Hmota je „věc“, která tvoří vesmír - vše, co zabírá prostor a má hmotnost, je hmota.
Veškerá hmota je tvořena atomy, které jsou zase tvořeny protony, neutrony a elektrony.
Atomy se podle Washingtonské státní univerzity spojují a vytvářejí molekuly, které jsou stavebními kameny pro všechny typy látek. Atomy i molekuly jsou drženy pohromadě formou potenciální energie zvané chemická energie. Na rozdíl od kinetické energie, která je energií objektu v pohybu, je potenciální energií energie uložená v objektu.
Pět fází hmoty
Existují čtyři přirozené stavy hmoty: pevné látky, kapaliny, plyny a plazma. Pátým státem jsou umělé kondenzáty Bose-Einstein.
Pevné látky
V pevné látce jsou částice pevně zabaleny, takže se příliš nepohybují. Elektrony každého atomu jsou neustále v pohybu, takže atomy mají malé vibrace, ale jsou fixovány ve své poloze. Z tohoto důvodu mají částice v pevné látce velmi nízkou kinetickou energii.
Pevné látky mají určitý tvar, jakož i hmotnost a objem, a neodpovídají tvaru nádoby, ve které jsou umístěny. Pevné látky mají také vysokou hustotu, což znamená, že částice jsou pevně zabaleny.
Kapaliny
V kapalině jsou částice volně baleny než v pevné látce a jsou schopny protékat kolem sebe, což dává kapalině neurčitý tvar. Tekutina tedy bude odpovídat tvaru své nádoby.
Podobně jako u pevných látek je kapalina (z nichž většina má nižší hustotu než pevná látka), neuvěřitelně obtížně stlačitelná.
Plyny
V plynu mají částice mezi sebou velký prostor a mají vysokou kinetickou energii. Plyn nemá jednoznačný tvar ani objem. Pokud není částice plynu omezená, rozptyluje se na neurčito; pokud je uzavřen, plyn se rozšíří a naplní svůj kontejner. Když je plyn vystaven tlaku snížením objemu nádoby, zmenší se prostor mezi částicemi a stlačí se plyn.
Plazma
Plazma zde není na Zemi běžným stavem hmoty, ale podle Jeffersonovy laboratoře to může být nejběžnější stav hmoty ve vesmíru. Hvězdy jsou v podstatě přehřáté koule plazmy.
Plazma se skládá z vysoce nabitých částic s extrémně vysokou kinetickou energií. Ušlechtilé plyny (helium, neon, argon, krypton, xenon a radon) se často používají k vytváření zářících znaků pomocí elektřiny k ionizaci do plazmového stavu.
Kondenzát Bose-Einstein
Kondenzát Bose-Einstein (BEC) byl vytvořen vědci v roce 1995. Vědci ze Společného ústavu pro laboratorní astrofyziku (JILA) v Boulderu v Coloradu pomocí kombinace laserů a magnetů ochladili vzorek rubidia. do několika stupňů od absolutní nuly. Při této extrémně nízké teplotě se molekulární pohyb blíží zastavení. Protože neexistuje téměř žádná kinetická energie přenášená z jednoho atomu na druhý, atomy se začnou shlukovat. Už neexistují tisíce samostatných atomů, pouze jeden „super atom“.
BEC se používá ke studiu kvantové mechaniky na makroskopické úrovni. Zdá se, že se světlo zpomaluje, když prochází BEC, což vědcům umožňuje studovat paradox částice / vlny. BEC má také mnoho vlastností superfluidu nebo tekutiny, která teče bez tření. BEC se také používají k simulaci podmínek, které mohou existovat v černých dírách.
Prochází fází
Přidání nebo odebrání energie z hmoty způsobuje fyzickou změnu, když se hmota pohybuje z jednoho stavu do druhého. Například přidání tepelné energie (tepla) do kapalné vody způsobí, že se stane párou nebo parou (plyn). A odstranění energie z tekuté vody způsobí, že se z ní stane led (pevná látka). Fyzické změny mohou být také způsobeny pohybem a tlakem.
Tání a zmrazování
Když je teplo aplikováno na pevnou látku, její částice začnou vibrovat rychleji a pohybují se dále od sebe. Jakmile látka dosáhne určité kombinace teploty a tlaku, teploty tání, začne se tuhnout a roztaví se na kapalinu.
Když jsou dva stavy hmoty, jako je pevná látka a kapalina, v rovnovážné teplotě a tlaku, další teplo přidané do systému nezpůsobí zvýšení celkové teploty látky, dokud celý vzorek nedosáhne stejného fyzického stavu. Například když dáte led do sklenice vody a necháte jej při pokojové teplotě, led a voda nakonec přijdou na stejnou teplotu. Jak se led taje z tepla přicházejícího z vody, zůstane při nulových stupních Celsia, dokud se celá ledová kostka neroztaví, než se zahřeje.
Když se z kapaliny odvádí teplo, její částice se zpomalí a začnou se usazovat na jednom místě v látce. Když látka dosáhne dostatečně chladné teploty při určitém tlaku, bodu tuhnutí, kapalina se stane pevnou látkou.
Většina tekutin se stahuje, když mrznou. Voda se však rozpíná, když zamrzne v ledu, což způsobí, že se molekuly od sebe vzdálí a sníží hustotu, což je důvod, proč se led vznáší nad vodou.
Přidání dalších látek, například soli ve vodě, může změnit jak teplotu tání, tak i teplotu tuhnutí. Například přidání soli ke sněhu sníží teplotu, kterou voda zamrzne na silnicích, což pro řidiče bezpečnější.
Existuje také bod, známý jako trojitý bod, kde všechny pevné látky, kapaliny a plyny všechny existují současně. Například voda existuje ve všech třech stavech při teplotě 273,16 Kelvinů a tlaku 611,2 pascalů.
Sublimace
Když je pevná látka přeměněna přímo na plyn, aniž by prošla kapalnou fází, je tento proces známý jako sublimace. K tomu může dojít buď, když se teplota vzorku rychle zvýší nad bod varu (rychlé odpařování), nebo když je látka „lyofilizovaná“ jejím ochlazením ve vakuu, takže voda v látce podléhá sublimaci a je odstraněna z vzorek. Několik těkavých látek podléhá sublimaci při pokojové teplotě a tlaku, jako je například zmrazený oxid uhličitý nebo suchý led.
Vypařování
Odpařování je přeměna kapaliny na plyn a může nastat buď odpařením nebo varem.
Protože částice kapaliny jsou v neustálém pohybu, často se srazí. Každá srážka také způsobuje přenos energie a když je dostatek energie přenesen na částice blízko povrchu, mohou být zcela vytlačeny ze vzorku jako částice volného plynu. Kapaliny se chladí, když se vypařují, protože energie přenášená na povrchové molekuly, která způsobuje jejich únik, se s nimi unese.
Kapalina se vaří, když je do kapaliny přidáno dostatečné množství tepla, aby se pod povrchem vytvořily bublinky páry. Tento bod varu je teplota a tlak, při kterém se z kapaliny stává plyn.
Kondenzace a depozice
Kondenzace nastane, když plyn ztratí energii a spojí se, aby vytvořil kapalinu. Například vodní pára kondenzuje na kapalnou vodu.
K usazování dochází, když se plyn transformuje přímo na pevnou látku, aniž by prošel kapalnou fází. Vodní pára se stává ledem nebo mrazem, když je vzduch v kontaktu s pevnou látkou, jako je stéblo trávy, chladnější než zbytek vzduchu.
