Anyag tulajdonságai és állapota (fizika): áttekintés

Az anyag fizikai tulajdonságai mögött a fizika áll. Az anyag állapotának, a fázisváltozásoknak és a kémiai tulajdonságoknak a megértése mellett az anyag tárgyalásakor fontos megérteni a fizikai mennyiségeket, például a sűrűséget (térfogategységre jutó tömeg), a tömeget (anyagmennyiség) és a nyomást (egységenkénti erő) terület).

A mindennapi ügy atomokból áll. Ezért nevezik az atomokat általában az anyag építőköveinek. Több mint 109 különböző típusú atom található, és ezek a periódusos rendszer összes elemét képviselik.

Az atom két fő része a mag és az elektronhéj. A mag messze az atom legnehezebb része, és ott van a tömeg legnagyobb része. Ez egy szorosan kötött régió az atom közepén, tömegének ellenére viszonylag kevés helyet foglal el az atom többi részéhez képest. A magban vannak protonok (pozitív töltésű részecskék) és neutronok (negatív töltésű részecskék). A magban lévő protonok száma határozza meg, hogy melyik elem az atom, és különböző számú neutron felel meg az elem különböző izotópjainak.

Az elektronok negatív töltésű részecskék, amelyek diffúz felhőt vagy héjat képeznek a mag körül. Semleges töltésű atomban az elektronok száma megegyezik a protonok számával. Ha a szám eltér, akkor az atomot ionnak nevezzük.

A molekulák olyan atomok, amelyeket kémiai kötések tartanak össze. A kémiai kötéseknek három fő típusa van: ionos, kovalens és fémes. Az ionos kötések akkor keletkeznek, amikor negatív és pozitív ion vonzódik egymáshoz. A kovalens kötés olyan kötés, amelyben két atom osztozik elektronon. A fémes kötések olyan kötések, amelyekben az atomok pozitív ionokként hatnak a szabad elektronok tengerébe ágyazva.

Az atomok és molekulák mikroszkopikus tulajdonságai olyan makroszkopikus tulajdonságokat eredményeznek, amelyek meghatározzák az anyag viselkedését. A molekulák reakciója a hőmérséklet változására, a kötések erősségére és így tovább mind olyan tulajdonságokhoz vezet, mint a fajlagos hőteljesítmény, rugalmasság, reaktivitás, vezetőképesség és még sok más.

Az anyag állapota a sok lehetséges különféle forma egyike, amelyekben az anyag létezhet. Az anyagnak négy állapota van: szilárd, folyékony, gáz és plazma. Minden államnak külön tulajdonságai vannak, amelyek megkülönböztetik a többi állapottól, és vannak olyan fázisátmeneti folyamatok, amelyek révén az anyag egyik állapotból a másikba változik.

Ha szilárdra gondolsz, akkor valószínűleg valami keményre vagy határozottra gondolsz valamilyen módon. De a szilárd anyagok rugalmasak, deformálhatók és alakíthatók is.

A szilárd anyagokat szorosan kötött molekulájuk különbözteti meg. Az anyag szilárd állapotában általában sűrűbb, mint amikor folyékony állapotban van (bár vannak kivételek, nevezetesen a víz). A szilárd anyagok megtartják alakjukat és rögzített térfogattal rendelkeznek.

A szilárd anyagok egyik fajtája akristályosszilárd. Kristályos szilárd anyagban a molekulák ismétlődő mintázatban vannak elrendezve az egész anyagban. A kristályok makroszkopikus geometriájuk és szimmetriájuk alapján könnyen azonosíthatók.

A szilárd anyagok másik típusa azamorfszilárd. Ez egy szilárd anyag, amelyben a molekulák egyáltalán nincsenek elrendezve kristályrácsban. Apolikristályosszilárd valahol a kettő között van. Gyakran kis, egykristályos szerkezetekből áll, de ismétlődő minta nélkül.

A folyadékok olyan molekulákból készülnek, amelyek könnyen átfolyhatnak egymás mellett. Az ivott víz, az olaj, amellyel főz, és az autóban lévő benzin folyadék. A szilárd anyagokkal ellentétben a folyadékok a tartályuk aljának alakját veszik fel.

