Својства и стања материје (физика): Преглед

Физичка својства материје леже у основи већег дела физике. Поред разумевања стања материје, промена фаза и хемијских својстава, приликом расправе о материји важно је и разуме физичке величине као што су густина (маса по јединици запремине), маса (количина материје) и притисак (сила по јединици подручје).

Свакодневна материја која вам је позната направљена је од атома. Због тога се атоми обично називају грађевни блокови материје. Постоји више од 109 различитих врста атома и они представљају све елементе на периодном систему.

Два главна дела атома су језгро и електронска љуска. Језгро је до сада најтежи део атома и налази се тамо где је већина масе. То је чврсто везано подручје у центру атома, и упркос његовој маси, заузима релативно мало простора у поређењу са остатком атома. У језгру су протони (позитивно наелектрисане честице) и неутрони (негативно наелектрисане честице). Број протона у језгру одређује који је елемент атом, а различити бројеви неутрона одговарају различитим изотопима тог елемента.

Електрони су негативно наелектрисане честице које формирају дифузни облак или љуску око језгра. У неутрално наелектрисаном атому број електрона је једнак броју протона. Ако је број другачији, атом се назива јон.

Молекули су атоми који се међусобно држе хемијским везама. Постоје три главне врсте хемијских веза: јонска, ковалентна и метална. Јонске везе настају када се негативни и позитивни јон привлаче једни другима. Ковалентна веза је веза у којој два атома деле електроне. Металне везе су везе у којима атоми делују као позитивни јони уграђени у море слободних електрона.

Из микроскопских својстава атома и молекула настају макроскопска својства која одређују понашање материје. Одговор молекула на промене температуре, јачина веза и тако даље доводе до својстава попут специфичног топлотног капацитета, флексибилности, реактивности, проводљивости и многих других.

Стање материје је један од многих могућих различитих облика у којима материја може постојати. Постоје четири стања материје: чврсто, течно, гасно и плазма. Свака држава има различита својства која је разликују од осталих, а постоје процеси фазне транзиције којима се материја мења из једног стања у друго.

Када размишљате о чврстом материјалу, вероватно на неки начин мислите на нешто тврдо или чврсто. Али чврсте материје такође могу бити флексибилне, деформабилне и савитљиве.

Чврсте материје се разликују по чврсто повезаним молекулима. Материја у свом чврстом стању има тенденцију да буде гушћа него када је у течном стању (мада постоје изузеци, највише вода). Чврсте материје имају облик и имају фиксну запремину.

Једна врста чврсте материје је акристалначврст. У кристалној чврстој супстанци, молекули су поређани по читавом материјалу. Кристале је лако препознати по њиховој макроскопској геометрији и симетријама.

Друга врста чврстих материја јеаморфничврст. Ово је чврста супстанца у којој молекули уопште нису распоређени у кристалну решетку. А.поликристалнисолид је негде између. Често се састоји од малих, монокристалних структура, али без понављајућег узорка.

Течности су направљене од молекула који могу лако да теку једна поред друге. Вода коју пијете, уље са којим кувате и бензин у вашем аутомобилу су све течности. За разлику од чврстих тела, течности имају облик дна посуде.

Иако се течности могу ширити и скупљати на различитим температурама и притисцима, ове промене су често мале, а из већине практичних сврха може се претпоставити да течности такође имају фиксну запремину. Молекули у течности могу да теку један поред другог.

Зове се склоност течности да буде мало „лепљива“ када је причвршћена за површинуадхезија, а способност молекула течности да желе да се држе заједно (на пример када капљица воде формира куглу на листу) назива секохезија​.

У течности притисак зависи од дубине и због тога ће потопљени или делимично потопљени предмети осећати полетну силу услед разлике у притиску на врху и дну предмета. Архимедов принцип описује овај ефекат и објашњава како предмети лебде или тоне у течностима. То се може сажети изјавом да је „узлазна сила једнака тежини измештене течности“. Као таква, сила узгона зависи од густине течности и величине предмета. Предмети који су гушћи од течности потонуће, а они који су мање густи плутаће.

Гасови садрже молекуле који се лако могу кретати један око другог. Они узимају пуни облик и запремину свог контејнера и врло се лако шире и скупљају. Важна својства гаса укључују притисак, температуру и запремину. Заправо, ове три величине су довољне да у потпуности опишу макроскопско стање идеалног гаса.

Идеалан гас је гас у коме се молекули могу апроксимирати као тачкасте честице и за који се претпоставља да не међусобно делују. Закон о идеалном гасу описује понашање многих гасова и дат је формулом

гдеП.је притисак,В.је запремина,нје број молова супстанце,Р.је идеална гасна константа (Р.= 8,3145 Ј / молК) иТ.је температура.

