Materia: Definizione e i cinque stati della materia

La materia è la “roba” che costituisce l’universo — tutto ciò che occupa spazio e ha massa è materia.

Tutta la materia è composta da atomi, che sono a loro volta costituiti da protoni, neutroni ed elettroni.

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 fissati nella loro posizione., Per questo motivo, le particelle in un solido hanno un’energia cinetica molto bassa.

I solidi hanno una forma definita, così come massa e volume, e non sono conformi alla forma del contenitore in cui sono collocati. I solidi hanno anche un’alta densità, il che significa che le particelle sono strettamente imballate insieme.

Liquidi

In un liquido, le particelle sono più vagamente imballate che in un solido e sono in grado di fluire l’una intorno all’altra, dando al liquido una forma indefinita. Pertanto, il liquido si conformerà alla forma del suo contenitore.,

Proprio come i solidi, i liquidi (la maggior parte dei quali ha una densità inferiore ai solidi) sono incredibilmente difficili da comprimere.

Gas

In un gas, le particelle hanno una grande quantità di spazio tra di loro e hanno un’alta energia cinetica. Un gas non ha forma o volume definito. Se non confinato, le particelle di un gas si diffonderanno indefinitamente; se confinato, il gas si espanderà per riempire il suo contenitore. Quando un gas viene messo sotto 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, xeno e radon) sono spesso usati per fare segni luminosi usando l’elettricità per ionizzarli allo stato del plasma.,

Condensato di Bose-Einstein

Il condensato di Bose-Einstein (BEC) è stato creato dagli scienziati nel 1995. Usando una combinazione di laser e magneti, Eric Cornell e Carl Weiman, scienziati del Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) di Boulder, in Colorado, hanno raffreddato un campione di rubidio a pochi gradi di zero assoluto. A questa temperatura estremamente bassa, il movimento molecolare si avvicina molto all’arresto. Poiché non c’è quasi nessuna energia cinetica trasferita da un atomo all’altro, gli atomi iniziano a raggrupparsi., Non ci sono più migliaia di atomi separati, solo un ” super atomo.”

Un BEC è usato per studiare la meccanica quantistica a livello macroscopico. La luce sembra rallentare mentre passa attraverso un BEC, consentendo agli scienziati di studiare il paradosso particella/onda. Un BEC ha anche molte delle proprietà di un superfluido, o 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 man mano che la materia si sposta da uno stato all’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 dal movimento e dalla pressione.

Fusione e congelamento

Quando il calore viene applicato a un solido, le sue particelle iniziano a vibrare più velocemente e si allontanano più lontano. Quando la sostanza raggiunge una certa combinazione di temperatura e pressione, il suo punto di fusione, il solido inizierà a sciogliersi e trasformarsi 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 causerà l’aumento della temperatura complessiva della sostanza fino a quando l’intero campione 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. Mentre il ghiaccio si scioglie dal calore proveniente dall’acqua, rimarrà a zero gradi Celsius fino a quando l’intero cubetto di ghiaccio si scioglie 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 abbastanza fredda ad una certa pressione, il punto di congelamento, il liquido diventa un solido.

La maggior parte dei liquidi si contraggono mentre si congelano. L’acqua, tuttavia, si espande quando si congela nel ghiaccio, causando le molecole a spingere più lontano e diminuire la densità, motivo per cui il ghiaccio galleggia sopra l’acqua.

L’aggiunta di sostanze aggiuntive, come il sale in acqua, può alterare sia i punti di fusione che 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.

Esiste anche un punto, noto come punto triplo, in cui solidi, liquidi e gas esistono tutti contemporaneamente. L’acqua, ad esempio, esiste in tutti e tre gli stati ad una temperatura di 273,16 Kelvin e una pressione di 611,2 pascal.