فرادرس
ماده چیست و چند حالت دارد؟ — فیزیک به زبان ساده و با مثال
در این مطلب از مجله فرادرس در مورد ماده و حالتهای آن صحبت می‌کنیم. ماده تعاریف زیادی دارد، اما رایج ترین آن این است که هر ماده‌ای جرم دارد و فضا را اشغال می‌کند. تمام اجسام فیزیکی از ماده به شکل اتم تشکیل شده‌اند که به نوبه خود از پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده‌اند. در این مطلب در مورد ماده و حالتهای آن را بررسی می‌کنیم.
ماده چیست؟
ماده، عنصری است که جهان قابل مشاهده را تشکیل میدهد و همراه با انرژی، اساس همه پدیدههای عینی را تشکیل میدهد. در بنیادیترین سطح، ماده از ذرات بنیادی به نام کوارکها و لپتونها یعنی کلاس ذرات بنیادی که شامل الکترونها است، تشکیل شده است. با ترکیب کوارکها پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل می‌شوند و همراه با الکترونها اتم‌های عناصر جدول تناوبی مانند هیدروژن، اکسیژن و آهن را تشکیل می‌دهند. اتم‌ها ممکن است برای تشکیل مولکول‌هایی مانند $$H_2O$$ یا آب با یکدیگر ترکیب شوند. گروه‌های بزرگی از اتم‌ها یا مولکول‌ها به نوبه خود مواد عمده زندگی روزمره را تشکیل می‌دهند.
بسته به دما و شرایط دیگر، ماده ممکن است در هر یک از چندین حالت ممکن ظاهر شود. به عنوان مثال، در دماهای معمولی، طلا یک جامد، آب یک مایع و نیتروژن یک گاز است. همان طور که در ادامه ویژگی‌های حالتهای مختلف ماده را توضیح می‌دهیم جامدات شکل خود را حفظ می‌کنند، مایعات شکل ظرفی را می‌گیرند که آنها را نگه می‌دارد و گازها فضای یک ظرف را پر می‌کنند. این حالتها را می‌توان به زیر گروه‌های دیگر نیز طبقه بندی کرد. برای مثال، جامدات بر اساس انواع پیوندهایی که اتم‌های تشکیل‌دهنده را در کنار هم نگه می‌دارند، ممکن است به دو گروه که دارای ساختار بلوری یا بی‌شکل هستند یا به جامدات فلزی، یونی، کووالانسی یا مولکولی تقسیم شوند. حالتهای کمتر تعریف شده ماده شامل پلاسماها هستند که گازهای یونیزه شده در دماهای بسیار بالا هستند، فوم‌هایی که جنبه‌های مایع و جامد را ترکیب می‌کنند و خوشه‌ها، که مجموعه‌ای از تعداد کمی از اتم‌ها یا مولکول‌ها هستند که هم ویژگی‌های سطح اتمی و هم خواص حجیم را نشان می‌دهند.
با این حال، همه مواد از هر نوع دارای ویژگی اساسی اینرسی هستند که همان طور که در سه قانون حرکت ایزاک نیوتن فرمول بندی شده است مانع از واکنش یک جسم مادی به تلاش برای تغییر حالت سکون یا حرکت خود می‌شود. جرم یک جسم معیاری برای این مقاومت در برابر تغییر است. به حرکت درآوردن یک کشتی اقیانوس پیما بسیار سخت‌تر از هل دادن یک دوچرخه است. یکی دیگر از ویژگی‌های جهانی جرم گرانشی است که به موجب آن هر موجود فیزیکی در جهان به گونه‌ای عمل می‌کند که هر موجود دیگری را جذب کند، همانطور که ابتدا نیوتن بیان کرد و بعداً توسط آلبرت انیشتین به شکل مفهومی جدیدی اصلاح شد. برای آشنایی بیشتر با مفهوم گرانش مطلب نیروی گرانشی چیست ؟ — به زبان ساده را مطالعه کنید.
