Агрегатные состояния вешеств

ПЛАН

 1.Агрегатные состояния веществ

 2.Аморфное состояние

3.Аморфные полимеры

4.Аморфные и стеклообразные  полупроводниковые материалы

5.Аморфнные магнетики,металлы

Агрегатные Состояния  Веществ.

Агрегатные  Состояния вещества (от лат. Aggrego –присоединяю, связываю), состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением его свободной энергии, энтропии, плотности и других физических свойств.

 Все  вещества (за некоторым исключением) могут существовать в трёх агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. Так, вода при нормальном давлении p= 10l 325 Па=760 мм ртутного столба и при температуре t=0 С. кристаллизуется в лёд, а при 100°С кипит и превращается в пар. Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто считают плазму.

Агрегатное  состояние вещества зависит от физических условий, в которых оно находится, главным образом от температуры  и от давления. Определяющей величиной  является отношение средней потенциальной  энергии взаимодействия молекул  к их средней кинетической энергии. Так, для твёрдого тeла это отношение  больше 1, для газов меньше 1, а  для жидкостей приблизительно равно 1.

Переход из одного агрегатного состояния вещества в другое сопровождается скачкообразным изменением величины данного отношения, связанным со скачкообразным изменением межмолекулярных расстояний и межмолекулярных взаимодействий. В газах межмолекулярные расстояния велики, молекулы почти не взаимодействуют друг с другом и движутся практически свободно, заполняя весь объём. В жидкостях и твёрдых телах —конденсированных средах — молекулы                         
(атомы) расположены значительно ближе друг к другу и взаимодействуют сильнее.

Это приводит к сохранению жидкостями и твёрдыми телами своего объёма. 
Однако, характер движения молекул в твёрдых телах и жидкостях различен, чем и объясняется различие их структуры и свойств.

У твёрдых  тел в кристаллообразном состоянии  атомы совершают лишь колебания  вблизи узлов кристаллической решётки; структура этих тел характеризуется  высокой степенью упорядоченности  — дальним и ближним порядком. Тепловое движение молекул (атомов) жидкости представляет собой сочетание малых колебаний около положений равновесия и частых перескоков из одного положения равновесия в другое. Последние и обусловливают существование в жидкостях лишь ближнего порядка в расположении частиц, а также свойственные им подвижность и текучесть.

Плавление — это переход вещества из твердого агрегатного состояния в жидкое. Этот процесс происходит при нагревании, когда телу сообщают некоторое количество теплоты +Q. Например, легкоплавкий металл свинец переходит из твердого состояния в жидкое, если его нагреть до температуры 327 С.

Свинец  запросто плавится на газовой плите, например в ложке из нержавеющей  стали (известно, что температура  пламени газовой горелки — 600- 
850°С, а температура плавления стали — 1300-1500°С).

Если  измерять температуру плавящего свинца, то можно обнаружить, что сначала она плавно возрастает, но после некоторого момента остается постоянной, несмотря на дальнейшее нагревание. Этот момент соответствует плавлению. Температура держится постоянной до тех пор, пока весь свинец не расплавится, и только после этого начинает повышаться снова. При охлаждении жидкого свинца наблюдается обратная картина: температура падает до момента начала затвердевания и остается постоянной все время, пока свинец не перейдет в твердую фазу, а потом вновь понижается.

Аналогичным образом ведут себя все чистые вещества. Постоянство температуры  при плавлении имеет большое практическое значение, поскольку позволяет градуировать термометры, изготавливать плавкие предохранители и индикаторы, которые расплавляются при строго заданной температуре.

Что же происходит при плавлении? Самое очевидное  явление — нарушения в пространственной кристаллической решетке, то есть в  порядке расположения атомов, характерным для вещества, находящегося в твердом состоянии.

Атомы в  кристалле колеблются около своих  положений равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний  возрастает и достигает некоторой  критической величины, после чего кристаллическая решетка разрушается. Для этого требуется дополнительная тепловая энергия, поэтому в процессе плавления температура не повышается, хотя тепло продолжает поступать.

Температура плавления вещества зависит от давления. Для веществ, у которых объем  при плавлении возрастает (а таких  подавляющее большинство), повышение  давления повышает температуру плавления  и наоборот. У воды объем при  плавлении уменьшается (поэтому, замерзая, вода разрывает трубы), и при повышении  давления       

лед плавится при более низкой температуре. Аналогичным  образом ведут себя висмут, галлий и некоторые марки чугунов.

