Materijos savybės ir būsenos (fizika): apžvalga

Fizinės materijos savybės yra didžioji fizikos dalis. Aptariant medžiagą, svarbu suprasti ne tik materijos būsenas, fazių pokyčius ir chemines savybes suprasti fizinius dydžius, tokius kaip tankis (masė tūrio vienetui), masė (medžiagos kiekis) ir slėgis (jėga vienetui) plotas).

Kasdienis dalykas, nei jums yra žinomas, yra pagamintas iš atomų. Štai kodėl atomai paprastai vadinami materijos statybinėmis medžiagomis. Yra daugiau nei 109 skirtingų tipų atomai ir jie atspindi visus periodinės lentelės elementus.

Dvi pagrindinės atomo dalys yra branduolys ir elektronų apvalkalas. Branduolys yra sunkiausia atomo dalis ir yra ten, kur yra didžioji masės dalis. Tai yra glaudžiai susieta sritis atomo centre ir, nepaisant masės, ji užima palyginti nedaug vietos, palyginti su likusiu atomu. Branduolyje yra protonai (teigiamai įkrautos dalelės) ir neutronai (neigiamai įkrautos dalelės). Protonų skaičius branduolyje lemia, kuris elementas yra atomas, o skirtingi neutronų skaičiai atitinka skirtingus to elemento izotopus.

Elektronai yra neigiamai įkrautos dalelės, kurios aplink branduolį sudaro difuzinį debesį ar apvalkalą. Neutraliai įkrautame atome elektronų skaičius sutampa su protonų skaičiumi. Jei skaičius skiriasi, atomas vadinamas jonu.

Molekulės yra atomai, kuriuos kartu laiko cheminės jungtys. Yra trys pagrindinės cheminių jungčių rūšys: joninės, kovalentinės ir metalinės. Joninės jungtys atsiranda, kai neigiamą ir teigiamą joną traukia vienas kitas. Kovalentinis ryšys yra ryšys, kuriame du atomai dalijasi elektronais. Metalinės jungtys yra jungtys, kuriose atomai veikia kaip teigiami jonai, įterpti į laisvų elektronų jūrą.

Atomų ir molekulių mikroskopinės savybės sukelia makroskopines savybes, lemiančias materijos elgesį. Molekulių reakcija į temperatūros pokyčius, ryšių stiprumą ir pan. Lemia tokias savybes kaip savitasis šilumos tūris, lankstumas, reaktingumas, laidumas ir daugelis kitų.

Materijos būsena yra viena iš daugelio galimų skirtingų formų, kuriomis gali egzistuoti materija. Yra keturios materijos būsenos: kieta, skysta, dujos ir plazma. Kiekviena būsena turi aiškias savybes, kurios ją išskiria iš kitų būsenų, ir yra fazių perėjimo procesai, kurių metu materija keičiasi iš vienos būsenos į kitą.

Kai galvoji apie tvirtą, tikriausiai kažkaip galvoji apie kažką kieto ar tvirto. Kietosios medžiagos taip pat gali būti lanksčios, deformuojamos ir kaliojo.

Kietosios medžiagos išsiskiria iš sandariai sujungtų molekulių. Kieta medžiaga paprastai būna tankesnė nei skystos būsenos (nors yra ir išimčių, ypač vandens). Kietosios medžiagos išlaiko savo formą ir turi fiksuotą tūrį.

Viena kietųjų medžiagų rūšis yra akristaliniskietas. Kristalinėje kietojoje medžiagoje molekulės yra išdėstytos pasikartojančiu modeliu visoje medžiagoje. Kristalus lengva atpažinti pagal jų makroskopinę geometriją ir simetriją.

Kita kietųjų medžiagų rūšis yraamorfiniskietas. Tai yra kieta medžiaga, kurioje molekulės apskritai nėra išsidėsčiusios kristalų gardelėje. Apolikristaliniskietas yra kažkur tarp. Jis dažnai susideda iš mažų pavienių kristalų struktūrų, tačiau be pasikartojančio modelio.