اگرچه ایده‌های اساسی در مورد ماده به نیوتن و حتی قبل از آن به فلسفه طبیعی ارسطو بر می‌گردد، درک بیشتر ماده همراه با معماهای جدید، در اوایل قرن بیستم شروع شد. نظریه نسبیت خاص اینشتین (1905) نشان میدهد که ماده (به عنوان جرم) و انرژی می‌توانند طبق معادله معروف $$E=mc^2$$ به یکدیگر تبدیل شوند که در آن E انرژی، m جرم و c سرعت نور است. این تبدیل به عنوان مثال، در طول شکافت هسته‌ای رخ میدهد، که در آن هسته یک عنصر سنگین مانند اورانیوم به دو قطعه با جرم کل کوچکتر تقسیم می‌شود، با تفاوت جرمی که به عنوان انرژی آزاد می‌شود. نظریه گرانش انیشتین، که به عنوان نظریه نسبیت عام او نیز شناخته می‌شود (1916)، معادل تجربی مشاهده شده جرم اینرسی و جرم گرانشی را به عنوان یک فرض اصلی در نظر می‌گیرد و نشان میدهد که چگونه گرانش از اعوجاج‌هایی که ماده وارد پیوستار فضا-زمان اطراف می‌کند ناشی می شود.
مفهوم ماده توسط مکانیک کوانتومی پیچیده تر شده است، که ریشه‌های آن به توضیح ماکس پلانک در سال 1900 در مورد خواص تابش الکترومغناطیسی ساطع شده از یک جسم داغ برمی‌گردد. در دیدگاه کوانتومی، ذرات بنیادی هم مانند توپ‌های کوچک و هم مانند امواجی که در فضا پخش می‌شوند رفتار می‌کنند، این موضوع یک پارادوکس ظاهری است که هنوز به طور کامل حل نشده است. پیچیدگی بیشتر در معنای ماده از مشاهدات نجومی ناشی می‌شود که در دهه 1930 آغاز شد و نشان میدهد که بخش بزرگی از جهان از ماده تاریک تشکیل شده است. این ماده نامرئی بر نور تأثیر نمی‌گذارد و تنها از طریق تأثیرات گرانشی آن قابل تشخیص است. همچنین ماهیت دقیق ماده تاریک هنوز مشخص نشده است.
از سوی دیگر از طریق جستجوی معاصر برای یک نظریه میدان یکپارچه، سه نوع از چهار نوع برهمکنش بین ذرات بنیادی یعنی نیروی هسته‌ای قوی، نیروی هسته‌ای ضعیف و نیروی الکترومغناطیسی بدون احتساب گرانش در یک مفهوم واحد قرار داده می‌شود. در این چارچوب، فیزیکدانان ممکن است در آستانه توضیح منشاء جرم باشند. اگرچه هنوز یک نظریه کاملاً رضایت‌بخش کلان متحد (GUT) استخراج نشده است، اما یک جزء نظریه الکتروضعیف شلدون گلاشو، عبدوسلام و استیون واینبرگ (که جایزه نوبل فیزیک 1979 را برای این کار به اشتراک گذاشت) پیش‌بینی کرده بود که یک زیراتمی ابتدایی و ذره‌ای که به بوزون هیگز معروف است به تمام ذرات بنیادی شناخته شده جرم میدهد. پس از سال‌ها آزمایش با استفاده از قوی‌ترین شتاب دهنده‌های ذرات موجود، دانشمندان سرانجام در سال 2012 کشف بوزون هیگز را اعلام کردند.
نظریه تشکیل ماده از ذرات یا بلوک های کوچکتر برای چه کسی است؟
این ایده که ماده از بلوکهای سازنده یا ذرات تشکیل شده است از فیلسوفان یونانی دموکریتوس (470-380 قبل از میلاد) و لوکیپوس (490 قبل از میلاد) سرچشمه گرفته است.
