La premessa è sbagliata. Non tutti i materiali esistono esattamente in tre stati diversi; questo è solo lo schema più semplice ed è applicabile ad alcune semplici sostanze molecolari o ioniche.

Immaginiamo cosa succede a una sostanza se inizi a bassa temperatura e aggiungi sempre più calore.

Solido

A temperature molto basse, non c'è virtualmente alcun movimento termico che impedisce alle molecole di attaccarsi tra loro. E si attaccano tra loro a causa di varie forze (la più semplice: gli ioni con carica opposta si attraggono elettrostaticamente). Se lo immagini con qualcosa come tanti piccoli magneti, è abbastanza evidente che ottieni una fase solida, cioè una struttura rigida dove nulla si muove.

In realtà però:

• L'elio non si congela a nessuna temperatura: il suo stato fondamentale nel limite di bassa temperatura alla pressione atmosferica è un superfluido. La ragione è che microscopicamente, la materia non si comporta come magneti discreti o qualcosa del genere, ma secondo la meccanica quantistica .
• Generalmente non c'è solo uno a stato solido. Nell'analogia del magnete, puoi costruire strutture completamente diverse dagli stessi componenti. Allo stesso modo, ciò che chiamiamo semplicemente "ghiaccio" è in realtà solo una possibile struttura cristallina per l'acqua solida, più precisamente chiamata Ice I _h . Ci sono molte altre fasi solide.

Liquido

Ora, se aumenti la temperatura, è come vibrare completamente la tua scultura magnetica. Poiché questi legami non sono infinitamente forti, alcuni di essi si rilasciano di tanto in tanto, consentendo al tutto di deformarsi senza effettivamente cadere a pezzi. Questo è qualcosa come uno stato liquido.

In realtà però:

• Non tutti i materiali hanno una fase liquida (almeno non tutte le pressioni). Ad esempio, il CO ₂ (ghiaccio secco) solido sublima alla pressione atmosferica se si aumenta la temperatura, cioè passa immediatamente allo stato gassoso.
• Molti materiali hanno molecole enormi, cioè la dimensione della struttura chimica si avvicina alla dimensione della struttura fisica. Ora, quella struttura chimica può anche essere scossa dal calore, ma questo non si chiama fusione ma decomposizione . Ad esempio, la plastica si decompone a un certo punto tra 200 ° C e 350 ° C. Alcuni si sciolgono prima, ovvero hanno due stati; alcuni rimangono solidi fino in fondo, fondamentalmente hanno solo uno stato (solido).
  Un materiale decomposto non è entrato in un nuovo stato della materia, semplicemente ha cessato di essere il materiale originale .
  • Inoltre, anche i materiali che non sono puramente composti da un tipo di molecola generalmente non hanno un semplice punto di fusione fisso. C'è un certo intervallo in cui due fasi possono coesistere. (Più in generale, puoi avere tutti i tipi di emulsioni, dispersioni, gel ecc.)

Gassoso

Molecole piccole e robuste o i singoli atomi non sono così infastiditi dalle alte temperature. Inoltre non hanno forze così forti tra le molecole. Quindi, se scuoti abbastanza forte, iniziano semplicemente a frizzare ovunque in modo indipendente. Allora è un gas.

In realtà, però:

• Anche le molecole più robuste non sopravviveranno se la temperatura è abbastanza alta. Anche i singoli atomi a un certo punto perderanno la loro presa sugli elettroni. Ciò si traduce in un'ulteriore fase, un plasma.
• Con una pressione sufficientemente alta, al di sopra di un punto critico , la fase gassosa non sarà realmente distinguibile da quello liquido: hai solo un fluido supercritico. (IMO questo potrebbe ancora essere etichettato come un gas, ma ha alcune proprietà che sono più simili a un liquido.)

