Почему пламя — не плазма? Оно же газообразное и проводит ток, то есть ионизировано.

Начну с краткого ответа. Пламя нельзя называть плазмой по двум причинам:

1. Во-первых, пламя не одно простое или сложное вещество, а среда, в которой множество разных простых или сложных веществ постоянно реагируют, следовательно, термин «агрегатное состояние» корректно к нему применить невозможно.

2. Во-вторых, пламя хоть и проявляет поведение, приписываемое плазме как основное ее свойство (электропроводность), однако почти никогда не имеет главного признака плазмы — значительного содержания свободных электронов.

Это уже третий вопрос, связанный с пламенем, который нам задают в последние месяцы. Первые два были: что представляет собой пламя и почему оно светится.

Пламя — не вещество и не материя

Называть пламя плазмой настолько же осмысленно, насколько водопад — жидкостью, воздух — газом, а землю — твердой. На уровне бытового упрощения это допустимо, но по-прежнему не совсем корректно. Все приведенные примеры так или иначе характеризуют комплексные явления или процессы.

Водопад — это географический объект, природное явление, длящийся процесс падения воды в воздухе с некоего уступа. В нем есть жидкая вода, твердая порода и газообразный воздух. Кстати о последнем — в зависимости от места и погодных условий, каждый кубометр воздуха содержит до нескольких граммов твердых частиц и жидких капель. Причем их состав и концентрация меняют свойства воздуха в широких пределах. Это все еще просто газ? Ну а насчет земли — в зависимости от типа почвы, на воду и воздух в ней приходится до 60 процентов массы. Она твердая, жидкая или газообразная?

Проще говоря, существует большая разница между понятием «агрегатное состояние» и теми свойствами, которые язык скрывает за прилагательными «твердый», «жидкий» и «газообразный». Когда мы говорим «твердое тело», «жидкость» и «газ», мозг скорее подставляет расшифровку эпитета вместо физического понятия. Отдельная песчинка — твердое тело, деионизированная вода в стакане — жидкость, а метан в баллоне — газ. Но уже куча песка или кубометр почвы, река или озеро, воздух на кухне или атмосфера в камере сгорания — все это, соответственно, назвать аналогичными терминами нельзя.

С пламенем похожая история. Как Naked Science уже рассказывал, то, что называется пламенем, — видимая часть фронта горения. Это та область пространства, где и происходит вся магия химических реакций. В ней одновременно находятся продукты окисления топлива, непрореагировавшие газы из атмосферы и продукты пиролиза горючего и окислителя, включая воду, свободные радикалы и не до конца разложившееся топливо. Иными словами жидкости, твердые тела (частицы сажи) и газы. Возможно, даже плазма — но при редко возникающих условиях, крайне неустойчивая и никогда не доминирующая над всей областью пространства, которую называют пламенем.

Пламя может проводить ток и реагировать на магниты, потому что в нем есть ионы, свободные радикалы и электроны — носители заряда. Но они постоянно участвуют в химических реакциях и не представляют собой отдельной физической «сущности» (компоненты) пламени. В плазме картина иная.

Что такое плазма и почему пламя — не она

Термин «агрегатное состояние» относится в первую очередь к термодинамике и описывает состояние вещества в зависимости от его давления и температуры. Твердое тело, жидкость и газ — это абстракции, хорошо характеризуемые только этими двумя параметрами, причем между тремя «классическими» агрегатными состояниями существуют четкие переходы — сублимация (возгонка), десублимация (осаждение), испарение, конденсация, кристаллизация (замерзание), плавление.

Для плазмы такой границы номинально нет. Есть понятие идеальной плазмы — в которой равновесно присутствуют две компоненты (ионы и электроны), каждая со своей температурой, никогда не сталкивающиеся и подчиняющиеся больше электродинамике, чем термодинамике. В реальности все сложнее, и даже именуемое плазмой вещество может иметь значительную долю нейтральных частиц — его степень ионизации будет низкой. И для каждой отдельной ситуации определять, стал уже газ плазмой или нет, приходится сообразно задачам экспериментатора или наблюдателя.

Если брать экстремально низкий порог, «душнить от души», то и атмосферный воздух легко назвать плазмой. А что, ионы со свободными электронами в какой-то концентрации в нем всегда есть, электричество при желании тоже проводит — главное напряжения не жалеть. Но даже не разбирающийся в физике человек скажет, что это глупо. Если быть реалистами, то «четвертым агрегатным состоянием вещества» называют только высокотемпературную плазму (полностью ионизированную).

Физики часто называют плазмой (просто не в строгом смысле термина) настолько ионизированный газ, что он начинает в заметной степени проявлять свойства идеальной плазмы. Это происходит уже при степени ионизации от единиц процентов (соответствует температурам от 3-5 тысяч кельвинов):

• электроны двигаются свободно и формируют ленгмюровские волны (плазменные осцилляции, организованное движение электронов, отдельно от ионов), совершая несколько колебаний, прежде чем сталкиваются с тяжелыми компонентами (ионами или нейтральными частицами);
• внутри дебаевского радиуса находится множество частиц, а само вещество в состоянии плазмы занимает большее пространство, чем этот радиус.

Последний пункт стоит пояснить отдельно. Он означает, что основные взаимодействия между частицами (электронами, ионами, нейтральными компонентами) в плазме происходят не путем кинетических столкновений и присоединения электронов, а за счет электромагнитного взаимодействия на сравнительно больших расстояниях. Гораздо больших, чем в обычных химических связях и в атомах, между ядром и электронными облаками.

Именно поэтому поведение плазмы, даже слабо ионизированной, так тяжело предсказывается средствами термо- и гидродинамики (в отличие от газов, жидкостей и твердых тел). Частицы материи в «классических» агрегатных состояниях взаимодействуют друг с другом, как бильярдные шары: энергия передается от одного атома, иона, молекулы, другим почти напрямую. Плазма же сама внутри себя постоянно создает электрические и магнитные поля, радикально меняющие поведение частиц на расстояниях, которые для «обычного» вещества недостижимы.

Поэтому пока какое-то пламя не меняет полностью свою форму рядом с мощным магнитом, не «растекается» по нему или не формирует сполохи в линиях магнитного поля, это не плазма. Если через пламя просто протекает ток или оно немного отклоняется в сторону магнита с силой, прямо пропорциональной его мощности, это просто пламя. Плазма в присутствии магнитного поля ведет себя нелогично, почти хаотично и весьма зрелищно.

Поставить диагноз, плазма перед нами или нет, можно только после прямой проверки ряда параметров газа: его электронной температуры, плотности электронов и электрического потенциала. Без этих измерений утверждать, плазма перед нами или нет, нельзя. По крайней мере, пока этот газ не разогрет хотя бы до четырех-пяти тысяч градусов или по нему не прошел мощный искровой разряд.

Состояние плазмы можно пояснить очень отдаленной аналогией с молоком. Молоко представляет собой эмульсию (коллоид) микроскопических капель жира, диспергированных в воде. Капельки жира — это ионы в плазме, вода — электроны. Они почти не взаимодействуют друг с другом. А с помощью разных хитростей, известных человечеству издревле, их свойства можно отдельно друг от друга менять (так получаются сливки, сгущенное молоко, масло). Электроны в плазме — самостоятельный «подтип» вещества, да простят нас физики за это упрощение. И это не отдельные свободные электроны (как электронный газ в металлах, обеспечивающий их электропроводность), а полноценный компонент, определяющий свойства плазмы (электронная температура).