Aihe: määritelmä ja viisi tilannetta


Aine on "juttuja", jotka muodostavat maailmankaikkeuden – kaikki, mikä vie tilaa ja sisältää massaa, on asia.

Kaikki aine koostuu atomia, jotka puolestaan ​​koostuvat protoneista, neutroneista ja elektronista.

Atomit muodostuvat yhdessä muodostaen molekyylejä, jotka ovat rakenneosina kaiken tyyppisille aineille Washingtonin osavaltion yliopisto. Sekä atomit että molekyylit pidetään yhdessä potentiaalienergian muodossa, jota kutsutaan kemialliseksi energiaksi. Toisin kuin kineettinen energia, joka on liikkuvan kohteen energia, Mahdollinen energia on esineeseen varastoitunut energia.

Aineen viisi vaihetta

Aineen luonnollisia tiloja on neljä: kiinteät aineet, nesteet, kaasut ja plasma. Viides tila on ihmisen luomat Bose-Einsteinin kondensaatit.

kuiva-aine

Jonkin sisällä vankka, hiukkaset on pakattu tiukasti yhteen, joten ne eivät liiku paljon. Kummankin atomin elektronit ovat jatkuvasti liikkeessä, joten atomeilla on pieni värähtely, mutta ne ovat kiinteitä asemassaan. Tämän takia kiintoaineen hiukkasilla on erittäin alhainen kineettinen energia.

Kiinteillä aineilla on selkeä muoto, samoin kuin massa ja tilavuus, eivätkä ne vastaa säiliön muotoa, johon ne asetetaan. Kiinteillä aineilla on myös suuri tiheys, mikä tarkoittaa, että hiukkaset on tiiviisti pakattu yhteen.

nesteet

Jonkin sisällä neste, hiukkaset on pakattu löysämmin kuin kiinteään aineeseen ja kykenevät virtaamaan toistensa ympäri antaen nesteelle rajoittamattoman muodon. Siksi neste vastaa säiliön muotoa.

Aivan kuten kiinteät aineet, nesteet (joista useimpien tiheys on pienempi kuin kiinteiden aineiden) on uskomattoman vaikea puristaa.

kaasut

Jonkin sisällä kaasu, partikkelien välillä on paljon tilaa, ja niiden kineettinen energia on korkea. Kaasulla ei ole selvää muotoa tai tilavuutta. Kaasun hiukkaset leviävät rajoittamattomasti, jos ne eivät ole rafinoituja; jos se on suljettu, kaasu laajenee täyttämään säiliönsä. Kun kaasu paineistetaan vähentämällä säiliön tilavuutta, hiukkasten välinen tila vähenee ja kaasu puristetaan.

plasma

plasma ei ole yleinen ainetila täällä maan päällä, mutta se voi olla maailmankaikkeuden yleisin ainetila. Jefferson Laboratory. Tähdet ovat olennaisesti plasmakuumennettuja palloja.

Plasma koostuu erittäin varautuneista hiukkasista, joilla on erittäin korkea kineettinen energia. jalokaasut (helium, neon, argon, kriptoni, ksenoni ja radoni) käytetään usein hehkuvien merkkien tekemiseen käyttämällä sähköä ionisoimaan ne plasmatilaan.

Bose-Einstein -kondensaatti

Bose-Einstein -kondensaatti Tutkijat loivat BEC: n (BEC) vuonna 1995. Käyttämällä lasereiden ja magneettien yhdistelmää, Coloradon Boulderissa sijaitsevan laboratorion astrofysiikan yhteisinstituutin (JILA) tutkijat Eric Cornell ja Carl Weiman jäähdyttivät näytteen rubidium muutaman asteen absoluuttiseen nollaan. Tässä erittäin matalassa lämpötilassa molekyylin liike tulee hyvin lähellä pysähtymistä. Koska kineettistä energiaa ei siirretä atomista toiseen, atomit alkavat rypistyä yhteen. Ei enää ole tuhansia erillisiä atomeja, vain yksi "superatomi".

BEC: tä käytetään kvantimekaniikan tutkimiseen makroskooppisella tasolla. Valo näyttää hidastuvan, kun se kulkee BEC: n läpi, jolloin tutkijat voivat tutkia hiukkasten / aaltojen paradoksia. BEC: llä on myös monia a: n ominaisuuksia supranestetai neste, joka virtaa ilman kitkaa. BEC-arvoja käytetään myös simuloimaan mustissa aukkoissa mahdollisesti olevia olosuhteita.

Vaiheen läpi

Energian lisääminen tai poistaminen aineesta aiheuttaa fyysisen muutoksen, kun aine liikkuu tilasta toiseen. Esimerkiksi lämpöenergian (lämmön) lisääminen nestemäiseen veteen saa siitä höyryn tai höyryn (kaasu). Ja energian poistaminen nestemäisestä vedestä saa siitä jäätä (kiinteää ainetta). Fyysiset muutokset voivat johtua myös liikkeestä ja painosta.