Ora, la domanda sul perché un particolare materiale si trovi in ​​uno stato particolare a una determinata temperatura e pressione non è facile a cui rispondere. Hai bisogno della fisica statistica per prevedere il comportamento. Le quantità cruciali sono l'energia e l ' entropia. Fondamentalmente, il movimento termico casuale tende a causare disordine (che è quantificato dall'entropia crescente). A una data temperatura c'è una quantità corrispondente di energia disponibile per vincere la forza di attrazione e all'interno di quel budget energetico il sistema si avvicina allo stato con la più alta entropia. Un solido ha poca entropia, ma se non c'è molta energia disponibile questo è l'unico stato fattibile. Un liquido ha una maggiore entropia ma richiede un po 'di energia per staccare temporaneamente le molecole. Un gas richiede energia sufficiente per tenere separate le particelle tutto il tempo, ma è completamente disordinato e quindi ha molta entropia.

Ma quanta energia ed entropia ha un dato stato varia esattamente molto tra i materiali, quindi non puoi semplicemente dire solido-liquido-gas.

La risposta definitiva a una domanda sul "perché" di fisica è "perché".

La fisica consiste nell'osservare e misurare la natura e poi trovare modelli matematici che si adattino alle misurazioni e prevedere nuovi comportamenti in condizioni diverse.

Perché abbiamo osservato questi quattro stati della materia. abbiamo formulato teorie matematiche chiamate termodinamica e meccanica quantistica che possono descrivere il comportamento della materia e prevedere il suo comportamento futuro oltre a descrivere una pletora di altri comportamenti (come il modo in cui possiamo comunicare su questo tabellone).

Come ciò può essere spiegato all'interno dei modelli matematici.

1. atomi e molecole sono stati di carica neutri legati e matematicamente ci sono forze che si riversano che creano attrazioni e repulsioni.

2. gli stati sono quantizzati, cioè i legami non sono arbitrari e continui ma gli stati energetici specifici sono stabili e altri non sono stabili

3. solidi sono quando gli stati energetici si stabiliscono in configurazioni reticolari e sono allo stato energetico più basso.

4. liquidi si verificano quando le condizioni termodinamiche, la temperatura e la pressione sono tali che alcuni dei legami dei reticoli si allentano e compaiono ulteriori gradi di libertà.

5. ga sse compaiono quando le combinazioni di temperatura e pressione allentano tutti i legami del livello di energia intramolecolare e si comporta come un gas ideale

6. plasma quando si verifica il le temperature e le pressioni sono tali che gli elettroni vengono espulsi dai loro orbitali e il gas diventa ioni ed elettroni.

Tutti questi processi sono descritti perfettamente usando l ' elettrodinamica quantistica e termodinamica come descritto anche nelle altre risposte.

Questa è la mappa matematica della natura in cui ci siamo trovati (è così che il biscotto si sbriciola, è così che rotola la palla, ecc.) Se ci fosse solo una fase, un diverso insieme di teorie le descriverebbe,quelli che descrivono con successo il nostro mondo attuale.

Fondamentalmente l'esistenza di diversi stati della materia ha a che fare con le Forze intermolecolari , la Temperatura dii suoi dintorni e se stesso e la Densità della sostanza.

Questa immagine sotto mostra come avviene la transizione tra ogni stato (chiamata Transizioni di fase).

Queste transizioni si verificano in base al cambiamento di temperatura della sostanza

Ora se comprimi (aumenti la pressione) e riduci la temperatura di gas come $ CO_2 $, allora può esistere allo stato solido che è generalmente chiamato Ghiaccio secco (5,18 bar, - 56,6 ° C)

Ma ci sono altri stati esotici della materia là fuori, come Plasma e Condensato di Bose – Einstein

Questa è una di quelle domande divertenti in cui il carro viene messo davanti ai buoi. La materia non "esiste" in nessuno stato. Semplicemente fa quello che fa, nel modo in cui lo fa. Gli esseri umani, desiderosi di capire come si comportano i diversi tipi di materia hanno scelto di creare un sistema di tre stati.

