Kontakta författare Klicka på miniatyrbild för att se full storlek
Vatten är så viktigt för oss att vi ger det olika namn beroende på dess tillstånd. Här är alla tre staterna tillsammans - fast is, flytande vatten och gasformig ånga (osynlig) |

Ångestfasutbrott av Castle Geyser i Yellowstone National Park. Ånga är den tekniska termen för vattenånga, vilket är osynligt. Den synliga dimman som kan ses är ångkondensering tillbaka till vatten i luften |

Vatten expanderar när det fryser vilket innebär att den fasta formen av vatten (is) faktiskt är mindre tät än det är vätskefas (vatten). Eftersom en sådan is flyter i vatten påverkar dammarna frys uppifrån och ner och smältande ishattar varje år påverkar inte havets nivå. |

Vatten kan vara vackert och funktionellt. Här har vattenånga i luften kondenserat till vattendroppar runt denna spindelväv. Vattnets ytspänning håller dropparna som distinkta strukturer. |

Partikelmodellen

Ett av de första ämnena jag lär mina elever när de anländer år 7 (11 år) är partikelmodellen. Denna modell anger vad fasta ämnen, vätskor och gaser är och förklarar skillnaderna i deras beteende.

Allt runt dig är gjord av partiklar så små att vi inte kan se dem ens med det kraftfullaste mikroskopet. Dessa partiklar är arrangerade och rör sig annorlunda i varje materietillstånd. Ta vatten som exempel; storlek, form och kemisk sammansättning av vattenpartiklarna förblir desamma oavsett om det är fast vatten (is) eller gasformigt vatten (ånga) - men hur dessa partiklar rör sig och arrangeras är olika för varje tillstånd.

Partikelmodellen har fyra huvudnätverk:

  • Alla ämnen är tillverkade av partiklar.
  • Partiklarna lockas till varandra (vissa starkt, andra svagt).
  • Partiklarna rör sig runt (har kinetisk energi).
  • När temperaturen ökar rör sig partiklarna mer (deras kinetiska energi ökar).

Hur man ritar ett partikeldiagram - fast

  • Partiklarna packas tätt ihop
  • Partiklar ordnade i rader
  • Inga överlappande partiklar
  • Alla partiklar har samma storlek

Solids

Fastämnen är lätta att beskriva - de är solida! Du kan inte gå igenom ett bord eftersom både du och bordet är solida. Fasta partiklar har den minsta energin i de tre traditionella materietillstånden. Partiklarna är ordnade i ett regelbundet mönster (tror armérader) med mycket lite utrymme mellan partiklarna. Deras partiklar hålls samman av starka krafter och kan bara vibrera runt ett fast läge. På grund av detta har fasta ämnen hög densitet och en fast form och volym . Om du lämnar ett bord i några dagar sprids det inte i ett tunt lager trä över golvet eller expanderar för att fylla ditt vardagsrum!

Hur man ritar ett partikeldiagram - vätskor

  • Partiklar fylls upp från behållarens botten
  • Varje partikel rör vid minst en annan partikel
  • Avstånd mellan partiklar för små för att passa en annan partikel
  • Partiklar bildar "broar" över luckor genom att luta sig mot andra partiklar
  • Arrangerade så att partiklar inte kan krossas i ett tätare utrymme
  • Alla partiklar har samma storlek
  • Ingen överlappning

vätskor

Precis som fasta ämnen, packas partiklarna i vätskor tätt tillsammans om än på ett mer virvlat och slumpmässigt sätt. Till skillnad från fasta ämnen kan vi emellertid passera vätskor; detta beror på att det finns färre och något svagare krafter mellan partiklarna. Partiklarna kan röra sig runt varandra och fasta partiklar kan tvingas mellan flytande partiklar.

Vätskor har också en fast volym (som fast material) men inte en fast form. Vätskor kommer att rinna för att ta formen på behållarens botten. Alla vätskor kan flöda, men vissa vätskor är löpare än andra. Ju tjockare (mer viskös) en vätska är, desto starkare är krafterna mellan dess partiklar; sirap har starkare krafter mellan dess partiklar än till exempel citronsaft.

