Properties & States of Matter (Physics): En oversikt

De fysiske egenskapene til materie ligger til grunn for mye av fysikken. I tillegg til å forstå tilstander av materie, faseendringer og kjemiske egenskaper, er det viktig å diskutere materie forstå fysiske størrelser som tetthet (masse per volumsenhet), masse (mengde materie) og trykk (kraft per enhet område).

Den daglige saken enn du er kjent med er laget av atomer. Det er derfor atomer ofte kalles byggesteinene for materie. Det er mer enn 109 forskjellige typer atomer, og de representerer alle elementene i det periodiske systemet.

De to hoveddelene av atomet er kjernen og elektronskallet. Kjernen er den tyngste delen av atomet og er der mesteparten av massen er. Det er et tett bundet område i sentrum av atomet, og til tross for massen tar det relativt lite plass i forhold til resten av atomet. I kjernen er protoner (positivt ladede partikler) og nøytroner (negativt ladede partikler). Antallet protoner i kjernen bestemmer hvilket element atomet er, og forskjellige antall nøytroner tilsvarer forskjellige isotoper av dette elementet.

Elektronene er negativt ladede partikler som danner en diffus sky eller skall rundt kjernen. I et nøytralt ladet atom er antall elektroner det samme som antall protoner. Hvis tallet er forskjellig, kalles atomet et ion.

Molekyler er atomer som holdes sammen av kjemiske bindinger. Det er tre hovedtyper av kjemiske bindinger: ionisk, kovalent og metallisk. Joniske bindinger oppstår når et negativt og positivt ion tiltrekkes av hverandre. En kovalent binding er en binding der to atomer deler elektroner. Metallbindinger er bindinger der atomene virker som positive ioner innebygd i et hav av frie elektroner.

De mikroskopiske egenskapene til atomer og molekyler gir opphav til de makroskopiske egenskapene som bestemmer oppførselen til materie. Responsen fra molekylene til endringer i temperatur, bindingenes styrke og så videre fører til egenskaper som spesifikk varmekapasitet, fleksibilitet, reaktivitet, ledningsevne og mange andre.

En tilstand av materie er en av mange mulige forskjellige former som materie kan eksistere i. Det er fire tilstander av materie: fast stoff, væske, gass og plasma. Hver stat har forskjellige egenskaper som skiller den fra de andre tilstandene, og det er faseovergangsprosesser der materie endres fra en tilstand til en annen.

Når du tenker på en solid, tenker du sannsynligvis på noe hardt eller fast på en eller annen måte. Men faste stoffer kan også være fleksible, deformerbare og formbare.

Tørrstoffer kjennetegnes av deres tettbundne molekyler. Materiale i fast tilstand har en tendens til å være tettere enn når det er i flytende tilstand (selv om det er unntak, spesielt vann). Tørrstoffer holder form og har et fast volum.

En type fast stoff er enkrystallinskfast. I et krystallinsk fast stoff er molekylene ordnet i et gjentakende mønster gjennom hele materialet. Krystaller kan lett identifiseres ved makroskopisk geometri og symmetri.

En annen type solid er enamorffast. Dette er et fast stoff der molekylene ikke er ordnet i et krystallgitter i det hele tatt. ENpolykrystallinsksolid er et sted i mellom. Den er ofte sammensatt av små, enkeltkrystallstrukturer, men uten et gjentatt mønster.

Væsker er laget av molekyler som lett kan strømme forbi hverandre. Vannet du drikker, oljen du lager mat og bensinen i bilen din er alle væsker. I motsetning til faste stoffer, har væsker form av bunnen av beholderen.

Selv om væsker kan ekspandere og trekke seg sammen ved forskjellige temperaturer og trykk, er disse endringene ofte små, og for de fleste praktiske formål kan væsker også antas å ha et fast volum. Molekylene i en væske kan strømme forbi hverandre.

En væskes tilbøyelighet til å være litt "klissete" når den er festet til en overflate kallesvedheft, og flytende molekylers evne til å holde seg sammen (for eksempel når en vanndråpe danner en ball på et blad) kallessamhold​.

I en væske avhenger trykket av dybden, og på grunn av dette vil nedsenket eller delvis nedsenket gjenstand føle en flytende kraft på grunn av forskjellen i trykk på toppen og bunnen av objektet. Archimedes 'prinsipp beskriver denne effekten og forklarer hvordan gjenstander flyter eller synker i væsker. Det kan oppsummeres av utsagnet at "den flytende kraften er lik vekten av fortrengt væske." Som sådan avhenger den flytende kraften av væskens tetthet og størrelsen på gjenstanden. Objekter som er tettere enn væsken, vil synke, og de som er mindre tette vil flyte.

Gasser inneholder molekyler som lett kan bevege seg rundt hverandre. De tar den fulle formen og volumet av beholderen og utvides og trekkes lett sammen. Viktige egenskaper ved en gass inkluderer trykk, temperatur og volum. Faktisk er disse tre mengdene tilstrekkelige til å fullstendig beskrive den makroskopiske tilstanden til en ideell gass.

En ideell gass er en gass der molekylene kan tilnærmes som punktpartikler og hvor det antas at de ikke samhandler med hverandre. Den ideelle gassloven beskriver oppførselen til mange gasser og er gitt av formelen

hvorPer press,Ver volum,ner antall mol av et stoff,Rer den ideelle gasskonstanten (R= 8,3145 J / molK) ogTer temperatur.