Questa scelta è la chiave: la ragione per cui "la materia esiste in 3 stati" è perché abbiamo scelto di modellarlo in questo modo. Sarebbe banale dichiarare "la materia esiste in 5 stati" o "la materia esiste in 2 stati". In generale, abbiamo scelto di trattare 3 stati, solido liquido e gas (più plasma), come "fondamentali" non perché siano effettivamente fondamentali per la fisica, ma perché la nostra scelta di quelle divisioni ci aiuta a prevedere come si comporteranno i materiali quando interagiscono con. Ad esempio, scopriamo che il modo in cui si comporta un oggetto solido, come una roccia, è fondamentalmente diverso da un liquido, come un flusso d'acqua, perché per il tipo di cose di cui ci preoccupiamo, è una distinzione utile. Essere colpiti in faccia da una roccia è in genere un evento molto diverso dall'essere spruzzati con acqua.

Abbiamo delle motivazioni sul perché si verificano questi stati, basate sul concetto di forze intermolecolari. In un solido, le molecole hanno pochissima libertà di movimento perché le forze intermolecolari le intrappolano. Le cose solide hanno comportamenti rigidi. In un liquido, le molecole hanno abbastanza libertà di movimento per andare ovunque in un volume, ma le forze intermolecolari hanno ancora un grande effetto su come si comportano. Questa mobilità porta a tratti che abbiamo trovato abbastanza importanti da classificare, come la fluidità. Nei gas, le molecole hanno così tanta libertà di movimento che le forze intermolecolari diventano più una nota a margine quando si tratta di prevedere i loro comportamenti.

Quello che abbiamo scoperto è che, in molti casi, i confini tra questi comportamenti sono piuttosto netti. Il passaggio da solido a liquido o da liquido a gas tende ad avvenire molto vicino a una particolare temperatura. Noe che dico vicino: il processo di ebollizione o congelamento è statistico, non esatto.

Per la maggior parte di ciò che facciamo, queste due divisioni, tra solido e liquido e tra liquido e gas, sono abbastanza efficaci nell'aiutarci a capire l'universo che li consideriamo "fondamentali". Tuttavia, non tutti sono d'accordo. I fisici delle alte energie considerano il caso in cui l'energia termica di un gas diventa così alta che inizia a spogliarsi dei propri elettroni, diventando nient'altro che un mucchio di ioni. Questo materiale si comporta in modo abbastanza diverso dal gas da dichiararlo un nuovo tipo "fondamentale" (per prima cosa, è influenzato dai campi magnetici!).

Si è scoperto che per molti materiali le sue proprietà sono ben descritte da queste categorie, quindi le teniamo!

All'altro estremo, ci sono molti casi in cui "solido" non è effettivamente sufficiente per catturare i comportamenti a cui teniamo. In questi casi ci adattiamo. Il mio esempio preferito è il cioccolato, perché il cioccolato è un materiale strano bestia. Puoi scioglierlo (da solido a liquido) ei cristalli di grasso di cioccolato scompaiono come ti aspetteresti. Tuttavia, alcune strutture cristalline sono più robuste di altre e richiedono temperature più elevate. Allo stesso modo, i cristalli si formano a temperature diverse mentre lo si raffredda. Questo porta a una chimica notevole. A quanto pare, ci sono 6 "polimorfi" del cristallo grasso di cioccolato, ciascuno con le proprie proprietà. Di loro, solo la forma V è buona per la cioccolata. È il cristallo che ha la caratteristica sensazione croccante e scattante che desideriamo dal cioccolato.

Pertanto, quando si tempera il cioccolato, si alza prima la temperatura per sciogliere tutti i cristalli.Quindi si riduce la temperatura per raffreddarla e formare cristalli (più sono meglio è).Tutti i tipi di cristalli si formano quando i grassi diventano solidi, dalla Forma I alla V (la Forma VI è diversa ed è associata alla fioritura).Dopodiché, aumenti la temperatura tra 81,1F e 92,8F, che è rispettivamente il punto di fusione della Forma IV e il punto di fusione della Forma V.Questo fa sciogliere tutti i cristalli della Forma I attraverso la Forma IV, ma mantiene quelli della Forma V.Quindi, si versa il cioccolato e si lascia raffreddare, lasciando solo le strutture cristalline della Forma V.

