Властивості та стани матерії (фізика): огляд

Фізичні властивості речовини лежать в основі більшої частини фізики. Окрім розуміння стану речовини, фазових змін та хімічних властивостей, обговорюючи речовину, це важливо розуміти фізичні величини, такі як щільність (маса на одиницю об’єму), маса (кількість речовини) та тиск (сила на одиницю площа).

Повсякденна справа, яку ви знаєте, складається з атомів. Ось чому атоми зазвичай називають будівельними блоками речовини. Існує більше 109 різних типів атомів, і вони представляють всі елементи періодичної системи.

Дві основні частини атома - це ядро ​​та електронна оболонка. Ядро на сьогоднішній день є найважчою частиною атома, і там знаходиться більша частина маси. Це тісно пов’язана область в центрі атома, і, незважаючи на свою масу, вона займає відносно мало місця в порівнянні з рештою атома. У ядрі знаходяться протони (позитивно заряджені частинки) і нейтрони (негативно заряджені частинки). Кількість протонів у ядрі визначає, яким елементом є атом, а різній кількості нейтронів відповідають різні ізотопи цього елемента.

Електрони - це негативно заряджені частинки, які утворюють дифузне хмару або оболонку навколо ядра. У нейтрально зарядженому атомі число електронів таке ж, як число протонів. Якщо число різне, атом називається іоном.

Молекули - це атоми, які утримуються разом за допомогою хімічних зв’язків. Існує три основних типи хімічних зв’язків: іонний, ковалентний та металевий. Іонні зв’язки виникають, коли негативний і позитивний іон притягуються один до одного. Ковалентний зв’язок - це зв’язок, у якому два атоми ділять електрони. Металічні зв’язки - це зв’язки, в яких атоми діють як позитивні іони, вбудовані в море вільних електронів.

Мікроскопічні властивості атомів і молекул породжують макроскопічні властивості, що визначають поведінку речовини. Реакція молекул на зміну температури, міцність зв'язків і так далі призводить до таких властивостей, як питома теплоємність, гнучкість, реакційна здатність, провідність та багато інших.

Стан речовини є однією з багатьох можливих різних форм, в яких речовина може існувати. Існує чотири стани речовини: твердий, рідкий, газовий і плазмовий. Кожен стан має різні властивості, які відрізняють його від інших станів, і існують процеси фазового переходу, за допомогою яких речовина переходить з одного стану в інший.

Коли ви думаєте про тверде тіло, ви, мабуть, думаєте про щось тверде чи тверде якимось чином. Але тверді речовини також можуть бути гнучкими, деформованими та пластичними.

Тверді речовини відрізняються своїми міцно зв’язаними молекулами. Матерія в твердому стані має тенденцію бути більш щільною, ніж коли вона знаходиться в рідкому стані (хоча є винятки, зокрема вода). Тверді речовини тримають форму і мають фіксований об’єм.

Одним із видів твердих речовин єкристалічнийтвердий. У кристалічному твердому тілі молекули розташовані повторюваним чином по всьому матеріалу. Кристали легко ідентифікувати за їх макроскопічною геометрією та симетріями.

Інший тип твердих речовин - цеаморфнийтвердий. Це тверде тіло, в якому молекули взагалі не розташовані в кристалічній решітці. Aполікристалічнийтвердий десь посередині. Він часто складається з невеликих монокристалічних структур, але без повторюваного малюнка.

Рідини складаються з молекул, які легко протікають одна проти одної. Вода, яку ви п'єте, олія, з якою ви готуєте, та бензин у вашому автомобілі - це рідини. На відміну від твердих речовин, рідини приймають форму дна своєї ємності.

Хоча рідини можуть розширюватися і стискатися при різних температурах і тисках, ці зміни часто незначні, і для більшості практичних цілей можна вважати, що рідини також мають фіксований об'єм. Молекули в рідині можуть протікати одна проти одної.

Викликається схильність рідини до того, що вона трохи «липка», коли вона прикріплена до поверхніадгезія, а здатність молекул рідини хотіти злипатися (наприклад, коли крапелька води утворює кульку на листку) називаєтьсязгуртованість​.

У рідині тиск залежить від глибини, і через це занурені або частково занурені об'єкти відчуватимуть плавучу силу через різницю тиску на верхню і нижню частини об'єкта. Принцип Архімеда описує цей ефект і пояснює, як предмети плавають або опускаються в рідинах. Це може бути узагальнено твердженням, що "плавуча сила дорівнює вазі витісненої рідини". Як така, плавуча сила залежить від щільності рідини та розміру предмета. Предмети, щільніші за рідину, будуть тонути, а менш щільні - плавати.

Гази містять молекули, які можуть легко рухатися навколо один одного. Вони приймають повну форму та об'єм контейнера і дуже легко розширюються та стискаються. До важливих властивостей газу належать тиск, температура та об’єм. Насправді цих трьох величин достатньо для повного опису макроскопічного стану ідеального газу.