Sulaminen ja jäätyminen

Kun lämpöä kohdistetaan kiinteään aineeseen, sen hiukkaset alkavat värähtää nopeammin ja liikkua kauempana toisistaan. Kun aine saavuttaa tietyn lämpötilan ja paineen yhdistelmän, sen sulamispistekiinteä aine alkaa sulaa ja muuttuu nesteeksi.

Kun kaksi aineen tilaa, kuten kiinteä ja nestemäinen, ovat tasapainolämpötilassa ja -paineessa, järjestelmään lisätty lisälämpö ei aiheuta aineen kokonaislämpötilan nousua, ennen kuin koko näyte saavuttaa saman fyysisen tilan. Esimerkiksi, kun laitat jään lasilliseen vettä ja jätät sen ulos huoneenlämmössä, jään ja veden tulee lopulta sama lämpötila. Kun jää sulaa vedestä tulevasta lämmöstä, se pysyy nollassa Celsius-asteessa, kunnes koko jääkuutio sulaa, ennen kuin se jatkaa lämpenemistä.

Kun lämpö poistetaan nesteestä, sen hiukkaset hidastuvat ja alkavat asettua yhteen kohtaan aineen sisällä. Kun aine saavuttaa riittävän viileän lämpötilan tietyssä paineessa, jäätymispisteessä, nesteestä tulee kiinteää ainetta.

Suurin osa nesteistä supistuu, kun ne jäätyvät. Vesi kuitenkin laajenee, kun se jäätyy jääksi, jolloin molekyylit työntyvät kauempana toisistaan ​​ja vähentävät tiheyttä, minkä vuoksi jää kelluu veden päällä.

Lisäaineiden, kuten suolan lisääminen veteen, voi muuttaa sekä sulamis- että jäätymispisteitä. Esimerkiksi suolan lisääminen lumelle laskee veden jäätymisen lämpötilaa teillä, mikä tekee siitä kuljettajille turvallisemman.

On myös kohta, joka tunnetaan nimellä kolminkertainen piste, jossa kiinteät, nesteet ja kaasut ovat kaikki samanaikaisesti olemassa. Esimerkiksi vettä on kaikissa kolmessa tilassa 273,16 kelvinin lämpötilassa ja 611,2 paskalin paineessa.

Suurin osa nesteistä kutistuu, kun ne jäätyvät, mutta vesi laajenee, mikä tekee siitä vähemmän tiheän, kun siitä tulee jäätä. Tämä ainutlaatuinen ominaisuus antaa jään kellua vedessä, kuten tämä massiivinen jäävuori Antarktis.

(Kuvan luotto: NASA / Operaatio Icebridge)

Sublimaatio

Kun kiinteä aine muunnetaan suoraan kaasuksi kulkematta nestefaasin läpi, prosessi tunnetaan sublimoitumisena. Tämä voi tapahtua joko silloin, kun näytteen lämpötila nousee nopeasti kiehumispisteen yläpuolella (leimahöyrystys) tai kun aine "pakastekuivataan" jäähdyttämällä sitä tyhjiöolosuhteissa siten, että aineen vesi sublimoituu ja poistetaan näyte. Muutamia haihtuvia aineita käy läpi sublimoituminen huoneenlämpötilassa ja paineessa, kuten jäädytetty hiilidioksidi tai kuiva jää.

höyrystyminen

Höyrystyminen on nesteen muuttumista kaasuksi ja voi tapahtua joko haihduttamalla tai kiehuttamalla.

Koska nestehiukkaset ovat jatkuvassa liikkeessä, ne törmäävät usein toisiinsa. Jokainen törmäys aiheuttaa myös energian siirron, ja kun tarpeeksi energiaa siirtyy hiukkasiin pinnan lähellä, ne voidaan koputtaa kokonaan pois näytteestä vapaina kaasuhiukkasina. Nesteet jäähtyvät, kun ne haihtuvat, koska pintamolekyyleihin siirtyvä energia, joka aiheuttaa niiden poistumisen, kuluu mukanaan.

Neste kiehuu, kun nesteeseen lisätään tarpeeksi lämpöä aiheuttamaan höyrykuplien muodostumista pinnan alle. Tämä kiehumispiste on lämpötila ja paine, jolla nesteestä tulee kaasua.

Tiivistyminen ja laskeuma

Kondensoituminen tapahtuu, kun kaasu menettää energiaa ja muodostuu nesteeksi. Esimerkiksi vesihöyry tiivistyy nestemäiseen veteen.

Laskeutuminen tapahtuu, kun kaasu muuttuu suoraan kiinteäksi aineeksi käymättä läpi nestefaasin. Vesihöyrystä tulee jäätä tai pakkasta, kun kiinteää ainetta, kuten ruohonterää, koskettava ilma on viileämpää kuin muu ilma.

Lisäresurssit:

Live Science Contributor Rachel Ross päivitti tämän artikkelin 21. elokuuta 2019.