Το θέμα είναι το "υλικό" που συνθέτει το σύμπαν - όλα όσα καταλαμβάνουν χώρο και έχουν μάζα είναι θέμα.
Όλη η ύλη αποτελείται από άτομα, τα οποία με τη σειρά τους αποτελούνται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια.
Τα άτομα έρχονται μαζί για να σχηματίσουν μόρια, τα οποία είναι τα δομικά στοιχεία όλων των τύπων ύλης, σύμφωνα με το Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον. Και τα δύο άτομα και τα μόρια συγκρατούνται από μια μορφή δυνητικής ενέργειας που ονομάζεται χημική ενέργεια. Σε αντίθεση με την κινητική ενέργεια, που είναι η ενέργεια ενός αντικειμένου σε κίνηση, η δυνητική ενέργεια είναι η ενέργεια που αποθηκεύεται σε ένα αντικείμενο.
Οι πέντε φάσεις της ύλης
Υπάρχουν τέσσερις φυσικές καταστάσεις της ύλης: Στερεά, υγρά, αέρια και πλάσμα. Η πέμπτη κατάσταση είναι τα ανθρωπογενή συμπυκνώματα Bose-Einstein.
Στερεά
Σε ένα στερεό, τα σωματίδια συσκευάζονται σφιχτά μεταξύ τους έτσι ώστε να μην κινούνται πολύ. Τα ηλεκτρόνια κάθε ατόμου είναι συνεχώς σε κίνηση, έτσι τα άτομα έχουν μια μικρή δόνηση, αλλά είναι σταθερά στη θέση τους. Εξαιτίας αυτού, τα σωματίδια σε ένα στερεό έχουν πολύ χαμηλή κινητική ενέργεια.
Τα στερεά έχουν ορισμένο σχήμα, καθώς και μάζα και όγκο, και δεν συμμορφώνονται με το σχήμα του δοχείου στο οποίο τοποθετούνται. Τα στερεά έχουν επίσης υψηλή πυκνότητα, πράγμα που σημαίνει ότι τα σωματίδια είναι γερά συσκευασμένα μεταξύ τους.
Υγρά
Σε ένα υγρό, τα σωματίδια είναι πιο χαλαρά συσκευασμένα από ό, τι σε ένα στερεό και είναι σε θέση να ρέουν το ένα το άλλο, δίνοντας το υγρό σε απεριόριστο σχήμα. Συνεπώς, το υγρό θα συμμορφώνεται με το σχήμα του δοχείου του.
Όπως τα στερεά, τα υγρά (τα περισσότερα από τα οποία έχουν χαμηλότερη πυκνότητα από τα στερεά) είναι εξαιρετικά δύσκολο να συμπιεστούν.
Αέρια
Σε ένα αέριο, τα σωματίδια έχουν μεγάλο χώρο μεταξύ τους και έχουν υψηλή κινητική ενέργεια. Ένα αέριο δεν έχει καθορισμένο σχήμα ή όγκο. Αν δεν είναι καθορισμένες, τα σωματίδια ενός αερίου θα εξαπλωθούν επ 'αόριστον. αν περιορίζεται, το αέριο θα επεκταθεί για να γεμίσει το δοχείο του. Όταν ένα αέριο τίθεται υπό πίεση μειώνοντας τον όγκο του δοχείου, ο χώρος μεταξύ των σωματιδίων μειώνεται και το αέριο συμπιέζεται.
Πλάσμα αίματος
Το πλάσμα δεν είναι μια κοινή κατάσταση της ύλης εδώ στη Γη, αλλά μπορεί να είναι η πιο κοινή κατάσταση της ύλης στο σύμπαν, σύμφωνα με το Εργαστήριο Jefferson. Τα αστέρια είναι ουσιαστικά υπερθερμασμένες μπάλες πλάσματος.
Το πλάσμα αποτελείται από πολύ φορτισμένα σωματίδια με εξαιρετικά υψηλή κινητική ενέργεια. Τα ευγενή αέρια (ήλιο, νέον, αργόν, κρυπτόν, ξένον και ραδόνιο) συχνά χρησιμοποιούνται για να κάνουν λαμπερά σημάδια χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια για να τα ιονίσουν στην κατάσταση του πλάσματος.
