חומר הוא ה"חומר "המרכיב את היקום - כל מה שתופס מקום ויש לו מסה הוא חומר.
כל החומר מורכב מאטומים המורכבים בתורם מפרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים.
אטומים מתאגדים ויוצרים מולקולות, המהוות אבני הבניין לכל סוגי החומרים, כך לפי אוניברסיטת וושינגטון. שני האטומים והמולקולות מוחזקים יחד על ידי צורה של אנרגיה פוטנציאלית הנקראת אנרגיה כימית. בשונה מאנרגיה קינטית, שהיא האנרגיה של אובייקט בתנועה, אנרגיה פוטנציאלית היא האנרגיה שנשמרת באובייקט.
חמשת שלבי החומר
ישנם ארבעה מצבים טבעיים של חומר: מוצקים, נוזלים, גזים ופלזמה. המדינה החמישית היא עיבוי בוס-איינשטיין מעשה ידי אדם.
מוצקים
במוצק, חלקיקים נארזים זה בזה זה בזה כדי שהם לא זזים הרבה. האלקטרונים של כל אטום נמצאים בתנועה מתמדת, ולכן לאטומים יש רטט קטן, אך הם קבועים במיקומם. בגלל זה, לחלקיקים במוצק אנרגיה קינטית נמוכה מאוד.
מוצקים הם בעלי צורה מוגדרת, כמו גם מסה ונפח, ואינם תואמים את צורת המכולה בה הם ממוקמים. למוצקים יש גם צפיפות גבוהה, כלומר החלקיקים נארזים זה בזה.
נוזלים
בנוזל, החלקיקים נארזים בצורה רופפת יותר מאשר במוצק ומסוגלים לזרום זה סביב זה, ומעניקים לנוזל צורה בלתי מוגבלת. לכן הנוזל יתאים לצורת המיכל שלו.
בדומה למוצקים, נוזלים (שרובם בעלי צפיפות נמוכה יותר ממוצקים) קשים במיוחד לדחיסה.
גזים
בגז לחלקיקים יש מרחב רב ביניהם ויש להם אנרגיה קינטית גבוהה. לגז אין צורה או נפח מוגדרים. אם אינו מוגבל, חלקיקי הגז יתפשטו ללא הגבלת זמן; אם מוגבל, הגז יתרחב למלא את מיכלו. כשמכניסים גז תחת לחץ על ידי הפחתת נפח המכל, המרווח בין החלקיקים מצטמצם והגז דוחס.
פלזמה
פלזמה אינה מצב של חומר נפוץ כאן בכדור הארץ, אך יתכן שזהו מצב החומר הנפוץ ביותר ביקום, על פי המעבדה בג'פרסון. כוכבים הם בעצם כדורי פלזמה מחוממים-על.
הפלזמה מורכבת מחלקיקים טעונים ביותר עם אנרגיה קינטית גבוהה במיוחד. הגזים האצילים (הליום, ניאון, ארגון, קריפטון, קסנון ורדון) משמשים לרוב לביצוע סימנים זוהרים על ידי שימוש בחשמל כדי ליינן אותם למצב הפלזמה.
בונד-איינשטיין עיבוי
עיבוי Bose-Einstein (BEC) נוצר על ידי מדענים בשנת 1995. בעזרת שילוב של לייזרים ומגנטים קיררו אריק קורנל וקרל וויימן, מדענים במכון המשותף לאסטרופיזיקה במעבדה (JILA) בבולדר, קולורדו, דגימת רובידיום. לטווח של כמה מעלות מאפס מוחלט. בטמפרטורה נמוכה במיוחד זו התנועה המולקולרית מתקרבת מאוד לעצירה. מכיוון שכמעט ואין אנרגיה קינטית המועברת מאטום אחד למשנהו, האטומים מתחילים להתגבש זה בזה. אין עוד אלפי אטומים נפרדים, אלא רק "אטום-על" אחד.
BEC משמש ללימוד מכניקת הקוונטים ברמה מקרוסקופית. נראה כי האור מאט ככל שהוא עובר דרך BEC, ומאפשר למדענים לחקור את פרדוקס החלקיקים / הגלים. ל- BEC יש גם רבות מהתכונות של נוזל-נוזל, או נוזל שזורם ללא חיכוך. BECs משמשים גם כדי לדמות תנאים שעלולים להתקיים בחורים שחורים.
