Zarówno fizyka, jak i chemia badają materię, energię i interakcje między nimi. Na podstawie praw termodynamiki naukowcy wiedzą, że materia może zmieniać stany, a suma materii i energii układu jest stała. Kiedy energia jest dodawana lub usuwana do materii, zmienia stan, tworząc a stan materii. Stan materii definiuje się jako jeden ze sposobów, w jaki materia może wchodzić w interakcje ze sobą, tworząc jednorodny faza.
Stan materii a faza materii
Wyrażenia „stan materii” i „faza materii” są używane zamiennie. W większości przypadków jest w porządku. Technicznie system może zawierać kilka faz tego samego stanu skupienia. Na przykład pręt stalowy (ciało stałe) może zawierać ferryt, cementyt i austenit. Mieszanina oleju i octu (płyn) zawiera dwie oddzielne fazy płynne.
Stany materii
W życiu codziennym istnieją cztery fazy materii: ciała stałe, płyny, gazy, i osocze. Jednak odkryto kilka innych stanów materii. Niektóre z tych innych stanów występują na granicy między dwoma stanami materii, gdzie substancja tak naprawdę nie wykazuje właściwości żadnego z tych stanów. Inne są najbardziej egzotyczne. Oto lista niektórych stanów materii i ich właściwości:
Solidny: Bryła ma określony kształt i objętość. Cząstki w ciele stałym są upakowane bardzo blisko siebie, przymocowane w uporządkowanym układzie. Zestaw może być wystarczająco uporządkowany, aby utworzyć kryształ (np. NaCl lub kryształ soli kuchennej, kwarc) lub zestaw może być nieuporządkowany lub amorficzny (np. Wosk, bawełna, szkło okienne).
Ciekły: Ciecz ma określoną objętość, ale nie ma określonego kształtu. Cząstki w cieczy nie są upakowane tak blisko siebie, jak w ciele stałym, co pozwala im przesuwać się względem siebie. Przykłady płynów obejmują wodę, olej i alkohol.
Gaz: Gazowi brakuje określonego kształtu lub objętości. Cząsteczki gazu są szeroko oddzielone. Przykłady gazów obejmują powietrze i hel w balonie.
Osocze: Plazma, podobnie jak gaz, nie ma określonego kształtu ani objętości. Jednak cząsteczki plazmy są naładowane elektrycznie i są oddzielone ogromnymi różnicami. Przykłady osocza obejmują błyskawicę i zorzę polarną.
Szkło: Szkło to bezpostaciowe ciało stałe związek pośredni między krystaliczną siecią a cieczą. Czasami jest uważany za odrębny stan materii, ponieważ ma właściwości odmienne od ciał stałych i cieczy oraz ponieważ istnieje w stanie metastabilnym.
Superfluid: Nadciek jest drugim stanem płynnym, który występuje w pobliżu zero absolutne. W przeciwieństwie do zwykłej cieczy, nadciekłość ma zero lepkość.
Kondensat Bosego-Einsteina: A Kondensat Bosego-Einsteina można nazwać piątym stanem materii. W kondensacie Bosego-Einsteina cząsteczki materii przestają zachowywać się jak pojedyncze byty i można je opisać pojedynczą funkcją falową.
Kondermat fermionowy: Podobnie jak kondensat Bosego-Einsteina, cząstki w kondensacie fermionowym można opisać jedną jednolitą funkcją falową. Różnica polega na tym, że kondensat tworzą fermiony. Z powodu zasady wykluczenia Pauliego fermiony nie mogą mieć tego samego stanu kwantowego, ale w tym przypadku pary fermionów zachowują się jak bozony.
Dropleton: Jest to „mgła kwantowa” elektronów i dziur, które płyną podobnie jak ciecz.
Materia zdegenerowana: Zdegenerowana materia jest właściwie zbiorem egzotycznych stanów materii, które występują pod ekstremalnie wysokim ciśnieniem (np. W rdzeniach gwiazd lub masywnych planet, takich jak Jowisz). Termin „zdegenerowany” wywodzi się ze sposobu, w jaki materia może istnieć w dwóch stanach z tą samą energią, co czyni je wymiennymi.
Osobliwość grawitacyjna: Osobliwością, jak w centrum czarnej dziury, jest nie stan materii. Należy jednak zauważyć, że jest to „obiekt” utworzony przez masę i energię pozbawioną materii.
Faza zmian między stanami materii
Materia może zmieniać stany, gdy energia jest dodawana lub usuwana z systemu. Zwykle energia ta wynika ze zmian ciśnienia lub temperatury. Kiedy zmiany materii stwierdzają, przechodzi ona przejście fazowe lub zmiana fazy.
Źródła
- Goodstein, D. L. (1985). Stany materii. Dover Phoenix. ISBN 978-0-486-49506-4.
- Murthy, G.; i in. (1997). „Nadcieki i supersolidy na sfrustrowanych dwuwymiarowych kratach”. Przegląd fizyczny B. 55 (5): 3104. doi:10.1103 / PhysRevB.55.3104
- Sutton, A. P. (1993). Elektroniczna struktura materiałów. Oxford Science Publications. pp. 10–12. ISBN 978-0-19-851754-2.
- Valigra, Lori (22 czerwca 2005) Fizycy MIT tworzą nową formę materii. Wiadomości MIT.
- Wahab, M.A. (2005). Fizyka ciała stałego: struktura i właściwości materiałów. Alpha Science. pp. 1–3. ISBN 978-1-84265-218-3.