Vätskor har mycket mer kinetisk energi (rörelseenergi) än fasta ämnen men mycket mindre än gaser.

Hur man ritar ett partikeldiagram - gaser

  • Partiklar sprids slumpmässigt
  • Partiklar ser inte ut som ett "tärningsmönster"
  • Partiklar visas att röra sig i raka linjer (pilar)
  • Partiklar samma storlek
  • Ingen överlappning

gaser

Partiklarna i gaser är långt ifrån varandra och slumpmässigt arrangerade. Detta tillstånd har den högsta kinetiska energin i de tre traditionella tillstånden; det finns nästan inga krafter mellan partiklarna. Partiklarna rör sig ständigt i alla riktningar (men bara i raka linjer) och bastrar in i varandra och sidorna på deras behållare - detta orsakar tryck. Gaser flödar också för att helt fylla behållaren, oavsett storlek eller form - gaser har ingen fast form eller volym.

Hur man ritar partikeldiagram

Klicka på miniatyrbild för att se full storlek

Ett fast partikeldiagram. Det enklaste att rita, se bara till att alla partiklar har samma storlek och att de inte överlappar varandra |

Partikeldiagram över en vätska. Varje partikel bör vidröra åtminstone en annan, men det vanliga mönstret för det fasta ämnet bör gå förlorat. Detta är det svåraste att dra. |

Partikeldiagram över en gas. Glöm inte att visa partiklarnas rörelse |

Egenskaper hos fasta ämnen, vätskor och gaser

Solidsvätskorgaser
DensitetHög densitet - partiklar mycket nära varandraGanska hög densitet - partiklarna är nära varandraLåg densitet - partiklarna är långt ifrån varandra
Sammantryckbar?Kan inte komprimeras - inget utrymme för partiklarna att skjutas sammanKan inte komprimeras - inget utrymme för partiklarna att skjutas sammanKan komprimeras - det finns gott om utrymme för att partiklarna ska skjutas samman
Fast form?Fast form som partiklar hålls på plats av starka krafterTar form på sin behållareIngen fast form eftersom partiklar rör sig slumpmässigt i alla riktningar
Diffus?Kan inte spridasKan diffundera eftersom partiklar kan byta platsKan diffundera eftersom partiklar kan röra sig i alla riktningar
TryckKan inte orsaka tryckKan orsaka lite tryckKan orsaka mycket tryck
Egenskaperna hos fasta ämnen, vätskor och gaser är relaterade till hur deras partiklar är arrangerade och hur de rör sig. Denna tabell sammanfattar egenskaperna för varje tillstånd och länkar till deras partikelbeteende

Tricky ämnen

Vilket tillstånd är dessa ämnen?

  • Gelé
  • Papper
  • Tandkräm
  • Mjöl
  • Skum
  • Sockerkaka
  • Glass

Skiftande tillstånd

Många ämnen kan existera som alla tre materiens tillstånd. Vatten är vanligtvis en vätska, men värm det upp och du får vattenånga, kyl ner det och du får is. Dessa förändringar kallas tillståndsändringar.

Smältande

När du ökar temperaturen ökar partiklarnas kinetiska energi - partiklarna rör sig mer. Detta får partiklarna i ett fast ämne att vibrera mer. Om partiklarna vibrerar tillräckligt, kan de bryta några av bindningarna som håller dem i regelbundna rader och börja röra sig över varandra. Ämnet har nu smält: förvandlats från ett fast ämne till en vätska

Smältpunkten för ett ämne är temperturen vid vilken den ändras från ett fast ämne till en vätska. Ju starkare krafter som håller partiklarna samman, desto högre smältpunkt.

Frysning

När du kyler ett ämne minskar partiklarnas kinetiska energi. Detta innebär att partiklarna rör sig mindre och mindre. Om en vätska blir tillräckligt kallt rör sig partiklarna långsamt så att krafter kan locka dem tillsammans igen, dra dem i styva rader och förhindra rörelse. Vid denna tidpunkt har vätskan fryst - omvandlat från vätska till ett fast ämne.

