Materia to „rzeczy”, które tworzą wszechświat - wszystko, co zajmuje przestrzeń i ma masę, jest materią.
Cała materia składa się z atomów, które z kolei składają się z protonów, neutronów i elektronów.
Według Washington State University atomy łączą się, tworząc cząsteczki, które są budulcem wszystkich rodzajów materii. Zarówno atomy, jak i cząsteczki są utrzymywane razem przez pewną formę energii potencjalnej zwanej energią chemiczną. W przeciwieństwie do energii kinetycznej, która jest energią poruszającego się obiektu, energia potencjalna jest energią zmagazynowaną w obiekcie.
Pięć faz materii
Istnieją cztery naturalne stany materii: ciała stałe, ciecze, gazy i plazma. Piąty stan to wytworzone przez człowieka kondensaty Bosego-Einsteina.
Ciała stałe
W ciele stałym cząsteczki są ciasno upakowane, aby nie poruszały się zbytnio. Elektrony każdego atomu są w ciągłym ruchu, więc atomy mają niewielkie wibracje, ale są ustalone w swojej pozycji. Z tego powodu cząstki w ciele stałym mają bardzo niską energię kinetyczną.
Ciała stałe mają określony kształt, a także masę i objętość i nie są zgodne z kształtem pojemnika, w którym są umieszczone. Ciała stałe mają również wysoką gęstość, co oznacza, że cząstki są ciasno upakowane.
Płyny
W cieczy cząstki są bardziej luźno upakowane niż w ciele stałym i mogą przepływać wokół siebie, nadając cieczy nieokreślony kształt. Dlatego płyn będzie dostosowywał się do kształtu pojemnika.
Podobnie jak ciała stałe, ciecze (z których większość ma niższą gęstość niż ciała stałe) są niezwykle trudne do kompresji.
Gazy
W gazie cząsteczki mają między sobą dużo przestrzeni i mają wysoką energię kinetyczną. Gaz nie ma określonego kształtu ani objętości. Jeżeli cząstki gazu nie są ograniczone, rozprzestrzeniają się w nieskończoność; w przypadku ograniczenia gaz rozszerzy się, aby wypełnić swój pojemnik. Gdy gaz jest poddawany ciśnieniu przez zmniejszenie objętości pojemnika, przestrzeń między cząstkami jest zmniejszana, a gaz jest sprężany.
Osocze
Według Jefferson Laboratory plazma nie jest powszechnym stanem materii tutaj na Ziemi, ale może być najczęstszym stanem materii we wszechświecie. Gwiazdy są zasadniczo przegrzanymi kulkami plazmy.
Plazma składa się z wysoce naładowanych cząstek o wyjątkowo wysokiej energii kinetycznej. Gazy szlachetne (hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon) są często używane do tworzenia świecących znaków za pomocą elektryczności do jonizacji ich do stanu plazmy.
Kondensat Bosego-Einsteina
Kondensat Bosego-Einsteina (BEC) został stworzony przez naukowców w 1995 roku. Korzystając z kombinacji laserów i magnesów, Eric Cornell i Carl Weiman, naukowcy z Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) w Boulder, Kolorado, ochłodzili próbkę rubidu do kilku stopni od zera absolutnego. W tej wyjątkowo niskiej temperaturze ruch molekularny jest bardzo bliski zatrzymania. Ponieważ prawie nie ma energii kinetycznej przenoszonej z jednego atomu na drugi, atomy zaczynają się zlepiać. Nie ma już tysięcy oddzielnych atomów, tylko jeden „super atom”.
BEC służy do badania mechaniki kwantowej na poziomie makroskopowym. Światło wydaje się zwalniać, gdy przechodzi przez BEC, umożliwiając naukowcom badanie paradoksu cząstka / fala. BEC ma również wiele właściwości superpłynu lub płynu, który płynie bez tarcia. BEC są również używane do symulacji warunków, które mogą istnieć w czarnych dziurach.
Przechodzenie przez fazę
Dodanie lub usunięcie energii z materii powoduje fizyczną zmianę, gdy materia przemieszcza się z jednego stanu do drugiego. Na przykład dodanie energii cieplnej (ciepła) do ciekłej wody powoduje, że staje się ona parą lub parą (gazem). A usunięcie energii z ciekłej wody powoduje, że staje się lodem (ciałem stałym). Zmiany fizyczne mogą być również spowodowane ruchem i naciskiem.
