Sifat & Keadaan Materi (Fisika): Gambaran Umum

Sifat fisik materi mendasari banyak fisika. Selain memahami keadaan materi, perubahan fasa dan sifat kimia, ketika membahas materi, penting untuk memahami besaran fisika seperti massa jenis (massa per satuan volume), massa (jumlah materi) dan tekanan (gaya per satuan) daerah).

Materi sehari-hari dari yang Anda kenal terbuat dari atom. Inilah sebabnya mengapa atom biasa disebut sebagai bahan penyusun materi. Ada lebih dari 109 jenis atom yang berbeda, dan mereka mewakili semua elemen pada tabel periodik.

Dua bagian utama atom adalah nukleus dan kulit elektron. Nukleus adalah bagian terberat dari atom sejauh ini dan merupakan tempat sebagian besar massa berada. Ini adalah wilayah yang terikat erat di pusat atom, dan terlepas dari massanya, ia membutuhkan ruang yang relatif sedikit dibandingkan dengan bagian atom lainnya. Di dalam nukleus terdapat proton (partikel bermuatan positif) dan neutron (partikel bermuatan negatif). Jumlah proton dalam nukleus menentukan unsur mana atom tersebut, dan jumlah neutron yang berbeda sesuai dengan isotop yang berbeda dari unsur tersebut.

Elektron adalah partikel bermuatan negatif yang membentuk awan difus atau cangkang di sekitar nukleus. Pada atom yang bermuatan netral, jumlah elektron sama dengan jumlah proton. Jika nomornya berbeda, atom disebut ion.

Molekul adalah atom-atom yang disatukan oleh ikatan kimia. Ada tiga jenis utama ikatan kimia: ionik, kovalen dan logam. Ikatan ionik terjadi ketika ion negatif dan ion positif saling tarik-menarik. Ikatan kovalen adalah ikatan di mana dua atom berbagi elektron. Ikatan logam adalah ikatan di mana atom bertindak seperti ion positif yang tertanam di lautan elektron bebas.

Sifat mikroskopis atom dan molekul memunculkan sifat makroskopik yang menentukan perilaku materi. Respon molekul terhadap perubahan suhu, kekuatan ikatan, dan sebagainya semuanya mengarah pada sifat-sifat seperti kapasitas panas spesifik, fleksibilitas, reaktivitas, konduktivitas, dan banyak lainnya.

Keadaan materi adalah salah satu dari banyak kemungkinan bentuk yang berbeda di mana materi dapat eksis. Ada empat keadaan materi: padat, cair, gas dan plasma. Setiap keadaan memiliki sifat berbeda yang membedakannya dari keadaan lain, dan ada proses transisi fase dimana materi berubah dari satu keadaan ke keadaan lain.

Ketika Anda memikirkan yang solid, Anda mungkin memikirkan sesuatu yang keras atau tegas dalam beberapa cara. Tetapi padatan bisa fleksibel, dapat dideformasi dan juga dapat ditempa.

Padatan dibedakan oleh molekulnya yang terikat erat. Materi dalam keadaan padat cenderung lebih padat daripada ketika dalam keadaan cair (walaupun ada pengecualian, terutama air). Benda padat mempertahankan bentuknya dan memiliki volume tetap.

Salah satu jenis benda padat adalahkristalpadat. Dalam padatan kristal, molekul disusun dalam pola berulang di seluruh materi. Kristal mudah diidentifikasi dengan geometri makroskopik dan simetrinya.

Jenis benda padat lainnya adalahamorfpadat. Ini adalah padatan di mana molekul-molekulnya tidak tersusun dalam kisi kristal sama sekali. SEBUAHpolikristalinpadat ada di antara keduanya. Hal ini sering terdiri dari kecil, struktur kristal tunggal, tetapi tanpa pola berulang.

Cairan terbuat dari molekul yang dapat mengalir dengan mudah melewati satu sama lain. Air yang Anda minum, minyak yang Anda masak, dan bensin di mobil Anda semuanya cair. Tidak seperti padatan, cairan mengambil bentuk bagian bawah wadahnya.

