Свойства и състояния на материята (физика): Общ преглед

Физическите свойства на материята са в основата на голяма част от физиката. В допълнение към разбирането на състоянията на материята, фазовите промени и химичните свойства, когато обсъждате материята, е важно да разбират физически величини като плътност (маса на единица обем), маса (количество вещество) и налягане (сила на единица ■ площ).

Ежедневната материя, от която сте запознати, е направена от атоми. Ето защо атомите обикновено се наричат ​​градивни елементи на материята. Има повече от 109 различни вида атоми и те представляват всички елементи в периодичната таблица.

Двете основни части на атома са ядрото и електронната обвивка. Ядрото е най-тежката част на атома досега и там е по-голямата част от масата. Това е тясно свързана област в центъра на атома и въпреки масата си, тя заема относително малко място в сравнение с останалата част от атома. В ядрото има протони (положително заредени частици) и неутрони (отрицателно заредени частици). Броят на протоните в ядрото определя кой елемент е атомът, а различен брой неутрони съответстват на различни изотопи на този елемент.

Електроните са отрицателно заредени частици, които образуват дифузен облак или обвивка около ядрото. В неутрално заредения атом броят на електроните е същият като броя на протоните. Ако числото е различно, атомът се нарича йон.

Молекулите са атоми, които се държат заедно чрез химически връзки. Има три основни типа химически връзки: йонни, ковалентни и метални. Йонните връзки възникват, когато отрицателен и положителен йон се привличат един към друг. Ковалентната връзка е връзка, в която два атома споделят електрони. Металните връзки са връзки, при които атомите действат като положителни йони, вградени в море от свободни електрони.

Микроскопичните свойства на атомите и молекулите пораждат макроскопичните свойства, които определят поведението на материята. Реакцията на молекулите на промени в температурата, силата на връзките и така нататък водят до свойства като специфичен топлинен капацитет, гъвкавост, реактивност, проводимост и много други.

Състоянието на материята е една от многото различни форми, в които материята може да съществува. Съществуват четири състояния на материята: твърдо, течно, газово и плазмено. Всяко състояние има различни свойства, които го отличават от останалите състояния и има процеси на фазов преход, при които материята се променя от едно състояние в друго.

Когато мислите за твърдо вещество, вероятно мислите за нещо твърдо или твърдо по някакъв начин. Но твърдите вещества също могат да бъдат гъвкави, деформируеми и пластични.

Твърдите вещества се отличават със своите плътно свързани молекули. Материята в твърдо състояние има тенденция да бъде по-плътна, отколкото когато е в течно състояние (въпреки че има изключения, най-вече водата). Твърдите вещества държат формата си и имат фиксиран обем.

Един вид твърдо вещество е aкристалентвърдо. В кристално твърдо вещество молекулите са подредени повтарящо се в целия материал. Кристалите са лесно разпознаваеми чрез тяхната макроскопична геометрия и симетрия.

Друг вид твърдо вещество еаморфнитвърдо. Това е твърдо вещество, в което молекулите изобщо не са подредени в кристална решетка. Aполикристалентвърдото е някъде между тях. Често се състои от малки, монокристални структури, но без повтарящ се модел.

Течностите са направени от молекули, които могат лесно да протичат една след друга. Водата, която пиете, маслото, с което готвите, и бензинът в колата ви са течности. За разлика от твърдите вещества, течностите приемат формата на дъното на контейнера си.

Въпреки че течностите могат да се разширяват и свиват при различни температури и налягания, тези промени често са малки и за повечето практически цели може да се приеме, че течностите имат и фиксиран обем. Молекулите в течност могат да протичат една срещу друга.

Извиква се склонността на течността да бъде леко „лепкава“, когато е прикрепена към повърхносттаадхезия, а способността на течните молекули да искат да се слепват (например когато водна капка образува топче върху лист) се наричасплотеност​.

В течността налягането зависи от дълбочината и поради това потопените или частично потопени предмети ще почувстват плаваща сила поради разликата в налягането в горната и долната част на обекта. Принципът на Архимед описва този ефект и обяснява как обектите плават или потъват в течности. Може да се обобщи с твърдението, че „плаващата сила е равна на теглото на изместената течност“. Като такава, плаващата сила зависи от плътността на течността и размера на обекта. Обектите, които са по-плътни от течността, ще потънат, а тези с по-малка плътност ще плуват.

Газовете съдържат молекули, които могат лесно да се движат една около друга. Те приемат пълната форма и обем на контейнера си и много лесно се разширяват и свиват. Важните свойства на газа включват налягане, температура и обем. Всъщност тези три количества са достатъчни, за да опишат напълно макроскопичното състояние на идеалния газ.

Идеалният газ е газ, в който молекулите могат да бъдат приближени като точкови частици и в които се приема, че те не си взаимодействат помежду си. Законът за идеалния газ описва поведението на много газове и се дава от формулата

къдетоPе натиск,Vе обем,не броят на бенките на веществото,Rе идеалната газова константа (R= 8,3145 J / molK) иTе температурата.

