Свойства и состояния материи (физика): обзор

Физические свойства материи лежат в основе большей части физики. Помимо понимания состояний вещества, фазовых переходов и химических свойств, при обсуждении вопроса важно понимать физические величины, такие как плотность (масса на единицу объема), масса (количество вещества) и давление (сила на единицу объема). область).

Обычная материя, с которой вы не знакомы, состоит из атомов. Вот почему атомы обычно называют строительными блоками материи. Существует более 109 различных типов атомов, и они представляют все элементы периодической таблицы.

Две основные части атома - это ядро ​​и электронная оболочка. Ядро - самая тяжелая часть атома, и именно там находится большая часть массы. Это плотно связанная область в центре атома, и, несмотря на свою массу, она занимает относительно мало места по сравнению с остальной частью атома. В ядре находятся протоны (положительно заряженные частицы) и нейтроны (отрицательно заряженные частицы). Число протонов в ядре определяет, каким элементом является атом, а разное количество нейтронов соответствует разным изотопам этого элемента.

Электроны - это отрицательно заряженные частицы, которые образуют диффузное облако или оболочку вокруг ядра. В нейтрально заряженном атоме количество электронов равно количеству протонов. Если номер другой, атом называется ионом.

Молекулы - это атомы, которые удерживаются вместе химическими связями. Есть три основных типа химических связей: ионная, ковалентная и металлическая. Ионные связи возникают, когда отрицательный и положительный ион притягиваются друг к другу. Ковалентная связь - это связь, в которой два атома разделяют электроны. Металлические связи - это связи, в которых атомы действуют как положительные ионы, погруженные в море свободных электронов.

Микроскопические свойства атомов и молекул порождают макроскопические свойства, которые определяют поведение вещества. Реакция молекул на изменения температуры, прочности связей и т.д. - все это приводит к таким свойствам, как удельная теплоемкость, гибкость, реакционная способность, проводимость и многие другие.

Состояние материи - это одна из многих возможных различных форм, в которых может существовать материя. Есть четыре состояния вещества: твердое, жидкое, газовое и плазменное. Каждое состояние имеет различные свойства, которые отличают его от других состояний, и существуют процессы фазового перехода, с помощью которых материя переходит из одного состояния в другое.

Когда вы думаете о твердом, вы, вероятно, думаете о чем-то твердом или твердом. Но твердые тела могут быть гибкими, деформируемыми и податливыми.

Твердые тела отличаются прочно связанными молекулами. Вещество в твердом состоянии имеет тенденцию быть более плотным, чем в жидком состоянии (хотя есть исключения, в первую очередь вода). Твердые тела сохраняют свою форму и имеют фиксированный объем.

Один тип твердого тела - этокристаллическийтвердый. В кристаллическом твердом теле молекулы расположены в повторяющемся узоре по всему материалу. Кристаллы легко идентифицировать по их макроскопической геометрии и симметрии.

Другой тип твердого тела - этоаморфныйтвердый. Это твердое тело, в котором молекулы вообще не расположены в кристаллической решетке. Аполикристаллическийsolid находится где-то посередине. Он часто состоит из небольших монокристаллических структур, но без повторяющегося рисунка.

Жидкости состоят из молекул, которые могут легко проходить друг мимо друга. Вода, которую вы пьете, масло, на котором вы готовите, и бензин в машине - все это жидкости. В отличие от твердых тел, жидкости принимают форму дна контейнера.

Хотя жидкости могут расширяться и сжиматься при различных температурах и давлениях, эти изменения часто незначительны, и для большинства практических целей можно предположить, что жидкости также имеют фиксированный объем. Молекулы в жидкости могут обтекать друг друга.

Склонность жидкости быть немного «липкой» при прикреплении к поверхности называетсяадгезия, а способность молекул жидкости хотеть слипаться (например, когда капля воды образует шар на листе) называетсясплоченность​.

В жидкости давление зависит от глубины, и из-за этого погруженные или частично погруженные объекты будут ощущать выталкивающую силу из-за разницы в давлении сверху и снизу объекта. Принцип Архимеда описывает этот эффект и объясняет, как объекты плавают или тонут в жидкостях. Его можно резюмировать утверждением, что «подъемная сила равна весу вытесненной жидкости». Таким образом, подъемная сила зависит от плотности жидкости и размера объекта. Объекты более плотные, чем жидкость, будут тонуть, а менее плотные - плавать.

Газы содержат молекулы, которые могут легко перемещаться друг вокруг друга. Они принимают полную форму и объем своего сосуда и очень легко расширяются и сжимаются. Важные свойства газа включают давление, температуру и объем. Фактически этих трех величин достаточно, чтобы полностью описать макроскопическое состояние идеального газа.

Идеальный газ - это газ, в котором молекулы можно представить как точечные частицы и в котором предполагается, что они не взаимодействуют друг с другом. Закон идеального газа описывает поведение многих газов и дается формулой

гдепэто давление,Vобъем,пколичество молей вещества,р- постоянная идеального газа (р= 8,3145 Дж / моль · K) иТэто температура.

