Vật chất là "thứ" tạo nên vũ trụ - mọi thứ chiếm không gian và có khối lượng đều là vấn đề.
Tất cả vật chất được tạo thành từ các nguyên tử, lần lượt được tạo thành từ các proton, neutron và electron.
Các nguyên tử kết hợp với nhau để tạo thành các phân tử, là khối xây dựng cho tất cả các loại vật chất, theo Đại học bang Washington. Cả hai nguyên tử và phân tử được giữ với nhau bằng một dạng năng lượng tiềm năng gọi là năng lượng hóa học. Không giống như động năng, là năng lượng của một vật thể đang chuyển động, năng lượng tiềm năng là năng lượng được lưu trữ trong một vật thể.
Năm giai đoạn của vật chất
Có bốn trạng thái tự nhiên của vật chất: Chất rắn, chất lỏng, chất khí và plasma. Trạng thái thứ năm là nước ngưng Bose-Einstein nhân tạo.
Chất rắn
Trong chất rắn, các hạt được đóng gói chặt chẽ với nhau để chúng không di chuyển nhiều. Các electron của mỗi nguyên tử liên tục chuyển động, vì vậy các nguyên tử có dao động nhỏ, nhưng chúng được cố định ở vị trí của chúng. Bởi vì điều này, các hạt trong chất rắn có động năng rất thấp.
Chất rắn có hình dạng xác định, cũng như khối lượng và thể tích, và không phù hợp với hình dạng của vật chứa mà chúng được đặt. Chất rắn cũng có mật độ cao, có nghĩa là các hạt được gắn chặt với nhau.
Chất lỏng
Trong chất lỏng, các hạt được đóng gói lỏng lẻo hơn trong chất rắn và có thể chảy xung quanh nhau, tạo ra chất lỏng có hình dạng không xác định. Do đó, chất lỏng sẽ phù hợp với hình dạng của thùng chứa của nó.
Giống như chất rắn, chất lỏng (hầu hết có mật độ thấp hơn chất rắn) rất khó nén.
Khí
Trong một chất khí, các hạt có rất nhiều khoảng trống giữa chúng và có động năng cao. Một chất khí không có hình dạng hoặc thể tích xác định. Nếu không được kiểm soát, các hạt của khí sẽ lan ra vô thời hạn; nếu bị giới hạn, khí sẽ mở rộng để lấp đầy bình chứa của nó. Khi một chất khí được đặt dưới áp suất bằng cách giảm thể tích của bình chứa, không gian giữa các hạt bị giảm và khí được nén.
Huyết tương
Plasma không phải là trạng thái phổ biến của vật chất ở đây trên Trái đất, nhưng nó có thể là trạng thái vật chất phổ biến nhất trong vũ trụ, theo Phòng thí nghiệm Jefferson. Các ngôi sao về cơ bản là những quả bóng plasma quá nóng.
Plasma bao gồm các hạt tích điện cao với động năng cực cao. Các khí hiếm (heli, neon, argon, krypton, xenon và radon) thường được sử dụng để tạo ra các dấu hiệu phát sáng bằng cách sử dụng điện để ion hóa chúng đến trạng thái plasma.
Bose-Einstein ngưng tụ
Nước ngưng Bose-Einstein (BEC) được tạo ra bởi các nhà khoa học vào năm 1995. Sử dụng kết hợp laser và nam châm, Eric Cornell và Carl Weiman, các nhà khoa học tại Viện Vật lý thiên văn Lab (JILA) ở Boulder, Colorado, đã làm lạnh một mẫu rubidium trong một vài độ của độ không tuyệt đối. Ở nhiệt độ cực thấp này, chuyển động phân tử đến rất gần dừng lại. Vì hầu như không có động năng nào được chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, các nguyên tử bắt đầu kết tụ lại với nhau. Không còn hàng ngàn nguyên tử riêng biệt, chỉ là một "siêu nguyên tử".
Một BEC được sử dụng để nghiên cứu cơ học lượng tử ở cấp độ vĩ mô. Ánh sáng dường như chậm lại khi đi qua BEC, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu nghịch lý hạt / sóng. Một BEC cũng có nhiều đặc tính của một siêu lỏng, hoặc một chất lỏng chảy mà không ma sát. BEC cũng được sử dụng để mô phỏng các điều kiện có thể tồn tại trong các lỗ đen.
Trải qua một giai đoạn
Việc thêm hoặc loại bỏ năng lượng khỏi vật chất gây ra sự thay đổi vật lý khi vật chất chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác. Ví dụ, thêm năng lượng nhiệt (nhiệt) vào nước lỏng làm cho nó trở thành hơi hoặc hơi (khí). Và loại bỏ năng lượng từ nước lỏng làm cho nó trở thành băng (chất rắn). Thay đổi vật lý cũng có thể được gây ra bởi chuyển động và áp lực.