مثال‌هایی از ماده و چیزهایی که ماده نیستند، چیست؟
همان طور که گفتیم ماده از اتم‌ها ساخته شده است. اساسی ترین اتم، ایزوتوپ هیدروژن که به عنوان پروتیوم شناخته می‌شود، یک پروتون منفرد است. بنابراین، اگرچه ذرات زیراتمی همیشه توسط برخی از دانشمندان اشکال ماده در نظر گرفته نمی‌شوند اما می‌توانید پروتیوم را استثنا ماده در نظر بگیرید. برخی از مردم الکترونها و نوترون‌ها را نیز اشکالی از ماده می‌دانند. بدین ترتیب هر ماده‌ای که از اتم ساخته شده است یک ماده است مثال‌های یک ماده عبارتند از:
- اتم‌ها (هیدروژن، هلیوم، کالیفرنیوم، اورانیوم)
- مولکول‌ها (آب، ازن، گاز نیتروژن، ساکارز)
- یون‌ها ($$SO42-$$، $$Ca2+$$)
- پلیمرها و ماکرومولکول‌ها (سلولز، کیتین، پروتئین‌ها، DNA)
- مخلوط‌ها (روغن و آب، نمک و ماسه، هوا)
- فرم‌های پیچیده‌تر از ماده (صندلی، سیاره، توپ)
در حالی که پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترونها بلوکهای سازنده اتم‌ها هستند، این ذرات خودشان بر پایه فرمیون‌ها هستند. کوارکها و لپتونها معمولاً اشکالی از ماده در نظر گرفته نمی‌شوند، اگرچه آنها با تعاریف خاصی از این اصطلاح مطابقت دارند. در بیشتر سطوح، ساده ترین تعریف این است که به سادگی بیان کنیم که ماده از اتم تشکیل شده است.
پادماده همچنان ماده است، اگرچه ذرات آن در تماس با ماده معمولی آن را از بین می‌برند. پاد ماده به طور طبیعی روی زمین هر چند در مقادیر بسیار کم وجود دارد. برای آشنایی بیشتر با پاد ماده دو مطلب پاد ماده — از صفر تا صد و چرا در عالم مقدار ماده از آنتی ماده بیشتر است؟ | به زبان ساده را در مجله فرادرس مطالعه کنید. بعد از پاد ماده، عناصری هستند که یا جرم ندارند یا حداقل جرم سکون ندارند. این موجودات ماده نیستند و عبارتند از:
- نور
- صوت
- گرما
- افکار
- رویاها
- احساسات
فوتون‌ها جرم ندارند، بنابراین نمونه‌ای از موجودی در فیزیک هستند که از ماده تشکیل نشده است. آنها همچنین به معنای سنتی جسم در نظر گرفته نمی‌شوند، زیرا نمی‌توانند در حالت ساکن وجود داشته باشند.
حالتهای مختلف ماده چیست؟
ماده میتواند در حالتهای مختلفی وجود داشته باشد که این حالتها عبارتند از:
- جامد
- مایع
- گاز
- پلاسما
اکثر مواد بر اساس میزان گرمایی که ماده جذب می‌کند یا از دست میدهد می‌توانند بین این فازها و حالتها انتقال پیدا کنند. حالتها یا فازهای ماده دیگری نیز وجود دارند که از آن جمله می‌توان به میعانات بوز-اینشتین، میعانات فرمیونی و پلاسمای کوارک-گلئون اشاره کرد. برای آشنایی بیشتر با حالتهای ماده و ویژگی‌های آنها مطلب حالت های ماده — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان) را مطالعه کنید.
تعریف ماده در مقابل جرم چیست؟
توجه داشته باشید که در حالی که ماده دارای جرم است و اجسام عظیم حاوی ماده هستند، این دو اصطلاح حداقل در فیزیک دقیقاً مترادف نیستند. اصل پایستگی برای ماده وجود ندارد، در حالی که جرم در سیستم‌های بسته پایسته است. طبق نظریه نسبیت خاص، ماده در یک سیستم بسته ممکن است ناپدید شود. از سوی دیگر، جرم ممکن است هرگز ایجاد نشود یا از بین نرود، اگرچه میتواند به انرژی تبدیل شود. در حقیقت مجموع جرم و انرژی در یک سیستم بسته ثابت می‌ماند. در فیزیک یکی از راه‌های تمایز بین جرم و ماده، تعریف ماده به عنوان موجودی است که متشکل از ذراتی است که جرم سکون از خود نشان می‌دهند. با این حال در فیزیک و شیمی، ماده دوگانگی موج-ذره را نشان میدهد، بنابراین دارای خواص امواج و ذرات است.