Meskipun cairan dapat memuai dan menyusut pada suhu dan tekanan yang berbeda, perubahan ini seringkali kecil, dan untuk sebagian besar tujuan praktis, cairan dapat diasumsikan memiliki volume tetap juga. Molekul-molekul dalam cairan dapat mengalir melewati satu sama lain.

Kecenderungan cairan untuk menjadi sedikit "lengket" ketika menempel pada permukaan disebutadhesi, dan kemampuan molekul cair untuk saling menempel (seperti ketika tetesan air membentuk bola di atas daun) disebutkohesi​.

Dalam zat cair, tekanan tergantung pada kedalaman, dan karena itu, benda yang terendam atau terendam sebagian akan merasakan gaya apung karena perbedaan tekanan di bagian atas dan bawah benda. Prinsip Archimedes menjelaskan efek ini dan menjelaskan bagaimana benda mengapung atau tenggelam dalam cairan. Hal ini dapat diringkas dengan pernyataan bahwa "gaya apung sama dengan berat cairan yang dipindahkan." Dengan demikian, gaya apung tergantung pada massa jenis cairan dan ukuran benda. Benda yang lebih rapat dari zat cair akan tenggelam, dan benda yang kurang rapat akan mengapung.

Gas mengandung molekul yang dapat bergerak dengan mudah di sekitar satu sama lain. Mereka mengambil bentuk dan volume penuh dari wadah mereka dan sangat mudah mengembang dan mengerut. Sifat penting dari gas meliputi tekanan, suhu dan volume. Faktanya, ketiga kuantitas ini cukup untuk menggambarkan keadaan makroskopik gas ideal secara lengkap.

Gas ideal adalah gas yang molekul-molekulnya dapat didekati sebagai partikel titik dan diasumsikan tidak berinteraksi satu sama lain. Hukum gas ideal menggambarkan perilaku banyak gas dan diberikan oleh rumus

dimanaPadalah tekanan,Vadalah volume,tidakadalah jumlah mol suatu zat,Radalah konstanta gas ideal (R= 8,3145 J/molK) danTadalah suhu.

Rumusan alternatif dari undang-undang ini adalah

dimanatidakadalah jumlah molekul dankadalah konstanta Boltzmann (k​ = 1.38065 × 10^-23 J/K). (Pembaca yang skeptis dapat memverifikasi bahwanR = Nk​.)

Gas juga mengerahkan gaya apung pada benda-benda yang terbenam di dalamnya. Sementara sebagian besar benda sehari-hari lebih padat daripada udara di sekitar kita, membuat gaya apung ini tidak terlalu terlihat, balon helium adalah contoh sempurna untuk ini.

Plasma adalah gas yang menjadi sangat panas sehingga elektron cenderung meninggalkan atom, meninggalkan ion positif di lautan elektron. Karena ada jumlah yang sama dari muatan positif dan negatif dalam plasma secara keseluruhan, itu dianggap quasi-netral, meskipun pemisahan dan penggumpalan muatan lokal menyebabkan plasma berperilaku sangat berbeda dari a gas biasa.

Plasma dipengaruhi secara signifikan oleh medan listrik dan magnet. Medan ini juga tidak perlu eksternal, karena muatan dalam plasma itu sendiri menciptakan medan listrik dan medan magnet saat mereka bergerak, yang saling mempengaruhi.

Pada suhu dan energi yang lebih rendah, elektron dan ion ingin bergabung kembali menjadi atom netral, sehingga untuk mempertahankan keadaan plasma umumnya memerlukan suhu tinggi. Namun, yang disebut plasma non-termal dapat dibuat di mana elektron itu sendiri mempertahankan suhu tinggi sedangkan inti terionisasi tidak. Ini terjadi pada gas uap merkuri dalam lampu neon, misalnya.