Noha a folyadékok különböző hőmérsékleteken és nyomásokon tágulhatnak és összehúzódhatnak, ezek a változások gyakran kicsiek, és a legtöbb gyakorlati szempontból feltételezhető, hogy a folyadékok térfogata is fix. A folyadékban lévő molekulák átfolyhatnak egymás mellett.

A folyadék hajlandóságát arra, hogy kissé „ragadós” legyen, ha egy felülethez kapcsolódiktapadás, és a folyékony molekulák azon képességét, hogy összetapadjanak (például amikor egy vízcsepp gömböt képez a levélen), ún.kohézió​.

Egy folyadékban a nyomás a mélységtől függ, és emiatt az elmerült vagy részben elmerülő tárgyak felhajtó erőt fognak érezni a tárgy tetején és alján lévő nyomáskülönbség miatt. Archimédész elve leírja ezt a hatást, és elmagyarázza, hogyan lebegnek vagy süllyednek a tárgyak a folyadékokban. Összefoglalható azzal a kijelentéssel, hogy „a felhajtó erő megegyezik a kiszorított folyadék tömegével”. Mint ilyen, a felhajtóerő a folyadék sűrűségétől és a tárgy méretétől függ. A folyadéknál sűrűbb tárgyak elsüllyednek, a kevésbé sűrűek pedig lebegnek.

A gázok olyan molekulákat tartalmaznak, amelyek könnyen mozoghatnak egymás körül. Tartályuk teljes alakját és térfogatát átveszik, és nagyon könnyen kitágulhatnak és összehúzódnak. A gáz fontos tulajdonságai közé tartozik a nyomás, a hőmérséklet és a térfogat. Valójában ez a három mennyiség elegendő egy ideális gáz makroszkopikus állapotának teljes leírására.

Az ideális gáz olyan gáz, amelyben a molekulák közelíthetők pontrészecskékké, és amelyben feltételezik, hogy nem lépnek kölcsönhatásba egymással. Az ideális gáztörvény sok gáz viselkedését írja le, és a képlet adja meg

holPa nyomás,Vkötet,naz anyag móljainak száma,Raz ideális gázállandó (R= 8,3145 J / molK) ésTa hőmérséklet.

E törvény alternatív megfogalmazása az

holNa molekulák száma éskBoltzmann állandója (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (Ezt egy szkeptikus olvasó igazolhatjanR = Nk​.)

A gázok felhajtó erőket is kifejtenek a beléjük merülő tárgyakra. Míg a legtöbb mindennapi tárgy sűrűbb, mint a körülöttünk lévő levegő, így ez a lendületes erő nem nagyon érezhető, a hélium lufi ennek tökéletes példája.

A plazma olyan gáz, amely annyira felmelegedett, hogy az elektronok hajlamosak elhagyni az atomokat, pozitív ionokat hagyva az elektronok tengerében. Mivel a plazmában összességében ugyanannyi pozitív és negatív töltés van, úgy tekintjük kvázi semleges, bár a töltések szétválasztása és lokális összecsapódása miatt a plazma egészen másképp viselkedik, mint az a rendes gáz.

A plazmát jelentősen befolyásolják az elektromos és mágneses mezők. Ezeknek a mezőknek sem kell külsőnek lenniük, mivel a plazmában levő töltések mozgásuk során elektromos mezőket és mágneses mezőket hoznak létre, amelyek befolyásolják egymást.

Alacsonyabb hőmérsékleten és energián az elektronok és ionok semleges atomokká akarnak rekombinálódni, ezért a plazma állapot fenntartásához általában magas hőmérsékletre van szükség. Ugyanakkor úgynevezett nem termikus plazma hozható létre, ahol az elektronok maguk tartják magas hőmérsékletet, míg az ionizált magok nem. Ez például egy fluoreszcens lámpa higanygőz-gázában történik.