En alternativ formulering av denne loven er

hvorNer antall molekyler ogker Boltzmanns konstant (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (En skeptisk leser kan bekrefte detnR = Nk​.)

Gasser utøver også sterke krefter på gjenstander nedsenket i dem. Mens de fleste hverdagsobjekter er tettere enn luften rundt oss, noe som gjør denne flytende kraften ikke særlig merkbar, er en heliumballong et perfekt eksempel på dette.

Plasma er en gass som har blitt så varm at elektronene har en tendens til å forlate atomene, og etterlater positive ioner i et hav av elektroner. Fordi det er like mange positive og negative ladninger i plasmaet totalt sett, vurderes det kvasi-nøytral, selv om separasjon og lokal klumping av ladninger får plasmaet til å oppføre seg veldig annerledes enn en vanlig bensin.

Plasma påvirkes betydelig av elektriske og magnetiske felt. Disse feltene trenger heller ikke være eksterne, da ladningene i selve plasmaet skaper elektriske felt og magnetfelt når de beveger seg, som påvirker hverandre.

Ved lavere temperaturer og energier ønsker elektronene og ionene å rekombinere til nøytrale atomer, så for at en plasmatilstand skal opprettholdes, kreves generelt høye temperaturer. Imidlertid kan såkalt ikke-termisk plasma opprettes der elektronene selv holder en høy temperatur mens de ioniserte kjernene ikke gjør det. Dette skjer for eksempel i kvikksølvdampgass i en lysrør.

Det er ikke nødvendigvis en tydelig avskjæring mellom en "normal" gass og plasma. Atomer og molekyler i en gass kan bli ionisert gradvis, og viser mer plasmalike dynamikk, jo nærmere gassen kommer til å bli fullstendig ionisert. Plasma skiller seg ut fra standardgasser ved sin høye elektriske ledningsevne, det faktum at det fungerer som et system med to forskjellige typer partikler (positive ioner og negative elektroner) i motsetning til et system med en type (nøytrale atomer eller molekyler), og partikkelkollisjoner og interaksjoner som er mye mer komplekse enn 2-kropps "pool ball" -interaksjoner i en standard gass.

Eksempler på plasma inkluderer lyn, jordens ionosfære, lysrør og gasser i solen.

Saken kan gjennomgå en fysisk endring fra en fase eller tilstand til en annen. Hovedfaktorene som påvirker denne endringen er trykk og temperatur. Som en generell regel må et fast stoff bli varmere for å bli til en væske, en væske må bli varmere for å bli til en gass, og en gass må bli varmere for å bli ionisert og bli et plasma. Temperaturene der disse overgangene skjer, avhenger av selve materialet så vel som trykket. Det er faktisk mulig å gå rett fra et fast stoff til en gass (dette kalles sublimering) eller fra en gass til et fast stoff (avsetning) under de rette forholdene.

Når et fast stoff varmes opp til smeltepunktet, blir det en væske. Varmeenergi må tilsettes for å varme faststoffet opp til smeltetemperaturen, og deretter må det tilsettes ekstra varme for å fullføre faseovergangen før temperaturen kan fortsette å stige. Delatent varme av fusjoner en konstant knyttet til hvert enkelt materiale som bestemmer hvor mye energi som kreves for å smelte en enhetsmasse av stoffet.

Dette fungerer også i den andre retningen. Når en væske avkjøles, må den avgi varmeenergi. Når den når frysepunktet, må den fortsette å avgi energi for å gjennomgå faseovergangen før temperaturen kan fortsette å senke.

Lignende oppførsel oppstår når en væske oppvarmes til kokepunktet. Varmenergi tilsettes, noe som får temperaturen til å stige til den begynner å koke, på hvilket tidspunkt den tilførte varmeenergien brukes for å forårsake faseovergangen, og temperaturen til den resulterende gassen vil ikke stige før all væsken har endret seg fase. En konstant kaltlatent fordampningsvarmebestemmer for et bestemt stoff hvor mye energi som kreves for å endre stoffets fase fra væske til gass per masseenhet. Den latente fordampningsvarmen til et stoff er generelt mye større enn den latente fusjonsvarmen.

Kemiske egenskaper av materie bestemmer hvilke typer kjemiske reaksjoner eller kjemiske endringer som kan oppstå. Kjemiske egenskaper skiller seg fra fysiske egenskaper ved at de krever en slags kjemisk endring for å måle dem.

Eksempler på kjemiske egenskaper inkluderer brennbarhet (hvor lett det er for et materiale å brenne), reaktivitet (hvor lett det gjennomgår kjemiske reaksjoner), stabilitet (hvor sannsynlig det er å motstå kjemisk endring) og typer bindinger materialet kan danne med andre materialer.

Når en kjemisk reaksjon oppstår, endres båndene mellom atomer og nye stoffer dannes. Vanlige typer kjemiske reaksjoner inkluderer kombinasjon (hvor to eller flere molekyler kombineres for å danne et nytt molekyl), nedbrytning (der et molekyl brytes fra hverandre i to eller flere forskjellige molekyler) og forbrenning (hvor forbindelser kombineres med oksygen og frigjør betydelige mengder varme - mer ofte referert til som "brenning") for å nevne et få.