Vlastnosti a stavy hmoty (fyzika): Prehľad

Fyzikálne vlastnosti hmoty sú základom väčšiny fyziky. Okrem porozumenia stavov hmoty, fázových zmien a chemických vlastností je pri diskusii o hmote dôležité aj to rozumieť fyzikálnym veličinám ako je hustota (hmotnosť na jednotku objemu), hmotnosť (množstvo hmoty) a tlak (sila na jednotku) oblasť).

Každodenná hmota, ktorú poznáte, je tvorená atómami. Z tohto dôvodu sa atómy bežne nazývajú stavebnými kameňmi hmoty. Existuje viac ako 109 rôznych typov atómov a predstavujú všetky prvky v periodickej tabuľke.

Dve hlavné časti atómu sú jadro a elektrónový obal. Jadro je zďaleka najťažšia časť atómu a je tam, kde je väčšina hmoty. Je to pevne spojená oblasť v strede atómu a napriek svojej hmotnosti zaberá v porovnaní so zvyškom atómu relatívne málo miesta. V jadre sú protóny (pozitívne nabité častice) a neutróny (negatívne nabité častice). Počet protónov v jadre určuje, ktorým prvkom je atóm, a rôzny počet neutrónov zodpovedá rôznym izotopom tohto prvku.

Elektróny sú negatívne nabité častice, ktoré tvoria okolo jadra difúzny mrak alebo škrupinu. V neutrálne nabitom atóme je počet elektrónov rovnaký ako počet protónov. Ak je číslo iné, atóm sa nazýva ión.

Molekuly sú atómy, ktoré sú držané pohromade chemickými väzbami. Existujú tri hlavné typy chemických väzieb: iónové, kovalentné a kovové. Iónové väzby vznikajú, keď sú negatívny a pozitívny ión navzájom priťahované. Kovalentná väzba je väzba, v ktorej dva atómy zdieľajú elektróny. Kovové väzby sú väzby, v ktorých atómy pôsobia ako kladné ióny uložené v mori voľných elektrónov.

Mikroskopické vlastnosti atómov a molekúl vedú k makroskopickým vlastnostiam, ktoré určujú správanie hmoty. Reakcia molekúl na zmeny teploty, pevnosť väzieb atď. Vedie k vlastnostiam, ako je špecifická tepelná kapacita, flexibilita, reaktivita, vodivosť a mnoho ďalších.

Stav hmoty je jednou z mnohých možných odlišných foriem, v ktorých môže hmota existovať. Existujú štyri skupenstvá hmoty: tuhá látka, kvapalina, plyn a plazma. Každý stav má odlišné vlastnosti, ktoré ho odlišujú od ostatných stavov, a existujú procesy fázového prechodu, pri ktorých sa hmota mení z jedného stavu do druhého.

Keď premýšľate o pevnej látke, pravdepodobne vás napadne niečo tvrdé alebo pevné. Pevné látky však môžu byť tiež pružné, deformovateľné a tvárne.

Pevné látky sa líšia podľa pevne spojených molekúl. Hmota v pevnom stave má tendenciu byť hustejšia, ako keď je v tekutom stave (aj keď existujú výnimky, najmä voda). Tuhé látky držia svoj tvar a majú stály objem.

Jeden typ tuhej látky je akryštalickýpevný. V kryštalickej pevnej látke sú molekuly usporiadané v materiáli s opakujúcim sa vzorom. Kryštály sú ľahko identifikovateľné podľa makroskopickej geometrie a symetrie.

Ďalším typom tuhej látky jeamorfnýpevný. Jedná sa o pevnú látku, v ktorej molekuly nie sú vôbec usporiadané v kryštálovej mriežke. Apolykryštalickýpevná látka je niekde medzi. Skladá sa často z malých monokryštálových štruktúr, ale bez opakujúceho sa vzoru.

Kvapaliny sú vyrobené z molekúl, ktoré môžu navzájom ľahko pretekať. Voda, ktorú pijete, olej, ktorý varíte, a benzín v aute sú všetko kvapaliny. Na rozdiel od pevných látok majú kvapaliny tvar dna nádoby.