A "normális" gáz és a plazma között nem feltétlenül van külön határ. A gázban lévő atomok és molekulák fokozatosan ionizálódhatnak, annál nagyobb plazma dinamikát mutatnak, minél közelebb kerül a gáz teljes ionizálásához. A plazmát a normál gázoktól nagy elektromos vezetőképessége különbözteti meg, mivel két különböző típusú részecskével (pozitív ionokkal és negatív elektronokkal) rendelkező rendszerként működik. szemben egy típusú (semleges atomokkal vagy molekulákkal) rendszerrel, és részecskeütközésekkel és kölcsönhatásokkal, amelyek sokkal bonyolultabbak, mint a 2-testes „pool ball” kölcsönhatások egy standardban gáz.

A plazma példái közé tartoznak a villámok, a Föld ionoszféra, fluoreszcens világítás és a nap gázai.

Az anyag fizikai változáson megy keresztül egyik fázisból vagy állapotból a másikba. A fő tényezők, amelyek befolyásolják ezt a változást, a nyomás és a hőmérséklet. Általános szabály, hogy a szilárd anyagnak melegebbé kell válnia, hogy folyadékká váljon, a folyadéknak melegebbé kell válnia, hogy gázzá alakuljon, és a gáznak melegebbé kell válnia, hogy ionizálódjon és plazmává váljon. Az átmenetek hőmérséklete magától az anyagtól és a nyomástól függ. Valójában megfelelő körülmények között lehet szilárd anyagból egyenesen gázzá (ezt szublimációnak nevezzük) vagy gázból szilárd anyaggá (lerakódássá) menni.

Amikor egy szilárd anyagot olvadáspontjáig melegítenek, folyadékká válik. Hőenergiát kell adni ahhoz, hogy a szilárd anyag felolvadjon az olvadási hőmérsékletre, majd további hőt kell adni a fázisátmenet befejezéséhez, mielőtt a hőmérséklet tovább emelkedhet. Alátens fúziós hőminden egyes anyaghoz tartozó állandó, amely meghatározza, hogy mennyi energia szükséges az anyag egységnyi tömegének megolvadásához.

Ez a másik irányban is működik. A folyadék hűlésével hőenergiát kell leadnia. Amint eléri a fagyáspontot, folytatnia kell az energia leadását annak érdekében, hogy átmenjen a fázisátmeneten, mielőtt a hőmérséklet tovább csökkenhet.

Hasonló viselkedés fordul elő, ha egy folyadékot forráspontjáig melegítenek. Hőenergiát adunk hozzá, aminek következtében a hőmérséklet emelkedni kezd, amíg forrni kezd, ekkor a hozzáadott hőenergia felhasználásra kerül hogy a fázisátmenet létrejöjjön, és a keletkező gáz hőmérséklete addig nem emelkedik, amíg az összes folyadék meg nem változik fázis. Egy állandónak hívjáklátens párolgási hőmeghatározza egy adott anyag esetében, hogy mennyi energiára van szükség az anyag fázisának folyadékról gázra váltására tömegegységenként. Az anyag látens párolgási hője általában sokkal nagyobb, mint a látens fúziós hő.

Az anyag kémiai tulajdonságai határozzák meg, hogy milyen típusú kémiai reakciók vagy kémiai változások történhetnek. A kémiai tulajdonságok abban különböznek a fizikai tulajdonságoktól, hogy valamilyen kémiai változást igényelnek a mérésükhöz.

A kémiai tulajdonságokra példaként említhető az éghetőség (milyen könnyen éghet egy anyag), reakcióképesség (milyen könnyen megy át) kémiai reakciók), a stabilitás (mennyire valószínű, hogy ellenáll a kémiai változásoknak) és a kötések típusai, amelyeket az anyag másokkal kialakíthat anyagok.

Amikor kémiai reakció következik be, az atomok közötti kötések megváltoznak, és új anyagok keletkeznek. A kémiai reakciók gyakori típusai közé tartozik a kombináció (amelyben két vagy több molekula egyesülve új molekulát képez), a bomlás (amelyben egy molekula kettéválik vagy több különböző molekula) és az égés (amelyben a vegyületek oxigénnel kombinálódva jelentős mennyiségű hőt szabadítanak fel - általában „égésnek” neveznek) a kevés.