Svojstva i stanja materije (fizika): pregled

Fizička svojstva materije temelj su većine fizike. Uz razumijevanje stanja materije, promjena faza i kemijskih svojstava, važno je i kada se raspravlja o materiji razumjeti fizičke veličine kao što su gustoća (masa po jedinici volumena), masa (količina tvari) i tlak (sila po jedinici područje).

Svakodnevna stvar koja vam je poznata sastoji se od atoma. Zbog toga se atomi obično nazivaju građevni blokovi materije. Postoji više od 109 različitih vrsta atoma i oni predstavljaju sve elemente na periodnom sustavu.

Dva glavna dijela atoma su jezgra i elektronska ljuska. Jezgra je do sada najteži dio atoma i nalazi se tamo gdje je većina mase. To je čvrsto povezano područje u središtu atoma, i unatoč svojoj masi, zauzima relativno malo prostora u usporedbi s ostatkom atoma. U jezgri su protoni (pozitivno nabijene čestice) i neutroni (negativno nabijene čestice). Broj protona u jezgri određuje koji je element atom, a različiti brojevi neutrona odgovaraju različitim izotopima tog elementa.

Elektroni su negativno nabijene čestice koje stvaraju difuzni oblak ili ljusku oko jezgre. U neutralno nabijenom atomu broj elektrona jednak je broju protona. Ako je broj drugačiji, atom se naziva ionom.

Molekule su atomi koji se drže zajedno kemijskim vezama. Tri su glavne vrste kemijskih veza: ionska, kovalentna i metalna. Jonske veze nastaju kada se negativni i pozitivni ion međusobno privlače. Kovalentna veza je veza u kojoj dva atoma dijele elektrone. Metalne veze su veze u kojima atomi djeluju poput pozitivnih iona ugrađenih u more slobodnih elektrona.

Iz mikroskopskih svojstava atoma i molekula nastaju makroskopska svojstva koja određuju ponašanje materije. Odgovor molekula na promjene temperature, čvrstoću veza i tako dalje dovode do svojstava poput specifičnog toplinskog kapaciteta, fleksibilnosti, reaktivnosti, vodljivosti i mnogih drugih.

Stanje materije jedan je od mnogih mogućih različitih oblika u kojima materija može postojati. Postoje četiri stanja materije: kruto, tekuće, plinsko i plazmeno. Svaka država ima različita svojstva koja je razlikuju od ostalih stanja, a postoje procesi faznog prijelaza kojima se materija mijenja iz jednog stanja u drugo.

Kad razmišljate o čvrstom materijalu, vjerojatno na neki način mislite na nešto tvrdo ili čvrsto. Ali čvrste tvari također mogu biti fleksibilne, deformabilne i podatne.

Čvrste tvari razlikuju se po čvrsto povezanim molekulama. Materija u čvrstom stanju obično je gušća nego kad je u tekućem stanju (iako postoje iznimke, ponajviše voda). Čvrste tvari imaju oblik i imaju fiksni volumen.

Jedna vrsta krutine je akristalnasolidan. U kristalnoj krutini molekule su poredane u ponavljajućem uzorku po cijelom materijalu. Kristale je lako prepoznati makroskopskom geometrijom i simetrijom.

Druga vrsta krutina jeamorfnisolidan. Ovo je krutina u kojoj molekule uopće nisu raspoređene u kristalnu rešetku. Apolikristalnisolid je negdje između. Često se sastoji od malih, monokristalnih struktura, ali bez ponavljajućeg uzorka.

Tekućine se sastoje od molekula koje mogu lako teći jedna pored druge. Voda koju pijete, ulje s kojim kuhate i benzin u vašem automobilu sve su tekućine. Za razliku od krutina, tekućine poprimaju oblik dna spremnika.

Iako se tekućine mogu širiti i skupljati na različitim temperaturama i tlakovima, te su promjene često male, a za većinu praktičnih svrha može se pretpostaviti da i tekućine imaju fiksni volumen. Molekule u tekućini mogu teći jedna pored druge.

Nazvana je sklonost tekućine da bude blago "ljepljiva" kada je pričvršćena na površinuprianjanje, a sposobnost molekula tekućine da se žele držati zajedno (na primjer kada kapljica vode tvori kuglicu na listu) naziva sekohezija​.

U tekućini tlak ovisi o dubini i zbog toga će potopljeni ili djelomično potopljeni predmeti osjećati poletnu silu zbog razlike u tlaku na vrhu i dnu predmeta. Arhimedov princip opisuje ovaj učinak i objašnjava kako predmeti lebde ili tonu u tekućinama. To se može sažeti izjavom da je "uzlazna sila jednaka težini istisnute tekućine." Kao takva, sila uzgona ovisi o gustoći tekućine i veličini predmeta. Predmeti koji su gušći od tekućine potonuti će, a oni koji su manje gusti plutat će.

Plinovi sadrže molekule koje se lako mogu kretati jedna oko druge. Preuzimaju puni oblik i volumen svoje posude te se vrlo lako šire i skupljaju. Važna svojstva plina uključuju tlak, temperaturu i volumen. Zapravo, ove tri količine dovoljne su za potpuno opisivanje makroskopskog stanja idealnog plina.

Idealan plin je plin u kojem se molekule mogu aproksimirati kao točkaste čestice i u kojem se pretpostavlja da međusobno ne djeluju. Zakon idealnog plina opisuje ponašanje mnogih plinova i dan je formulom

gdjeStrje pritisak,Vje volumen,nje broj molova tvari,Rje idealna plinska konstanta (R= 8,3145 J / molK) iTje temperatura.