Aj keď kvapaliny môžu expandovať a sťahovať sa pri rôznych teplotách a tlakoch, tieto zmeny sú často malé a pre väčšinu praktických účelov sa dá predpokladať, že kvapaliny majú tiež stály objem. Molekuly v kvapaline môžu navzájom pretekať.

Nazýva sa sklon kvapaliny byť mierne „lepkavý“ po pripojení k povrchuadhézia, a schopnosť tekutých molekúl chcieť sa držať spolu (napríklad keď kvapka vody vytvorí guľku na liste) sa nazývasúdržnosť​.

V kvapaline závisí tlak od hĺbky, a preto ponorené alebo čiastočne ponorené objekty pocítia vznášajúcu sa silu v dôsledku rozdielu tlaku v hornej a dolnej časti objektu. Archimedov princíp popisuje tento efekt a vysvetľuje, ako objekty plávajú alebo klesajú v tekutinách. Dá sa to zhrnúť výrokom, že „vztlaková sila sa rovná hmotnosti vytlačenej kvapaliny“. Plávajúca sila ako taká závisí od hustoty kvapaliny a veľkosti objektu. Predmety, ktoré sú hustejšie ako kvapalina, sa potopia a tie, ktoré sú menej husté, plávajú.

Plyny obsahujú molekuly, ktoré sa môžu navzájom ľahko pohybovať. Berú celý tvar a objem svojej nádoby a veľmi ľahko sa rozširujú a sťahujú. Medzi dôležité vlastnosti plynu patrí tlak, teplota a objem. V skutočnosti sú tieto tri množstvá dostatočné na to, aby úplne opísali makroskopický stav ideálneho plynu.

Ideálnym plynom je plyn, v ktorom sa molekuly dajú aproximovať ako bodové častice a predpokladá sa, že navzájom neinteragujú. Zákon ideálneho plynu popisuje správanie mnohých plynov a je daný vzorcom

kdePje tlak,V.je objem,nje počet mólov látky,Rje ideálna plynová konštanta (R= 8,3 145 J / molK) aTje teplota.

Alternatívna formulácia tohto zákona je

kdeNje počet molekúl akje Boltzmannova konštanta (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (Skeptický čitateľ to môže overiťnR = Nk​.)

Plyny tiež vyvíjajú nadnášajúce sily na predmety ponorené v nich. Zatiaľ čo väčšina predmetov každodennej potreby je hustejšia ako vzduch okolo nás, vďaka čomu nie je táto vznášajúca sa sila veľmi nápadná, héliový balón je toho dokonalým príkladom.

Plazma je plyn, ktorý sa tak zahrial, že elektróny majú tendenciu opúšťať atómy a zanechávať pozitívne ióny v mori elektrónov. Pretože v plazme je celkovo rovnaký počet pozitívnych a negatívnych nábojov, uvažuje sa o tom kvázi neutrálny, hoci separácia a lokálne zhlukovanie nábojov spôsobuje, že plazma sa správa veľmi odlišne ako a bežný plyn.

Plazma je významne ovplyvnená elektrickými a magnetickými poľami. Ani tieto polia nemusia byť externé, pretože náboje v plazme samotné vytvárajú pri pohybe elektrické polia a magnetické polia, ktoré sa navzájom ovplyvňujú.

Pri nižších teplotách a energiách sa elektróny a ióny chcú rekombinovať na neutrálne atómy, takže udržanie plazmatického stavu si všeobecne vyžaduje vysoké teploty. Môže sa však vytvoriť takzvaná netermálna plazma, kde si elektróny samy udržiavajú vysokú teplotu, zatiaľ čo ionizované jadrá nie. To sa deje napríklad v plynných ortuťových parách vo žiarivkách.

