העולם הפיזי סביבנו מורכב מחומר. בעזרת חמשת החושים שלנו אנו יכולים לזהות או לתפוס סוגים שונים של חומר. חלקם נראים בקלות כאבן, שניתן לראות ולהחזיק ביד, אחרים פחות מזוהים או שאינם יכולים להיתפס על ידי אחד החושים; למשל, אוויר. המשנה הוא דבר שיש לו מסה ומשקל, תופס מקום בחלל, מרשים החושים שלנו ולחוות את תופעת האינרציה (התנגדות מוצעת בעמדות שינוי).
מה הבעיה
תוכן עניינים
הגדרת החומר, על פי הפיזיקה, היא כל מה שמרכיב את זה שתופס אזור במרחב-זמן, או, כפי שמקורו האטימולוגי מתאר זאת, הוא החומר ממנו כל הדברים עשויים. במילים אחרות, מושג החומר קובע כי כל מה שקיים ביקום הוא בעל מסה ונפח, שניתן למדוד, לתפוס, לכמת, להתבונן, שתופס מקום זמן-זמן ושולט בחוקי הטבע..
בנוסף לכך, לחומר הקיים באובייקטים יש אנרגיה (היכולת של גופים לבצע עבודה, כמו לנוע או לשנות ממצב אחד למשנהו), המאפשרת לו להתפשט במרחב-זמן (שזה מושג של מרחב וזמן משולב: איזה אובייקט תופס מרחב מסוים בנקודה מסוימת על ציר הזמן). חשוב לציין שלא לכל צורות החומר שיש להם אנרגיה יש מסה.
יש חומר בכל דבר, מכיוון שהוא מופיע במצבים פיזיקליים שונים; לכן זה יכול להתקיים בפטיש וגם בתוך בלון. ישנם גם סוגים שונים; כך שגוף חי הוא חומר, כמו גם אובייקט דומם.
הגדרת החומר מציינת גם שהיא מורכבת מאטומים, שהם יחידת חומר אינסופית, שנחשבה כקטנה ביותר, עד שהתגלה כי בתורו היא מורכבת מחלקיקים קטנים אחרים (אלקטרונים שיש להם מטען שלילי; פרוטונים שיש להם מטען חיובי; ונויטרונים, שהמטען שלהם ניטרלי או שאין להם).
ישנם 118 סוגים מהם, המוזכרים בטבלה המחזורית של היסודות, שהם עניינים של אטום מסוג אחד, ואילו תרכובות הן חומרים המורכבים משני אטומים או יותר, למשל מים (מימן וחמצן). בתורם, מולקולות הן חלק מהחומר, ומוגדרות כקבוצות אטומים עם תצורה מבוססת, שקשרן כימי או אלקטרומגנטי.
חפץ או כל דבר בעולם יכול להיות מורכב מסוגים שונים של חומר, כגון עוגה או גרגר מלח, וניתן להשיג סוגים שונים של חומרים אם מצבם הפיזי משתנה. שינוי זה יכול להיות פיזיקלי או כימי. שינוי פיזי מתרחש כאשר מראה האובייקט משתנה או הופך, ואילו כימיה מתרחשת כאשר יש שינוי בהרכב האטומי שלו.
העניין מדורג על פי רמת המורכבות שלו. במקרה של אורגניזמים חיים, מהפשוטים למורכבים ביותר, בסיווג החומר, יש לנו:
- תת אטומי: חלקיקים המרכיבים את האטום: פרוטונים (+), נויטרונים (ללא מטען) ואלקטרונים (-).
- אטומי: יחידת חומר מינימלית.
- מולקולרית: קבוצות של שני אטומים או יותר, שיכולים להיות מאותו סוג או שונה, ויוצרים סוג אחר של חומר.
- תא: היחידה הקטנה ביותר מכל האורגניזמים החיים, המורכבת ממולקולות מורכבות.
- רקמות: קבוצת תאים שתפקידם זהה.
- איברים: הרכב רקמות בחבר הממלא תפקיד כלשהו.
- מערכת או מנגנון: הרכב איברים ורקמות הפועלים יחד למען פונקציה מסוימת.
- אורגניזם: זה מכלול האיברים, מערכות, תאים, של יצור חי, הפרט. במקרה זה, למרות שהוא חלק מקבוצה של רבים דומים, הוא ייחודי עם DNA השונה מכל האחרים ממינים.
- אוכלוסייה: אורגניזמים דומים המקובצים יחד וחיים באותו מרחב.
- מינים: השילוב של כל אוכלוסיות האורגניזמים מאותו הסוג.
