ماده از نظر تعریف هر چیزی است که فضا را اشغال می کند و جرم دارد. تمام مواد از اتم ها تشکیل شده اند که به نوبه خود از پروتون، نوترون و الکترون به وجود آمده است.

به گفته دانشگاه ایالتی واشنگتن، اتم‌ها برای تشکیل مولکول‌ها گرد هم می ‌آیند، که بلوک‌ های سازنده همه انواع ماده هستند. هر دو اتم و مولکول توسط شکلی از انرژی پتانسیل به نام انرژی شیمیایی در کنار هم نگه داشته می شوند. برخلاف انرژی جنبشی که انرژی یک جسم در حال حرکت است، انرژی پتانسیل انرژی ذخیره شده در یک جسم است. ماده حالات مختلفی دارد که در شرح داده می شود لطفا در ادامه مقاله همراه ما باشید.

حالات مختلف ماده

جامدات دارای شکل مشخص و جرم و حجم هستند و با شکل ظرفی که در آن قرار می گیرند مطابقت ندارند. جامدات همچنین چگالی بالایی دارند، به این معنی که ذرات به طور محکم در کنار هم قرار می گیرند.

در یک جامد، ذرات به طور محکم در کنار هم قرار می گیرند تا زیاد حرکت نکنند. الکترون های هر اتم دائما در حرکت هستند، بنابراین اتم ها ارتعاش کمی دارند، اما در موقعیت خود ثابت هستند. به همین دلیل، ذرات در یک جامد انرژی جنبشی بسیار کمی دارند.

مایعات ذرات سست تری نسبت به جامدات دارند و می توانند در اطراف یکدیگر حرکت داشته باشند که به مایع شکل نامحدودی می دهند. بنابراین، مایع با شکل ظرف خود مطابقت خواهد داشت. مانند جامدات تغییر شکل مایعات (که چگالی بیشتر آنها نسبت به جامدات کمتر است) به طرز باورنکردنی دشوار است.

در گازها ذرات فضای زیادی بین خود دارند و انرژی جنبشی بالایی دارند. گاز هیچ شکل یا حجم مشخصی ندارد. اگر محدود نباشد، ذرات گاز به طور نامحدود پخش می شوند. اگر محدود شود، گاز منبسط می شود تا ظرف خود را پر کند. هنگامی که گازی با کاهش حجم ظرف تحت فشار قرار می گیرد، فضای بین ذرات کاهش یافته و گاز فشرده می شود.

حالات جدید ماده

تحقیقات نشان داده است که ممکن است حالت های دیگری از ماده وجود داشته باشد که نیاز به کاوش بیشتر داشته باشد. به عنوان مثال در ژانویه ۲۰۲۱، تحقیقات منتشر شده در مجله PNAS نشان داد که در طول تبدیل بین حالت مایع و جامد، شیشه به حالت جدیدی از ماده تبدیل می شود که به آن شیشه مایع می گویند.

در سطح میکروسکوپی، شیشه مایع جایی بین یک ماده جامد و یک ماده ژل مانند به نام کلوئید – مخلوطی از ذرات بزرگتر از یک اتم یا مولکول است. وقتی یک ماده از مایع به جامد تبدیل می ‌شود، مولکول‌ ها در یک ساختار کریستالی قرار می‌ گیرند – برای شیشه، این اتفاق نمی ‌افتد و ذرات قبل از وقوع تبلور در جای خود منجمد می ‌شوند. به گفته محققان ذرات شیشه مایع  انعطاف پذیرتر از شیشه جامد هستند، اما نمی توانند بچرخند.

حالات ماده چگونه تغییر می کند؟

افزودن یا حذف انرژی از ماده باعث تغییر فیزیکی در حرکت ماده از حالتی به حالت دیگر می شود. به عنوان مثال، افزودن انرژی حرارتی (گرما) به آب مایع باعث تبدیل آن به بخار یا بخار (گاز) می شود. و حذف انرژی از آب مایع باعث تبدیل آن به یخ (جامد) می شود. تغییرات فیزیکی نیز می تواند توسط حرکت و فشار ایجاد شود و حالات ماده را تغییر دهد.

ذوب و انجماد

هنگامی که گرما به یک جامد اعمال می شود، ذرات آن سریعتر شروع به ارتعاش می کنند و از هم دورتر می شوند. هنگامی که ماده به ترکیب معینی از دما و فشار یعنی نقطه ذوب آن می رسد، جامد شروع به ذوب شدن کرده و به مایع تبدیل می شود.

هنگامی که دو حالت ماده، مانند جامد و مایع، در دما و فشار تعادل هستند، گرمای اضافی اضافه شده به سیستم باعث افزایش دمای کلی ماده نمی شود تا زمانی که کل نمونه به همان حالت فیزیکی برسد.

به عنوان مثال، وقتی یخ را در یک لیوان آب قرار می دهید و آن را در دمای اتاق قرار می دهید، یخ و  آب در نهایت به یک درجه حرارت می رسند. همانطور که یخ در اثر گرمای حاصل از آب ذوب می شود، در دمای ۳۲ درجه فارنهایت (۰ درجه سانتی گراد) باقی می ماند تا قبل از ادامه گرم شدن، کل یخ ذوب شود.

هنگامی که گرما از یک مایع خارج می شود، ذرات آن کند می شوند و شروع به ته نشین شدن در یک مکان درون ماده می کنند. هنگامی که ماده در یک فشار معین به دمای کافی خنک می رسد، یعنی نقطه انجماد، مایع به جامد تبدیل می شود.

تصعید

هنگامی که یک جامد مستقیماً بدون عبور از فاز مایع به گاز تبدیل می شود، این فرآیند به عنوان تصعید شناخته می شود. این 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 دچار انجماد خشک می شود به طوری که آب موجود در ماده تحت تصعید قرار می گیرد و از آن خارج می شود.

تبخیر

تبخیر تبدیل مایع به گاز است و می تواند از طریق تبخیر یا جوشاندن رخ دهد. از آنجا که ذرات یک مایع در حرکت ثابت هستند، اغلب با یکدیگر برخورد می کنند. هر برخورد همچنین باعث انتقال انرژی می شود و هنگامی که انرژی کافی به ذرات نزدیک سطح منتقل می شود، ممکن است به صورت ذرات گاز آزاد به طور کامل از نمونه جدا شوند. مایعات در حین تبخیر سرد می شوند زیرا انرژی منتقل شده به مولکول های سطحی که باعث فرار آنها می شود، با آنها همراه می شود.

هنگامی که حرارت کافی به مایع اضافه شود تا حباب های بخار در زیر سطح ایجاد شود، مایع می جوشد. نقطه جوش دما و فشاری است که در آن یک مایع به گاز تبدیل می شود.

تراکم و رسوب

تراکم زمانی اتفاق می افتد که یک گاز انرژی خود را از دست می دهد و با کم شدن انرژی جنبشی مایع تشکیل می دهد. به عنوان مثال، بخار آب به آب مایع تبدیل می شود که به عنوان نقطه شبنم آن شناخته می شود.

رسوب گذاری زمانی اتفاق می افتد که گاز مستقیماً بدون عبور از فاز مایع به جامد تبدیل می شود. هنگامی که هوای برخوردی با یک جامد، خنک‌تر از بقیه هوا باشد، بخار آب به یخ تبدیل می‌ شود.