Aine on universum "kraam" - kõik, mis võtab ruumi ja millel on mass, on mateeria.
Kogu aine koosneb aatomitest, mis omakorda koosnevad prootonitest, neutronitest ja elektronidest.
Aatomid tulevad kokku, moodustades molekule, mis on Washingtoni osariigi ülikooli andmetel igat tüüpi ainet toetavad elemendid. Nii aatomeid kui ka molekule hoiab koos potentsiaalne energia, mida nimetatakse keemiliseks energiaks. Erinevalt kineetilisest energiast, mis on liikuva objekti energia, on potentsiaalne energia objektis talletatud energia.
Mateeria viis etappi
Ainet on neli looduslikku olekut: tahked ained, vedelikud, gaasid ja plasma. Viies olek on inimese loodud Bose-Einsteini kondensaadid.
Tahked ained
Tahkes olekus on osakesed tihedalt kokku pakitud, nii et need ei liigu eriti palju. Iga aatomi elektronid on pidevalt liikumises, seega on aatomitel väike vibratsioon, kuid need on fikseeritud oma asendis. Seetõttu on tahke aine osakeste kineetiline energia väga madal.
Tahketel ainetel on kindel kuju, mass ja maht ning need ei vasta anuma kujule, kuhu nad asetatakse. Tahketel ainetel on ka suur tihedus, mis tähendab, et osakesed on tihedalt kokku pakitud.
Vedelikud
Vedelikus on osakesed pakendatud lõdvemini kui tahke aines ja nad suudavad üksteise ümber voolata, andes vedelikule määramatu kuju. Seetõttu vastab vedelik oma mahuti kujule.
Sarnaselt tahketele ainetele on vedelikke (millest enamikul on väiksem tihedus kui tahkeid aineid) uskumatult raske kokku suruda.
Gaasid
Gaasis on osakeste vahel palju ruumi ja nende kineetiline energia on kõrge. Gaasil pole kindlat kuju ega mahtu. Rafineerimata kujul levivad gaasi osakesed tähtajatult; kui see on piiratud, paisub gaas oma mahuti täitmiseks. Kui gaasi rõhu all on anuma mahu vähendamine, väheneb osakeste vaheline ruum ja gaas surutakse kokku.
Plasma
Plasma ei ole siin Maa peal tavaline mateeriaseisund, kuid Jeffersoni labori andmetel võib see olla universumis kõige tavalisem mateeriaseisund. Tähed on põhiliselt plasma ülekuumendatud kuulid.
Plasma koosneb väga laetud osakestest, millel on äärmiselt kõrge kineetiline energia. Väärisgaase (heelium, neoon, argoon, krüptoon, ksenoon ja radoon) kasutatakse sageli hõõguvate märkide tegemiseks, kasutades elektrit, et neid ioniseerida plasma olekusse.
Bose-Einsteini kondensaat
Bose-Einsteini kondensaadi (BEC) lõid teadlased 1995. aastal. Laserite ja magnetide kombinatsiooni abil jahutasid Colorado Boulderi laboratoorse astrofüüsika ühise instituudi (JILA) teadlased Eric Cornell ja Carl Weiman rubiidiumiproovi. mõne kraadi täpsusega absoluutsest nullist. Sel äärmiselt madalal temperatuuril jõuab molekulaarne liikumine peatumisele väga lähedale. Kuna ühest aatomist teise kineetilist energiat peaaegu ei kandu, hakkavad aatomid kokku kogunema. Eraldi aatomeid pole enam tuhandeid, vaid üks "superaatom".
BEC-d kasutatakse kvantmehaanika uurimiseks makroskoopilisel tasemel. Valgus näib aeglustuvat, kui see läbib BEC-d, võimaldades teadlastel osakeste / lainete paradoksi uurida. BEC-l on ka palju supervedeliku või vedeliku, mis voolab ilma hõõrdumiseta, omadusi. BEC-sid kasutatakse ka mustade aukude esineda võivate tingimuste simuleerimiseks.