- מערכת אקולוגית: חיבור של מינים שונים באמצעות שרשראות מזון בסביבה מסוימת.
- ביומה: קבוצות של מערכות אקולוגיות באזור.
- ביוספרה: סט של כל היצורים החיים והסביבה בה הם קשורים.
מאפייני החומר
כדי להגדיר מהו עניין, חשוב להזכיר שיש לו מאפיינים. מאפייני החומר מגוונים בהתאם למצב הפיזי בו הם נמצאים, כלומר על פי ההיווצרות והמבנה שהאטומים מרכיבים וכמה הם מאוחדים זה לזה. כל אחד ואחד מהם יקבע כיצד גוף, אובייקט, חומר או מסה נראים או מתקשרים זה לזה. אך ישנם מאפיינים המשותפים לכל המורכב מחומר, והם הבאים:
1. הם מציגים מצבי צבירה שונים של חומר: מוצק, נוזלי, גז ופלסמה. בנוסף למצבים פיזיים אלה של החומר, ישנם שני מצבים פחות ידועים, שהם נוזליים (שאינם בעלי צמיגות ויכולים לזרום לאינסוף ללא כל התנגדות במעגל סגור) ועל- מוצק (חומר שהוא מוצק ונוזל כאשר באותו זמן), וחושבים שהליום יכול להציג את כל מצבי החומר.
2. יש להם מסה, שהיא כמות החומר בנפח או באזור נתון.
3. הם מציגים משקל, המייצג עד כמה כוח המשיכה יפעיל לחץ על האובייקט האמור; כלומר, כמה כוח אטרקטיבי שיש עליו האדמה.
4. הם מראים טמפרטורה, שהיא כמות אנרגיית החום הקיימת בהם. בין שני גופים עם אותה טמפרטורה, לא תהיה העברה שלה, ולכן היא תישאר זהה בשניהם; מצד שני, בשני גופים עם טמפרטורות שונות, החם יעביר את אנרגיית החום שלו לקרה יותר.
5. יש להם נפח, המייצג את כמות השטח שהם תופסים במקום נתון, וניתן בין היתר על ידי אורך, מסה, נקבוביות.
6. יש להם חדירות, מה שאומר שכל גוף יכול לתפוס חלל אחד ורק חלל אחד בכל פעם, לכן, כאשר אובייקט מנסה לכבוש את החלל של אחר, אחד משני אלה יעקור.
7. יש להם צפיפות, שהוא היחס בין המסה לנפח האובייקט. מהצפיפות הגבוהה ביותר לנמוכה ביותר במדינות, ישנם: מוצקים, נוזלים וגזים.
8. יש חומר הומוגני והטרוגני. במקרה הראשון, כמעט בלתי אפשרי לזהות מה מרכיב אותו, אפילו בעזרת מיקרוסקופ; ואילו בשנייה, אתה יכול לראות בקלות את האלמנטים שיש בה ולהבדיל אותם.
9. יש לו דחיסות, שהיא היכולת להפחית את נפחו אם הוא נתון ללחצים חיצוניים, למשל, לטמפרטורה.
בנוסף לכך ניתן להדגיש שינויים במצב החומר שהם אותם תהליכים בהם מצב הצבירה של הגוף משנה את המבנה המולקולרי שלו כדי להפוך למצב אחר. הם חלק מהתכונות האינטנסיביות של החומר, ואלה:
- מיזוג. זהו התהליך שבו חומר במצב מוצק הופך למצב נוזלי באמצעות יישום אנרגיית חום.
- הקפאה והתמצקות. זה כאשר נוזל הופך למוצק בתהליך של קירורו, והופך את מבנהו לחזק ועמיד הרבה יותר.
- סובלימציה. זהו התהליך שבו, על ידי הוספת אנרגיית חום, האטומים של גופים מוצקים מסוימים יעברו במהירות להיות גז מבלי לעבור מצב נוזלי קודם.
- תצהיר או התגבשות. על ידי סילוק החום מגז, הוא יכול לגרום לחלקיקים המרכיבים אותו להתאחד ליצור כמה גבישים מוצקים, מבלי לעבור בעבר מצב נוזלי.
- רתיחה, אידוי או אידוי. זהו התהליך שבו, כאשר מוחל חום על נוזל, הוא יהפוך לגז, כאשר האטומים שלו נפרדים.
- עיבוי ונזילות. זהו תהליך האידוי ההפוך, שבו כאשר מוחל קור על גז, חלקיקיו יאטו ויתקרבו זה לזה עד שהם יוצרים נוזל מחדש.