Alternativna formulacija ovog zakona je

gdjeNje broj molekula ikje Boltzmannova konstanta (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (Skeptični čitatelj to može provjeritinR = Nk​.)

Plinovi također vrše poletne sile na predmete uronjene u njih. Iako je većina svakodnevnih predmeta gušća od zraka oko nas, čineći ovu uzlaznu silu neprimjetnom, helijev balon savršen je primjer za to.

Plazma je plin koji se toliko zagrijao da elektroni nastoje napustiti atome, ostavljajući pozitivne ione u moru elektrona. Budući da u cjelini postoji jednak broj pozitivnih i negativnih naboja, smatra se kvazi neutralan, iako razdvajanje i lokalno nakupljanje naboja uzrokuje da se plazma ponaša vrlo drugačije od a redoviti plin.

Na plazmu značajno utječu električna i magnetska polja. Ni ta polja ne trebaju biti vanjska, jer naboji u samoj plazmi stvaraju električna polja i magnetska polja dok se kreću, a koja utječu jedno na drugo.

Pri nižim temperaturama i energijama, elektroni i ioni žele se rekombinirati u neutralne atome, pa je za održavanje plazme općenito potrebna visoka temperatura. Međutim, takozvana netermalna plazma može se stvoriti tamo gdje sami elektroni održavaju visoku temperaturu, a ionizirane jezgre ne. To se, na primjer, događa u plinu sa živinom parom u fluorescentnoj žarulji.

Ne postoji nužno različit presjek između "normalnog" plina i plazme. Atomi i molekule u plinu mogu se ionizirati stupnjevima, pokazujući veću dinamiku nalik plazmi što je plin bliži potpunom ioniziranju. Plazma se od standardnih plinova razlikuje po visokoj električnoj vodljivosti, činjenici da djeluje poput sustava s dvije različite vrste čestica (pozitivni ioni i negativni elektroni) za razliku od sustava s jednim tipom (neutralni atomi ili molekule) i sudari čestica i interakcije koji su mnogo složeniji od interakcija "kuglice u bazenu" s 2 tijela u standardnom plin.

Primjeri plazme uključuju munje, Zemljinu ionosferu, fluorescentno osvjetljenje i plinove na suncu.

Materija može proći fizičku promjenu iz jedne faze ili stanja u drugu. Glavni čimbenici koji utječu na ovu promjenu su tlak i temperatura. Općenito, krutina mora postati toplija da bi se pretvorila u tekućinu, tekućina mora postati toplija da bi se pretvorila u plin, a plin mora postati topliji da bi se ionizirao i postao plazma. Temperature na kojima se događaju ti prijelazi ovise o samom materijalu, kao i o tlaku. Zapravo je moguće prijeći ravno iz krutine u plin (to se naziva sublimacija) ili iz plina u krutinu (taloženje) pod pravim uvjetima.

Kad se krutina zagrije do točke topljenja, postaje tekućina. Za zagrijavanje krutine do temperature topljenja mora se dodati toplinska energija, a zatim se mora dodati dodatna toplina za dovršetak faznog prijelaza prije nego što temperatura nastavi rasti. Thelatentna toplina fuzijeje konstanta povezana sa svakim određenim materijalom koja određuje koliko je energije potrebno za topljenje jedinične mase tvari.

To djeluje i u drugom smjeru. Kako se tekućina hladi, mora odavati toplinsku energiju. Jednom kad dosegne točku ledišta, mora nastaviti izdavati energiju kako bi prošao fazni prijelaz prije nego što temperatura nastavi spuštati.

Slično se događa kada se tekućina zagrije do točke vrenja. Dodaje se toplinska energija, što uzrokuje porast temperature, sve dok ne počne ključati, a u tom se trenutku koristi dodana toplinska energija da bi se izazvao fazni prijelaz, a temperatura nastalog plina neće rasti dok se sva tekućina ne promijeni faza. Konstanta koja se nazivalatentna toplina isparavanjaodređuje, za određenu tvar, koliko je energije potrebno za promjenu faze tvari iz tekućine u plin po jedinici mase. Latentna toplina isparavanja za tvar općenito je mnogo veća od latentne topline fuzije.

Kemijska svojstva tvari određuju koje vrste kemijskih reakcija ili kemijskih promjena mogu nastati. Kemijska svojstva razlikuju se od fizičkih svojstava po tome što zahtijevaju neku vrstu kemijskih promjena kako bi ih se izmjerilo.

Primjeri kemijskih svojstava uključuju zapaljivost (koliko je lako materijal gori), reaktivnost (koliko je lako podložan kemijske reakcije), stabilnost (koliko je vjerojatno da će se oduprijeti kemijskim promjenama) i vrste veza koje materijal može stvoriti s drugim materijali.

Kada se dogodi kemijska reakcija, veze između atoma se mijenjaju i stvaraju se nove tvari. Uobičajene vrste kemijskih reakcija uključuju kombinaciju (u kojoj se dvije ili više molekula kombiniraju da bi stvorile novu molekulu), razgradnju (u kojoj se molekula raspada na dvije ili više različitih molekula) i izgaranje (u kojem se spojevi kombiniraju s kisikom, oslobađajući značajne količine topline - što se češće naziva "izgaranjem") u ime nekoliko.