La materia è la "roba" che compone l'universo: tutto ciò che occupa spazio e ha massa è materia.
Tutta la materia è costituita da atomi, che a loro volta sono costituiti da protoni, neutroni ed elettroni.
Gli atomi si uniscono per formare molecole, che sono i mattoni per tutti i tipi di materia, secondo la Washington State University. Sia gli atomi che le molecole sono tenuti insieme da una forma di energia potenziale chiamata energia chimica. A differenza dell'energia cinetica, che è l'energia di un oggetto in movimento, l'energia potenziale è l'energia immagazzinata in un oggetto.
Le cinque fasi della materia
Esistono quattro stati naturali della materia: solidi, liquidi, gas e plasma. Il quinto stato sono i condensati artificiali di Bose-Einstein.
solidi
In un solido, le particelle sono imballate strettamente insieme in modo da non muoversi molto. Gli elettroni di ciascun atomo sono costantemente in movimento, quindi gli atomi hanno una piccola vibrazione, ma sono fissi nella loro posizione. Per questo motivo, le particelle in un solido hanno un'energia cinetica molto bassa.
I solidi hanno una forma definita, oltre a massa e volume, e non sono conformi alla forma del contenitore in cui sono posizionati. I solidi hanno anche un'alta densità, il che significa che le particelle sono strettamente imballate insieme.
liquidi
In un liquido, le particelle sono impacchettate più liberamente rispetto a un solido e sono in grado di fluire l'una attorno all'altra, dando al liquido una forma indefinita. Pertanto, il liquido si conformerà alla forma del suo contenitore.
Proprio come i solidi, i liquidi (molti dei quali hanno una densità inferiore rispetto ai solidi) sono incredibilmente difficili da comprimere.
gas
In un gas, le particelle hanno una grande quantità di spazio tra loro e hanno un'elevata energia cinetica. Un gas non ha forma o volume definiti. Se non confinati, le particelle di un gas si diffonderanno indefinitamente; se limitato, il gas si espanderà per riempire il suo contenitore. Quando un gas viene messo in pressione riducendo il volume del contenitore, lo spazio tra le particelle viene ridotto e il gas viene compresso.
Plasma
Il plasma non è uno stato comune della materia qui sulla Terra, ma potrebbe essere lo stato più comune della materia nell'universo, secondo il Jefferson Laboratory. Le stelle sono essenzialmente sfere di plasma surriscaldate.
Il plasma è costituito da particelle altamente cariche con energia cinetica estremamente elevata. I gas nobili (elio, neon, argon, krypton, xenon e radon) sono spesso usati per creare segni luminosi usando l'elettricità per ionizzarli allo stato del plasma.
Condensa di Bose-Einstein
Il condensato di Bose-Einstein (BEC) è stato creato dagli scienziati nel 1995. Utilizzando una combinazione di laser e magneti, Eric Cornell e Carl Weiman, scienziati del Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) di Boulder, Colorado, hanno raffreddato un campione di rubidio entro pochi gradi dallo zero assoluto. A questa temperatura estremamente bassa, il movimento molecolare si avvicina molto all'arresto. Dal momento che quasi nessuna energia cinetica viene trasferita da un atomo all'altro, gli atomi iniziano a raggrupparsi. Non ci sono più migliaia di atomi separati, solo un "superatomo".
Un BEC è usato per studiare la meccanica quantistica a livello macroscopico. La luce sembra rallentare mentre passa attraverso un BEC, permettendo agli scienziati di studiare il paradosso particella / onda. Un BEC ha anche molte delle proprietà di un superfluido o di un fluido che scorre senza attrito. I BEC sono anche usati per simulare condizioni che potrebbero esistere nei buchi neri.
Passare attraverso una fase
L'aggiunta o la rimozione di energia dalla materia provoca un cambiamento fisico mentre la materia si sposta da uno stato a un altro. Ad esempio, l'aggiunta di energia termica (calore) all'acqua liquida fa sì che diventi vapore o vapore (un gas). E la rimozione di energia dall'acqua liquida fa sì che diventi ghiaccio (un solido). I cambiamenti fisici possono anche essere causati da movimento e pressione.