Si noti che tutto ciò di cui ho parlato ha a che fare con solidi, crescita di cristalli.Durante l'intero processo, il laico medio chiamerebbe quel materiale "liquido", ma io continuo a congelare e sciogliere le cose in quello stato liquido.Il semplice concetto di "liquido" non è sufficiente.

Non sono abbastanza sicuro di quello che stai chiedendo, ma posso spiegare la differenza tra i tre stati comuni della materia su scala qualitativa:

Solido: le molecole formano legami con le molecole vicine, molto poco di questi legami si rompono in un dato momento.

Liquido: le molecole formano legami con le molecole vicine per la maggior parte del tempo, ma c'è abbastanza energia perché i legami si rompano momentaneamente e si formino di nuovo con un'altra molecola.

Gas: le molecole non si avvicinano quasi mai l'una all'altra per interagire.

Per formare un legame, viene rilasciata energia, per rompere un legame, l'energia viene consumata, quindi, quando l'energia (rappresentata dalla temperatura) di una certa materia (come l'acqua) è alta, lo stato tende al liquido e al gas, e se viene fornita abbastanza energia sotto forma di calore, tutti i legami sulle singole molecole si romperanno e rilasceranno quella molecola dal liquido o dal solido in gas.

Il motivo per cui ci sono più stati della materia sulla Terra è perché la Terra contiene materie che si sciolgono / vaporizzano a temperature diverse e la Terra ha temperature diverse in luoghi diversi.

Per cercare di rispondere a quella che penso sia la tua domanda di fondo, piuttosto che la formulazione specifica che usi ...

Le forze elettromagnetiche sono solo così forti. Diciamo che hai una scatola piena a metà di una molecola. L'elettromagnetismo tiene uniti i singoli atomi (mantenendo gli elettroni legati ai nuclei) e tiene insieme le molecole stesse (il che, semplificato, è in realtà lo stesso del caso precedente - la chiave è mantenere gli elettroni legati di nuovo ai nuclei; è solo che gli elettroni sono condivisi tra due nuclei alla volta in una certa misura). Infine, le molecole nel corpo possono essere tenute insieme dalle stesse forze elettromagnetiche per formare solidi o liquidi.

Quando si ha a che fare con gli stati della materia, di solito si parla più spesso di calore e pressione. Per semplificare, unirò i due insieme: non è molto utile in pratica, ma vediamo solo dove arriviamo. Abbiamo già detto che le singole molecole (supponiamo che tutta la materia sia composta da molecole per ora) hanno una sorta di attrazione tra di loro. Questi "legami" hanno una certa energia potenziale - fondamentalmente, una misura di quanta energia devi aggiungere per rompere il "legame". Ad esempio, una molecola di azoto si tiene insieme molto più fortemente di una molecola di ossigeno, quindi hai bisogno di più energia per abbattere l'azoto di quella necessaria per abbattere l'ossigeno. Un modo per vedere il calore è come l'energia cinetica media delle singole parti che compongono la materia, che è utile quando si pensa agli stati della materia. Maggiore è il calore, maggiore è la possibilità che una data "collisione" abbia energia sufficiente per rompere quel "legame" intermolecolare che determina lo stato.

Dati i quattro stati fondamentali della materia, allora:

1. Solido: i legami tra le singole molecole sono molto più forti (richiedono più energia per rompersi) rispetto al calore. Le molecole formano così una struttura relativamente rigida in cui le molecole "rimangono al loro posto".
2. Liquido: i legami tra le singole molecole sono abbastanza forti da mantenere una superficie. Sono abbastanza deboli che gli effetti casuali del calore continuano a rompere e riformare i legami continuamente, quindi le molecole sono relativamente libere di muoversi, piuttosto che essere tenute in posizione nella struttura rigida di un solido. Non mantengono una forma macroscopica, ma il loro volume è praticamente costante. Funziona in entrambi i modi: non si espandono come i gas e si comprimono a malapena.
3. Gas: i legami tra le singole molecole non sono più abbastanza forti da dare una struttura al gas. Le singole molecole interagiscono a malapena tra loro e i gas si espandono e si comprimono facilmente a causa di ciò. Se comprimi abbastanza un gas, otterrai un liquido (e infine un solido): in pratica stai forzando le singole molecole ad avvicinarsi abbastanza e rinforzando le forze intra-molecolari con la pressione esterna .
4. Plasma: il calore è così grande che non solo interrompe i legami tra le molecole, ma rompono anche le molecole e spogliano gli elettroni dai singoli atomi. Nel complesso, il plasma si comporta in modo simile a un gas, con alcune proprietà interessanti in più.