Алтернативна формулација овог закона је

гдеН.је број молекула икје Болтзманнова константа (к​ = 1.38065 × 10^-23 Ј / К). (Скептични читалац то може потврдитинР = Нк​.)

Гасови такође врше полетне силе на предмете уроњене у њих. Иако је већина свакодневних предмета гушћа од ваздуха око нас, чинећи ову узлазну силу неприметном, хелијев балон је савршен пример за то.

Плазма је гас који се толико загрејао да електрони теже напуштању атома, остављајући позитивне јоне у мору електрона. С обзиром на то да у плазми укупно постоји једнак број позитивних и негативних наелектрисања, сматра се квази неутралан, иако раздвајање и локално накупљање наелектрисања узрокује да се плазма понаша сасвим другачије од а редовни гас.

На плазму значајно утичу електрична и магнетна поља. Ни ова поља не морају бити спољна, јер наелектрисања у самој плазми стварају електрична поља и магнетна поља у покрету која утичу једно на друго.

При нижим температурама и енергијама, електрони и јони желе да се рекомбинују у неутралне атоме, па је за одржавање стања плазме обично потребна висока температура. Међутим, такозвана нетермичка плазма може се створити тамо где сами електрони одржавају високу температуру, а јонизована језгра не. То се, на пример, дешава у гасу са живином паром у флуоресцентној лампи.

Не постоји нужно различит пресек између „нормалног“ гаса и плазме. Атоми и молекули у гасу могу да се јонизују у степенима, показујући већу динамику налик плазми, што је гас ближи томе да буде потпуно јонизован. Плазма се од стандардних гасова разликује по високој електричној проводљивости, чињеници да делује као систем са две различите врсте честица (позитивни јони и негативни електрони) за разлику од система са једним типом (неутрални атоми или молекули), и судари честица и интеракције који су много сложенији од интеракција „лопте у базену“ са 2 тела у стандардном гасни.

Примери плазме укључују муње, земљину јоносферу, флуоресцентно осветљење и гасове на сунцу.

Материја може претрпети физичку промену из једне фазе или стања у другу. Главни фактори који утичу на ову промену су притисак и температура. Као опште правило, чврста супстанца мора постати топлија да би се претворила у течност, течност мора постати топлија да би се претворила у гас, а гас мора постати топлији да би се јонизовао и постао плазма. Температуре на којима се јављају ови прелази зависе од самог материјала као и од притиска. У ствари, могуће је прећи право из чврсте супстанце у гас (то се назива сублимација) или из плина у чврсту супстанцу (таложење) под правим условима.

Када се чврста супстанца загреје до тачке топљења, она постаје течност. Мора се додати топлотна енергија да би се чврста супстанца загревала до температуре топљења, а затим се мора додати додатна топлота да би се завршио фазни прелаз пре него што температура настави да расте. Тхелатентна топлота фузијеје константа повезана са сваким одређеним материјалом која одређује колико је енергије потребно за топљење јединичне масе супстанце.

Ово делује и у другом правцу. Како се течност хлади, мора давати топлотну енергију. Једном када достигне тачку смрзавања, мора наставити да даје енергију да би се подвргао фазном прелазу пре него што температура настави да се спушта.

Слично понашање се дешава када се течност загреје до тачке кључања. Додаје се топлотна енергија, што доводи до пораста температуре, све док не почне да кључа, у ком тренутку се користи додатна топлотна енергија да би се изазвао фазни прелаз, а температура насталог гаса неће расти док се сва течност не промени фаза. Константа која се називалатентна топлота испаравањаодређује, за одређену супстанцу, колико је енергије потребно за промену фазе супстанце из течности у гас по јединици масе. Латентна топлота испаравања за супстанцу је углавном много већа од латентне топлоте фузије.

Хемијске особине материје одређују које врсте хемијских реакција или хемијске промене могу да се појаве. Хемијска својства се разликују од физичких својстава по томе што захтевају неку врсту хемијских промена како би их измерила.

Примери хемијских својстава укључују запаљивост (колико је лако материјал сагорети), реактивност (колико је лако подложан хемијске реакције), стабилност (колико је вероватно да ће се одупрети хемијским променама) и врсте веза које материјал може створити са другим материјала.

Када се догоди хемијска реакција, везе између атома се мењају и стварају се нове супстанце. Уобичајене врсте хемијских реакција укључују комбинацију (у којој се два или више молекула комбинују да би створили нови молекул), разлагање (у којој се молекул распада на два или више различитих молекула) и сагоревање (у којем се једињења комбинују са кисеоником, ослобађајући значајне количине топлоте - која се чешће назива „сагоревање“) да би назвали неколико.