Fusione e congelamento
Quando il calore viene applicato a un solido, le sue particelle iniziano a vibrare più velocemente e si allontanano ulteriormente. Quando la sostanza raggiunge una certa combinazione di temperatura e pressione, il suo punto di fusione, il solido inizierà a sciogliersi e si trasformerà in un liquido.
Quando due stati della materia, come solido e liquido, sono alla temperatura e alla pressione di equilibrio, il calore aggiuntivo aggiunto nel sistema non farà aumentare la temperatura complessiva della sostanza fino a quando l'intero campione non raggiunge lo stesso stato fisico. Ad esempio, quando metti il ghiaccio in un bicchiere d'acqua e lo lasci fuori a temperatura ambiente, il ghiaccio e l'acqua alla fine raggiungeranno la stessa temperatura. Quando il ghiaccio si scioglie dal calore proveniente dall'acqua, rimarrà a zero gradi Celsius fino a quando l'intero cubetto di ghiaccio si scioglierà prima di continuare a riscaldarsi.
Quando il calore viene rimosso da un liquido, le sue particelle rallentano e iniziano a depositarsi in una posizione all'interno della sostanza. Quando la sostanza raggiunge una temperatura sufficientemente fredda a una certa pressione, il punto di congelamento, il liquido diventa solido.
La maggior parte dei liquidi si contrae mentre si congelano. L'acqua, tuttavia, si espande quando si congela nel ghiaccio, facendo sì che le molecole si allontanino ulteriormente e diminuiscano la densità, motivo per cui il ghiaccio galleggia sopra l'acqua.
L'aggiunta di sostanze aggiuntive, come il sale nell'acqua, può alterare sia i punti di fusione che quelli di congelamento. Ad esempio, l'aggiunta di sale alla neve diminuirà la temperatura che l'acqua congela sulle strade, rendendola più sicura per i conducenti.
C'è anche un punto, noto come il punto triplo, in cui solidi, liquidi e gas esistono tutti contemporaneamente. L'acqua, per esempio, esiste in tutti e tre gli stati ad una temperatura di 273,16 Kelvin e una pressione di 611,2 pascal.
sublimazione
Quando un solido viene convertito direttamente in un gas senza attraversare una fase liquida, il processo è noto come sublimazione. Ciò può verificarsi sia quando la temperatura del campione viene rapidamente aumentata oltre il punto di ebollizione (vaporizzazione rapida) sia quando una sostanza viene "liofilizzata" raffreddandola in condizioni di vuoto in modo che l'acqua nella sostanza sia soggetta a sublimazione e rimossa da il campione. Alcune sostanze volatili subiranno sublimazione a temperatura e pressione ambiente, come anidride carbonica congelata o ghiaccio secco.
Vaporizzazione
La vaporizzazione è la conversione di un liquido in gas e può avvenire mediante evaporazione o ebollizione.
Poiché le particelle di un liquido sono in costante movimento, spesso si scontrano tra loro. Ogni collisione provoca anche il trasferimento di energia e quando una quantità sufficiente di energia viene trasferita alle particelle vicino alla superficie, queste possono essere eliminate completamente dal campione come particelle di gas libere. I liquidi si raffreddano mentre evaporano perché l'energia trasferita alle molecole di superficie, che provoca la loro fuga, viene portata via con loro.
Il liquido bolle quando viene aggiunto abbastanza calore a un liquido per causare la formazione di bolle di vapore sotto la superficie. Questo punto di ebollizione è la temperatura e la pressione a cui un liquido diventa un gas.
Condensa e deposizione
La condensa si verifica quando un gas perde energia e si riunisce per formare un liquido. Ad esempio, il vapore acqueo si condensa in acqua liquida.
La deposizione si verifica quando un gas si trasforma direttamente in un solido, senza passare attraverso la fase liquida. Il vapore acqueo diventa ghiaccio o gelo quando l'aria che tocca un solido, come un filo d'erba, è più fredda del resto dell'aria.
