Mateeria omadused ja olekud (füüsika): ülevaade

Aine füüsikalised omadused on suure osa füüsika aluseks. Lisaks aine oleku, faasimuutuste ja keemiliste omaduste mõistmisele on aine arutamisel oluline mõista füüsikalisi suurusi, nagu tihedus (mass ruumalaühiku kohta), mass (aine kogus) ja rõhk (jõud ühiku kohta) piirkonnas).

Igapäevane asi, mis teile tuttav on, koosneb aatomitest. Seetõttu nimetatakse aatomeid tavaliselt aine ehitusmaterjalideks. Erinevaid aatomeid on üle 109 ja need tähistavad kõiki elemente perioodilisustabelis.

Aatomi kaks peamist osa on tuum ja elektronkest. Tuum on ülekaalukalt aatomi kõige raskem osa ja seal asub suurem osa massist. See on tihedalt seotud piirkond aatomi keskel ja vaatamata massile võtab see ülejäänud aatomiga võrreldes suhteliselt vähe ruumi. Tuumas on prootonid (positiivselt laetud osakesed) ja neutronid (negatiivselt laetud osakesed). Prootonite arv tuumas määrab, milline element on aatom ja selle elemendi erinevatele isotoopidele vastavad erinevad neutronite arv.

Elektronid on negatiivselt laetud osakesed, mis moodustavad tuuma ümber hajuva pilve või kesta. Neutraalselt laetud aatomi korral on elektronide arv sama, mis prootonitel. Kui arv on erinev, nimetatakse aatomit iooniks.

Molekulid on aatomid, mida hoiavad koos keemilised sidemed. Keemilisi sidemeid on kolm peamist tüüpi: ioonsed, kovalentsed ja metallilised. Ioonisidemed tekivad siis, kui negatiivne ja positiivne ioon üksteisele ligi tõmbuvad. Kovalentne side on side, milles kaks aatomit jagavad elektrone. Metallilised sidemed on sidemed, milles aatomid toimivad vabade elektronide merre kinnitatud positiivsete ioonidena.

Aatomite ja molekulide mikroskoopilised omadused toovad kaasa makroskoopilised omadused, mis määravad aine käitumise. Molekulide reaktsioon temperatuuri muutustele, sidemete tugevusele ja nii edasi viib kõik selliste omadusteni nagu spetsiifiline soojusmaht, paindlikkus, reaktsioonivõime, juhtivus ja paljud teised.

Mateeria seisund on üks paljudest võimalikest vormidest, milles mateeria võib eksisteerida. Aineid on neli: tahke, vedel, gaasiline ja plasma. Igal olekul on erinevad omadused, mis eristavad seda teistest olekutest, ja on faasisiirdeprotsesse, mille kaudu aine muutub olekust teise.

Kui mõtlete kindlale, mõtlete arvatavasti millegi kõva või kindla peale. Kuid tahked ained võivad olla ka painduvad, deformeeritavad ja vormitavad.

Tahkeid aineid eristatakse tihedalt seotud molekulide järgi. Tahkes olekus aine kipub olema tihedam kui vedelas olekus (ehkki on ka erandeid, eriti vesi). Tahked ained hoiavad oma kuju ja neil on kindel maht.

Üks tahke aine tüüp on akristallilinetahke. Kristalses tahkes aines on molekulid kogu materjalis paigutatud korduva mustrina. Kristallid on hõlpsasti tuvastatavad nende makroskoopilise geomeetria ja sümmeetria järgi.

Teine tahke aine tüüp onamorfsedtahke. See on tahke aine, milles molekulid ei ole üldse kristallvõres paigutatud. Apolükristallilinekindel on kuskil vahepeal. See koosneb sageli väikestest üksikkristallstruktuuridest, kuid ilma korduva mustrita.

Vedelikud on valmistatud molekulidest, mis võivad üksteisest hõlpsalt mööda voolata. Vesi, mida jood, õli, millega küpsetad, ja autos olev bensiin on kõik vedelikud. Erinevalt tahketest ainetest võtavad vedelikud oma anuma põhja kuju.