Συμπύκνωμα Bose-Einstein
Το συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC) δημιουργήθηκε από επιστήμονες το 1995. Χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό λέιζερ και μαγνητών, οι Eric Cornell και Carl Weiman, επιστήμονες στο Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) στο Boulder του Κολοράντο, έψαξαν ένα δείγμα ρουβιδίου σε λίγους βαθμούς από το απόλυτο μηδέν. Σε αυτή την εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία, η μοριακή κίνηση έρχεται πολύ κοντά στη στάση. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει σχεδόν καμία κινητική ενέργεια που μεταφέρεται από το ένα άτομο στο άλλο, τα άτομα αρχίζουν να συσσωρεύονται. Δεν υπάρχουν πλέον χιλιάδες ξεχωριστά άτομα, μόνο ένα "σούπερ άτομο".
Ένα BEC χρησιμοποιείται για τη μελέτη της κβαντικής μηχανικής σε μακροσκοπικό επίπεδο. Το φως φαίνεται να επιβραδύνεται καθώς περνά μέσα από ένα BEC, επιτρέποντας στους επιστήμονες να μελετήσουν το paradox σωματιδίων / κυμάτων. Ένα BEC έχει επίσης πολλές από τις ιδιότητες ενός υπερρευστού ή ενός υγρού που ρέει χωρίς τριβή. Τα BECs χρησιμοποιούνται επίσης για την προσομοίωση συνθηκών που μπορεί να υπάρχουν σε μαύρες τρύπες.
Περάστε μια φάση
Η προσθήκη ή η αφαίρεση ενέργειας από την ύλη προκαλεί μια φυσική αλλαγή καθώς η ύλη κινείται από τη μια κατάσταση στην άλλη. Για παράδειγμα, η προσθήκη θερμικής ενέργειας (θερμότητας) στο υγρό νερό την καθιστά ατμό ή ατμό (αέριο). Και η απομάκρυνση της ενέργειας από το υγρό νερό την καθιστά πάγο (ένα στερεό). Οι φυσικές αλλαγές μπορούν επίσης να προκληθούν από την κίνηση και την πίεση.
Τήξη και κατάψυξη
Όταν εφαρμόζεται θερμότητα σε ένα στερεό, τα σωματίδια του αρχίζουν να δονίζουν ταχύτερα και να κινούνται πιο μακριά. Όταν η ουσία φτάσει σε ένα συγκεκριμένο συνδυασμό θερμοκρασίας και πίεσης, το σημείο τήξης της, το στερεό αρχίζει να τήκεται και να μετατρέπεται σε υγρό.
Όταν δύο καταστάσεις ύλης, όπως στερεών και υγρών, βρίσκονται σε θερμοκρασία και πίεση ισορροπίας, η πρόσθετη θερμότητα που προστίθεται στο σύστημα δεν θα προκαλέσει την αύξηση της συνολικής θερμοκρασίας της ουσίας μέχρις ότου το σύνολο του δείγματος φθάσει στην ίδια φυσική κατάσταση. Για παράδειγμα, όταν βάζετε πάγο σε ένα ποτήρι νερό και το αφήνετε σε θερμοκρασία δωματίου, ο πάγος και το νερό τελικά θα έρθουν στην ίδια θερμοκρασία. Καθώς ο πάγος λιώνει από τη θερμότητα που προέρχεται από το νερό, θα παραμείνει στους μηδέν βαθμούς Κελσίου μέχρι να λειώσει ολόκληρος ο παγοκύβος πριν συνεχίσει να ζεσταθεί.
Όταν απομακρύνεται η θερμότητα από ένα υγρό, τα σωματίδια της επιβραδύνουν και αρχίζουν να καθίστανται σε μια θέση εντός της ουσίας. Όταν η ουσία φθάσει σε μια αρκετά καλή θερμοκρασία σε μια ορισμένη πίεση, το σημείο πήξης, το υγρό γίνεται στερεό.