Faasi läbimine
Aine energia lisamine või eemaldamine põhjustab füüsikalisi muutusi, kuna aine liigub ühest olekust teise. Näiteks termilise energia (soojuse) lisamine vedelale veele muudab selle auruks või auruks (gaasiks). Ja energia eemaldamine vedelast veest muudab selle jääks (tahkeks aineks). Füüsilisi muutusi võib põhjustada ka liikumine ja surve.
Sulamine ja külmutamine
Kui tahkele ainele rakendatakse kuumust, hakkavad selle osakesed kiiremini vibreerima ja liikuma üksteisest kaugemale. Kui aine saavutab teatud temperatuuri ja rõhu kombinatsiooni, mille sulamispunkt on, hakkab tahke aine sulama ja muutuma vedelikuks.
Kui kaks ainet, näiteks tahke ja vedel olek, on tasakaalus temperatuuril ja rõhul, ei põhjusta süsteemi lisatav täiendav kuumus aine üldtemperatuuri tõusu, kuni kogu proov on samas füüsilises olekus. Näiteks kui paned jää klaasi vette ja jätad selle toatemperatuuril välja, siis jõuavad jää ja vesi lõpuks samale temperatuurile. Kuna jää sulab veest tulev kuumus, püsib see temperatuuril null kraadi, kuni kogu jääkuubik sulab enne sooja jätkumist.
Kui vedelikust eraldatakse soojust, aeglustuvad selle osakesed ja hakkavad asuma aine ühes kohas. Kui aine saavutab teatud rõhul piisavalt jaheda temperatuuri, külmumispunkti, muutub vedelik tahkeks.
Enamik vedelikke tõmbuvad külmudes kokku. Vesi aga paisub jääks külmumisel, põhjustades molekulide kaugemale paiskumist ja tiheduse vähenemist, mistõttu jää hõljub vee peal.
Täiendavate ainete, näiteks soola lisamine vees võib muuta nii sulamis- kui ka külmumispunkti. Näiteks vähendab soola lisamine lumele temperatuuri, mille tõttu vesi teedel külmub, muutes selle autojuhtidele ohutumaks.
Samuti on olemas punkt, mida nimetatakse kolmikpunktiks, kus tahked ained, vedelikud ja gaasid eksisteerivad samaaegselt. Näiteks vesi eksisteerib kõigis kolmes olekus temperatuuril 273,16 kelvinit ja rõhul 611,2 paskalit.
Sublimatsioon
Kui tahke aine muundatakse otse gaasiks ilma vedelat faasi läbimata, nimetatakse seda protsessi sublimatsiooniks. See võib ilmneda kas siis, kui proovi temperatuur tõuseb kiiresti pärast keemistemperatuuri (välgu aurustumine) või kui aine "külmkuivatatakse", jahutades seda vaakumis, nii et aine vesi läbib sublimatsiooni ja eemaldatakse proov. Mõned lenduvad ained sublimeeruvad toatemperatuuril ja rõhul, näiteks külmutatud süsinikdioksiid või kuiv jää.
Aurustumine
Aurutamine on vedeliku muundamine gaasiks ja see võib toimuda kas aurustamise või keemise teel.
Kuna vedeliku osakesed on pidevas liikumises, põrkuvad nad sageli üksteisega. Iga kokkupõrge põhjustab ka energia ülekandumist ja kui pinna lähedal olevatele osakestele kandub piisavalt energiat, võidakse need vabade gaasiosakestena proovist täielikult eemalduda. Vedelikud jahtuvad aurustumisel, kuna pinna molekulidele ülekantud energia, mis põhjustab nende väljapääsu, kulub koos nendega ära.
Vedelik keeb, kui vedelikule on lisatud piisavalt soojust, et tekitada pinna alla aurumullid. See keemispunkt on temperatuur ja rõhk, mille juures vedelik muutub gaasiks.
Kondensatsioon ja sadestumine
Kondensatsioon tekib siis, kui gaas kaotab energiat ja moodustab vedeliku. Näiteks kondenseerub veeaur vedelaks veeks.
Sadestumine toimub siis, kui gaas muundub otse tahkeks aineks, ilma vedelat faasi läbimata. Veeaur muutub jääks või pakaseks, kui tahket ainet, näiteks rohutera puudutav õhk on ülejäänud õhust jahedam.