Алтернативна формулировка на този закон е

къдетоне броят на молекулите ике константата на Болцман (к​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (Скептичният читател може да провери товаnR = Nk​.)

Газовете също упражняват плаващи сили върху потопени в тях предмети. Докато повечето ежедневни предмети са по-плътни от въздуха около нас, което прави тази плаваща сила не особено забележима, хелиевият балон е идеален пример за това.

Плазмата е газ, който е станал толкова горещ, че електроните са склонни да напускат атомите, оставяйки положителни йони в море от електрони. Тъй като има еднакъв брой положителни и отрицателни заряди в плазмата като цяло, това се счита квази неутрален, въпреки че разделянето и локалното струпване на заряди кара плазмата да се държи много по-различно от a редовен газ.

Плазмата се влияе значително от електрически и магнитни полета. Тези полета също не трябва да бъдат външни, тъй като зарядите в самата плазма създават електрически полета и магнитни полета при движението си, които си влияят взаимно.

При по-ниски температури и енергии електроните и йоните искат да се рекомбинират в неутрални атоми, така че за поддържане на плазменото състояние обикновено се изискват високи температури. Въпреки това може да се създаде така наречената нетермична плазма, при която самите електрони поддържат висока температура, докато йонизираните ядра не. Това се случва например в газ с живачни пари във флуоресцентна лампа.

Не е задължително да има отделен предел между „нормален“ газ и плазма. Атомите и молекулите в даден газ могат да се йонизират в градуси, показвайки по-голяма плазмоподобна динамика, колкото по-близо е газът до пълното йонизиране. Плазмата се отличава от стандартните газове с високата си електропроводимост, фактът, че тя действа като система с два различни типа частици (положителни йони и отрицателни електрони) за разлика от система с един тип (неутрални атоми или молекули) и сблъсъци на частици и взаимодействия, които са много по-сложни от взаимодействията на „тялото на басейна“ с 2 тела в стандартен газ.

Примерите за плазма включват мълния, йоносферата на Земята, флуоресцентно осветление и газове на слънце.

Материята може да претърпи физическа промяна от една фаза или състояние в друго. Основните фактори, които влияят на тази промяна, са налягането и температурата. Като общо правило, твърдото вещество трябва да стане по-топло, за да се превърне в течност, течността трябва да стане по-топла, за да се превърне в газ, а газът да стане по-топъл, за да се йонизира и да стане плазма. Температурите, при които се извършват тези преходи, зависят от самия материал, както и от налягането. Всъщност е възможно да се премине направо от твърдо вещество към газ (това се нарича сублимация) или от газ към твърдо вещество (отлагане) при правилните условия.

Когато твърдото вещество се нагрява до точката си на топене, то се превръща в течност. Трябва да се добави топлинна енергия, за да се нагрее твърдото вещество до температурата на топене, а след това трябва да се добави допълнителна топлина, за да завърши фазовият преход, преди температурата да продължи да се повишава. Theскрита топлина на синтезе константа, свързана с всеки конкретен материал, която определя колко енергия е необходима за стопяване на единица маса от веществото.

Това работи и в другата посока. Тъй като течността се охлажда, тя трябва да отделя топлинна енергия. След като достигне точката на замръзване, той трябва да продължи да отделя енергия, за да претърпи фазовия преход, преди температурата да продължи да намалява.

Подобно поведение се получава, когато течността се нагрява до точката си на кипене. Добавя се топлинна енергия, което води до повишаване на температурата, докато започне да кипи, след което се използва добавената топлинна енергия да предизвика фазов преход и температурата на получения газ няма да се повиши, докато цялата течност не се промени фаза. Константа, нареченалатентна топлина на изпаряванеопределя за определено вещество колко енергия е необходима за промяна на фазата на веществото от течност в газ за единица маса. Латентната топлина на изпаряване на дадено вещество обикновено е много по-голяма от латентната топлина на синтез.

Химичните свойства на материята определят какви видове химически реакции или химични промени могат да възникнат. Химичните свойства се различават от физическите, тъй като изискват някаква химическа промяна, за да ги измерват.

Примерите за химични свойства включват запалимост (колко лесно е материалът да гори), реактивност (колко лесно се подлага химични реакции), стабилност (колко вероятно е да се противопоставят на химични промени) и видове връзки, които материалът може да образува с други материали.

Когато възникне химическа реакция, връзките между атомите се променят и се образуват нови вещества. Често срещаните видове химически реакции включват комбинация (при която две или повече молекули се комбинират, за да образуват нова молекула), разлагане (при което молекула се разпада на две или повече различни молекули) и горене (при което съединенията се комбинират с кислород, отделяйки значителни количества топлина - по-често наричани „изгаряне“), за да назовем малцина.