При затвердевании  атомы вновь выстраиваются в  определенном порядке и выделяется теплота затвердевания. Как только тело полностью затвердевает, его  температура

начинает  понижаться. В отличие от других агрегатных состояний вещества плазма представляет собой газ заряженных частиц (ионов, электронов), которые электрически взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях. Это определяет ряд своеобразных свойств плазмы.

Переходы  из более упорядоченного по структуре  агрегатного состояния в менее  упорядоченное могут происходить  не только при определённых температуре  и давлении, но и непрерывно. Возможность  непрерывных переходов указывает  на некоторую условность выделения агрегатных состояний вещества. 
Это подтверждается существованием аморфных твёрдых тел, сохраняющих структуру жидкости, несколько видов кристаллического состояния у некоторых веществ, существование жидких кристаллов, существованием у полимеров особого высокоэластичного состояния, промежуточного между стеклообразным и жидким, и другое.

В связи  с этим в современной физике вместо понятия агрегатного состояния  пользуются более широким понятием — фазы. При фазовых переходах первого рода скачком изменяются плотность веществ и энергия тела; очевидно, при фазовых переходах первого рода всегда выделяется или поглощается конечное количество тепловой энергии. При фазовых переходах второго рода плотность и энергия меняются непрерывно, а скачок испытывает такие величины, как теплоемкость, теплопроводность; фазовые переходы второго рода не сопровождаются поглощением или выделением энергии. Примером фазового перехода второго рода может служить переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние, переход форромагнетика в парамагнетик при точке Кюри, переупорядочение кристаллов сплавов и др.

Характерным примером фазового перехода первого рода может служить  переход вещества из одного агрегатного  состояния в другое.

При переходах из одного агрегатного состояния в другое, как уже отмечено выше, обязательно  выделяется или поглощается тепло. Переход от более упорядоченных  структур к менее упорядоченным  требуют притока тепла извне, при обратных переходах выделяется такое же количество тепла, которое  поглощается при прямом переходе. Отметим, что, как правило, переход  из одного агрегатного состояния  в другое обычно имеет место при  постоянной температуре, таким образом, фазовый переход является источником или поглотителем тепла, работающим практически при постоянной температуре.

Способ изолирования катушки  индуктивности в глубинном приборе  путем заполнения диэлектриком камеры, в которой расположена катушка, отличающийся тем, что с целью  упрощения конструкции прибора  и повышения его эксплуатационной надежности, в качестве диэлектрика  используют вещество, температура плавления  которого ниже минимальной температуры  в зоне измерения и выше температуры  корпуса прибора перед его  спуском и в период спуска в  скважину.

Нередко изменения агрегатного  состояния вещества позволяет очень  просто решать до этого почти неразрешимые технические задачи. Например, как  заполнить послойно емкость смешивающимися между собой жидкостями?

Способ послойного заполнения емкости смешивающимися жидкостями путем последовательного анализа  их, отличающийся тем, что с целью  упрощения процесса, первую жидкость налитую в емкость, замораживают, следующую жидкость наливают на верхний  слой замороженной жидкости, а затем  последнюю размораживают.

При изменениях агрегатного  состояния резко изменяются электрические  характеристики вещества. Так, если металл в твердом или жидком виде - проводник, то пары металла - типичный диэлектрик.

Как отмечалось выше, перекристаллизация металла является фазовым переходом  второго рода. В момент перекристаллизации возникает эффект сверхпластичности  металла.

В этот момент металл, ранее  имевший прочную и сверхпрочную структуру, становится пластичным как  глина. Но длится это явление считанные  мгновения и протекает в очень  узком, причем непостоянном интервале  температур. Непосредственно подстеречь момент, когда начинается фазовое  превращение, невозможно, но известно, что при перестройке кристаллической  решетки металл начинает переходить из паромагнитного состояния в феромагнитное, что сопровождается резким изменением его магнитной проницаемости.

                                       Что такое плазма?

ПЛАЗМА - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва. Термин “плазма” в физике был введен в 1929 американскими учеными И.Ленгмюром и Л.Тонксом. Вещество, разогретое до температуры в сотни тысяч и миллионы градусов, уже не может состоять из обычных нейтральных атомов. При столь высоких температурах атомы сталкиваются друг с другом с такой силой, что не могут сохраниться в целостности. При ударе атомы разделяются на более мелкие составляющие - атомные ядра и электроны. Эти частицы наделены электрическими зарядами: электроны - отрицательным, а ядра - положительным. Смесь этих частиц, называемая плазма представляет собой своеобразное состояние вещества, которое очень сильно отличается от относительно холодного газа по свойствам. Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, то есть, выполнено условие квазинейтральности. Средние кинетические энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут быть разными. Поэтому в общем случае плазму характеризуют не одним значением температуры, а несколькими – различают электронную температуру Те, ионную температуру Тi и температуру нейтральных атомов Та. Плазму с ионной температурой Тi < 105  К называют низкотемпературной, а с Тi > 106 К – высокотемпературной. Высокотемпературная плазма является основным объектом исследования по УТС. Низкотемпературная плазма находит применение в газоразрядных источниках света, газовых лазерах.

