ГЛАВА 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИИ
С точки зрения физики материя существует в разнообразных формах. Поэтому необходимо рассмотреть самые важные характеристики материи.
Масса. Закон сохранения массы
Масса – особое свойство материи.
Масса материального объекта постоянна и неизменна. Любое физическое тело обладает определённой массой, не меняющейся со временем. Данное свойство материи проявляется в том, что тела обладают инерцией (инерционная масса) и в том, что между телами действуют силы притяжения (гравитационная масса). Она не меняется при тех или иных физических преобразованиях тела, например при деформации, хотя форма этого тела может меняться. Даже при испарении жидкости в окружающем пространстве (комнате, сосуде) сохранится неизменной. Данные примеры отражают один из фундаментальных законов физики – закон сохранения массы. Безусловно, между разными физическими процессами существуют отличия, но для понимания природного явления необходимо обнаруживать сходства в тех или иных процессах. Превращение воды в пар и пара в воду – два различных физических процесса. Однако, общая особенность их в том, что масса вещества (в данном случае воды) остаётся постоянной. Большое количество экспериментов по изучению этой особенности материи привело к заключению о сохранении массы при всех физических процессах.Отметим, что сохранение является важным физическим законом, но в действительности масса, не сохраняющаяся величина. Во всех обычных процессах массу считают неизменной, так как даже достаточно чувствительные приборы не регистрируют её изменение. Однако теория относительности Альберта Эйнштейна показала (что подтверждено экспериментами), что масса и энергия эквивалентны друг другу, то есть одна может переходить в другую при определённых условиях. Именно поэтому в физике закон сохранения энергии относят не к массе и энергии по отдельности, а к массе-энергии. Соответствующие условия, при которых превращение массы и энергии заметны и в обычных процессах не наблюдаются.
Поэтому обычно массу и энергию трактуют как отдельно сохраняющиеся величины.Плотность
Другой важной характеристикой материи определённого типа, отличающий его от других, является его плотность. Одинаковые по размерам и форме куски дерева и стали отличаются друг от друга, кусок стали намного тяжелее, чем дерева. Таким образом, нам ясно, что масса определённого объёма стали значительно больше массы такого же объёма древесины, то есть в настоящем эксперименте сравнивается масса на единицу объёма двух веществ. Эта величина показывающая отношение массы тела к его объёму называется плотностью (масса в единице объёма):
Плотность = масса/объём
ρ = Μ/V (2)
где ρ – плотность; Μ – масса; V – объём
В метрической системе плотность выражается в кг/м3, либо в г/см3.
Как правило, удобнее использовать для выражения плотности г/см3, так как в этих единицах плотность воды равна 1 г/см3.
Состояние вещества
Материя, окружающая человека, существует в трёх различных формах: твёрдое тело, жидкость и газ. Например, такое известное каждому вещество, как вода знакома во всех трёх состояниях. При обычной температуре, например комнатной вода – жидкость; при низких (ниже 00С) замерзает и превращается в лёд, а при высоких, (выше 1000С) испаряется и превращается в водяной пар. Многие вещества ведут себя подобным образом при значительных изменениях температуры, например при высоких температурах железо плавится и превращается в жидкость, а азот (при обычных температурах – газ) при сильном охлаждении сжижается (образуется жидкий азот) , а затем становится твёрдым.
Любое изменение состояния вещества обусловлено увеличением или уменьшением подвижности частиц этого вещества (атомов, молекул), что обусловлено в первом случае разрушением или образованием межатомных (межмолекулярных) связей.
Кроме вышеназванных состояний материи существует и четвёртое состояние – плазма, которое возникает при нагревании вещества до температуры, при которой в результате движения атомов с огромными скоростями электроны атома окажутся выбитыми из него при столкновениями с другими атомами, а атомы превратятся в сильнозаряженные ионы, движущиеся в облаке электронов. На Земле плазма может быть получена при флуоресцентном свечении трубок, разряде молнии. В звёздах плазма – это не исключительное состояние материи, причём во Вселенной состояние плазмы наиболее распространено.