Vlastnosti a stavy hmoty (fyzika): Přehled

Fyzikální vlastnosti hmoty jsou základem velké části fyziky. Kromě porozumění stavům hmoty, fázovým změnám a chemickým vlastnostem je při diskusi o hmotě důležité pochopit fyzikální veličiny, jako je hustota (hmotnost na jednotku objemu), hmotnost (množství hmoty) a tlak (síla na jednotku) plocha).

Každodenní hmota, než jakou znáte, je tvořena atomy. Proto se atomům běžně říká stavební kameny hmoty. Existuje více než 109 různých typů atomů a představují všechny prvky v periodické tabulce.

Dvě hlavní části atomu jsou jádro a elektronový obal. Jádro je zdaleka nejtěžší částí atomu a je tam, kde je většina hmoty. Je to pevně svázaná oblast ve středu atomu a navzdory své hmotnosti zabírá relativně málo místa ve srovnání se zbytkem atomu. V jádře jsou protony (kladně nabité částice) a neutrony (záporně nabité částice). Počet protonů v jádru určuje, který prvek je atom, a různý počet neutronů odpovídá různým izotopům tohoto prvku.

Elektrony jsou záporně nabité částice, které kolem jádra tvoří difúzní mrak nebo obal. V neutrálně nabitém atomu je počet elektronů stejný jako počet protonů. Pokud je počet jiný, atom se nazývá ion.

Molekuly jsou atomy, které drží pohromadě chemické vazby. Existují tři hlavní typy chemických vazeb: iontové, kovalentní a kovové. Iontové vazby vznikají, když jsou navzájem přitahovány negativní a pozitivní ionty. Kovalentní vazba je vazba, ve které dva atomy sdílejí elektrony. Kovové vazby jsou vazby, ve kterých atomy fungují jako kladné ionty v moři volných elektronů.

Mikroskopické vlastnosti atomů a molekul vedou k makroskopickým vlastnostem, které určují chování hmoty. Reakce molekul na změny teploty, sílu vazeb atd. Vedou k vlastnostem, jako je specifická tepelná kapacita, flexibilita, reaktivita, vodivost a mnoho dalších.

Stav hmoty je jednou z mnoha možných odlišných forem, ve kterých může hmota existovat. Existují čtyři stavy hmoty: pevná látka, kapalina, plyn a plazma. Každý stav má odlišné vlastnosti, které jej odlišují od ostatních stavů, a existují procesy fázového přechodu, kterými se hmota mění z jednoho stavu do druhého.

Když myslíte na pevnou látku, pravděpodobně vás napadne něco tvrdého nebo pevného. Pevné látky však mohou být také pružné, deformovatelné a tvárné.

Pevné látky se vyznačují pevně vázanými molekulami. Hmota v pevném stavu má tendenci být hustší, než když je v kapalném stavu (i když existují výjimky, zejména voda). Pevné tělesa drží svůj tvar a mají pevný objem.

Jeden typ tělesa je akrystalickýpevný. V krystalické pevné látce jsou molekuly uspořádány v materiálu s opakujícím se vzorem. Krystaly jsou snadno identifikovatelné podle jejich makroskopické geometrie a symetrie.

Dalším typem pevné látky jeamorfnípevný. Jedná se o pevnou látku, ve které molekuly nejsou vůbec uspořádány v krystalové mřížce. Apolykrystalickýsolid je někde mezi. Často se skládá z malých monokrystalických struktur, ale bez opakujícího se vzoru.

Kapaliny jsou vyrobeny z molekul, které mohou snadno proudit kolem sebe. Voda, kterou pijete, olej, který vaříte, a benzín v autě jsou všechno kapaliny. Na rozdíl od pevných látek mají kapaliny tvar dna nádoby.

Ačkoli se kapaliny mohou rozpínat a smršťovat při různých teplotách a tlacích, tyto změny jsou často malé a pro většinu praktických účelů lze předpokládat, že kapaliny mají také stálý objem. Molekuly v kapalině mohou navzájem protékat.

Je nazývána tendence kapaliny být mírně „lepkavá“, když je připevněna k povrchupřilnavosta schopnost tekutých molekul chtít se držet pohromadě (například když kapka vody vytvoří kouli na listu) se nazývásoudržnost​.

V kapalině závisí tlak na hloubce, a proto ponořené nebo částečně ponořené objekty pocítí vztlakovou sílu v důsledku rozdílu tlaku na horní a dolní část objektu. Archimédův princip popisuje tento efekt a vysvětluje, jak se objekty vznášejí nebo klesají v kapalinách. Lze jej shrnout do výroku, že „vztlaková síla se rovná hmotnosti vytlačené kapaliny“. Vztlaková síla jako taková závisí na hustotě kapaliny a velikosti předmětu. Objekty, které jsou hustší než kapalina, se potopí a ty, které jsou méně husté, se budou vznášet.

Plyny obsahují molekuly, které se mohou snadno pohybovat kolem sebe. Berou celý tvar a objem svého kontejneru a velmi snadno se roztahují a stahují. Mezi důležité vlastnosti plynu patří tlak, teplota a objem. Ve skutečnosti jsou tyto tři veličiny dostatečné k úplnému popisu makroskopického stavu ideálního plynu.