Tutto sommato, è un equilibrio tra tutte le forze che agiscono sui costituenti della materia. Immagina la macchina della lotteria al vento, con un ventaglio sul fondo e un mucchio di palline. E solo per renderlo un po 'più reale, immagina che le palle siano appiccicose. Man mano che aumenti il ​​flusso d'aria dalla ventola, vedrai (in sequenza):

1. Palle che si siedono e dimenano a terra - un "solido". La viscosità è sufficiente per impedire il movimento.
2. Palle che saltano e si muovono, ma rimangono per lo più a terra: un "liquido". La viscosità non è più sufficiente per impedire il movimento, ma tiene ancora insieme il grosso, in tandem con la pressione fornita dalla gravità.
3. Palle che saltano tutto intorno al contenitore, rimbalzando sulle pareti (e tra di loro, ma non dimenticare che le molecole sono assurdamente minuscole rispetto alle palle: un gas reale non subisce troppe collisioni) - a"gas".Né la viscosità né la gravità sono abbastanza forti da limitare il movimento delle palline.
4. La superficie adesiva viene spazzata via dalle palline e si muove liberamente su tutto il contenitore: un "plasma".
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Il flusso d'aria dalla ventola è l'analogo del "calore" e la forza di gravità ci fornisce la pressione.Aumenta la gravità e le sfere rimarranno solide o liquide sotto flussi d'aria più elevati ("temperature").Aumenta la viscosità ("forza elettromagnetica" - in realtà, diverse molecole hanno una diversa viscosità) e le sfere rimarranno solide o liquide sotto flussi d'aria più elevati.

Perché, in generale, lo stato della materia reagisce al calore in vari modi.Ad esempio, a temperatura ambiente l'acqua è liquida.Rimuovere il calore sufficientemente dall'acqua e ad un certo punto (cioè il punto di congelamento) diventerà solido (cioè il ghiaccio).Riscalda il ghiaccio e diventa di nuovo liquido.Aggiungi ancora più calore e diventa un gas.Se continui ad aggiungere più calore, alla fine raggiungerà uno stato plasma.

Il motivo per cui una pietra è solida e l'acqua è liquida (o sono entrambi solidi) a varie temperature si verifica perché diversi atomi hanno reazioni diverse ad altriatomi e condizioni entro le quali esistono.È un po 'come chiedere perché due persone diverse pensano in modo diverso nelle stesse condizioni / circostanze - anche se entrambe sono umane, ciò che le rende diverse l'una dall'altra è coinvolta nel motivo per cui entrambe non reagiscono allo stesso modo.

Finora nessuno ha interpretato la domanda alla lettera, quindi:

"Perché tutta la materia [sulla terra] non può esistere in un solo stato (cioè solido / liquido / gas)?"

Potrebbe, ma allora non saremmo vivi per osservarlo.La vita è un fenomeno di non equilibrio.Ci sono certamente posti nell'universo in cui tutta la materia è (più o meno) nello stesso stato, ma sono freddi (o molto caldi) e morti.

Il principio di esclusione di Pauli: non esistono due fermioni nello stesso stato.

Questo, e le cose sono pigre: "gli piace" essere in uno stato di bassa energia.

Questi, insieme alle forze interparticellari, generano alcune serie di comportamenti statistici per un gran numero di particelle. Le proprietà particolari delle particelle in questione determinano quando e se raggiungono uno di questi stati.

