Čo je hmota vo fyzike: definícia, hmotnosť a vlastnosti

Objavte, čo je hmota vo fyzike: jasná definícia, rozdiel medzi hmotou a hmotnosťou, vlastnosti, atómy a ich správanie. Zrozumiteľne pre študentov aj laikov.

Autor: Leandro Alegsa

Hmota je látka, z ktorej sa skladá všetok materiál. To znamená predmety, ktoré majú hmotnosť. Presnejšie, musia mať pokojovú hmotnosť, čo je forma energie, ktorú má hmota aj vtedy, keď sa nepohybuje (nemá kinetickú energiu), je extrémne studená (nemá tepelnú energiu) atď. Hmota je slovo, ktoré sa v bežnom živote niekedy používa v rôznych významoch, zatiaľ čo hmotnosť je presne definovaný pojem a veličina aspoň vo fyzike. Nie je to to isté, hoci to spolu súvisí. V praxi sa často rozlišuje medzi hmotou ako „tým, z čoho sú veci zložené“ a hmotnosťou ako mierou množstva tejto látky alebo ako miery jej zotrvačnosti a gravitačného pôsobenia.

Bežná hmota sa skladá z malých častíc nazývaných atómy. Atómy majú medzi sebou medzery a neustále sa pohybujú alebo vibrujú. Pri zahrievaní sa častice pohybujú rýchlejšie a vzďaľujú sa od seba, pri ochladzovaní je to naopak. Atómy tvoria molekuly, ak sú spojené chemickými väzbami; vnútro atómu sa skladá z jadra (protony a neutróny) a elektrónového obalu. Protony a neutróny sú zasa zložené z kvarkov viazaných silnou jadrovou interakciou. Energia väzieb a pohyb častíc prispievajú k celkovej energii a tým aj podľa E = mc² k efektívnej hmotnosti systému.

Vlastnosti hmoty

  • Hmotnosť (m): skalárna veličina, meria množstvo látky a jej zotrvačnosť pri zrýchľovaní. V SI sa meria v kilogramoch (kg).
  • Hustota (ρ): hmotnosť na jednotku objemu, určuje ako „hustá“ je látka (kg/m³).
  • Objem: priestor, ktorý hmota zaberá; v tekutinách sa mení v závislosti od teploty a tlaku.
  • Fyzikálne skupenstvá: pevná látka, kvapalina, plyn a plazma — stav závisí od teploty a tlaku; existujú aj exotickejšie stavy (napr. Bose-Einsteinov kondenzát).
  • Konverzia medzi hmotou a energiou: podľa teórie relativity hmota a energia sú ekvivalentné (E = mc²), čo sa prejavuje napr. pri jadrových procesoch, kde sa malá časť hmotnosti môže premeniť na veľké množstvo energie.

Hmotnosť vs. váha

Často sa v bežnom jazyku zamieňajú pojmy hmotnosť a váha. Hmotnosť je vlastnosť telesa (množstvo látky, schopnosť odolávať zrýchleniu), zatiaľ čo váha (sila, ktorou na telo pôsobí gravitačné pole) závisí od gravitačného zrýchlenia g a počíta sa ako F = m·g. Na Zemskom povrchu má predmet určitú váhu, ale hmotnosť zostáva rovnaká bez ohľadu na lokalitu (napr. Mesiac má inú g, váha tam bude menšia, hmotnosť rovnaká).

Merné jednotky a meranie hmotnosti

Hmotnosť sa meria v kilogramoch (kg). Od roku 2019 je kilogram definovaný pevnou hodnotou Planckovej konštanty pomocou vzťahov v kvantovej fyzike, čo nahradilo starý fyzický prototyp kilogramu. V praxi sa hmotnosť meria pomocou váh alebo porovnávacích váh (v balancoch) a v laboratóriách sa používajú precízne meracie prístroje.