Topienie i zamrażanie
Po przyłożeniu ciepła do ciała stałego jego cząstki zaczynają wibrować szybciej i oddalają się od siebie. Gdy substancja osiągnie określoną kombinację temperatury i ciśnienia, jej temperatury topnienia, ciało stałe zacznie się topić i zamieniać w ciecz.
Gdy dwa stany materii, takie jak ciało stałe i ciecz, znajdują się w temperaturze i ciśnieniu równowagi, dodatkowe ciepło dodane do układu nie spowoduje wzrostu ogólnej temperatury substancji, dopóki cała próbka nie osiągnie tego samego stanu fizycznego. Na przykład po włożeniu lodu do szklanki wody i pozostawieniu go w temperaturze pokojowej lód i woda ostatecznie osiągną tę samą temperaturę. Kiedy lód topi się od ciepła pochodzącego z wody, pozostanie w temperaturze zero stopni Celsjusza, aż cała kostka lodu stopi się, zanim będzie dalej się rozgrzewać.
Kiedy ciepło jest usuwane z cieczy, jego cząstki zwalniają i zaczynają osiadać w jednym miejscu w substancji. Gdy substancja osiąga wystarczająco niską temperaturę przy określonym ciśnieniu, punkt zamarzania, ciecz staje się ciałem stałym.
Większość płynów kurczy się, gdy zamarzają. Woda jednak rozszerza się, gdy zamarza w lód, powodując, że cząsteczki odpychają się dalej i zmniejszają gęstość, dlatego lód unosi się na powierzchni wody.
Dodanie dodatkowych substancji, takich jak sól w wodzie, może zmienić zarówno temperaturę topnienia, jak i zamarzania. Na przykład dodanie soli do śniegu obniży temperaturę zamarzania wody na drogach, czyniąc ją bezpieczniejszą dla kierowców.
Istnieje również punkt zwany punktem potrójnym, w którym ciała stałe, ciecze i gazy istnieją jednocześnie. Na przykład woda występuje we wszystkich trzech stanach w temperaturze 273,16 kelwinów i pod ciśnieniem 611,2 paskali.
Sublimacja
Gdy ciało stałe jest przekształcane bezpośrednio w gaz bez przechodzenia przez fazę ciekłą, proces ten nazywany jest sublimacją. Może się to zdarzyć, gdy temperatura próbki gwałtownie wzrośnie powyżej temperatury wrzenia (odparowanie błyskawiczne) lub gdy substancja zostanie „liofilizowana” przez schłodzenie w warunkach próżniowych, aby woda w substancji uległa sublimacji i została usunięta z próbka. Kilka substancji lotnych ulegnie sublimacji w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem, takich jak zamrożony dwutlenek węgla lub suchy lód.
Odparowywanie
Parowanie to przekształcenie cieczy w gaz i może nastąpić przez odparowanie lub wrzenie.
Ponieważ cząstki cieczy są w ciągłym ruchu, często zderzają się ze sobą. Każde zderzenie powoduje także przenoszenie energii, a gdy wystarczająca ilość energii jest przenoszona na cząstki w pobliżu powierzchni, mogą one zostać całkowicie oderwane od próbki jako cząstki swobodnego gazu. Ciecze ochładzają się, gdy odparowują, ponieważ energia przenoszona na cząsteczki powierzchniowe, która powoduje ich ucieczkę, zostaje z nimi zabrana.
Ciecz wrze, gdy do cieczy doda się wystarczającą ilość ciepła, aby pod powierzchnią powstały pęcherzyki pary. Ta temperatura wrzenia jest temperaturą i ciśnieniem, przy których ciecz staje się gazem.
Kondensacja i osadzanie
Kondensacja występuje, gdy gaz traci energię i łączy się, tworząc ciecz. Na przykład para wodna skrapla się w ciekłą wodę.
Osadzanie ma miejsce, gdy gaz przekształca się bezpośrednio w ciało stałe, bez przechodzenia przez fazę ciekłą. Para wodna zamienia się w lód lub mróz, gdy powietrze dotykające ciała stałego, takiego jak źdźbło trawy, jest chłodniejsze niż reszta powietrza.
