Lastnosti in stanja snovi (fizika): pregled

Fizične lastnosti snovi so osnova za večino fizike. Poleg razumevanja snovi, faznih sprememb in kemijskih lastnosti je pri razpravi o snovi pomembno razumeti fizikalne veličine, kot so gostota (masa na enoto prostornine), masa (količina snovi) in tlak (sila na enoto območje).

Vsakodnevna zadeva, ki jo poznate, je sestavljena iz atomov. Zato atome pogosto imenujemo gradniki snovi. Obstaja več kot 109 različnih vrst atomov in predstavljajo vse elemente v periodnem sistemu.

Dva glavna dela atoma sta jedro in elektronska lupina. Jedro je daleč najtežji del atoma in je tam, kjer je večina mase. Je tesno povezano območje v središču atoma in kljub svoji masi zavzema razmeroma malo prostora v primerjavi s preostalim atomom. V jedru so protoni (pozitivno nabiti delci) in nevtroni (negativno nabiti delci). Število protonov v jedru določa, kateri element je atom, različno število nevtronov pa ustreza različnim izotopom tega elementa.

Elektroni so negativno nabiti delci, ki tvorijo difuzni oblak ali lupino okoli jedra. V nevtralno nabitih atomih je število elektronov enako številu protonov. Če je število drugačno, se atom imenuje ion.

Molekule so atomi, ki jih držijo kemične vezi. Obstajajo tri glavne vrste kemičnih vezi: ionske, kovalentne in kovinske. Jonske vezi nastanejo, ko negativni in pozitivni ion privlačita drug drugega. Kovalentna vez je vez, v kateri si dva atoma delita elektrone. Kovinske vezi so vezi, pri katerih atomi delujejo kot pozitivni ioni, vdelani v morje prostih elektronov.

Zaradi mikroskopskih lastnosti atomov in molekul nastanejo makroskopske lastnosti, ki določajo obnašanje snovi. Odziv molekul na spremembe temperature, trdnost vezi itd. Vodi do lastnosti, kot so specifična toplotna zmogljivost, prožnost, reaktivnost, prevodnost in mnoge druge.

Stanje snovi je ena od številnih različnih oblik, v katerih lahko snov obstaja. Obstajajo štiri stanja snovi: trdno, tekoče, plinsko in plazemsko. Vsako stanje ima različne lastnosti, ki ga ločujejo od drugih, obstajajo pa postopki faznega prehoda, s katerimi se snov spreminja iz enega stanja v drugega.

Ko pomislite na trdno snov, verjetno na nek način pomislite na nekaj trdega ali trdnega. Trdne snovi pa so lahko tudi prožne, deformabilne in voljne.

Trdne snovi odlikujejo tesno vezane molekule. Snov je v trdnem stanju bolj gosta kot v tekočem (čeprav obstajajo izjeme, predvsem voda). Trdne snovi imajo obliko in imajo fiksno prostornino.

Ena vrsta trdne snovi je akristalnotrdna. V kristalinični trdni snovi so molekule razporejene po ponavljajočem se vzorcu po celotnem materialu. Kristale je mogoče zlahka prepoznati po njihovi makroskopski geometriji in simetrijah.

Druga vrsta trdnih snovi jeamorfnatrdna. To je trdna snov, v kateri molekule sploh niso razporejene v kristalno mrežo. Apolikristalnitrdna je nekje vmes. Pogosto je sestavljen iz majhnih, monokristalnih struktur, vendar brez ponavljajočega se vzorca.

Tekočine so narejene iz molekul, ki lahko zlahka tečejo ena mimo druge. Voda, ki jo pijete, olje, s katerim kuhate, in bencin v avtomobilu so tekočine. Za razliko od trdnih snovi imajo tekočine obliko dna posode.

Čeprav se tekočine lahko širijo in krčijo pri različnih temperaturah in tlakih, so te spremembe pogosto majhne, ​​za večino praktičnih namenov pa lahko domnevamo, da imajo tudi tekočine določeno prostornino. Molekule v tekočini lahko tečejo druga mimo druge.

Imenuje se nagnjenost tekočine, da je rahlo "lepljiva", če je pritrjena na površinooprijem, in sposobnost tekočih molekul, da se želijo držati skupaj (na primer, ko vodna kapljica tvori kroglo na listu), se imenujekohezija​.

V tekočini je tlak odvisen od globine in zaradi tega bodo potopljeni ali delno potopljeni predmeti občutili vzgonsko silo zaradi razlike v tlaku na zgornji in spodnji del predmeta. Arhimedovo načelo opisuje ta učinek in pojasnjuje, kako predmeti plavajo ali tonejo v tekočinah. Povzame jo lahko izjava, da je "vzgonska sila enaka masi izpodrinjene tekočine." Kot taka je vzgonska sila odvisna od gostote tekočine in velikosti predmeta. Predmeti, ki so bolj gosti kot tekočina, bodo potonili, manj gosti pa bodo plavali.

Plini vsebujejo molekule, ki se lahko enostavno gibljejo druga okoli druge. V celoti prevzamejo obliko in prostornino posode ter se zelo enostavno razširijo in skrčijo. Pomembne lastnosti plina vključujejo tlak, temperaturo in prostornino. Dejansko te tri količine zadoščajo za popolno opisovanje makroskopskega stanja idealnega plina.