Pokročilejšie aspekty a špeciálne formy hmoty

Okrem bežnej atómovej hmoty poznáme aj:

  • Antimatter (antihmota): zložená z antipartrícul s rovnakou hmotnosťou, ale opačným nábojom; pri strete s normálnou hmotou dochádza k anihilácii a uvoľneniu energie.
  • Temná hmota: hypotetická forma hmoty, ktorá nevyžaruje ani neodráža svetlo, ale prejavuje sa gravitačne na galaktických a kozmologických škálach. Je to stále nevyriešená otázka modernej fyziky.
  • Subatomárne častice: niektoré častice (napr. fotóny) sú bez pokojovej hmotnosti, iné (elektrón, protón, neutríno) majú nenulovú pokojovú hmotnosť.
  • Relativistické efekty: pri vysokých rýchlostiach sa celková energia systému mení; moderná fyzika uprednostňuje pojem invariantná (pokojová) hmotnosť pred zastaraným pojmom relativistická hmotnosť.

Zákony zachovania

V klasickej chémii a mnohých fyzikálnych procesoch platí zákon zachovania hmoty: pri bežných chemických reakciách sa celková hmotnosť materiálu nemení. V rámci relativity sa presnejšie hovorí o zachovaní energie a hmoty ako jedného celku — celková hmotno-energetická bilancia systému je zachovaná.

Táto rozšírená definícia ukazuje, že pojem hmota zahŕňa širokú škálu javov od každodenných predmetov až po kvantové častice a kozmologické fenomény. Pre hlbšie štúdium je vhodné skúmať atomovú štruktúru, interakcie medzi časticami a princípy relativity a kvantovej mechaniky.

Baryónová hmota

Takmer všetka hmota, s ktorou sa môžeme stretnúť v každodennom živote, je baryónová hmota. Patria sem atómy akéhokoľvek druhu, ktoré majú vlastnosť hmotnosti. Nebaryónová hmota, ako vyplýva z názvu, je akýkoľvek druh hmoty, ktorá sa neskladá prevažne z baryónov. Môže ísť o neutrína a voľné elektróny, tmavú hmotu, ako sú supersymetrické častice, axiony a čierne diery.

Samotná existencia baryónov je v kozmológii významnou otázkou. Predpokladá sa, že pri veľkom tresku vznikol stav s rovnakým množstvom baryónov a antibaryónov. Proces, pri ktorom baryóny prevážili nad svojimi antičasticami, sa nazýva baryogenéza.

Vlastnosti hmoty

Hmotu možno priamo vnímať zmyslami. Má vlastnosti, ktoré možno merať, ako je hmotnosť, objem, hustota, a kvalitatívne vlastnosti, ako je napríklad chuť, vôňa a farba.

Príklady hmoty

Všetky fyzické telesá vo vesmíre sa skladajú z hmoty: galaxie, hviezdy a planéty, skaly, voda a vzduch. Aj živé organizmy, ako sú rastliny, zvieratá a ľudia, sa skladajú z hmoty.

Vo fyzike vesmír obsahuje aj veci, ktoré nie sú hmotou, vrátane niektorých elementárnych častíc, ktoré nemajú pokojovú hmotnosť. Známym príkladom sú fotóny (elektromagnetické žiarenie, napríklad svetlo).

Okrem pokojovej hmotnosti môže hmota obsahovať aj iné formy energie, ktoré nie sú hmotou, ale umožňujú jej vzájomnú interakciu prostredníctvom výmeny kinetickej energie, tepla, svetla, zvukových vĺn atď.

Mimo fyzikálnych vied môže existovať mnoho iných vecí, ktoré nie sú hmotou alebo energiou. Len napríklad emócie možno prežívať alebo mať myšlienky.

Zloženie

Štruktúra a zloženie hmoty sa skúma rozbitím hmoty na menšie a menšie časti. Preto sa živé organizmy skladajú z buniek. Bunky sa skladajú z molekúl, ktoré sú súbormi navzájom spojených atómov. Každý atóm je zase súborom elementárnych častíc.