Belum tentu ada pemisahan yang jelas antara gas "normal" dan plasma. Atom dan molekul dalam gas dapat terionisasi secara bertahap, menampilkan lebih banyak dinamika seperti plasma semakin dekat gas untuk terionisasi penuh. Plasma dibedakan dari gas standar oleh konduktivitas listriknya yang tinggi, fakta bahwa ia bertindak seperti sistem dengan dua jenis partikel yang berbeda (ion positif dan elektron negatif) sebagai lawan dari sistem dengan satu jenis (atom atau molekul netral), dan tumbukan dan interaksi partikel yang jauh lebih kompleks daripada interaksi "bola biliar" 2 benda dalam standar gas.

Contoh plasma termasuk petir, ionosfer bumi, lampu neon dan gas di matahari.

Materi dapat mengalami perubahan fisik dari satu fase atau keadaan ke fase lainnya. Faktor utama yang mempengaruhi perubahan ini adalah tekanan dan temperatur. Sebagai aturan umum, padatan harus menjadi lebih hangat untuk berubah menjadi cairan, cairan harus menjadi lebih hangat untuk berubah menjadi gas, dan gas harus menjadi lebih hangat untuk menjadi terionisasi dan menjadi plasma. Suhu di mana transisi ini terjadi tergantung pada bahan itu sendiri serta tekanan. Bahkan, dimungkinkan untuk langsung dari padat ke gas (ini disebut sublimasi) atau dari gas ke padat (deposisi) di bawah kondisi yang tepat.

Ketika zat padat dipanaskan sampai titik lelehnya, ia menjadi cair. Energi panas harus ditambahkan untuk memanaskan padatan hingga mencapai suhu leleh, dan kemudian panas tambahan harus ditambahkan untuk menyelesaikan transisi fase sebelum suhu dapat terus naik. Itupanas laten fusiadalah konstanta yang terkait dengan setiap bahan tertentu yang menentukan berapa banyak energi yang diperlukan untuk melelehkan satu satuan massa zat.

Ini bekerja ke arah lain juga. Saat cairan mendingin, ia harus mengeluarkan energi panas. Setelah mencapai titik beku, ia harus terus mengeluarkan energi untuk menjalani transisi fase sebelum suhu dapat terus turun.

Perilaku serupa terjadi ketika cairan dipanaskan sampai titik didihnya. Energi panas ditambahkan, menyebabkan suhu naik, sampai mulai mendidih, di mana energi panas tambahan digunakan menyebabkan transisi fase, dan suhu gas yang dihasilkan tidak akan naik sampai semua cairan berubah tahap. Konstanta yang disebutpanas laten penguapanmenentukan, untuk zat tertentu, berapa banyak energi yang diperlukan untuk mengubah fase zat dari cair menjadi gas per satuan massa. Panas laten penguapan suatu zat umumnya jauh lebih besar daripada panas laten peleburan.

Sifat kimia materi menentukan jenis reaksi kimia atau perubahan kimia apa yang dapat terjadi. Sifat kimia berbeda dari sifat fisik karena memerlukan semacam perubahan kimia untuk mengukurnya.

Contoh sifat kimia termasuk sifat mudah terbakar (seberapa mudah suatu bahan terbakar), reaktivitas (seberapa mudah bahan tersebut terbakar). reaksi kimia), stabilitas (seberapa besar kemungkinannya untuk menolak perubahan kimia) dan jenis ikatan yang dapat dibentuk bahan dengan lainnya bahan.

Ketika reaksi kimia terjadi, ikatan antara atom diubah dan zat baru terbentuk. Jenis umum dari reaksi kimia termasuk kombinasi (di mana dua atau lebih molekul bergabung untuk membentuk molekul baru), dekomposisi (di mana molekul pecah menjadi dua atau lebih molekul yang berbeda) dan pembakaran (di mana senyawa bergabung dengan oksigen, melepaskan sejumlah besar panas - lebih sering disebut sebagai "pembakaran") untuk menyebut beberapa.