Egenskaber og forhold i forhold (fysik): en oversigt

Materiens fysiske egenskaber ligger til grund for meget af fysikken. Ud over at forstå materietilstande, faseændringer og kemiske egenskaber, når det diskuteres stof, er det vigtigt at forstå fysiske størrelser som massefylde (masse pr. volumenhed), masse (mængde stof) og tryk (kraft pr. enhed areal).

Den daglige sag, end du er bekendt med, er lavet af atomer. Dette er grunden til, at atomer ofte kaldes materiens byggesten. Der er mere end 109 forskellige atomer, og de repræsenterer alle elementer i det periodiske system.

De to hoveddele af atomet er kernen og elektronskallen. Kernen er langt den tungeste del af atomet og er, hvor størstedelen af ​​massen er. Det er et tæt bundet område i centrum af atomet, og på trods af dets masse optager det relativt lidt plads i forhold til resten af ​​atomet. I kernen er protoner (positivt ladede partikler) og neutroner (negativt ladede partikler). Antallet af protoner i kernen bestemmer, hvilket element atomet er, og forskellige antal neutroner svarer til forskellige isotoper af dette element.

Elektronerne er negativt ladede partikler, der danner en diffus sky eller skal omkring kernen. I et neutralt ladet atom er antallet af elektroner det samme som antallet af protoner. Hvis antallet er forskelligt, kaldes atomet en ion.

Molekyler er atomer, der holdes sammen af ​​kemiske bindinger. Der er tre hovedtyper af kemiske bindinger: ionisk, kovalent og metallisk. Ioniske bindinger opstår, når en negativ og positiv ion tiltrækkes af hinanden. En kovalent binding er en binding, hvor to atomer deler elektroner. Metalliske bindinger er bindinger, hvor atomerne fungerer som positive ioner indlejret i et hav af frie elektroner.

Atomers og molekylers mikroskopiske egenskaber giver anledning til de makroskopiske egenskaber, der bestemmer materialets opførsel. Molekylernes reaktion på ændringer i temperatur, bindingenes styrke og så videre fører alle til egenskaber som specifik varmekapacitet, fleksibilitet, reaktivitet, ledningsevne og mange andre.

En tilstand af stof er en af ​​mange mulige forskellige former, som stof kan eksistere i. Der er fire tilstande af stof: fast stof, væske, gas og plasma. Hver tilstand har forskellige egenskaber, der adskiller den fra de andre tilstande, og der er faseovergangsprocesser, hvorved stof skifter fra en tilstand til en anden.

Når du tænker på et solidt, tænker du sandsynligvis på noget hårdt eller fast på en eller anden måde. Men faste stoffer kan også være fleksible, deformerbare og formbare.

Tørstof er kendetegnet ved deres tætbundne molekyler. Materiale i fast tilstand har tendens til at være mere tæt, end når det er i flydende tilstand (selvom der er undtagelser, især vand). Tørstof holder deres form og har et fast volumen.

En type fast stof er enkrystallinsksolid. I et krystallinsk fast stof er molekylerne arrangeret i et gentaget mønster i hele materialet. Krystaller kan let identificeres ved deres makroskopiske geometri og symmetrier.

En anden type fast stof er enamorfsolid. Dette er et fast stof, hvor molekylerne overhovedet ikke er arrangeret i et krystalgitter. ENpolykrystallinsksolid er et sted imellem. Det er ofte sammensat af små enkeltkrystalstrukturer, men uden et gentaget mønster.

Væsker er lavet af molekyler, der let kan strømme forbi hinanden. Det vand, du drikker, den olie, du laver mad med, og benzin i din bil er alle væsker. I modsætning til faste stoffer har væsker form af bunden af ​​deres beholder.

Selvom væsker kan ekspandere og trække sig sammen ved forskellige temperaturer og tryk, er disse ændringer ofte små, og til de fleste praktiske formål kan væsker også antages at have et fast volumen. Molekylerne i en væske kan strømme forbi hinanden.

En væskes tilbøjelighed til at være lidt "klæbrig", når den er fastgjort til en overflade kaldesvedhæftningog flydende molekylers evne til at holde sammen (f.eks. når en vanddråbe danner en kugle på et blad) kaldessamhørighed​.

I en væske afhænger trykket af dybden, og på grund af dette vil neddykkede eller delvist neddykkede genstande føle en opdriftskraft på grund af forskellen i tryk på toppen og bunden af ​​objektet. Archimedes 'princip beskriver denne effekt og forklarer, hvordan genstande flyder eller synker i væsker. Det kan sammenfattes med udsagnet om, at "den flydende kraft er lig med vægten af ​​fortrængt væske." Som sådan afhænger den flydende kraft af væskens densitet og genstandens størrelse. Objekter, der er mere tætte end væsken, vil synke, og de, der er mindre tætte, vil flyde.

Gasser indeholder molekyler, der let kan bevæge sig rundt om hinanden. De tager den fulde form og volumen af ​​deres container og udvides og trækkes meget let. Vigtige egenskaber ved en gas inkluderer tryk, temperatur og volumen. Faktisk er disse tre mængder tilstrækkelige til fuldstændigt at beskrive den makroskopiske tilstand af en ideel gas.

En ideel gas er en gas, hvor molekylerne kan tilnærmes som punktpartikler, og hvor det antages, at de ikke interagerer med hinanden. Den ideelle gaslov beskriver adfærd for mange gasser og er givet ved formlen

hvorPer pres,Ver volumen,ner antallet af mol af et stofRer den ideelle gaskonstant (R= 8,3145 J / molK) ogTer temperatur.

