Materija je "ono" što čini svemir - sve što zauzima prostor i ima masu, je materija.
Sva se materija sastoji od atoma, koji su zauzvrat sastavljeni od protona, neutrona i elektrona.
Atomi se udružuju i stvaraju molekule, koji su građevni blokovi svih vrsta materije, prema Državnom sveučilištu Washington. I atomi i molekule održavaju se zajedno u obliku potencijalne energije koja se naziva kemijska energija. Za razliku od kinetičke energije, koja je energija objekta u pokretu, potencijalna energija je energija pohranjena u objektu.
Pet faza materije
Postoje četiri prirodna stanja materije: kruta tvar, tekućina, plinovi i plazma. Peto stanje su umjetni Bose-Einstein kondenzati.
Krute tvari
Čvrste su čestice čvrsto zbijene tako da se ne kreću puno. Elektroni svakog atoma su stalno u pokretu, tako da atomi imaju malu vibraciju, ali oni su fiksni u svom položaju. Zbog toga čestice u krutini imaju vrlo nisku kinetičku energiju.
Čvrsti ostaci imaju definitivan oblik, kao i masa i volumen, i ne odgovaraju obliku spremnika u koji su smješteni. Čvrsti sastojci također imaju visoku gustoću, što znači da su čestice čvrsto zbijene.
tekućine
U tekućini su čestice slabije skupljene nego u krutini i sposobne su da se teku jedna oko druge, dajući tekućini neodređeni oblik. Stoga će se tekućina u skladu s oblikom spremnika.
Kao i krute tvari, tekućine (od kojih je većina manja gustoća od krutih tvari) nevjerojatno je teško komprimirati.
plinovi
U plinu čestice imaju velik prostor između sebe i imaju visoku kinetičku energiju. Plin nema određenog oblika ili volumena. Ako se ne rafiniraju, čestice plina će se širiti u nedogled; ako se zatvori, plin će se proširiti i napuniti njegov spremnik. Kad se plin stavi pod tlak smanjenjem volumena spremnika, smanjuje se prostor između čestica i plin se komprimira.
Plazma
Plazma nije uobičajeno stanje materije ovdje na Zemlji, ali može biti najčešće stanje materije u svemiru, prema Jefferson Laboratory. Zvijezde su u osnovi pregrijane kuglice plazme.
Plazma se sastoji od visoko nabijenih čestica s izrazito velikom kinetičkom energijom. Plemeniti plinovi (helij, neon, argon, kripton, ksenon i radon) često se koriste za pravljenje užarenih znakova pomoću električne energije koja ih ionizira u stanje plazme.
Bose-Einsteinov kondenzat
Kondenzat Bose-Einstein (BEC) stvorili su znanstvenici 1995. Koristeći kombinaciju lasera i magneta, Eric Cornell i Carl Weiman, znanstvenici Zajedničkog instituta za laboratorijsku astrofiziku (JILA) u Boulderu, Colorado, ohladili su uzorak rubidija do unutar nekoliko stupnjeva apsolutne nule. Pri ovoj ekstremno niskoj temperaturi, molekularno se kretanje približava zaustavljanju. Kako gotovo da nema kinetičke energije koja se prenosi s jednog atoma na drugi, atomi se počinju sakupljati. Nema više tisuća zasebnih atoma, već samo jedan "super atom".
BEC se koristi za proučavanje kvantne mehanike na makroskopskoj razini. Čini se da se svjetlost usporava dok prolazi kroz BEC, omogućujući znanstvenicima da proučavaju paradoks čestica / vala. BEC također ima mnoga svojstva viška fluida ili tekućine koja teče bez trenja. BEC se također koriste za simulaciju uvjeta koji mogu postojati u crnim rupama.
Prolazi kroz fazu
Dodavanje ili uklanjanje energije iz materije uzrokuje fizičku promjenu kako se materija prelazi iz jednog stanja u drugo. Na primjer, dodavanje toplinske energije (topline) tekućoj vodi uzrokuje da ona postane para ili para (plin). A uklanjanje energije iz tekuće vode uzrokuje da ona postane led (kruta tvar). Fizičke promjene mogu biti uzrokovane gibanjem i pritiskom.
