SỰ CHUYỂN TRẠNG THÁI
Về việc băng có thể chảy tan thành nước, còn nước có thể biến thành hơi, người ta đã biết từ rất lâu. Song việc băng, nước lỏng và hơi nước là ba trạng thái kết tụ của cùng một chất (là nước), thì người ta còn chưa hiểu ra ngay. Ngày nay mỗi học sinh đều biết dù ở trạng thái (còn gọi là pha) rắn, lỏng hay khí (hơi nước) thì nước vẫn được tạo từ các phân tử H2O, còn cách đây hai nghìn năm chẳng một ai có thể nghĩ đến điều đó vì các trạng thái này khác nhau quá nhiều.
Nhà triết học Hi Lạp cổ đại Epicurus (341 - 270 tr. CN) đã mô tả việc nước biến thành băng như sau: ''băng được tạo thành nhờ việc các hạt hình dạng tròn bị đẩy ra khỏi nước và các hạt dạng tam giác và đa giác nhọn có ở trong nước kết hợp lại với nhau và nhờ việc tăng các hạt dạng này từ bên ngoài; những hạt này tích tụ lại và làm cho nước đóng băng đồng thời đẩy một số hạt dạng tròn ra ngoài''. Như vậy, theo Epicurus, việc nước đóng băng là kết quả thay các hạt dạng tròn của vật chất bằng các hạt có dạng đa giác nhọn. Việc thay các hạt có dạng đa giác nhọn bằng các hạt có dạng tròn sẽ thúc đẩy quá trình ngược lại tức là chuyển băng thành nước - quá trình nóng chảy.
Trên thực tế các hạt của vật chất khi chuyển pha không có gì thay đổi, mà chỉ thay đổi cách sắp xếp và đặc tính chuyển động của chúng. Nhưng để đi đến kết luận như vậy ngành vật lý học đã phải trải qua một con đường rất dài và khó khăn. Thậm chí Galilei, sống sau Epicurus 19 thế kỷ, cũng đã phải thú nhận rằng “chân lý cuối cùng” trong vấn đề này ông vẫn còn chưa nhận thấy. Để giải thích quá trình nóng chảy ông quyết định chỉ nói lên ''dự đoán là sẽ gặp không ít khó khăn và đòi hỏi phải nghiên cứu nghiêm túc'', cụ thể là: ''Các hạt nhỏ, mỏng của lúa luồn sâu vào các khe nhỏ của kim loại choán đầy những khoảng chân không nằm giữ chúng và giải phóng các hạt khỏi lực giữ chúng gắn chặt vào nhau và do đó làm chúng tách rời nhau. Khi đó các hạt được chuyển động tự do, sẽ tạo thành một khối chất lỏng và sẽ tồn tại trong trạng thái này cho đến khi giữa các hạt vẫn còn các hạt lửa''.
Một trong những người đầu tiên liên hệ sự chuyển pha với đặc tính chuyển động của các hạt vật chất là Robelt Boyle. Theo Boyle, ''các hạt nằm trong trạng thái chuyển động nhiệt, hướng về mọi phía: một số hạt chuyển động sang phải, một số chuyển động sang trái, một số chuyển động thẳng lên, một số chuyển động xuống dưới, một số lại chuyển động xiên nghiêng, v.v...''. Khi làm nóng vật chất thì cường độ chuyển động nhiệt tăng. Các hạt của nước lạnh chuyển động rất chậm. ''Khi nước thực sự là nóng thì chuyển động của các hạt trở nên rõ rệt và do đó làm mạnh mẽ sự dao động và có khả năng nâng mình lên vào không khí”.
Cứ như thế, dần dần từng bước một bức tranh về sự chuyển vật chất từ trạng thái này sang trạng thái kia được xác định một cách vất vả. Và trí óc ham hiểu biết của con người từng bước một đi từ chỗ không hiểu biết tới chân lý.
Ngày nay chúng ta đã, biết rằng không chỉ nước mà nhiều chất khác cũng có thể có cả thể rắn, cả thể lỏng và cả thể khí. Ví dụ sắt ở điều kiện bình thường thì là vật rắn, nhưng ở nhiệt độ 15350C thì sắt sẽ bị nung chảy trở thành lỏng. Khi chất lỏng này bốc hơi thì chúng ta có chất khí - đó là hơi được tạo nên từ các nguyên tử sắt. Ngược lại oxy (O2) Có mặt trong thành phần của không khí ta hít thở, là một chất khí. Nhưng ở nhiệt độ - 1830C nó trở thành chất lỏng. Nếu làm lạnh chất lỏng này tới -218,60C ta sẽ được oxy rắn.
Người ta đã mất không phải một thế kỷ để xác định quy luật tổng quát này. Ví dụ nitơ và oxy tạo ra không khí thì trong khoảng thời gian dài người ta cho rằng chúng chỉ tồn tại ở thể khí. Các cố gắng hóa lỏng không khí đều không thu được kết quả cho đến năm 1877, khi nhà bác học người Pháp Louis Cailletet (1832 - 1913) và nhà bác học người Thụy Sĩ Raoul Pictet (l846 - 1929) làm lạnh không khí dưới áp suất cao, cuối cùng đã thu được không khí lỏng. Còn khí heli lần đầu tiên hoá lỏng được là vào năm 1908! Cho nên chỉ ở thế kỷ XX người ta mới đưa ra lết luận: mọi chất bất kỳ đều có thể tồn tại trong các trọng thái khác nhau.