Stavy hmoty

Fyzici tiež klasifikujú hmotu do niekoľkých širokých kategórií, tzv. stavov, s úplne odlišnými vlastnosťami:

  • Pevné látky sú hmotné objekty zložené z molekúl a atómov, ktoré sú navzájom tak pevne spojené, že majú tendenciu zachovať si svoj tvar aj pri pohybe, hoci sa môžu deformovať pod tlakom. Príklady: skala, stôl, nôž, kus ľadu.
  • Tekutiny sú množstvá hmoty zložené z molekúl a atómov, ktoré sú navzájom slabo spojené. Nemajú správny tvar. Existujú dva typy kvapalín:
    • Kvapaliny zahŕňajú kondenzované formy hmoty, podobne ako tuhé látky, ale väzby medzi prvkami, ktoré ich tvoria (molekuly, atómy), im umožňujú vzájomný pohyb, pričom v hmote zostávajú pohromade: zachovávajú si určitý povrch. Kvapaliny prijímajú tvar recipientov, v ktorých sa nachádzajú. Príklady: voda, olej, krv, láva, nealkoholické nápoje.
    • Plyny sú množstvá hmoty, v ktorých sú väzby medzi jednotlivými prvkami (molekulami, atómami) také voľné alebo slabé, že sa môžu pohybovať nezávisle od seba. Plyny nevykazujú vlastný povrch, majú tendenciu rozpínať sa a zaberať celý dostupný objem. Príklady: vzduch, vodná para, hélium.
  • Plazma je tvorená ionizovanou hmotou, o ktorú sa zaujímajú najmä vedci. Príklady: ionosféra Zeme, slnečná koróna. Častice v plazme sú zmesou kvapaliny a plynu. Častice sa môžu voľne pohybovať ako kvapalina a príťažlivosť je slabá ako u plynu. Tento stav hmoty nie je úplne pochopený. Príkladom plazmy je blesk.
  • Boseho-Einsteinov kondenzát (BEC) je stav hmoty zriedeného plynu bozónov ochladeného na teplotu veľmi blízku absolútnej nule (0 K alebo -273,15 °C)

Dané množstvo hmoty môže prejsť z jedného stavu do druhého v závislosti od teploty a tlaku. Na Zemi môže voda existovať súčasne v troch skupenstvách: v pevnom (ľad), kvapalnom (jazerá, oceány) a plynnom (vodná para).

Súvisiace stránky

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to hmota?



Odpoveď: Hmota je látka, z ktorej sa skladá všetok materiál. Vzťahuje sa na objekty, ktoré majú hmotnosť a pokojovú hmotnosť, ktorá je formou energie bez ohľadu na to, či sa pohybuje alebo má tepelnú energiu.

Otázka: Čím sa hmota líši od hmotnosti?



Odpoveď: Hmota sa v bežnom jazyku často používa variabilne, zatiaľ čo hmotnosť je vo fyzike presne definovaný pojem a veličina. Hmotnosť sa vzťahuje konkrétne na množstvo hmoty v určitom objekte.

Otázka: Čo je to pokojová hmotnosť?



Odpoveď: Pokojová hmotnosť je forma energie, ktorú má hmota, aj keď sa nepohybuje alebo nemá tepelnú energiu.

Otázka: Z čoho sa skladá bežná hmota?



Odpoveď: Bežná hmota sa skladá z malých častíc nazývaných atómy, ktoré sa neustále pohybujú a kmitajú.

Otázka: Ako sa správajú častice obyčajnej hmoty pri zahrievaní?



Odpoveď: Pri zahrievaní sa častice obyčajnej hmoty pohybujú rýchlejšie a vzďaľujú sa jedna od druhej.

Otázka: A ako sa správajú, keď sa ochladia?



Odpoveď: Pri ochladzovaní sa častice obyčajnej hmoty pohybujú pomalšie a bližšie k sebe.

Otázka: Ako sa nazývajú priestory medzi atómami v bežnej hmote?



Odpoveď: Priestory medzi atómami v bežnej hmote sa nazývajú intersticiálne priestory.


Prehľadať
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3