تغییرات حالتهای یک ماده چگونه رخ میدهد؟
افزودن یا حذف انرژی از ماده باعث تغییر فیزیکی در حرکت ماده از حالتی به حالت دیگر می‌شود. به عنوان مثال، افزودن انرژی حرارتی (گرما) به آب مایع باعث تبدیل آن به بخار یا گاز می‌شود و حذف انرژی از آب مایع باعث تبدیل آن به یخ (جامد) می‌شود. تغییرات فیزیکی نیز میتواند در اثر حرکت و فشار ایجاد شود. در ادامه به اختصار تغییر حالتهای مواد و تبدیل آنها به یکدیگر را توضیح می‌دهیم.
ذوب و انجماد
هنگامی که گرما به یک جامد اعمال می‌شود، ذرات آن سری‌عتر شروع به ارتعاش می‌کنند و از هم دورتر می‌شوند. هنگامی که ماده به ترکیب معینی از دما و فشار یعنی نقطه ذوب آن می‌رسد، جسم جامد شروع به ذوب شدن کرده و به مایع تبدیل می‌شود. هنگامی که دو حالت ماده، مانند جامد و مایع، در دما و فشار تعادل هستند، گرمای اضافی به سیستم باعث افزایش دمای کلی ماده نمی‌شود تا زمانی که کل نمونه به همان حالت فیزیکی برسد. به عنوان مثال، وقتی یخ را در یک لیوان آب قرار می‌دهید و آن را در دمای اتاق قرار می‌دهید، یخ و آب در نهایت به یک درجه حرارت تعادل می‌رسند. در حقیقت همان طور که یخ در اثر گرمای حاصل از آب ذوب می‌شود، در دمای صفر درجه سانتیگراد باقی می‌ماند تا زمانی که کل یخ قبل از ادامه گرم شدن ذوب شود.
هنگامی که گرما از یک مایع خارج می‌شود، ذرات آن کند می‌شوند و شروع به ته نشین شدن در یک مکان درون ماده می‌کنند. هنگامی که ماده در یک فشار معین به دمای کافی خنک می‌رسد، یعنی نقطه انجماد، مایع به جامد تبدیل می‌شود. اکثر مایعات با انجماد منقبض می‌شوند. با این حال، آب وقتی منجمد می‌شود و تبدیل به یخ می‌شود، منبسط می‌شود و باعث می‌شود که مولکول‌ها از هم دورتر شوند و چگالی آن کاهش یابد، به همین دلیل است که یخ روی آب شناور می‌شود. افزودن مواد اضافی، مانند نمک در آب، میتواند نقطه ذوب و انجماد را تغییر دهد. به عنوان مثال، افزودن نمک به برف دمای یخ زدن آب در جاده‌ها را کاهش میدهد و آن را برای رانندگان ایمن تر می‌کند. همچنین نقطه ای به نام نقطه سه گانه وجود دارد که در آن جامدات، مایعات و گازها همه به طور همزمان وجود دارند. به عنوان مثال، آب در هر سه حالت در دمای 273٫16 کلوین و فشار 611٫2 پاسکال وجود دارد.
تصعید
هنگامی که یک جامد مستقیماً بدون عبور از فاز مایع به گاز تبدیل می‌شود، این فرآیند به عنوان تصعید شناخته می‌شود. این فرآیند ممکن است زمانی رخ دهد که دمای نمونه به سرعت فراتر از نقطه جوش افزایش یابد (تبخیر ناگهانی) یا زمانی که یک ماده با سرد کردن آن در شرایط خلاء به صورت خشک منجمد می‌شود به طوری که آب موجود در ماده تحت تصعید قرار می‌گیرد و از آن خارج می‌شود. برخی از مواد فرار در دما و فشار اتاق تصعید می‌شوند، مانند دی اکسید کربن منجمد یا یخ خشک. برای آشنایی بیشتر با فرآیند تصعید مطلب تصعید — به زبان ساده را مطالعه کنید.