Kuigi vedelikud võivad erineval temperatuuril ja rõhul paisuda ja kokku tõmbuda, on need muutused sageli väikesed ja enamiku praktiliste eesmärkide saavutamiseks võib eeldada, et vedelike maht on ka kindel. Vedelikus olevad molekulid võivad üksteisest mööda voolata.

Vedeliku kalduvust pinnale kinnitumisel olla veidi kleepuvhaardumineja vedelate molekulide võimet kokku jääda (näiteks kui veetilk moodustab lehel palli) nimetatakse nn.ühtekuuluvus​.

Vedelikus sõltub rõhk sügavusest ja seetõttu tunnevad vee alla või osaliselt uppunud objektid ujuvat jõudu, mis tuleneb rõhu erinevusest eseme üla- ja alaosas. Archimedese põhimõte kirjeldab seda efekti ja selgitab, kuidas objektid vedelikes vedelevad või vajuvad. Selle võib kokku võtta väitega, et "ujuv jõud on võrdne välja tõrjutud vedeliku massiga". Sellisena sõltub ujuv jõud vedeliku tihedusest ja objekti suurusest. Vedelikust tihedamad esemed vajuvad ja vähem tihedad hõljuvad.

Gaasid sisaldavad molekule, mis saavad üksteise ümber hõlpsasti liikuda. Nad võtavad oma konteineri kogu kuju ja mahu ning paisuvad ja tõmbuvad väga kergesti kokku. Gaasi oluliste omaduste hulka kuuluvad rõhk, temperatuur ja maht. Tegelikult on need kolm kogust piisavad ideaalse gaasi makroskoopilise seisundi täielikuks kirjeldamiseks.

Ideaalne gaas on gaas, milles molekule saab ligilähedaselt punktosakestena ja milles eeldatakse, et need ei suhtle omavahel. Ideaalne gaasiseadus kirjeldab paljude gaaside käitumist ja on antud valemiga

kusPon surve,Von maht,non aine moolide arv,Ron ideaalne gaasikonstant (R= 8,3145 J / molK) jaTon temperatuur.

Selle seaduse alternatiivne sõnastus on

kusNon molekulide arv jakon Boltzmanni konstant (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (Skeptiline lugeja saab seda kontrollidanR = Nk​.)

Gaasid avaldavad ujuvat jõudu ka nendesse sukeldatud objektidele. Kui enamik igapäevaseid esemeid on tihedam kui meie ümbritsev õhk, mistõttu see ujuv jõud pole eriti märgatav, on heeliumballoon selle suurepärane näide.

Plasma on nii kuumaks muutunud gaas, et elektronid kipuvad aatomitest lahkuma, jättes positiivsed ioonid elektronmerre. Kuna plasmas on üldiselt võrdne arv positiivseid ja negatiivseid laenguid, peetakse seda kvaasineutraalne, ehkki laengute eraldamine ja lokaalne klompimine põhjustab plasma käitumist hoopis teistmoodi kui a tavaline gaas.

Plasmat mõjutavad märkimisväärselt elektri- ja magnetväljad. Need väljad ei pea olema ka välised, kuna plasmas olevad laengud tekitavad ise liikudes elektrivälju ja magnetvälju, mis üksteist mõjutavad.

Madalamatel temperatuuridel ja energiatel soovivad elektronid ja ioonid taastada neutraalsed aatomid, nii et plasma seisundi säilitamiseks on vaja kõrget temperatuuri. Siiski saab luua nn termilise plasma, kus elektronid ise hoiavad kõrget temperatuuri, samas kui ioniseeritud tuumad seda ei tee. See juhtub näiteks luminofoorlambi elavhõbeda-aurugaasis.