עוברים שלב
הוספה או הסרה של אנרגיה מחומר גורמת לשינוי פיזי כאשר החומר עובר ממצב למצב אחר. לדוגמא, הוספת אנרגיה תרמית (חום) למים נוזליים גורמת להם להפוך לאדים או לאדים (גז). והוצאת אנרגיה מהמים הנוזלים גורמת להם להפוך לקרח (מוצק). שינויים גופניים יכולים להיגרם גם כתוצאה מתנועה ולחץ.
נמס ומקפיא
כאשר מוחל חום על מוצק, חלקיקיו מתחילים לרטוט מהר יותר ומתרחקים זה מזה. כאשר החומר מגיע לשילוב מסוים של טמפרטורה ולחץ, נקודת ההתכה שלו, המוצק יתחיל להימס ולהפוך לנוזל.
כאשר שני מצבי חומר, כמו מוצק ונוזל, נמצאים בטמפרטורת ולחץ שיווי המשקל, חום נוסף שנוסף למערכת לא יגרום לטמפרטורה הכוללת של החומר לעלות עד שהדגימה כולה תגיע לאותו מצב פיזי. לדוגמא, כשמכניסים קרח לכוס מים ומשאירים אותו בחום בטמפרטורת החדר, הקרח והמים יגיעו בסופו של דבר לאותה טמפרטורה. כאשר הקרח נמס מחום שמגיע מהמים, הוא יישאר באפס מעלות צלזיוס עד שקוביית הקרח כולה תימס לפני שתמשיך להתחמם.
כאשר מוסרים חום מנוזל, חלקיקיו מאטים ומתחילים להתיישב במקום אחד בתוך החומר. כאשר החומר מגיע לטמפרטורה קרירה מספיק בלחץ מסוים, נקודת ההקפאה, הנוזל הופך להיות מוצק.
רוב הנוזלים מתכווצים ככל שהם קופאים. עם זאת, מים מתרחבים כשהם קופאים לקרח, וגורמים למולקולות להתרחק זו מזו ולהקטין את הצפיפות, וזו הסיבה שקרח צף על גבי מים.
הוספת חומרים נוספים, כמו מלח במים, יכולה לשנות את נקודות ההתכה וגם את ההקפאה. לדוגמא, הוספת מלח לשלג תפחית את הטמפרטורה שהמים קופאים בכבישים, מה שהופך אותם לבטוחים יותר עבור הנהגים.
ישנה גם נקודה, המכונה נקודת המשולש, בה מוצקים, נוזלים וגזים כולם קיימים בו זמנית. מים, למשל, קיימים בכל שלושת המצבים בטמפרטורה של 273.16 קלווין ולחץ של 611.2 פסקלים.
סובלימציה
כאשר מוצק מוצק ישירות לגז מבלי לעבור שלב נוזלי, התהליך נקרא סובלימציה. זה יכול להתרחש גם כאשר הטמפרטורה של הדגימה עולה במהירות מעבר לנקודת הרתיחה (אידוי פלאש) או כאשר חומר "מיובש בהקפאה" על ידי קירורו בתנאי ואקום כך שהמים בחומר עוברים סובלימציה ומוסרים ממנו המדגם. כמה חומרים נדיפים יעברו סובלימציה בטמפרטורת החדר ולחץ, כמו פחמן דו חמצני קפוא, או קרח יבש.
אידוי
אידוי הוא המרת נוזל לגז ויכול להתרחש באמצעות אידוי או רתיחה.
מכיוון שחלקיקי הנוזל נמצאים בתנועה מתמדת, הם מתנגשים לעתים קרובות זה בזה. כל התנגשות גורמת גם להעברת אנרגיה, וכאשר מספיק אנרגיה מועברת לחלקיקים הסמוכים לפני השטח הם עלולים להפיל לחלוטין מהמדגם כחלקיקי גז חופשיים. נוזלים מתקררים כשהם מתאדים מכיוון שהאנרגיה המועברת למולקולות פני השטח, הגורמת לבריחתם, נסחפת איתם.
נוזלים מרתיחים כשמוסיפים מספיק חום לנוזל בכדי לגרום לבועות אדים להיווצר מתחת לפני השטח. נקודת הרתיחה הזו היא הטמפרטורה והלחץ שבהם נוזל הופך לגז.
עיבוי ותצהיר
עיבוי מתרחש כאשר גז מאבד אנרגיה ומתכנס יחד ליצירת נוזל. לדוגמא, אדי מים מתעבים למים נוזליים.
הדחה מתרחשת כאשר גז הופך ישירות למוצק, מבלי לעבור את השלב הנוזלי. אדי מים הופכים לקרח או לכפור כאשר האוויר הנוגע למוצק, כמו להב דשא, קר יותר משאר האוויר.