Skysčiai gaminami iš molekulių, kurios gali lengvai tekėti viena pro kitą. Geriamas vanduo, aliejus, iš kurio gaminate, ir benzinas jūsų automobilyje yra skysčiai. Skirtingai nuo kietųjų medžiagų, skysčiai įgauna indo dugno formą.

Nors skysčiai gali išsiplėsti ir susitraukti esant skirtingai temperatūrai ir slėgiui, šie pokyčiai dažnai būna nedideli, o praktiškiausiais tikslais galima manyti, kad skysčių tūris taip pat yra fiksuotas. Skysčio molekulės gali tekėti viena pro kitą.

Skystis yra linkęs būti šiek tiek "lipnus", kai jis pritvirtintas prie paviršiausSukibimas, o skystų molekulių gebėjimas norėti sulipti (pvz., kai vandens lašelis ant lapo suformuoja rutulį) vadinamassanglauda​.

Skystyje slėgis priklauso nuo gylio, todėl dėl to panardinti arba iš dalies panardinti daiktai jaus plūduriuojančią jėgą dėl slėgio skirtumo objekto viršuje ir apačioje. Archimedo principas apibūdina šį efektą ir paaiškina, kaip objektai plūduriuoja ar skęsta skysčiuose. Jį galima apibendrinti teiginiu, kad „plūduriuojanti jėga yra lygi išstumto skysčio svoriui“. Plūduriuojanti jėga priklauso nuo skysčio tankio ir objekto dydžio. Objektai, tankesni už skystį, nuskęs, o tie, kurie yra mažiau tankūs, plauks.

Dujose yra molekulių, kurios gali lengvai judėti viena kitai. Jie užima visą savo konteinerio formą ir tūrį, labai lengvai išsiplečia ir susitraukia. Svarbios dujų savybės yra slėgis, temperatūra ir tūris. Tiesą sakant, šių trijų kiekių pakanka visiškai apibūdinti idealių dujų makroskopinę būseną.

Idealios dujos yra dujos, kuriose molekules galima prilyginti taškinėms dalelėms ir kuriose daroma prielaida, kad jos nesąveikauja. Idealus dujų įstatymas apibūdina daugelio dujų elgesį ir yra pateiktas pagal formulę

kurPyra spaudimas,Vyra tūris,nyra medžiagos molių skaičius,Ryra ideali dujų konstanta (R= 8,3145 J / molK) irTyra temperatūra.

Alternatyvi šio įstatymo formuluotė yra

kurNyra molekulių skaičius irkyra Boltzmanno konstanta (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (Skeptiškas skaitytojas gali tai patikrintinR = Nk​.)

Dujos taip pat daro plūduriuojančias jėgas į jose panirusius daiktus. Nors dauguma kasdienių daiktų yra tankesni už mus supantį orą, todėl ši plūduriuojanti jėga nėra labai pastebima, helio balionas yra puikus to pavyzdys.

Plazma yra dujos, kurios tapo tokios karštos, kad elektronai linkę palikti atomus, palikdami teigiamus jonus elektronų jūroje. Kadangi plazmoje yra vienodas teigiamų ir neigiamų krūvių skaičius, manoma beveik neutralus, nors dėl krūvių atskyrimo ir vietinio susikaupimo plazma elgiasi labai skirtingai nei a įprastos dujos.

Plazmą reikšmingai veikia elektriniai ir magnetiniai laukai. Šie laukai taip pat neturi būti išoriniai, nes pačios plazmos krūviai judėdami sukuria elektrinius laukus ir magnetinius laukus, kurie daro įtaką vienas kitam.

Esant žemesnei temperatūrai ir energijai, elektronai ir jonai nori rekombinuotis į neutralius atomus, todėl norint palaikyti plazmos būseną paprastai reikalinga aukšta temperatūra. Tačiau vadinamoji ne terminė plazma gali būti sukurta ten, kur patys elektronai palaiko aukštą temperatūrą, o jonizuoti branduoliai ne. Tai atsitinka, pavyzdžiui, gyvsidabrio garų dujose fluorescencinėje lempoje.