"Tavalise" gaasi ja plasma vahel ei ole tingimata selgelt eraldatud. Gaasis olevad aatomid ja molekulid võivad kraadide kaupa ioniseeruda, näidates rohkem plasmaga sarnast dünaamikat, seda lähemale gaas saab täielikult ioniseerida. Plasmat eristab tavalistest gaasidest kõrge elektrijuhtivus, asjaolu, et see toimib nagu süsteem, millel on kahte tüüpi osakesi (positiivsed ioonid ja negatiivsed elektronid) vastandina ühte tüüpi süsteemidele (neutraalsed aatomid või molekulid) ja osakeste kokkupõrked ja vastastikmõjud, mis on palju keerulisemad kui 2-kehalised gaas.

Plasma näited hõlmavad välku, Maa ionosfääri, fluorestsentsvalgustust ja päikese käes olevaid gaase.

Mateeria võib füüsiliselt muutuda ühest faasist või olekust teise. Peamised tegurid, mis seda muutust mõjutavad, on rõhk ja temperatuur. Üldreeglina peab tahke aine muutuma vedelaks muutumiseks soojemaks, vedelik peab muutuma gaasiks muutumiseks soojemaks ja gaas peab muutuma soojemaks, et ioniseeruda ja muutuda plasmaks. Nende üleminekute temperatuurid sõltuvad nii materjalist endast kui ka rõhust. Tegelikult on õigetes tingimustes võimalik minna otse tahkest ainest gaasiks (seda nimetatakse sublimatsiooniks) või gaasist tahkeks (ladestumine).

Kui tahke aine kuumutatakse selle sulamistemperatuurini, muutub see vedelaks. Tahke aine kuumutamiseks sulamistemperatuurini tuleb lisada soojusenergiat ja seejärel tuleb faasi ülemineku lõpuleviimiseks lisada veel soojust, enne kui temperatuur võib jätkata tõusu. Thevarjatud termotuumasünteeson iga konkreetse materjaliga seotud konstant, mis määrab, kui palju energiat on vaja aine massiühiku sulatamiseks.

See töötab ka teises suunas. Vedeliku jahtudes peab see andma soojusenergiat. Kui see on jõudnud külmumispunkti, peab ta enne temperatuuri langemist jätkama faasi üleminekuks energia eraldamist.

Sarnane käitumine toimub vedeliku kuumutamisel keemiseni. Lisatakse soojusenergiat, mis põhjustab temperatuuri tõusu, kuni see hakkab keema, sel ajal kasutatakse lisatud soojusenergiat faasimuutuse tekitamiseks ja tekkiva gaasi temperatuur ei tõuse enne, kui kogu vedelik on muutunud faas. Konstant nimegavarjatud aurustumissoojusmäärab konkreetse aine jaoks, kui palju energiat on vaja aine faasi muutmiseks vedelast gaasiks massiühiku kohta. Aine varjatud soojus on tavaliselt palju suurem kui varjatud sulamissoojus.

Aine keemilised omadused määravad ära, mis tüüpi keemilised reaktsioonid või keemilised muutused võivad toimuda. Keemilised omadused erinevad füüsikalistest omadustest selle poolest, et nende mõõtmiseks on vaja mingisuguseid keemilisi muutusi.

Keemiliste omaduste hulka kuuluvad süttivus (kui kergesti on materjalil võimalik põleda), reaktsioonivõime (kui kergesti see läbib materjali) keemilised reaktsioonid), stabiilsus (kui tõenäoline on keemilistele muutustele vastupidavus) ja sidemete tüübid, mida materjal võib koos teistega moodustada materjalid.

Keemilise reaktsiooni toimumisel muutuvad aatomite vahelised sidemed ja moodustuvad uued ained. Keemiliste reaktsioonide levinumad tüübid on kombinatsioon (milles kaks või enam molekuli ühenduvad uue molekuli moodustamiseks), lagunemine (mille korral molekul laguneb kaheks või rohkem erinevaid molekule) ja põlemine (milles ühendid kombineeruvad hapnikuga, eraldades märkimisväärses koguses soojust - mida tavaliselt nimetatakse põlemiseks), et nimetada vähe.