Какими свойствами обладает материя

Физическая наука, включающая в себя химию и физику, обычно изучает природу и свойства материи и энергии в неживых системах. Материя — это вещество вселенной. Это атомы, молекулы и ионы, которые составляют все физические вещества. Материя — это все, что имеет массу и занимает пространство.

Энергия — это то, что способно вызвать изменения. Энергию нельзя создать и ее нельзя уничтожить. Она может быть только сохранена и преобразована из одной формы в другую. Потенциальная энергия — это энергия, хранящаяся в объекте из-за его положения. Кинетическая энергия — это энергия, которая находится в движении и вызывает изменения. Любой объект или частица, которая находится в движении, имеет кинетическую энергию, основанную на ее массе и скорости. Кинетическая энергия может быть преобразована в другие виды энергии, такие как электрическая или тепловая.

Существует пять состояний вещества — твердая материя, жидкость, газ, плазма и конденсат Бозе-Эйнштейна. Основное отличие каждого состояния заключается в плотности частиц.

Агрегатные состояния вещества

Твердое вещество

В твердом теле частицы упакованы плотно, поэтому они не способны сильно двигаться. Эти частицы имеют очень низкую кинетическую энергию. Электроны каждого атома находятся в движении, поэтому атомы имеют небольшую вибрацию, но они зафиксированы в своем положении. Твердые тела имеют определенную форму и определенный объем. Частицы упакованы настолько плотно, что увеличивающееся давление не будет сжимать твердое тело до меньшего объема.

Жидкость

В жидком состоянии частицы вещества имеют большую кинетическую энергию, чем частицы твердого тела. Частицы жидкости не удерживаются в регулярном расположении, но все же еще близки друг к другу, поэтому жидкости имеют определенный объем. Жидкость, как и твердые тела, нельзя сжимать. Частицы жидкости имеют достаточно места, чтобы обтекать друг друга, поэтому жидкость имеет неопределенную форму — она способна изменить форму, чтобы соответствовать форме бутылки. Сила распространяется равномерно по всей жидкости, поэтому, когда объект помещается в нее, ее частицы смещаются объектом.

Величина выталкивающей силы равна весу жидкости, вытесненной объектом. Когда выталкивающая сила равна силе тяжести, тянущей вниз по массе объекта, объект будет плавать.

Частицы жидкости, как правило, удерживаются слабым межмолекулярным притяжением, а не перемещаются свободно, как частицы газа. Эта сила соединяет частицы вместе, образуя капли и потоки.

В апреле 2016 года ученые заявили, что было создано необычное состояние материи, которое было предсказано, но его никто и никогда не видел. Хотя этот тип материи можно было держать в руке, как если бы это был твердый объект, увеличение бы показало беспорядочные взаимодействия его электронов, более характерные для жидкости. В новой материи, называемой квантовая спиновая жидкость Китаева, электроны вступают в квантовый танец, в котором они взаимодействуют и разговаривают друг с другом. Обычно, когда вещество остывает, спин его элеронов стремится выровняться. Но в этой квантовой спиновой жидкости электроны взаимодействуют так, что они влияют на то, как вращаются другие, и никогда не выравниваются, независимо от того, насколько сильно вы охладите материал. Он будет вести себя так, как если бы его электроны, считающиеся неделимыми, разорвались на части.

Газ

Частицы газа имеют большое пространство между собой и высокую кинетическую энергию. Если его не ограничивать, то частицы будут бесконечно разбросаны, если ограничить чем-либо — газ начнет расширятся, чтобы заполнить емкость, в которую его поместили. Когда газ оказывается под давлением, за счет уменьшения объема емкости, пространство между частицами начинает сжиматься, а давление, оказываемое их столкновениями, увеличивается. Если объем емкости постоянен, но температура газа увеличивается, то давление также будет увеличиваться. Частицы газа обладают достаточной кинетической энергией для преодоления межмолекулярных сил, которые удерживают твердые частицы и жидкость вместе, поэтому газ не имеет определенного объема и не имеет определенной формы.

Плазма

Плазма не является распространенным состоянием материи на Земле, но может быть очень распространенным состоянием во вселенной. Плазма состоит из сильно заряженных частиц с чрезвычайно высокой кинетической энергией. Благородные газы, такие как гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон, часто используются для того, чтобы сделать светящиеся вывески с помощь электричества, которое ионизирует их до состояния плазмы. А звезды по существу являются перегретыми шарами плазмы.

