Materie ist das "Zeug", aus dem das Universum besteht - alles, was Raum einnimmt und Masse hat, ist Materie.
Alle Materie besteht aus Atomen, die wiederum aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen.
Laut der Washington State University bilden Atome Moleküle, die die Bausteine für alle Arten von Materie bilden. Sowohl Atome als auch Moleküle werden durch eine Form potentieller Energie zusammengehalten, die als chemische Energie bezeichnet wird. Im Gegensatz zur kinetischen Energie, bei der es sich um die Energie eines sich bewegenden Objekts handelt, ist die potentielle Energie die in einem Objekt gespeicherte Energie.
Die fünf Phasen der Materie
Es gibt vier natürliche Materiezustände: Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase und Plasma. Der fünfte Zustand sind die künstlichen Bose-Einstein-Kondensate.
Feststoffe
In einem Feststoff sind die Partikel dicht zusammengepackt, sodass sie sich nicht viel bewegen. Die Elektronen jedes Atoms sind ständig in Bewegung, so dass die Atome eine kleine Schwingung haben, aber sie sind in ihrer Position fixiert. Aus diesem Grund haben Partikel in einem Feststoff eine sehr geringe kinetische Energie.
Feststoffe haben eine bestimmte Form sowie Masse und Volumen und entsprechen nicht der Form des Behälters, in den sie gestellt werden. Feststoffe haben auch eine hohe Dichte, was bedeutet, dass die Partikel dicht zusammengepackt sind.
Flüssigkeiten
In einer Flüssigkeit sind die Partikel lockerer gepackt als in einem Feststoff und können umeinander fließen, wodurch die Flüssigkeit eine unbestimmte Form erhält. Daher passt sich die Flüssigkeit der Form ihres Behälters an.
Ähnlich wie Feststoffe sind Flüssigkeiten (von denen die meisten eine geringere Dichte als Feststoffe haben) unglaublich schwer zu komprimieren.
Gase
In einem Gas haben die Partikel viel Platz zwischen sich und eine hohe kinetische Energie. Ein Gas hat keine bestimmte Form oder Volumen. Wenn sie nicht begrenzt sind, breiten sich die Partikel eines Gases auf unbestimmte Zeit aus. Wenn es begrenzt ist, dehnt sich das Gas aus, um seinen Behälter zu füllen. Wenn ein Gas durch Verringern des Volumens des Behälters unter Druck gesetzt wird, wird der Raum zwischen den Partikeln verringert und das Gas wird komprimiert.
Plasma
Plasma ist hier auf der Erde kein allgemeiner Materiezustand, aber laut Jefferson Laboratory möglicherweise der häufigste Materiezustand im Universum. Sterne sind im Wesentlichen überhitzte Plasmakugeln.
Plasma besteht aus hoch geladenen Teilchen mit extrem hoher kinetischer Energie. Die Edelgase (Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon) werden häufig verwendet, um leuchtende Zeichen zu setzen, indem sie mit Elektrizität in den Plasmazustand ionisiert werden.
Bose-Einstein-Kondensat
Das Bose-Einstein-Kondensat (BEC) wurde 1995 von Wissenschaftlern hergestellt. Mit einer Kombination aus Lasern und Magneten kühlten Eric Cornell und Carl Weiman, Wissenschaftler am Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) in Boulder, Colorado, eine Rubidiumprobe bis auf wenige Grad vom absoluten Nullpunkt. Bei dieser extrem niedrigen Temperatur kommt die molekulare Bewegung dem Anhalten sehr nahe. Da fast keine kinetische Energie von einem Atom auf ein anderes übertragen wird, beginnen die Atome zusammenzuklumpen. Es gibt nicht mehr Tausende von getrennten Atomen, nur ein "Superatom".
Ein BEC wird verwendet, um die Quantenmechanik auf makroskopischer Ebene zu untersuchen. Das Licht scheint sich beim Durchgang durch ein BEC zu verlangsamen, sodass Wissenschaftler das Teilchen / Wellen-Paradoxon untersuchen können. Ein BEC hat auch viele Eigenschaften eines Superfluids oder eines Fluids, das ohne Reibung fließt. BECs werden auch verwendet, um Bedingungen zu simulieren, die in Schwarzen Löchern auftreten können.
Eine Phase durchlaufen
Das Hinzufügen oder Entfernen von Energie zur Materie bewirkt eine physikalische Veränderung, wenn sich die Materie von einem Zustand in einen anderen bewegt. Wenn Sie beispielsweise flüssigem Wasser Wärmeenergie (Wärme) hinzufügen, wird es zu Dampf oder Dampf (einem Gas). Wenn Energie aus flüssigem Wasser entfernt wird, wird es zu Eis (einem Feststoff). Körperliche Veränderungen können auch durch Bewegung und Druck verursacht werden.