Nebūtina aiškiai atskirti „normalių“ dujų ir plazmos. Dujų atomai ir molekulės gali tapti jonizuotais laipsniais, parodydami daugiau plazminės dinamikos, tuo arčiau dujos tampa visiškai jonizuotos. Plazmą nuo standartinių dujų išskiria didelis elektros laidumas, tai, kad ji veikia kaip sistema, turinti dviejų skirtingų tipų daleles (teigiamus jonus ir neigiamus elektronus). priešingai sistemai, turinčiai vieno tipo (neutralius atomus ar molekules), dalelių susidūrimai ir sąveika yra daug sudėtingesni už 2 kūnų „baseino kamuolio“ sąveiką dujos.

Plazmos pavyzdžiai yra žaibas, Žemės jonosfera, fluorescencinis apšvietimas ir saulės dujos.

Materija gali fiziškai pasikeisti iš vienos fazės ar būsenos į kitą. Pagrindiniai veiksniai, turintys įtakos šiam pokyčiui, yra slėgis ir temperatūra. Paprastai kieta medžiaga turi tapti šiltesnė, kad virstų skysčiu, skystis - šilčiau, kad virstų dujomis, o dujos - šiltesnės, kad jonizuotųsi ir taptų plazma. Temperatūra, kurioje vyksta šie perėjimai, priklauso nuo pačios medžiagos, taip pat nuo slėgio. Tiesą sakant, tinkamomis sąlygomis galima pereiti tiesiai iš kieto į dujas (tai vadinama sublimacija) arba iš dujų į kietą medžiagą (nusėdimą).

Kaitinant kietą medžiagą iki lydymosi temperatūros, ji tampa skysta. Šilumos energija turi būti pridėta, kad kieta medžiaga sušiltų iki lydymosi temperatūros, ir tada reikia pridėti papildomą šilumą, kad užbaigtų fazių perėjimą, kol temperatūra toliau gali kilti. Thelatentinė sintezės šilumayra su kiekviena konkrečia medžiaga susijusi konstanta, kuri nustato, kiek energijos reikia medžiagos masės vienetui ištirpdyti.

Tai veikia ir kita linkme. Kai skystis vėsta, jis turi atiduoti šilumos energiją. Pasiekęs užšalimo tašką, jis turi ir toliau atiduoti energiją, kad pereitų fazę, kol temperatūra toliau žemės.

Panašus elgesys būna ir tada, kai skystis pašildomas iki virimo temperatūros. Pridedama šilumos energija, dėl kurios temperatūra pakyla, kol ji pradeda virti, tada naudojama papildoma šilumos energija sukelti fazės perėjimą, o susidariusių dujų temperatūra nepakils, kol pasikeis visas skystis fazė. Pastovusis vadinamaslatentinė garavimo šilumanustato konkrečiai medžiagai, kiek energijos reikia norint pakeisti medžiagos fazę iš skystos į dujas masės vienetui. Medžiagos latentinė garavimo šiluma paprastai yra daug didesnė nei latentinė sintezės šiluma.

Cheminės medžiagos savybės lemia, kokios rūšies cheminės reakcijos ar cheminiai pokyčiai gali įvykti. Cheminės savybės skiriasi nuo fizinių savybių tuo, kad joms matuoti reikia tam tikrų cheminių pokyčių.

Cheminių savybių pavyzdžiai: degumas (kaip lengva medžiagai degti), reaktyvumas (kaip lengvai ji patiria cheminės reakcijos), stabilumas (kiek tikėtina, kad jis atsispiria cheminiams pokyčiams) ir ryšių tipai, kuriuos medžiaga gali sudaryti su kitais medžiagos.

Kai įvyksta cheminė reakcija, ryšiai tarp atomų pasikeičia ir susidaro naujos medžiagos. Dažniausiai pasitaikančios cheminių reakcijų rūšys yra derinys (kai dvi ar daugiau molekulių susijungia, kad susidarytų nauja molekulė), skilimas (kai molekulė suskaidoma į dvi dalis) arba daugiau skirtingų molekulių) ir degimas (kuriame junginiai jungiasi su deguonimi, išskirdami didelius šilumos kiekius - dažniausiai vadinamus „deginimu“), nedaug.