Несколько свойств плазмы. 

Степень ионизации

Степень ионизации определяется как отношение  числа ионизованных частиц к общему числу частиц. Для низкотемпературных плазм характерны малые степени  ионизации (<1%). Так как такие  плазмы довольно часто употребляются  в плазменных технологиях  их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, которые ускоряют электроны, которые в свою очередь ионизуют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи. Типичные применения низкотемпературных плазм включают плазменную модификацию свойств поверхности, плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях). Горячие плазмы почти всегда полностью ионизованы (степень ионизации ~100%). Обычно именно они понимаются под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце.  

Плотность

Помимо  температуры, которая имеет фундаментальную  важность для самого существования  плазмы, вторым наиболее важным свойством  плазмы является плотность. Слово  плотность плазмы  обычно обозначает плотность электронов, т.е. число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию — не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). Плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов. Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов n0. В горячей плазме n0 мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме.

 Квазинейтральность

Так как  плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение.Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности — плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов. В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний. Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счет кулоновского отталкивания.

Получение плазмы.

Чтобы перевести  газ в состояние плазмы, нужно  оторвать хотя бы часть электронов от атомов, превратив эти атомы  в ионы.  Такой отрыв от атомов называют ионизацией. В природе и технике ионизация может производиться различными путями. Самые распространенные  из них:

·        Ионизация тепловой энергией

·        Ионизация электрическим разрядом.

·        Ионизация давлением.

·        Ионизация лазерным излучением.

Использование плазмы.

Наиболее  широко плазма применяется в светотехнике - в газоразрядных лампах, освещающих улицы. Гуляя вечером по улицам города, мы любуемся световыми рекламами, не думая о том, что в них светится неоновая или аргоновая плазма. Пользуемся лампами дневного света. Всякий, кто  имел «удовольствие» устроить в электрической  сети короткое замыкание, встречался с  плазмой. Искра,  которая проскакивает между проводами, состоит из плазмы электрического разряда в воздухе. Дуга электрической сварки тоже плазма. Любое вещество, нагретое до достаточно высокой температуры, переходит в состояние плазмы. Легче всего это происходит с парами щелочных металлов,  таких, как натрий, калий, цезий. Обычное пламя обладает некоторой теплопроводностью; оно, хотя и в слабой степени, ионизировано, то есть является плазмой. Причина этой проводимости - ничтожная  примесь натрия, который можно распознать по желтому свечению. Для полной ионизации газа нужна температура в десятки тысяч градусов. Кроме того, плазма применяется в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц. Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом. Свойствами, характерными для плазмы, обладают электроны проводимости в металле (ионы, жестко закрепленные в кристаллической решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных «дырок» (вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел. Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную - до 100 тыс. градусов и высокотемпературную - до 100 млн градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы - плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000-10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возникла новая область науки - плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе. Плазмотроны применяются и в горно-рудной промышленности, и для резки металлов. Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза. Термоядерными называют реакции синтеза более тяжёлых ядер из ядер лёгких элементов (в первую очередь изотопов водорода - дейтерия D и трития Т), протекающие при очень высоких температурах. В естественных условиях термоядерные реакции происходят на Солнце: ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия, при этом выделяется значительное количество энергии. Искусственная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в  водородной бомбе.

Далее рассмотрим по порядку  агрегатные состояния вещества: твёрдое  тело, жидкость и газ.

Первое агрегатное состояние вещества – твёрдое  тело

Основные положения атомистики были сформулированы в четвёртом  веке до н.э., но за это время молекулярная физика оказалась способна вывести  только приблизительные критерии агрегатных состояний вещества, пользуясь которыми, в большинстве случаев определить агрегатное состояние вещества невозможно.

Сейчас физическое определение  твёрдого тела имеет описательный характер. В нём не раскрывается причина  самоорганизации молекул вещества именно таким образом, а ведь это  основная задача молекулярной физики.

«Твёрдое тело - характеризуется  стабильностью формы и тем, что  образующие его атомы совершают  малые (тепловые) колебания вокруг фиксированных  положений равновесия. Твердые тела делятся на кристаллические и  аморфные. В кристаллах существует дальний порядок в расположении атомов и молекул, в аморфных же телах  колебания частиц происходят вокруг хаотически расположенных точек.