Ideálním plynem je plyn, ve kterém lze molekuly přiblížit jako bodové částice a předpokládá se, že na sebe vzájemně neinteragují. Zákon ideálního plynu popisuje chování mnoha plynů a je dán vzorcem

kdePje tlak,PROTIje objem,nje počet molů látky,Rje ideální konstanta plynu (R= 8,3 145 J / molK) aTje teplota.

Alternativní formulace tohoto zákona je

kdeNje počet molekul akje Boltzmannova konstanta (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (Skeptický čtenář to může ověřitnR = Nk​.)

Plyny také vyvíjejí vztlakové síly na předměty ponořené v nich. Zatímco většina předmětů každodenní potřeby je hustší než vzduch kolem nás, takže tato vztlaková síla není příliš patrná, heliový balón je toho dokonalým příkladem.

Plazma je plyn, který se stal tak horkým, že elektrony mají tendenci opouštět atomy a zanechávat kladné ionty v moři elektronů. Protože v plazmě je celkově stejný počet kladných a záporných nábojů, je uvažováno kvazi-neutrální, ačkoli separace a místní shlukování nábojů způsobuje, že se plazma chová velmi odlišně než a běžný plyn.

Plazma je významně ovlivněna elektrickým a magnetickým polem. Ani tato pole nemusí být vnější, protože náboje v plazmě vytvářejí při svém pohybu elektrická pole a magnetická pole, která se navzájem ovlivňují.

Při nižších teplotách a energiích se elektrony a ionty chtějí rekombinovat na neutrální atomy, takže udržení stavu plazmy obecně vyžaduje vysoké teploty. Lze však vytvořit takzvanou netermální plazmu, kde elektrony samy udržují vysokou teplotu, zatímco ionizovaná jádra ne. To se děje například v plynných rtuti ve fluorescenční lampě.

Mezi „normálním“ plynem a plazmou nemusí být nutně zřetelné omezení. Atomy a molekuly v plynu se mohou ionizovat po stupních, což ukazuje více dynamiky plazmatu, čím blíže se plyn dostane k úplné ionizaci. Plazma se odlišuje od standardních plynů vysokou elektrickou vodivostí, skutečností, že působí jako systém se dvěma odlišnými typy částic (kladné ionty a záporné elektrony) na rozdíl od systému s jedním typem (neutrální atomy nebo molekuly) a srážky a interakce částic, které jsou mnohem složitější než interakce „kulové koule“ se dvěma těly ve standardu plyn.

Mezi příklady plazmy patří blesk, ionosféra Země, zářivkové osvětlení a plyny na slunci.

Hmota může projít fyzickou změnou z jedné fáze nebo stavu do druhé. Hlavními faktory, které ovlivňují tuto změnu, jsou tlak a teplota. Obecně platí, že pevná látka musí být teplejší, aby se změnila na kapalinu, kapalina musí být teplejší, aby se změnila na plyn, a plyn musí být teplejší, aby se ionizoval a stal se plazmou. Teploty, při kterých k těmto přechodům dochází, závisí na samotném materiálu a také na tlaku. Ve skutečnosti je možné za správných podmínek přejít přímo z pevné látky na plyn (tomu se říká sublimace) nebo z plynu na pevnou látku (depozice).

Když se pevná látka zahřeje na teplotu tání, stává se kapalinou. K zahřátí pevné látky na teplotu tání musí být přidána tepelná energie a poté musí být přidáno další teplo k dokončení fázového přechodu, než může teplota dále stoupat. Thelatentní teplo fúzeje konstanta spojená s každým konkrétním materiálem, která určuje, kolik energie je zapotřebí k roztavení jednotkové hmotnosti látky.

To funguje i v opačném směru. Když se kapalina ochladí, musí vydávat tepelnou energii. Jakmile dosáhne bodu mrazu, musí pokračovat v vydávání energie, aby mohl podstoupit fázový přechod, než bude teplota pokračovat ve snižování.

Podobné chování nastává, když je kapalina zahřátá na teplotu varu. Přidá se tepelná energie, což způsobí vzestup teploty, dokud nezačne vřít, a poté se přidaná tepelná energie použije aby došlo k fázovému přechodu, a teplota výsledného plynu nebude stoupat, dokud se nezmění veškerá kapalina fáze. Konstanta zvanálatentní výparné teplourčuje pro určitou látku, kolik energie je zapotřebí ke změně fáze látky z kapaliny na plyn na jednotku hmotnosti. Latentní teplo odpařování pro látku je obecně mnohem větší než latentní teplo fúze.

Chemické vlastnosti hmoty určují, jaké typy chemických reakcí nebo chemických změn mohou nastat. Chemické vlastnosti se liší od fyzikálních vlastností v tom, že pro jejich měření je nutná určitá chemická změna.

Mezi příklady chemických vlastností patří hořlavost (jak snadné je materiál hořet), reaktivita (jak snadno podléhá chemické reakce), stabilita (jak je pravděpodobné, že odolá chemickým změnám) a typy vazeb, které může materiál tvořit s jinými materiály.

Když dojde k chemické reakci, vazby mezi atomy se změní a vytvoří se nové látky. Mezi běžné typy chemických reakcí patří kombinace (ve které se dvě nebo více molekul spojí a vytvoří novou molekulu), rozklad (ve kterém se molekula rozpadne na dvě nebo více různých molekul) a spalování (při kterém se sloučeniny slučují s kyslíkem a uvolňují značné množství tepla - běžněji označované jako „spalování“), abychom pojmenovali málo.