Schmelzen und Einfrieren
Wenn einem Feststoff Wärme zugeführt wird, beginnen seine Partikel schneller zu vibrieren und bewegen sich weiter auseinander. Wenn die Substanz eine bestimmte Kombination aus Temperatur und Druck, ihren Schmelzpunkt, erreicht, beginnt der Feststoff zu schmelzen und sich in eine Flüssigkeit zu verwandeln.
Wenn sich zwei Materiezustände wie Feststoff und Flüssigkeit auf der Gleichgewichtstemperatur und dem Gleichgewichtsdruck befinden, führt zusätzliche Wärme, die dem System zugeführt wird, nicht dazu, dass die Gesamttemperatur der Substanz ansteigt, bis die gesamte Probe den gleichen physikalischen Zustand erreicht. Wenn Sie beispielsweise Eis in ein Glas Wasser geben und es bei Raumtemperatur stehen lassen, erreichen Eis und Wasser schließlich die gleiche Temperatur. Wenn das Eis durch die vom Wasser kommende Hitze schmilzt, bleibt es bei null Grad Celsius, bis der gesamte Eiswürfel schmilzt, bevor es sich weiter erwärmt.
Wenn einer Flüssigkeit Wärme entzogen wird, verlangsamen sich ihre Partikel und beginnen sich an einer Stelle innerhalb der Substanz abzusetzen. Wenn die Substanz bei einem bestimmten Druck, dem Gefrierpunkt, eine ausreichend kühle Temperatur erreicht, wird die Flüssigkeit fest.
Die meisten Flüssigkeiten ziehen sich beim Gefrieren zusammen. Wasser dehnt sich jedoch aus, wenn es zu Eis gefriert, wodurch die Moleküle weiter auseinander drücken und die Dichte verringern, weshalb Eis auf Wasser schwimmt.
Das Hinzufügen zusätzlicher Substanzen wie Salz in Wasser kann sowohl den Schmelz- als auch den Gefrierpunkt verändern. Wenn Sie beispielsweise dem Schnee Salz hinzufügen, wird die Temperatur, mit der Wasser auf Straßen gefriert, verringert, was die Sicherheit für die Fahrer erhöht.
Es gibt auch einen Punkt, der als Tripelpunkt bekannt ist, an dem Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase gleichzeitig existieren. Wasser existiert beispielsweise in allen drei Zuständen bei einer Temperatur von 273,16 Kelvin und einem Druck von 611,2 Pascal.
Sublimation
Wenn ein Feststoff direkt in ein Gas umgewandelt wird, ohne eine flüssige Phase zu durchlaufen, wird der Prozess als Sublimation bezeichnet. Dies kann entweder auftreten, wenn die Temperatur der Probe schnell über den Siedepunkt hinaus ansteigt (Flash-Verdampfung) oder wenn eine Substanz durch Abkühlen unter Vakuumbedingungen "gefriergetrocknet" wird, so dass das Wasser in der Substanz eine Sublimation erfährt und aus dieser entfernt wird die Probe. Einige flüchtige Substanzen wie gefrorenes Kohlendioxid oder Trockeneis werden bei Raumtemperatur und Druck sublimiert.
Verdampfung
Verdampfung ist die Umwandlung einer Flüssigkeit in ein Gas und kann entweder durch Verdampfen oder Kochen erfolgen.
Da die Partikel einer Flüssigkeit in ständiger Bewegung sind, kollidieren sie häufig miteinander. Bei jeder Kollision wird auch Energie übertragen, und wenn genügend Energie auf Partikel in der Nähe der Oberfläche übertragen wird, können diese als freie Gaspartikel vollständig von der Probe weggestoßen werden. Flüssigkeiten kühlen beim Verdampfen ab, weil die auf Oberflächenmoleküle übertragene Energie, die ihr Entweichen verursacht, mitgenommen wird.
Flüssigkeit kocht, wenn einer Flüssigkeit genügend Wärme zugeführt wird, damit sich unter der Oberfläche Dampfblasen bilden. Dieser Siedepunkt ist die Temperatur und der Druck, bei denen eine Flüssigkeit zu einem Gas wird.
Kondensation und Ablagerung
Kondensation tritt auf, wenn ein Gas Energie verliert und sich zu einer Flüssigkeit zusammenschließt. Beispielsweise kondensiert Wasserdampf zu flüssigem Wasser.
Ablagerung tritt auf, wenn sich ein Gas direkt in einen Feststoff umwandelt, ohne die flüssige Phase zu durchlaufen. Wasserdampf wird zu Eis oder Frost, wenn die Luft, die einen Feststoff wie einen Grashalm berührt, kühler ist als der Rest der Luft.
