Aine on "juttuja", jotka muodostavat maailmankaikkeuden - kaikki, mikä vie tilaa ja sisältää massaa, on asia.
Kaikki aine koostuu atomista, jotka puolestaan koostuvat protoneista, neutroneista ja elektronista.
Atomit kokoontuvat muodostaen molekyylejä, jotka ovat rakennuspalikoita kaikenlaisille aineille, Washingtonin osavaltion yliopiston mukaan. Sekä atomeja että molekyylejä pitää yhdessä potentiaalienergian muoto, jota kutsutaan kemialliseksi energiaksi. Toisin kuin kineettinen energia, joka on liikkeessä olevan kohteen energia, potentiaalienergia on esineeseen varastoitunut energia.
Aineen viisi vaihetta
Aineen luonnollisia tiloja on neljä: kiinteät aineet, nesteet, kaasut ja plasma. Viides tila on ihmisen tekemiä Bose-Einsteinin kondensaatteja.
kuiva-aine
Kiinteässä aineessa 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
Nesteessä hiukkaset pakataan löysämmin kuin kiinteään aineeseen ja ne 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
Kaasussa hiukkasilla on paljon tilaa niiden välillä ja niiden kineettinen energia on korkea. Kaasulla ei ole selvää muotoa tai tilavuutta. Kaasun hiukkaset leviävät rajoittamattomasti, jos ne eivät ole rafinoituja; jos kaasu rajoittuu, kaasu laajenee täyttämään säiliönsä. Kun kaasu paineistetaan alentamalla säiliön tilavuutta, hiukkasten välinen tila vähenee ja kaasu puristetaan.
plasma
Plasma ei ole yleinen ainetila täällä maan päällä, mutta se voi olla Jefferson-laboratorion mukaan yleisimpiä ainetiloja maailmankaikkeudessa. Tähdet ovat olennaisesti plasmakuumennettuja palloja.
Plasma koostuu erittäin varautuneista hiukkasista, joilla on erittäin korkea kineettinen energia. Jalokaasuja (helium, neon, argon, krypton, ksenoni ja radoni) käytetään usein hehkuvamerkkien tekemiseen käyttämällä sähköä ionisoimaan ne plasmatilaan.
Bose-Einstein -kondensaatti
Bose-Einstein-kondensaatti (BEC) luotiin tutkijoiden vuonna 1995. Laserien ja magneettien yhdistelmää käyttäen Coloradon Boulderissa sijaitsevan Yhteisen laboratorion astrofysiikan tutkimuslaitoksen (JILA) tutkijat Eric Cornell ja Carl Weiman jäähdytivät näytteen rubidiumista. 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 supernesteen tai nesteen ominaisuuksia, joka virtaa ilman kitkaa. BEC: itä käytetään myös simuloimaan mustissa aukkoissa mahdollisesti olevia olosuhteita.
Vaiheen läpi
Energian lisääminen tai poistaminen aineesta aiheuttaa fyysisen muutoksen, kun aine liikkuu tilasta toiseen. Esimerkiksi, lisäämällä lämpöenergiaa (lämpöä) nestemäiseen veteen, siitä tulee höyryä tai höyryä (kaasua). 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, sulamispisteensä, kiinteä aine alkaa sulaa ja muuttua 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 celsiusasteessa, 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 piste, jota kutsutaan kolminkertaiseksi pisteeksi, jossa kiinteät aineet, nesteet ja kaasut ovat kaikki samanaikaisesti. Esimerkiksi vettä on kaikissa kolmessa tilassa 273,16 kelvinin lämpötilassa ja 611,2 paskalin paineessa.
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 (leimahöyrystyminen) tai kun aine "kylmäkuivataan" jäähdyttämällä sitä tyhjiöolosuhteissa siten, että aineen vesi sublimoituu ja poistetaan näyte. Muutamille haihtuville aineille tapahtuu 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 siirretään 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, jossa nesteestä tulee kaasua.
Tiivistyminen ja laskeuma
Kondensoituminen tapahtuu, kun kaasu menettää energiaa ja muodostuu nesteeksi. Esimerkiksi vesihöyry kondensoituu nestemäiseksi vedeksi.
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.