Sotto Plasma, i livelli di energia degli elettroni sono tali che possono "stare" tutti nel pozzetto potenziale di vari nuclei. La pigrizia li fa andare a questo stato di bassa energia. Pauli Exclusion li fa impilare uno sopra l'altro.

Quando passi al plasma, gli elettroni hanno così tanta energia che lasciano stati vuoti sotto di loro. Quando un elettrone cade in un tale buco (emettendo un fotone), raccoglie rapidamente più energia dagli altri fotoni che fluttuano intorno e viene espulso di nuovo. C'è abbastanza energia perché elettroni e nuclei agiscano in modo indipendente. Puoi vedere il plasma nella tua vita quotidiana accendendo qualcosa in fiamme.

Man mano che l'energia disponibile diminuisce, gli elettroni si accumulano sugli stati disponibili intorno ai nuclei. In questo stato, gli atomi (nuclei + elettroni) o le molecole (raccolte di atomi strettamente legate elettricamente) si muovono liberamente e talvolta rimbalzano l'una sull'altra. Questo è chiamato stato gassoso della materia.

Con gli elettroni per lo più nel loro stato di energia più bassa, in un certo senso smettono di importare. Un sacco di "gradi di libertà" scompaiono.

Ogni atomo / molecola ha ancora molti stati di energia inferiore in cui può entrare, ma proprio come sopra quando un atomo / molecola entra in stati di energia inferiore, spesso viene "spinto" a uno stato di energia superiore da un'altra particella / fotone che si muove più velocemente che lo colpisce.

Ora, meno energia. Ora gli atomi o le molecole strettamente accoppiati si muovono abbastanza lentamente che gli stati a bassa energia vicino a loro sono pieni di altri atomi o molecole. Cominciano ad accoppiarsi con detti atomi e molecole vicini e pochi hanno l'energia per "andarsene". Se lo comprimi ulteriormente, non ci sono abbastanza fori per adattare gli atomi / molecole, quindi si spinge indietro. Se lo decomprimi, il volume più alto apre nuovi stati in cui gli atomi / molecole possono scivolare, quindi risucchia energia.

Questo stato liquido è relativamente costante in volume, con molta energia assorbita se tu prova ad abbassarne la densità o ad aumentarla. Richiede molta pressione per comprimerlo.

Tuttavia, ci sono ancora abbastanza stati affinché i singoli atomi / molecole si muovano a un ritmo ragionevolmente veloce.

Ora, meno energia. Ora ogni molecola / atomo è bloccato in una trappola. Il movimento in qualsiasi direzione è limitato da altre particelle vicine, quindi la tua molecola spinge contro la molecola nella direzione in cui sta andando e rimbalza indietro. Questo rende la questione rigida . Il viaggio a lunga distanza per molecole / atomi diventa estremamente improbabile. L'aumento / diminuzione del volume di solito diventa ancora più energico.

Nei metalli, gli elettroni meno legati nelle molecole / negli atomi agiscono in qualche modo fluidi, in quanto possono fluire dall'uno all'altro, in quanto esistono stati di energia simile disponibili nelle vicinanze.

Questi non sono gli unici stati della materia, ma piuttosto gli stati della materia più comuni con cui interagiamo. Possiamo avere condensato di Bose-Einstein, plasma di quark-gluoni, materia degenerata di elettroni (nane bianche), ecc. Ecc. Anche alle nostre temperature e pressioni tipiche possono essere raggiunti stati tripli in cui le cose si comportano come una miscela di quanto sopra.

Noterai che ho parlato di molecole, atomi ed elettroni sopra.Le molecole sono legami che possono verificarsi prima che si verifichi un comportamento "macroscopico", ma come qualsiasi altra cosa possono diventare sfocate al limite.Le molecole possono diventare abbastanza grandi da essere macroscopiche (e probabilmente i cristalli sono esattamente questo) e l'aggiunta di energia al sistema può farle rompere prima che si verifichino cambiamenti statistici su larga scala nel comportamento delle particelle.