Различают твердые тела с  ионной, ковалентной, металлической  и другими типами связей, что обусловливает  разнообразие их физических свойств. Так, вещества с ионной связью хрупки, в  то время как типичные металлы очень пластичны. Электрические, магнитные и некоторые тепловые свойства твердых тел в основном определяются характером движения валентных электронов его атомов, который обусловлен типом связи. По электрическим свойствам твердые тела делятся на диэлектрики, полупроводники и металлы; по магнитным - на диамагнетики, парамагнетики, и тела с упорядоченной магнитной структурой». [2]

Для физического определения  используется перечисление макроскопических свойств вещества. Причина, по которой  молекулы вещества принимают качества твёрдого тела, не указана. Максимум, на что оказалась способна молекулярная физика – это вывести приблизительные критерии агрегатных состояний вещества. Под критерий твёрдого агрегатного состояния одновременно попадают вещества в твёрдом и жидком состоянии.

«Если , то вещество находится в твердом состоянии, так как молекулы, притягиваясь друг к другу, не могут удалиться на значительные расстояния и колеблется около положений равновесия, определяемого расстоянием ». [1]

В этом критерии нет чёткой границы агрегатного состояния  вещества - насколько  должна быть больше , и что произойдёт, если .

Для точного определения  твёрдого агрегатного состояния  вещества рассмотрим график взаимодействия двух молекул вещества (рис. 4). При  этом одна молекула находится в начале координат, другая на расстоянии .

Молекулы вещества в твёрдом  состоянии совершают колебания  вокруг положения равновесия внутри потенциальной ямы на расстояние за счет кинетической энергии. Осцилляция молекул вокруг центра равновесия ограничиваются потенциальной кривой. Нахождение молекул вещества в потенциальной яме является отличительным признаком твёрдого состояния вещества.

Рис. 4. Взаимодействие двух молекул вещества в твёрдом агрегатном состоянии без внешней нагрузки.

На графике  - наименьшая потенциальная энергия разрыва связи двух молекул. Величина определяет работу, которую нужно совершить против сил притяжения для того, чтобы разъединить молекулы, находящиеся в равновесии ( ).

При внешней нагрузке на твёрдое тело, может изменяться расстояние между молекулами вещества, Это может быть причиной выхода молекул за пределы потенциальной ямы. В этом случае твёрдое тело разрушается.

Вторая причина разрушения твёрдого тела температура. При увеличении температуры увеличивается кинетическая энергия молекул, увеличивается  осцилляция молекул  , уменьшается (расстояние до краёв потенциальной ямы). Это означает уменьшение прочности твёрдого тела. При этом надо помнить, что, в соответствии с Максвелловским распределением энергии молекул вещества, у части молекул будет энергия, соотвествующая агрегатному состоянию жидкости. С этими молекулами связаны пластичные свойства вещества. Также у части молекул будет энергия, соотвествующая агрегатному состоянию газа. С этими молекулами твёрдое тело приобретает некоторые свойства агрегатного состояния газа - например испарение отдельных молекул с поверхности твёрдого тела.

Наличие у молекул вещества , отличного от нуля, является отличительным признаком именно твёрдого агрегатного состояния вещества. Это позволяет вывести физическое определение твёрдого состояния вещества.

«Твердое агрегатное состояние  вещества - это такое состояние, при  котором  его атомы (молекулы, ионы) находятся в «потенциальной яме» и не могут ее покинуть».

Второе агрегатное состояние вещества – жидкость

Физическое определение  жидкости, также как и физическое определение твёрдого тела, в настоящее  время имеет описательный характер. В нём не раскрывается причина  самоорганизации молекул вещества в это агрегатное состояние.

«Жидкость - агрегатное состояние  вещества, сочетающее в себе черты  твердого состояния (сохранение объема, определенная прочность на разрыв) и газообразного (изменчивость формы). Для жидкости характерны ближний  порядок в расположении частиц (молекул, атомов) и малое различие в кинетической энергии теплового движения молекул  и их потенциальной энергии взаимодействия. Тепловое движение молекул жидкости состоит из колебаний около положений  равновесия и сравнительно редких перескоков из одного равновесного состояния в  другое, с этим и связана текучесть  жидкости».[2]

В молекулярной физике есть приблизительный критерий, который  не позволяет точно определить, в  каком именно агрегатном состоянии  находятся молекулы вещества. Под  критерий жидкости попадают вещества в твёрдом, жидком и в газообразном состоянии.