Nóng chảy và đóng băng
Khi nhiệt được truyền vào vật rắn, các hạt của nó bắt đầu rung nhanh hơn và di chuyển ra xa hơn. Khi chất đạt đến sự kết hợp nhất định của nhiệt độ và áp suất, điểm nóng chảy của nó, chất rắn sẽ bắt đầu tan chảy và biến thành chất lỏng.
Khi hai trạng thái của vật chất, như rắn và lỏng, ở nhiệt độ và áp suất cân bằng, nhiệt bổ sung được thêm vào hệ thống sẽ không làm cho nhiệt độ chung của chất tăng lên cho đến khi toàn bộ mẫu đạt đến trạng thái vật lý như nhau. Ví dụ, khi bạn cho đá vào ly nước và để nó ở nhiệt độ phòng, nước đá và nước cuối cùng sẽ có cùng nhiệt độ. Khi băng tan ra từ nhiệt từ nước, nó sẽ duy trì ở mức 0 độ C cho đến khi toàn bộ khối băng tan chảy trước khi tiếp tục ấm lên.
Khi nhiệt được loại bỏ khỏi chất lỏng, các hạt của nó chậm lại và bắt đầu lắng ở một vị trí trong chất. Khi chất đạt đến nhiệt độ đủ mát ở một áp suất nhất định, điểm đóng băng, chất lỏng trở thành chất rắn.
Hầu hết các chất lỏng hợp đồng khi họ đóng băng. Tuy nhiên, nước nở ra khi đóng băng thành băng, khiến các phân tử đẩy xa nhau hơn và giảm mật độ, đó là lý do tại sao băng nổi lên trên mặt nước.
Thêm các chất bổ sung, chẳng hạn như muối trong nước, có thể làm thay đổi cả điểm nóng chảy và đóng băng. Ví dụ, thêm muối vào tuyết sẽ làm giảm nhiệt độ nước đóng băng trên đường, giúp an toàn hơn cho người lái xe.
Ngoài ra còn có một điểm, được gọi là điểm ba, trong đó chất rắn, chất lỏng và chất khí đều tồn tại đồng thời. Nước, ví dụ, tồn tại ở cả ba trạng thái ở nhiệt độ 273,16 Kelvin và áp suất 611,2 pascal.
Thăng hoa
Khi một chất rắn được chuyển đổi trực tiếp thành chất khí mà không qua giai đoạn lỏng, quá trình này được gọi là thăng hoa. Điều này có thể xảy ra khi nhiệt độ của mẫu tăng nhanh vượt quá điểm sôi (bốc hơi flash) hoặc khi một chất được "làm khô" bằng cách làm lạnh nó trong điều kiện chân không để nước trong chất trải qua quá trình thăng hoa và được loại bỏ khỏi mẫu. Một vài chất dễ bay hơi sẽ trải qua quá trình thăng hoa ở nhiệt độ và áp suất phòng, chẳng hạn như carbon dioxide đông lạnh, hoặc đá khô.
Bay hơi
Bay hơi là sự chuyển đổi chất lỏng thành chất khí và có thể xảy ra thông qua sự bay hơi hoặc sôi.
Do các hạt của chất lỏng chuyển động liên tục, chúng thường xuyên va chạm với nhau. Mỗi va chạm cũng khiến năng lượng được truyền đi, và khi đủ năng lượng được truyền đến các hạt gần bề mặt, chúng có thể bị đánh bật hoàn toàn khỏi mẫu dưới dạng các hạt khí tự do. Chất lỏng nguội đi khi chúng bay hơi vì năng lượng truyền đến các phân tử bề mặt, khiến chúng thoát ra, được mang theo bên mình.
Chất lỏng sôi khi đủ nhiệt vào một chất lỏng để tạo ra bọt khí hình thành bên dưới bề mặt. Điểm sôi này là nhiệt độ và áp suất mà chất lỏng trở thành chất khí.
Ngưng tụ và lắng đọng
Ngưng tụ xảy ra khi một chất khí mất năng lượng và kết hợp với nhau để tạo thành một chất lỏng. Ví dụ, hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng.
Sự lắng đọng xảy ra khi một chất khí biến đổi trực tiếp thành chất rắn, không qua pha lỏng. Hơi nước trở thành băng hoặc băng giá khi không khí chạm vào vật rắn, chẳng hạn như một ngọn cỏ, mát hơn phần không khí còn lại.