Альтернативная формулировка этого закона:

гдеNколичество молекул иk- постоянная Больцмана (k​ = 1.38065 × 10^-23 Дж / К). (Скептический читатель может убедиться, чтоnR = Nk​.)

Газы также оказывают подъемную силу на погруженные в них предметы. Хотя большинство предметов повседневного обихода плотнее окружающего нас воздуха, что делает эту подъемную силу не очень заметной, гелиевый шар является прекрасным примером этого.

Плазма - это газ, который стал настолько горячим, что электроны стремятся покинуть атомы, оставляя положительные ионы в море электронов. Поскольку в плазме в целом равное количество положительных и отрицательных зарядов, считается, что квазинейтральный, хотя разделение и локальное скопление зарядов приводит к тому, что плазма ведет себя совсем иначе, чем плазма штатный газ.

На плазму существенно влияют электрические и магнитные поля. Эти поля не обязательно должны быть внешними, поскольку заряды в самой плазме создают электрические поля и магнитные поля при движении, которые влияют друг на друга.

При более низких температурах и энергиях электроны и ионы хотят рекомбинировать в нейтральные атомы, поэтому для поддержания состояния плазмы обычно требуются высокие температуры. Однако может быть создана так называемая нетепловая плазма, в которой сами электроны поддерживают высокую температуру, а ионизированные ядра - нет. Это происходит, например, в парах ртути в люминесцентной лампе.

Не обязательно существует четкая граница между «нормальным» газом и плазмой. Атомы и молекулы в газе могут постепенно ионизироваться, демонстрируя более плазмоподобную динамику, чем ближе газ к полной ионизации. Плазма отличается от стандартных газов своей высокой электропроводностью, тем, что она действует как система с двумя различными типами частиц (положительные ионы и отрицательные электроны). в отличие от системы с одним типом (нейтральные атомы или молекулы), и столкновения и взаимодействия частиц, которые намного сложнее, чем взаимодействия двухчастичного «шара пула» в стандартном газ.

Примеры плазмы включают молнии, ионосферу Земли, флуоресцентное освещение и газы на солнце.

Материя может претерпевать физические изменения из одной фазы или состояния в другое. Основными факторами, влияющими на это изменение, являются давление и температура. Как правило, твердое тело должно нагреваться, чтобы превратиться в жидкость, жидкость должна нагреваться, чтобы превратиться в газ, и газ должен нагреваться, чтобы стать ионизированным и стать плазмой. Температуры, при которых происходят эти переходы, зависят от самого материала, а также от давления. Фактически, можно сразу перейти от твердого тела к газу (это называется сублимацией) или от газа к твердому телу (осаждение) при правильных условиях.

Когда твердое вещество нагревается до температуры плавления, оно становится жидкостью. Необходимо добавить тепловую энергию, чтобы нагреть твердое тело до температуры плавления, а затем добавить дополнительное тепло для завершения фазового перехода, прежде чем температура сможет продолжить повышаться. Вскрытая теплота плавления- константа, связанная с каждым конкретным материалом, которая определяет, сколько энергии требуется для плавления единицы массы вещества.

Это работает и в другом направлении. Когда жидкость охлаждается, она должна отдавать тепловую энергию. Достигнув точки замерзания, он должен продолжать выделять энергию, чтобы претерпеть фазовый переход, прежде чем температура сможет продолжить снижение.

Подобное поведение происходит, когда жидкость нагревается до точки кипения. Добавляется тепловая энергия, в результате чего температура повышается, пока она не начинает закипать, после чего используется добавленная тепловая энергия. чтобы вызвать фазовый переход, и температура образующегося газа не будет повышаться, пока вся жидкость не изменится фаза. Константа, называемаяскрытая теплота испаренияопределяет для конкретного вещества, сколько энергии требуется для изменения фазы вещества из жидкой в ​​газообразную на единицу массы. Скрытая теплота испарения вещества обычно намного больше, чем скрытая теплота плавления.

Химические свойства вещества определяют, какие типы химических реакций или химических изменений могут произойти. Химические свойства отличаются от физических свойств тем, что для их измерения требуется какое-то химическое изменение.

Примеры химических свойств включают горючесть (насколько легко материал гореть), реакционная способность (насколько легко он химические реакции), стабильность (насколько вероятно, что он сопротивляется химическим изменениям) и типы связей, которые материал может образовывать с другими материалы.

Когда происходит химическая реакция, связи между атомами изменяются и образуются новые вещества. Общие типы химических реакций включают комбинацию (в которой две или более молекул объединяются, чтобы сформировать новую молекулу), разложение (при котором молекула распадается на две части). или несколько различных молекул) и горение (при котором соединения соединяются с кислородом, выделяя значительное количество тепла - чаще называемое «горением»), чтобы назвать немного.