تبخیر
تبخیر تبدیل مایع به گاز است و میتواند از طریق تبخیر یا جوشاندن رخ دهد. از آنجا که ذرات یک مایع در حرکت ثابت هستند، اغلب با یکدیگر برخورد می‌کنند. هر برخورد همچنین باعث انتقال انرژی می‌شود و هنگامی که انرژی کافی به ذرات نزدیک سطح منتقل می‌شود، ممکن است به عنوان ذرات گاز آزاد به طور کامل از نمونه جدا شوند. مایعات در حین تبخیر سرد می‌شوند زیرا انرژی منتقل شده به مولکول‌های سطحی که باعث فرار آنها می‌شود با آنها همراه می‌شوند.
هنگامی که حرارت کافی به مایع اضافه شود تا حباب‌های بخار در زیر سطح ایجاد شود، مایع می‌جوشد. این نقطه جوش دما و فشاری است که در آن یک مایع به گاز تبدیل می‌شود. برای آشنایی بیشتر با فرآیند تبخیر مطلب تبخیر چیست؟ — به زبان ساده را مطالعه کنید.
چگالش
چگالش زمانی اتفاق می‌افتد که یک گاز انرژی خود را از دست میدهد و این انرژی با هم جمع می‌شوند و جامدی را تشکیل می‌دهند.
میعان
میعان زمانی اتفاق می افتد که بخار آب به مایع تبدیل می‌شود. این فرایند عکس تبخیر است.
معرفی فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم – بخش فیزیک
مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم – بخش فیزیک کرده است. این مجموعه آموزشی از چهار درس تشکیل شده و برای دانش آموزان پایه هشتم مفید است.
درس اول این مجموعه به الکتریسیته اختصاص دارد که فصل نهم کتاب درسی علوم پایه هشتم را پوشش میدهد و مطالبی مانند الکتریسیته ساکن و رساناها، اختلاف پتانسیل الکتریکی، جریان الکتریکی، مقاومت الکتریکی و قانون اهم را توضیح میدهد. درس دوم مباحث مربوط به مغناطیس را که در فصل دهم کتاب درسی علوم تجربی پایه هشتم بیان شده است را توضیح میدهد. درس سوم این مجموعه به فصل چهاردهم کتاب علوم پایه هشتم اختصاص دارد و نور و ویژگی‌های آن را بیان می‌کند. در نهایت و در درس چهارم این مجموعه مباحث مربوط به شکست نور پوشش داده شده است.
- برای دیدن فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم – بخش فیزیک + اینجا کلیک کنید.
جمع‌بندی
در این مطلب از مجله فرادرس در مورد ماده و حالتهای مختلف ماده صحبت کردیم. به صورت کلی چهار حالت کلی برای مواد وجود دارد که عبارت از جامد، مایع، گاز و پلاسما است. همچنین در مورد تفاوت بین جرم و ماده نیز صحبت کردیم و به صورت مختصر در مورد آنتی ماده صحبت کردیم.
سپاس خانم سارا به خاطر توضیحات تکمیلی
همچنین مدیریت فرا درس که واقعا یکی از سایت های علمی بی عیب و نقص میباشید
تبدیل گاز به مایع چگالش نیست. تبدیل گاز به جامد چگالش است. در تصویر اصلاح شود
با سلام؛
متن اصلاح شد،
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس
بی نظیر
باسلام و باسپاس
ممکنه یک متن راجع به اینکه چرا یک دوچرخه هنگامی که درحال حرکته تعادل دارد و نمی افتد اما وقتی که حرکت ندارد می افتد بنویسید؟
چرا؟ به جوابش رسیدید؟