«Если , то вещество находится в жидком состоянии, так как в результате теплового движения молекулы перемещаются в пространстве, обмениваясь местами, но не расходясь на расстояние, превышающее ».[1]

В этом определении указывается  следствие, что молекулы не привязаны  к кристаллической решётке, но не указана причина, (хотя известна) - то, что молекулы находятся на границе  потенциальной ямы. Привязка критерия агрегатного состояния только к температуре ( ) не даёт возможности однозначно определить агрегатное состояние жидкости. Предлагаемый критерий не учитывает давления над жидкостью, и концентрации молекул, а это очень важные факторы. Для воды, например, температура фазового перехода жидкость - пар при давлении равняется , а при давлении - . Любой критерий, привязанный к температуре, в этом диапазоне не сможет однозначно ответить на основной вопрос, для которого он был выведен – в каком агрегатном состоянии находится вода. Такие же проблемы существуют и для всех остальных веществ. Для описания агрегатного состояния жидкости нужно воспользоваться универсальным графиком агрегатных состояний вещества.

Составим этот график взаимодействия двух молекул для одного агрегатного  состояния вещества - жидкости и  объясним, исходя из этого графика, причину самоорганизации молекул  именно таким образом.

Из этого графика легко  понять, что происходит с веществом  при его переходе из твёрдого агрегатного  состояния в жидкость.

При увеличении температуры  твёрдого тела увеличивается кинетическая энергия молекул, увеличивается  величина осцилляций молекул  вокруг положения равновесия. Одновременно с этим уменьшается (расстояние до краёв потенциальной ямы). При уменьшении до нуля, вещество переходит в состояние жидкости.

На графике видно, что  агрегатное состояние жидкости соответствует  выходу молекул из потенциальной  ямы. Это агрегатное состояние вещества в вакууме имеет очень маленький  температурный диапазон. При увеличении давления температурный диапазон этого  агрегатного состояния увеличивается  за счёт конденсации молекул из пара.

Рис. 5 Взаимодействие двух молекул  вещества в агрегатном состоянии  жидкости.

Рассматривая левую часть  графика видно, что левая часть  потенциальной ямы круче, чем  у твёрдого тела, из чего следует  макроскопический вывод о практической несжимаемости жидкости.

Рассматривая правую часть  графика, видно, что выход из потенциальной  ямы очень пологий, что говорит  о незначительном сопротивлении  жидкости растяжению. Оно проявляется  в виде поверхностного натяжения.

Таким образом, мы можем вывести  физическое определение жидкости, имеющий  чёткий критерий.

«Жидкость - это такое  состояние вещества, при котором  все составляющие её атомы (молекулы, ионы) находятся в «потенциальной

яме», но в своем колебательном  движении имеют возможность её покидать».

 Третье агрегатное состояние вещества - газ

Существующее физическое определение агрегатного состояния  газа является описательным, и не раскрывает причину существования вещества в этом агрегатном состоянии.

«Газ - агрегатное состояние  вещества, в котором кинетическая энергия теплового движения его  частиц (молекул, атомов, ионов) значительно  превосходит потенциальную энергию  взаимодействий между ними, в связи  с чем частицы движутся свободно, равномерно заполняя в отсутствие внешних полей весь предоставленный им объем».[2]

В молекулярной физике есть приблизительный критерий, по которому это агрегатное состояние нельзя однозначно определить.

«Если , то вещество находится в газообразном состоянии, так как интенсивное тепловое движение молекул препятствует соединению молекул, сблизившихся до расстояния , т.е. вероятность образования агрегатов из молекул достаточно мала». [1]

Привязка критерия агрегатного  состояния газа только к температуре  не даёт возможности однозначно определить это агрегатное состояние, так как  не учитываются другие важные физические факторы, влияющие на агрегатное состояние - давление и концентрация молекул. Например, для воды температура фазового перехода жидкость - пар при давлении равняется , а при давлении - . Это означает, что в диапазоне температур от 0 до 374 градусов вода может находиться как в жидком, так и в газообразном состоянии, в зависимости от давления. Любой критерий, привязанный к температуре, не сможет однозначно ответить на основной вопрос, для которого он был выведен – в каком агрегатном состоянии находится вода. Такие же проблемы существуют и для всех остальных веществ.

Агрегатное состояние  вещества - газ принципиально отличается от твёрдого и жидкого агрегатных состояний вещества тем, что на графике  изменения потенциальной энергий  от расстояния, атомы (молекулы) вещества в этом агрегатном состоянии не находятся  в потенциальной яме. В агрегатном состоянии газа свойства вещества определяются только графиком потенциального барьера.