Τα περισσότερα υγρά συστέλλονται καθώς παγώνουν. Το νερό, όμως, επεκτείνεται όταν παγώνει σε πάγο, προκαλώντας τα μόρια να σπρώξουν πιο μακριά και να μειώσουν την πυκνότητα, γι 'αυτό και ο πάγος επιπλέει πάνω από το νερό.
Η προσθήκη επιπλέον ουσιών, όπως το αλάτι στο νερό, μπορεί να αλλοιώσει τόσο τα σημεία τήξης όσο και το σημείο πήξης. Για παράδειγμα, η προσθήκη αλατιού στο χιόνι θα μειώσει τη θερμοκρασία που παγώνει το νερό στους δρόμους, καθιστώντας τον ασφαλέστερο για τους οδηγούς.
Υπάρχει επίσης ένα σημείο, γνωστό ως το τριπλό σημείο, όπου όλα τα στερεά, τα υγρά και τα αέρια υπάρχουν ταυτόχρονα. Το νερό, για παράδειγμα, υπάρχει και στις τρεις καταστάσεις σε θερμοκρασία 273,16 Kelvin και πίεση 611,2 pascal.
Εξάχνιση
Όταν ένα στερεό μετατρέπεται απευθείας σε ένα αέριο χωρίς να περάσει από μια υγρή φάση, η διαδικασία είναι γνωστή ως εξάχνωση. Αυτό μπορεί να συμβεί είτε όταν η θερμοκρασία του δείγματος αυξάνεται ταχέως πέρα από το σημείο βρασμού (εξάτμιση με φλας) είτε όταν μια ουσία «στεγνώνει με κατάψυξη» με ψύξη υπό συνθήκες κενού έτσι ώστε το ύδωρ στην ουσία να υφίσταται εξάχνωση και να απομακρύνεται από το δείγμα. Μερικές πτητικές ουσίες θα υποβληθούν σε εξάχνωση σε θερμοκρασία δωματίου και πίεση, όπως το κατεψυγμένο διοξείδιο του άνθρακα ή ο ξηρός πάγος.
Εξάτμιση
Η εξάτμιση είναι η μετατροπή ενός υγρού σε ένα αέριο και μπορεί να συμβεί είτε με εξάτμιση είτε με βρασμό.
Επειδή τα σωματίδια ενός υγρού βρίσκονται σε συνεχή κίνηση, συχνά συγκρούονται μεταξύ τους. Κάθε σύγκρουση προκαλεί επίσης τη μεταφορά ενέργειας και όταν μεταφέρεται αρκετή ενέργεια σε σωματίδια κοντά στην επιφάνεια, μπορεί να χτυπηθεί εντελώς μακριά από το δείγμα ως ελεύθερα σωματίδια αερίου. Τα υγρά ψύχονται καθώς εξατμίζονται επειδή η ενέργεια που μεταφέρεται στα επιφανειακά μόρια, η οποία προκαλεί τη διαφυγή τους, μεταφέρεται μαζί τους.
Το υγρό βράζει όταν προστίθεται αρκετή θερμότητα σε ένα υγρό για να προκαλέσει σχηματισμό φυσαλίδων ατμού κάτω από την επιφάνεια. Αυτό το σημείο βρασμού είναι η θερμοκρασία και η πίεση στην οποία ένα υγρό γίνεται αέριο.
Συμπύκνωση και εναπόθεση
Η συμπύκνωση συμβαίνει όταν ένα αέριο χάνει ενέργεια και έρχεται μαζί για να σχηματίσει ένα υγρό. Για παράδειγμα, ο υδρατμός συμπυκνώνεται σε υγρό νερό.
Η εναπόθεση συμβαίνει όταν ένα αέριο μετασχηματίζεται απευθείας σε ένα στερεό, χωρίς να περάσει από την υγρή φάση. Ο υδρατμός γίνεται πάγος ή παγετός όταν ο αέρας αγγίζει ένα στερεό, όπως μια χλόη γρασίδι, είναι πιο δροσερό από τον υπόλοιπο αέρα.