Конденсат Бозе-Эйнштейна

В 1995 году технологии позволили ученым создать новое состояние материи — конденсат Бозе-Эйнштейна. Используя комбинацию лазеров и магнитов охладили образец рубидия до абсолютного нуля. При такой чрезвычайно низкой температуре молекулярное движение очень близко к полной остановке. Так как кинетическая энергия почти не передается от одного атома к другому, атомы начинают сжиматься вместе. Больше нет тысяч отдельных атомов, а остается один «супер атом«. Бозе-конденсат используется для изучения квантовой механики на макроскопическом уровне. Свет замедляется, проходя черед него, что позволяет изучать парадокс частицы/волны. Также он обладает многими свойствами сверхтекучей жидкости. Конденсат еще используется для моделирования условий, которые могут быть в черных дырах.

Изменение состояния

Добавление энергии к веществу приводит к физическому изменению — материя переходит из одного состояния в другое. Например, добавление тепла к жидкой воде приводит к тому, что она становится паром, а точнее меняет свое агрегатное состояние на другое — газ. Извлечение энергии также приводит к физическим изменениям, например, когда тепло удаляется, вода становится льдом, то есть твердым телом. Физические изменения также могут быть вызваны движением или давлением.

Плавление и охлаждение

Когда тепло действует на твердое тело, то частицы этого тела начинают быстрее вибрировать и двигаться дальше друг от друга. Когда при стандартном давлении достигается определенная точка — точка плавления — твердое вещество начинает превращаться в жидкость. Точку плавления чистого вещества можно определить с точностью до 0,1°С. Если вы продолжите действовать теплом на тело, то температура не превысит точку плавления, пока все вещество не станет жидким, и только после этого температура снова начнет расти. Разные соединения имеют разную точку плавления — это величина помогает лучше различать их.

Точка замерзания — это температура, при которой жидкое вещество достаточно охлаждено, чтобы стать твердым. По мере охлаждения жидкости движение частиц замедляется. Во многих веществах частицы выравниваются точными геометрическими узорами, образуя кристаллические твердые тела. Большинство жидкостей сжимаются при замерзании. Одной из важных характеристик воды является то, что она расширяется при замерзании, поэтому лед и плавает на воде.

Точка замерзания часто близка к той же температуре, как и у точки плавления, но она не считается характерной для вещества, поскольку несколько факторов могут ее изменить. Например, добавление растворенных веществ в жидкость приведет к понижению точки замерзания. Другие жидкости можно охлаждать до температур, значительно ниже их точки плавления, прежде чем они начнут твердеть. Такие жидкости называются переохлажденными и часто требуют наличие частиц пыли или кристалла для начала процесса кристаллизации.

Сублимация

Когда твердое тело превращается в газ, минуя жидкую фазу, это называется сублимация. Она происходит, когда кинетическая энергия частиц превышает атмосферное давление, окружающее вещество. Это может произойти, когда температура вещества быстро повышается и выходит за пределы точки кипения. Чаще всего вещество может быть сублимировано путем его охлаждения в условиях вакуума, так что вода в нем подвергнется сублимации и удалится. Несколько летучих веществ будут подвергаться сублимации при нормальной температуре и давлении. Наиболее известным из этих веществ является CO2 или «сухой лед».

Испарение

Испарение представляет собой превращение жидкости в газ. Преобразование происходит путем испарения или кипения.

Поскольку частицы жидкости находятся в постоянном движении, они часто сталкиваются друг с другом, передавая при этом энергию. Эта передача энергии имеет небольшое влияние под поверхностью, но, когда достаточная энергия передается частице вблизи поверхности, частица может получить достаточную энергию, чтобы полностью удалится от образца в виде частицы свободного газа. Этот процесс называется испарением, и он продолжается до тех пор, пока не закончится жидкость. Интересно то, что жидкость охлаждается по мере испарения. Энергия, передаваемая поверхностным молекулам, которая вызывает их «вылет», выходит из оставшегося жидкого вещества.

Когда к жидкости добавляется достаточное количество тепла, чтобы пузырьки пара образовались ниже поверхности жидкости, в этот момент мы говорим, что жидкость кипит. Температура, при которой жидкость кипит, является переменной. Точка кипения зависит от давления вещества. Жидкость под высоким давлением потребует больше тепла до того, как в ней образуются пузырьки. На больших высотах давление жидкости ниже, поэтому она будет кипеть при более низкой температуре.

Конденсация и охлаждение

Конденсация — это когда газ превращается в жидкость. Конденсация происходит, когда газ охлаждается или сжимается до такой степени, что кинетическая энергия частиц больше не может преодолевать межмолекулярные силы. Начальная группа частиц инициирует процесс, который имеет тенденцию дополнительно охлаждать газ, так что конденсация продолжается. Когда газ превращается непосредственно в твердое вещество, не проходя через жидкую фазу, это называется осаждением или десублимацией. Например, при пониженных температурах водяной пар в атмосфере преобразуется в иней и лед. Мороз стремится обрисовать стебельки травы и ветки, потому что воздух, который касается этих твердых веществ, охлаждается быстрее, чем воздух, который не касается твердой поверхности.

???? ???? ????