Материя - это «материал», из которого состоит вселенная - все, что занимает пространство и имеет массу, является материей.
Вся материя состоит из атомов, которые в свою очередь состоят из протонов, нейтронов и электронов.
По данным Университета штата Вашингтон, атомы объединяются в молекулы, которые являются строительными блоками для всех типов материи. И атомы, и молекулы удерживаются вместе формой потенциальной энергии, называемой химической энергией. В отличие от кинетической энергии, которая является энергией движущегося объекта, потенциальная энергия - это энергия, запасенная в объекте.
Пять фаз материи
Существует четыре естественных состояния вещества: твердые тела, жидкости, газы и плазма. Пятое состояние - искусственные конденсаты Бозе-Эйнштейна.
Сухой остаток
В твердом теле частицы плотно упакованы вместе, поэтому они мало двигаются. Электроны каждого атома постоянно находятся в движении, поэтому атомы имеют небольшую вибрацию, но они зафиксированы в своем положении. Из-за этого частицы в твердом теле имеют очень низкую кинетическую энергию.
Твердые вещества имеют определенную форму, а также массу и объем, и не соответствуют форме контейнера, в котором они находятся. Твердые вещества также имеют высокую плотность, что означает, что частицы плотно упакованы вместе.
жидкости
В жидкости частицы упакованы более свободно, чем в твердом, и могут обтекать друг друга, придавая жидкости неопределенную форму. Следовательно, жидкость будет соответствовать форме своего контейнера.
Подобно твердым веществам, жидкости (большинство из которых имеют меньшую плотность, чем твердые вещества) невероятно трудно сжать.
газов
В газе частицы имеют большое пространство между ними и имеют высокую кинетическую энергию. Газ не имеет определенной формы или объема. Если не ограничено, частицы газа будут распространяться бесконечно; если ограничен, газ расширится, чтобы заполнить его контейнер. Когда газ оказывается под давлением путем уменьшения объема контейнера, пространство между частицами уменьшается, и газ сжимается.
плазма
По данным Лаборатории Джефферсона, плазма не является обычным состоянием материи здесь, на Земле, но может быть самым распространенным состоянием материи во вселенной. Звезды - это по существу перегретые шары плазмы.
Плазма состоит из сильно заряженных частиц с чрезвычайно высокой кинетической энергией. Благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) часто используются для создания светящихся знаков с помощью электричества, чтобы ионизировать их до состояния плазмы.
Бозе-эйнштейновский конденсат
Конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC) был создан учеными в 1995 году. Используя комбинацию лазеров и магнитов, ученые из Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA) в Боулдере, штат Колорадо, Эрик Корнелл и Карл Вейман охладили образец рубидия. с точностью до нескольких градусов от абсолютного нуля. При этой крайне низкой температуре молекулярное движение очень близко к остановке. Поскольку кинетическая энергия практически не передается от одного атома к другому, атомы начинают собираться вместе. Больше нет тысяч отдельных атомов, только один «суператом».
БЭК используется для изучения квантовой механики на макроскопическом уровне. Свет, по-видимому, замедляется при прохождении через BEC, что позволяет ученым изучать парадокс частицы / волны. BEC также обладает многими свойствами сверхтекучей жидкости или жидкости, которая течет без трения. BEC также используются для моделирования условий, которые могут существовать в черных дырах.
Проходя через фазу
Добавление или удаление энергии из материи вызывает физическое изменение, когда материя перемещается из одного состояния в другое. Например, добавление тепловой энергии (тепла) к жидкой воде приводит к тому, что она превращается в пар или пар (газ). А удаление энергии из жидкой воды превращает ее в лед (твердое вещество). Физические изменения также могут быть вызваны движением и давлением.
Таяние и замерзание
Когда тепло применяется к твердому телу, его частицы начинают вибрировать быстрее и раздвигаться дальше. Когда вещество достигает определенной комбинации температуры и давления, его температуры плавления, твердое вещество начнет плавиться и превращаться в жидкость.
Когда два состояния вещества, такие как твердое тело и жидкость, имеют равновесную температуру и давление, дополнительное тепло, добавляемое в систему, не приведет к повышению общей температуры вещества, пока весь образец не достигнет того же физического состояния. Например, когда вы кладете лед в стакан с водой и оставляете его при комнатной температуре, лед и вода в конечном итоге будут иметь одинаковую температуру. Поскольку лед тает от тепла, исходящего от воды, он будет оставаться при нулевом градусе Цельсия, пока весь кубик льда не растает, прежде чем продолжать нагреваться.
Когда тепло отводится от жидкости, ее частицы замедляются и начинают оседать в одном месте внутри вещества. Когда вещество достигает достаточно прохладной температуры при определенном давлении, точке замерзания, жидкость становится твердой.
Большинство жидкостей сжимаются при замерзании. Вода, однако, расширяется, когда она замерзает в лед, заставляя молекулы раздвигаться дальше и уменьшать плотность, поэтому лед плавает на поверхности воды.
Добавление дополнительных веществ, таких как соль в воде, может изменить как точки плавления, так и точки замерзания. Например, добавление соли в снег приведет к снижению температуры воды на дорогах, что сделает ее более безопасной для водителей.
Существует также точка, известная как тройная точка, где твердые вещества, жидкости и газы существуют одновременно. Вода, например, существует во всех трех штатах при температуре 273,16 Кельвина и давлении 611,2 Па.
сублимация
Когда твердое вещество превращается непосредственно в газ, не проходя через жидкую фазу, этот процесс называется сублимацией. Это может происходить либо в том случае, если температура образца быстро повышается выше точки кипения (мгновенное испарение), либо когда вещество «лиофилизируют» путем охлаждения в условиях вакуума, так что вода в веществе подвергается сублимации и удаляется из пример. Некоторые летучие вещества будут подвергаться сублимации при комнатной температуре и давлении, такие как замороженный диоксид углерода или сухой лед.
парообразование
Испарение - это превращение жидкости в газ, которое может происходить в результате испарения или кипения.
Поскольку частицы жидкости находятся в постоянном движении, они часто сталкиваются друг с другом. Каждое столкновение также приводит к передаче энергии, и когда достаточное количество энергии передается частицам вблизи поверхности, они могут быть полностью выбиты из образца в виде частиц свободного газа. Жидкости охлаждаются при испарении, потому что энергия, передаваемая поверхностным молекулам, которая вызывает их выход, уносится с ними.
Жидкость кипит, когда к жидкости добавляется достаточно тепла, чтобы под поверхностью образовались пузырьки пара. Эта точка кипения - это температура и давление, при которых жидкость становится газом.
Конденсация и осаждение
Конденсация происходит, когда газ теряет энергию и собирается вместе, образуя жидкость. Например, водяной пар конденсируется в жидкую воду.
Осаждение происходит, когда газ превращается непосредственно в твердое вещество, не проходя через жидкую фазу. Водяной пар превращается в лед или мороз, когда воздух, касающийся твердого тела, такого как травинка, холоднее, чем остальной воздух.