Idealen plin je plin, v katerem je molekule mogoče približati točkovnim delcem in v katerem se predpostavlja, da medsebojno ne vplivajo. Zakon o idealnem plinu opisuje obnašanje številnih plinov in je podan s formulo

kjePje pritisk,Vje prostornina,nje število molov snovi,Rje idealna plinska konstanta (R= 8,3145 J / molK) inTje temperatura.

Alternativna formulacija tega zakona je

kjeNje število molekul inkje Boltzmannova konstanta (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (Skeptični bralec to lahko preverinR = Nk​.)

Plini izvajajo tudi vzgonske sile na predmete, potopljene vanje. Medtem ko je večina vsakdanjih predmetov gostejša od zraka okoli nas, zaradi česar ta vzpenjajoča sila ni zelo opazna, je helijev balon odličen primer tega.

Plazma je plin, ki se je tako segrel, da elektroni ponavadi zapustijo atome, v morju elektronov pa ostanejo pozitivni ioni. Ker je v plazmi na splošno enako število pozitivnih in negativnih nabojev, se upošteva kvazi nevtralen, čeprav ločevanje in lokalno strganje nabojev povzroči, da se plazma obnaša zelo drugače kot a redni plin.

Na plazmo pomembno vplivajo električna in magnetna polja. Tudi ta polja ne bi smela biti zunanja, saj naboji v plazmi sami med gibanjem ustvarjajo električna polja in magnetna polja, ki vplivajo drug na drugega.

Pri nižjih temperaturah in energijah se elektroni in ioni želijo rekombinirati v nevtralne atome, zato za vzdrževanje plazemskega stanja običajno zahtevajo visoke temperature. Lahko pa nastane tako imenovana netermična plazma, kjer elektroni sami vzdržujejo visoko temperaturo, medtem ko jonizirana jedra ne. To se na primer zgodi v plinu z živosrebrnimi hlapi v fluorescenčni sijalki.

Ni nujno ločena meja med "običajnim" plinom in plazmo. Atomi in molekule v plinu se lahko ionizirajo po stopinjah in prikazujejo več dinamike, podobne plazmi, čim bolj se plin popolnoma ionizira. Plazmo od običajnih plinov loči visoka električna prevodnost, saj deluje kot sistem z dvema različnima vrstama delcev (pozitivnimi ioni in negativnimi elektroni) v nasprotju s sistemom z enim tipom (nevtralni atomi ali molekule) ter trki in interakcijami delcev, ki so veliko bolj zapleteni od interakcij z dvema telesoma "pool pool" v standardnem plin.

Primeri plazme vključujejo strele, zemeljsko ionosfero, fluorescentno razsvetljavo in pline na soncu.

Snov se lahko fizično spremeni iz ene faze ali stanja v drugo. Glavna dejavnika, ki vplivata na to spremembo, sta tlak in temperatura. Praviloma mora trdna snov postati toplejša, da se spremeni v tekočino, tekočina mora postati toplejša, da se spremeni v plin, plin pa mora postati toplejši, da postane ioniziran in postane plazma. Temperature, pri katerih pride do teh prehodov, so odvisne od samega materiala in tlaka. Pravzaprav je mogoče iz trdne snovi preiti naravnost v plin (to se imenuje sublimacija) ali iz plina v trdno snov (usedanje) v pravih pogojih.

Ko se trdna snov segreje do tališča, postane tekočina. Za segrevanje trdne snovi do temperature taljenja je treba dodati toplotno energijo, nato pa dodati še toploto za dokončanje faznega prehoda, preden lahko temperatura še naprej narašča. Thelatentna toplota fuzijeje konstanta, povezana z vsakim posameznim materialom, ki določa, koliko energije je potrebno za taljenje enote mase snovi.

To deluje tudi v drugo smer. Ko se tekočina ohladi, mora oddajati toplotno energijo. Ko doseže ledišče, mora še naprej oddajati energijo, da preide fazni prehod, preden se temperatura lahko še naprej znižuje.

Podobno se zgodi, ko tekočino segrejemo do vrelišča. Doda se toplotna energija, zaradi česar temperatura narašča, dokler ne začne vreti, takrat se porabljena toplotna energija porabi povzroči fazni prehod in temperatura nastalega plina ne bo naraščala, dokler se celotna tekočina ne spremeni fazi. Konstanta, imenovanalatentna toplota uparjanjaza določeno snov določi, koliko energije je potrebno za spremembo faze snovi iz tekočine v plin na enoto mase. Latentna toplota uparjanja snovi je na splošno veliko večja od latentne toplote fuzije.

Kemijske lastnosti snovi določajo, katere vrste kemičnih reakcij ali kemijske spremembe se lahko pojavijo. Kemijske lastnosti se od fizikalnih lastnosti razlikujejo po tem, da za njihovo merjenje zahtevajo nekakšne kemijske spremembe.

Primeri kemijskih lastnosti vključujejo vnetljivost (kako enostavno je material zgoreti), reaktivnost (kako enostavno je podvržen kemične reakcije), stabilnost (kako verjetno je, da se upre kemijskim spremembam) in vrste vezi, ki jih material lahko tvori z drugimi materialov.

Ko pride do kemične reakcije, se vezi med atomi spremenijo in nastanejo nove snovi. Pogoste vrste kemičnih reakcij vključujejo kombinacijo (pri kateri se dve ali več molekul združita, da tvorita novo molekulo), razgradnjo (pri kateri se molekula razdeli na dve ali več različnih molekul) in zgorevanje (pri katerem se spojine kombinirajo s kisikom, pri čemer se sproščajo znatne količine toplote - pogosteje imenovano "gorenje") malo.