En alternativ formulering af denne lov er

hvorNer antallet af molekyler ogker Boltzmanns konstant (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (En skeptisk læser kan bekræfte detnR = Nk​.)

Gasser udøver også flydende kræfter på genstande nedsænket i dem. Mens de fleste hverdagsgenstande er tættere end luften omkring os, hvilket gør denne opdriftskraft ikke særlig mærkbar, er en heliumballon et perfekt eksempel på dette.

Plasma er en gas, der er blevet så varm, at elektronerne har tendens til at forlade atomerne og efterlader positive ioner i et hav af elektroner. Fordi der er et lige stort antal positive og negative ladninger i plasmaet generelt, betragtes det kvasi-neutral, selvom adskillelse og lokal sammenklumpning af ladninger får plasmaet til at opføre sig meget anderledes end en regelmæssig gas.

Plasma påvirkes markant af elektriske og magnetiske felter. Disse felter behøver heller ikke at være eksterne, da ladningerne i selve plasmaet skaber elektriske felter og magnetfelter, når de bevæger sig, hvilket påvirker hinanden.

Ved lavere temperaturer og energier vil elektronerne og ionerne rekombineres til neutrale atomer, så for at en plasmatilstand opretholdes, kræves der generelt høje temperaturer. Imidlertid kan der dannes såkaldt ikke-termisk plasma, hvor elektronerne selv opretholder en høj temperatur, mens de ioniserede kerner ikke gør det. Dette sker f.eks. I kviksølvdampgas i en lysstofrør.

Der er ikke nødvendigvis en tydelig afskæring mellem en "normal" gas og plasma. Atomer og molekyler i en gas kan blive ioniseret gradvist, hvilket viser mere plasmalike dynamik jo tættere gassen kommer på at blive fuldt ioniseret. Plasma skelnes fra standardgasser ved sin høje elektriske ledningsevne, det faktum, at det fungerer som et system med to forskellige typer partikler (positive ioner og negative elektroner) i modsætning til et system med en type (neutrale atomer eller molekyler) og partikelkollisioner og interaktioner, der er meget mere komplekse end 2-krops "poolkugle" -interaktioner i en standard gas.

Eksempler på plasma inkluderer lyn, Jordens ionosfære, lysstofrør og gasser i solen.

Materiale kan gennemgå en fysisk ændring fra en fase eller tilstand til en anden. De vigtigste faktorer, der påvirker denne ændring, er tryk og temperatur. Som hovedregel skal et fast stof blive varmere for at blive til en væske, en væske skal blive varmere for at blive til en gas, og en gas skal blive varmere for at blive ioniseret og blive et plasma. Temperaturerne, hvor disse overgange forekommer, afhænger af selve materialet såvel som trykket. Faktisk er det muligt at gå direkte fra et fast stof til en gas (dette kaldes sublimering) eller fra en gas til et fast stof (aflejring) under de rette forhold.

Når et fast stof opvarmes til dets smeltepunkt, bliver det en væske. Varmeenergi skal tilsættes for at varme det faste stof op til smeltetemperaturen, og derefter skal der tilføjes yderligere varme for at afslutte faseovergangen, før temperaturen kan fortsætte med at stige. Detlatent fusionsvarmeer en konstant forbundet med hvert bestemt materiale, der bestemmer, hvor meget energi der kræves for at smelte en massemasse af stoffet.

Dette fungerer også i den anden retning. Når en væske afkøles, skal den afgive varmeenergi. Når den når frysepunktet, skal den fortsætte med at afgive energi for at gennemgå faseovergangen, før temperaturen kan fortsætte med at sænke.

Lignende opførsel opstår, når en væske opvarmes til kogepunktet. Varmeenergi tilføjes, hvilket får temperaturen til at stige, indtil den begynder at koge, på hvilket tidspunkt den ekstra varmeenergi bruges for at forårsage faseovergangen, og temperaturen på den resulterende gas vil ikke stige, før al væsken er ændret fase. En konstant kaldetlatent fordampningsvarmebestemmer, for et bestemt stof, hvor meget energi der kræves for at ændre stoffets fase fra væske til gas pr. masseenhed. Den latente fordampningsvarme for et stof er generelt meget større end den latente fusionsvarme.

Kemiske egenskaber af stof bestemmer, hvilke typer kemiske reaktioner eller kemiske ændringer der kan forekomme. Kemiske egenskaber adskiller sig fra fysiske egenskaber, da de kræver en slags kemisk ændring for at måle dem.

Eksempler på kemiske egenskaber inkluderer antændelighed (hvor let det er for et materiale at brænde), reaktivitet (hvor let det gennemgår kemiske reaktioner), stabilitet (hvor sandsynligt det er at modstå kemisk ændring) og typer af bindinger, materialet kan danne med andre materialer.

Når en kemisk reaktion opstår, ændres bindingerne mellem atomer, og der dannes nye stoffer. Almindelige typer kemiske reaktioner inkluderer kombination (hvor to eller flere molekyler kombineres for at danne et nyt molekyle), nedbrydning (hvor et molekyle brydes fra hinanden i to eller flere forskellige molekyler) og forbrænding (hvor forbindelser kombineres med ilt og frigiver betydelige mængder varme - mere almindeligt benævnt "forbrænding") for at navngive en få.