Medzi „normálnym“ plynom a plazmou nemusí byť nevyhnutne zreteľné prerušenie. Atómy a molekuly v plyne sa môžu ionizovať po stupňoch, čím sa zvyšuje plazmatická dynamika, čím bližšie sa plyn dostane k úplnej ionizácii. Plazma sa od štandardných plynov odlišuje vysokou elektrickou vodivosťou, skutočnosťou, že funguje ako systém s dvoma odlišnými typmi častíc (kladné ióny a záporné elektróny). na rozdiel od systému s jedným typom (neutrálne atómy alebo molekuly) a zrážky častíc a interakcie, ktoré sú oveľa zložitejšie ako interakcie „guľôčky“ s dvoma telami v štandarde plyn.

Medzi príklady plazmy patria blesky, ionosféra Zeme, žiarivky a plyny na slnku.

Hmota môže prejsť fyzickou zmenou z jednej fázy alebo stavu do druhej. Hlavnými faktormi, ktoré ovplyvňujú túto zmenu, sú tlak a teplota. Ako všeobecné pravidlo platí, že tuhá látka musí byť teplejšia, aby sa zmenila na kvapalinu, kvapalina musí byť teplejšia, aby sa zmenila na plyn, a plyn musí byť teplejší, aby sa ionizoval a zmenil sa na plazmu. Teploty, pri ktorých k týmto prechodom dochádza, závisia od samotného materiálu, ako aj od tlaku. V skutočnosti je možné za správnych podmienok prejsť priamo z tuhej látky na plyn (nazýva sa to sublimácia) alebo z plynu na tuhú látku (depozícia).

Keď sa pevná látka zahreje na teplotu topenia, stane sa z nej kvapalina. Na zahriatie tuhej látky na teplotu topenia sa musí pridať tepelná energia a potom sa musí pridať ďalšie teplo na dokončenie fázového prechodu predtým, ako teplota môže ďalej stúpať. Thelatentné teplo fúzieje konštanta spojená s každým konkrétnym materiálom, ktorá určuje, koľko energie je potrebnej na roztavenie jednotkovej hmotnosti látky.

Funguje to aj opačným smerom. Keď sa kvapalina ochladí, musí vydávať tepelnú energiu. Len čo dosiahne bod mrazu, musí pokračovať v vydávaní energie, aby mohol prejsť fázovým prechodom predtým, ako sa teplota bude naďalej znižovať.

Podobné správanie sa vyskytuje, keď sa kvapalina zahreje na teplotu varu. Pridáva sa tepelná energia, ktorá spôsobuje zvyšovanie teploty, až kým nezačne vrieť. Potom sa použitá tepelná energia použije spôsobiť fázový prechod a teplota výsledného plynu sa nezvýši, kým sa nezmení všetka kvapalina fáza. Konštanta nazývanálatentné odparovacie teplourčuje pre konkrétnu látku, koľko energie je potrebné na zmenu fázy látky z kvapaliny na plyn na jednotku hmotnosti. Latentné teplo odparovania pre látku je všeobecne oveľa väčšie ako latentné teplo fúzie.

Chemické vlastnosti látky určujú, aké typy chemických reakcií alebo chemických zmien môžu nastať. Chemické vlastnosti sa líšia od fyzikálnych vlastností tým, že na ich meranie sú potrebné určité chemické zmeny.

Medzi príklady chemických vlastností patrí horľavosť (ľahkosť horenia materiálu), reaktivita (ľahkosť horenia) chemické reakcie), stabilita (pravdepodobnosť odolnosti proti chemickým zmenám) a typy väzieb, ktoré môže materiál vytvárať s inými materiálov.

Keď dôjde k chemickej reakcii, väzby medzi atómami sa zmenia a vytvoria sa nové látky. Medzi bežné typy chemických reakcií patrí kombinácia (pri ktorej sa dve alebo viac molekúl spoja a vytvorí sa nová molekula), rozklad (pri ktorom sa molekula rozpadne na dve alebo viac rôznych molekúl) a spaľovanie (pri ktorom sa zlúčeniny kombinujú s kyslíkom a uvoľňujú významné množstvo tepla - obvykle sa označuje ako „horenie“), aby sme pomenovali málo.