Fryspunkten och smältpunkten för ett ämne är desamma.

kondense

Kondensering fungerar enligt samma princip som frysning. Om en gas blir tillräckligt kallt rör sig partiklarna långsamt så att krafter kan locka dem igen. Gasen kommer att förändras till en vätska. Partiklarna har fortfarande tillräckligt med energi för att fortsätta röra sig och rulla över varandra och dras därför inte i styva rader.

avdunstar

Liksom med smältning är förångningen nere för att höja temperaturen och öka den kinetiska energin. När du värmer en vätska, rullar partiklarna snabbare runt. Vissa partiklar kommer att röra sig så mycket att de övervinner alla krafter som håller dem nära andra partiklar och flyr från vätskans yta. Förångning är processen för en vätskeutbyte till en gas.

Ju mer vätskan värms upp, desto snabbare avdunstar den. Kokning inträffar när förångning sker i hela vätskan. Bubblorna i kokande vatten är fickor med vattenånga (en gas) som rinner ut.

Temperaturen vid vilken något kokar kallas kokpunkten. Detta beror på styrkan hos krafter mellan partiklar och det omgivande lufttrycket. Ju högre tryck, desto högre kokpunkt då trycket tvingar partiklarna att stanna tillsammans längre.

På Everest kokar vatten vid 72 ° C på grund av det låga lufttrycket.

Dry Ice Sublimation

Vad är sublimering?

Sublimering är när ett ämne går från ett fast ämne till en gas utan att bli en vätska (det motsatta kallas avsättning). Det klassiska exemplet på detta är torris: fast koldioxid. När du värmer torris med en hårtork, lämnar du inte en lapp av flytande koldioxid, den förvandlas rakt till gasformig koldioxid. Detta inträffar när uppvärmning av ett ämne i den fasta fasen gör att alla krafter mellan partiklarna bryts fullständigt. Detta kräver vanligtvis några intressanta tryck eller förhållanden för att uppnå.

(Obs - Gasformig koldioxid är osynlig - den dimmiga röken du ser är vattenånga i luften som snabbt kondenserar till en vätska eftersom torrisen har kylt luften så mycket)

Vad är plasma?

Plasma är det vanligaste ämnet i universum - och ändå lär jag det knappt till mina elever. Plasma är nästan alltid dåligt definierad - ofta som en högenergigas. Detta skulle vara som att definiera ett fast ämne som en super-låg energi gas!

Plasma är ett ämne med extremt hög kinetisk energi som innehåller en hög andel partiklar som joniseras. När en tillräcklig värmeenergi ges, frigör gasens partiklar ett antal elektroner, vilket gör att partikeln blir en laddad jon. När tillräckligt med partiklar har joniserats för att signifikant påverka de elektriska egenskaperna hos gasen har den förändrats till en plasma.

Stjärnor är huvudsakligen plasma och det har uppskattats att 99% av det synliga universum är tillverkat av plasma.

En överflödig fontän - flytande helium

Vad händer med partiklar vid absolut noll?

Värme är ett mått på hur mycket partiklarna i ett ämne rör sig - hur mycket kinetisk energi de har. Temperaturen är bara ett skalat mått på detta. Om du kyler tillräckligt med partiklar kan du komma till en teoretisk temperatur där partiklarna slutar röra sig - detta är Absolute Zero: 0 Kelvin eller -273, 15 ° C - den kallaste temperaturen.

Vid denna temperatur börjar konstiga saker hända ... Partiklar kan överlappa varandra så att fasta ämnen kan passera genom andra fasta ämnen. Vätskor kan flyta uppåt eller till och med klättra ut ur behållaren som i videon.

Bose-Einstein-kondensater är ett annat tillstånd av materia där alla enskilda partiklar uppträder som en "superatom". Det betyder att BEC inte har viskositet - du kan ställa in den snurrande och den kommer aldrig att sluta! Spinningkroppar stoppas vanligtvis genom att förlora energi till friktion - eftersom BEC är i det lägsta energitillståndet som möjligt, fortsätter de bara att snurra! Dessa BEC har också noll elektriskt motstånd av samma anledning - ämnet kan helt enkelt inte förlora mer energi