineb perioodiliselt korduv struktuur ning polükristallilisteks (alumisel joonisel jääkristall) – sellisteks, kus kristalli moodustavad üksteise suhtes kaootiliselt kokku kasvanud kristallid ehk kristalliidid (joonisel erivärvilised).

Monokristallid on tervikuna anisotroopsed, polükristallid on küll ühe kristalliidi ulatuses anisotroopne, kuid keha tervikuna on isotroopne.

Selliseid tahketele kehadele sarnanevaid kehi, milles kristallstruktuur puudub ning osakesed paiknevad korrapäratult ning nad on seetõttu isotroopsed nimetatakse amorfseteks kehadeks. Amorfsete kehade puhul võime rääkida kui tardunud (väga väikese voolavusega) vedelikust.

Vedel

Vedelikus molekulide asetuse korrapärasus väiksem – võime öelda, et korrapärasus on tinglik.

Molekulid asuvad üksteisest kaugemal kui tahkes kehas, mistõttu on ka nende vahel mõjuvad jõud nõrgemad ning molekulid saavad seetõttu rohkem liikuda.

Vedelikes võnguvad molekulid küll enamuse ajast oma tasakaaluasendi ümber, kuid see asend ei ole püsiv ning seetõttu hüppavad molekulid aeg-ajalt korrapäratult ühest kohast teise.

Taolistest „hüpetest“ ongi tingitud vedelike voolavus.

Ülaltoodud omadustest tingituna on vedelikel küll kindel ruumala, kuid tänu voolavusele puudub neil kindlaks määratud kuju ja vedelikud võtavad alati selle anuma kuju, millesse neid valatakse.

Gaasiline

Nii nagu vedelikes, puudub ka gaasides osakeste asetuses korrapära.

Võrreldes tahkiste ja vedelikega asuvad gaasimolekulid üksteisest väga kaugel – kaugustel mis ületavad molekulide mõõtmeid miljonites kordades, mistõttu nende vahel vastastikmõju peaaegu puudub.

Tänu sellele ei ole gaasimolekulide liikumine takistatud ning nad saavad liikuda täiesti vabalt ja korrapäratult.

Seetõttu ei saa me gaaside puhul rääkida ei kindast kujust (nad võtavad samuti alati anuma kuju) ega ka ruumalast (nad võivad vabalt paisuda, aga neid saab ka kokku suruda).

Seega on nii gaasid kui ka vedelikud voolavad – taoliste ühiste omadustega kehi nimetatakse voolisteks.