Ідеальний газ - це газ, у якому молекули можна наблизити як точкові частинки і в якому передбачається, що вони не взаємодіють між собою. Закон ідеального газу описує поведінку багатьох газів і задається формулою

деPце тиск,V- обсяг,п- кількість молей речовини,Р.є ідеальною газовою константою (Р.= 8,3145 Дж / мольК) іТ- це температура.

Альтернативним формулюванням цього закону є

деN- кількість молекул іk- постійна Больцмана (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (Скептичний читач може це перевіритиnR = Nk​.)

Гази також чинять плавучу силу на занурені в них предмети. Хоча більшість повсякденних предметів щільніше повітря навколо нас, що робить цю плавучу силу не дуже помітною, гелієва куля є прекрасним прикладом цього.

Плазма - це газ, який настільки нагрівся, що електрони, як правило, залишають атоми, залишаючи позитивні іони в морі електронів. Оскільки в плазмі в цілому є однакова кількість позитивних і негативних зарядів, це враховується квазінейтральний, хоча поділ і локальне скупчення зарядів змушує плазму поводитися зовсім інакше, ніж a звичайний газ.

На плазму суттєво впливають електричні та магнітні поля. Ці поля також не повинні бути зовнішніми, оскільки заряди в самій плазмі створюють електричні поля та магнітні поля під час руху, які впливають один на одного.

При нижчих температурах та енергіях електрони та іони хочуть рекомбінуватись до нейтральних атомів, тому для підтримання стану плазми зазвичай потрібні високі температури. Однак може бути створена так звана нетеплова плазма, де самі електрони підтримують високу температуру, тоді як іонізовані ядра ні. Наприклад, це відбувається в газовій парі ртуті у флуоресцентній лампі.

Необов’язково існує чітке обмеження між “нормальним” газом і плазмою. Атоми і молекули в газі можуть іонізуватися в градусах, відображаючи більше плазмоподібної динаміки, чим ближче газ стає до повної іонізації. Плазма відрізняється від стандартних газів своєю високою електропровідністю, тим, що вона діє як система з двома різними типами частинок (позитивними іонами та негативними електронами) на відміну від системи з одним типом (нейтральні атоми або молекули), і зіткнення частинок та взаємодії, які набагато складніші, ніж взаємодія 2-кульових куль у стандартному газ.

Приклади плазми включають блискавку, іоносферу Землі, флуоресцентне освітлення та гази на Сонці.

Матерія може зазнати фізичної зміни від однієї фази або стану до іншої. Основними факторами, що впливають на цю зміну, є тиск і температура. Як правило, тверда речовина повинна стати теплішою, щоб перетворитися на рідину, рідина повинна стати теплішою, щоб перетворитися на газ, а газ повинен стати теплішим, щоб стати іонізованим і стати плазмою. Температури, при яких відбуваються ці переходи, залежать від самого матеріалу, а також від тиску. Насправді можна перейти від твердого до газу (це називається сублімацією) або від газу до твердого (осадження) за належних умов.

Коли тверда речовина нагрівається до температури плавлення, вона стає рідиною. Потрібно додати теплової енергії для нагрівання твердої речовини до температури плавлення, а потім додаткового тепла для завершення фазового переходу, перш ніж температура зможе продовжувати підвищуватися.прихована теплота плавленняце константа, пов’язана з кожним конкретним матеріалом, яка визначає, скільки енергії потрібно для розплавлення одиниці маси речовини.

Це працює і в іншому напрямку. Коли рідина охолоджується, вона повинна віддавати теплову енергію. Як тільки вона досягне точки замерзання, вона повинна продовжувати віддавати енергію, щоб зазнати фазового переходу, перш ніж температура зможе продовжувати знижуватися.

Подібна поведінка відбувається, коли рідина нагрівається до температури кипіння. Додається теплова енергія, що призводить до підвищення температури до тих пір, поки вона не почне кипіти, після чого використовується додана теплова енергія викликати фазовий перехід, і температура утворюється газу не буде підвищуватися, поки вся рідина не зміниться фаза. Константа, що називаєтьсяприхована теплота випаровуваннявизначає для конкретної речовини, скільки енергії потрібно для зміни фази речовини з рідини на газ на одиницю маси. Прихована теплота випаровування речовини, як правило, набагато більша, ніж прихована теплота плавлення.

Хімічні властивості речовини визначають, які типи хімічних реакцій або хімічні зміни можуть відбуватися. Хімічні властивості відрізняються від фізичних тим, що для їх вимірювання потрібні певні хімічні зміни.

Приклади хімічних властивостей включають горючість (наскільки легко горіти матеріал), реакційну здатність (наскільки легко він зазнає хімічні реакції), стабільність (наскільки ймовірний опір хімічним змінам) та типи зв’язків, які матеріал може утворювати з іншими матеріалів.

Коли відбувається хімічна реакція, зв’язки між атомами змінюються і утворюються нові речовини. Поширені типи хімічних реакцій включають поєднання (при якому дві або більше молекул об'єднуються, утворюючи нову молекулу), розкладання (при якому молекула розпадається на дві або більше різних молекул) та горіння (при якому сполуки поєднуються з киснем, виділяючи значну кількість тепла - частіше називають "горінням"), щоб назвати небагато.