Taljenje i smrzavanje
Kad se toplina primijeni na krutinu, njezine čestice počinju brže vibrirati i odmiču se dalje. Kad tvar dostigne određenu kombinaciju temperature i tlaka, tališta, krutina će se početi topiti i pretvoriti u tekućinu.
Kada su dva stanja materije, poput krute i tekuće, ravnotežna temperatura i tlak, dodatna toplina dodana u sustav neće uzrokovati porast ukupne temperature tvari dok cijeli uzorak ne postigne isto fizičko stanje. Na primjer, kad led stavite u čašu vode i ostavite ga na sobnoj temperaturi, led i voda će s vremenom doći do iste temperature. Dok se led topi od topline koja dolazi iz vode, ostat će na nula Celzijevih stupnjeva dok se cijela kocka leda ne otopi prije nego što nastavi zagrijavati.
Kad se toplina ukloni iz tekućine, njegove čestice usporavaju i počinju se taložiti na jednom mjestu unutar tvari. Kad tvar dostigne dovoljno hladnu temperaturu pod određenim pritiskom, točkom smrzavanja, tekućina postaje kruta tvar.
Većina tekućina steže se tijekom zamrzavanja. Voda se, međutim, širi kada se smrzne u led, uzrokujući da se molekule odmaknu i smanjuju gustoću, zbog čega led lebdi na vrhu vode.
Dodavanje dodatnih tvari, poput soli u vodu, može promijeniti točke topljenja i smrzavanja. Na primjer, dodavanje soli snijegu smanjit će temperaturu kojom voda smrzava na cestama, što će je učiniti sigurnijom za vozače.
Postoji i točka, poznata kao trostruka točka, gdje kruta tvar, tekućina i plinovi postoje istovremeno. Voda, na primjer, postoji u sva tri stanja pri temperaturi 273,16 Kelvina i tlaku od 611,2 paskala.
Sublimacija
Kad se kruta tvar pretvara izravno u plin bez prolaska kroz tekuću fazu, postupak je poznat i kao sublimacija. To se može dogoditi ili kada se temperatura uzoraka brzo povećava iznad vrelišta (bljeskalim isparavanjem) ili kada se tvar "suši smrzavanjem" hlađenjem pod vakuum uvjetima, tako da voda u tvari podliježe sublimaciji i uklanja se iz uzorak. Nekoliko isparljivih tvari podvrgnut će se sublimaciji na sobnoj temperaturi i tlaku, poput smrznutog ugljičnog dioksida ili suhog leda.
Isparavanje
Isparavanje je pretvaranje tekućine u plin i može se dogoditi ili isparavanjem ili ključanjem.
Kako su čestice tekućine u stalnom gibanju, one se često sudaraju jedna s drugom. Svaki sudar također uzrokuje prijenos energije, a kada se dovoljno energije prenese na čestice blizu površine, one se mogu potpuno odbaciti od uzorka kao slobodne čestice plina. Tekućine se hlade dok isparaju jer se energija koja se prenosi u površinske molekule, što uzrokuje njihov bijeg, nosi sa sobom.
Tekućina ključa kada se doda dovoljno topline tekućini da se ispod površine formiraju mjehurići pare. Točka ključanja je temperatura i pritisak pri kojem tekućina postaje plin.
Kondenzacija i taloženje
Kondenzacija nastaje kada neki plin izgubi energiju i zajedno se stvori tekućina. Na primjer, vodena para kondenzira u tekuću vodu.
Taloženje nastaje kada se plin pretvara izravno u krutu tvar, a da ne prolazi kroz tekuću fazu. Vodena para postaje ledena ili smrznuta kada zrak koji dodiruje čvrstu tvar, poput trave trave, bude hladniji od ostatka zraka.