מהם תכונות החומר
מאפייני החומר הם מגוונים, מכיוון שיש בהם מספר רב של רכיבים, אך הם יציגו תכונות פיזיקליות, כימיות, פיזיקוכימיות, כלליות וספציפיות. לא כל סוגי החומרים יציגו את כל המאפיינים הללו, שכן, למשל, חלקם חלים על סוג כלשהו של חומר, אובייקט או מסה, במיוחד בהתאם למצב הצבירה שלהם.
בין המאפיינים הכלליים העיקריים של החומר, יש לנו:
סיומת
זהו חלק מהתכונות הפיזיקליות של החומר, מכיוון שהוא מתייחס למידת וכמות החומר שהוא תופס בחלל. המשמעות היא שהם תכונות נרחבות: נפח, אורך, אנרגיות קינטיות (זה תלוי במסתו וניתן על ידי עקירתו) ופוטנציאל (הניתן על ידי מיקומו במרחב), בין היתר.
בצק
הכוונה היא לכמות החומר שיש לאובייקט או לגוף, ואינה כפופה להארכתו או מיקומו; כלומר, כמות המסה הקיימת בו אינה קשורה לכמות הנפח שהיא תופסת בחלל, כך שאובייקט שהרחבה שלו קטנה יכול להכיל כמות עצומה של מסה ולהיפך. הדוגמה המושלמת היא חורים שחורים, בעלי כמות מסה בלתי ניתנת לכמות ביחס למידתם בחלל.
אִינֶרצִיָה
במושג החומר, זהו המאפיין שיש לאובייקטים לשמור על מצב המנוחה שלהם, או להמשיך בתנועתם, למעט אם כוח שמחוצה לו משנה את מיקומם במרחב.
נַקבּוּבִיוּת
בין האטומים המרכיבים את הגדרת החומר בגוף, ישנם חללים ריקים, אשר, בהתאם לחומר זה או אחר, חללים אלה יהיו גדולים או קטנים יותר. זה נקרא נקבוביות, מה שאומר שזה ההפך מדחיסה.
הִתחַלְקוּת
זו היכולת של גופים להתפצל לחתיכות קטנות יותר, אפילו בגודל מולקולרי ואטומי, עד כדי התפרקות. חלוקה זו יכולה להיות תוצר של טרנספורמציות מכניות ופיזיקליות, אך היא לא תשנה את ההרכב הכימי שלה, והיא לא תשנה את מהות החומר.
גְמִישׁוּת
הכוונה היא לאחד המאפיינים העיקריים של החומר, ובמקרה זה יכולתו של האובייקט לחזור לנפחו המקורי לאחר שהיה נתון לכוח דחיסה שמעוות אותו. עם זאת, קיימת מגבלה למאפיין זה ויש חומרים המועדים לגמישות יותר מאחרים.
בנוסף לאלו שהוזכרו לעיל, חשוב להדגיש את התכונות הפיזיקליות האחרות של חומר ותכונות כימיות של חומר שקיימות ורבות. ביניהם:
1. תכונות גופניות:
א) אינטנסיבי או מהותי (מאפיינים ספציפיים)
- מראה: בעיקר באיזה מצב הגוף ואיך הוא נראה.
- צבע: זה קשור גם למראה גופני, אך ישנם חומרים בעלי צבעים שונים.
- ריח: זה תלוי בהרכבו, ונתפס על ידי ריח.
- טעם: איך החומר נתפס כטעם.
- נקודת התכה, רתיחה, הקפאה וסובלימציה: הנקודה בה חומר עובר מלהיות מוצק לנוזל; נוזלי עד תוסס; נוזלי למוצק; ומוצק עד גזי; בהתאמה.
- מסיסות: הם מתמוססים כאשר מערבבים אותם עם נוזל או ממס.
- קשיות: קנה מידה בו חומר יאפשר לגרד, לחתוך ולחצות אותו על ידי אחר.
- צמיגות: עמידות של נוזל לזרימה.
- מתח פני השטח: זו היכולת של נוזל להתנגד לעליית פני השטח שלו.
- מוליכות חשמלית ותרמית: יכולתו של חומר להוביל חשמל וחום.
- גמישות: תכונה המאפשרת להם לעוות מבלי להישבר.
- משיכות: יכולת לעוות וליצור חוטים של החומר.
- פירוק תרמי: כאשר מרימים חום, החומר הופך כימית.
ב) נרחב או חיצוני (מאפיינים כלליים)
- מסה: כמות החומר בגוף.
- נפח: המרחב אותו תופס הגוף.
- משקל: כוח הדחיפה שיש לכוח המשיכה על האובייקט.
- לחץ: היכולת לדחוף "החוצה" את מה שמסביב.
- אינרציה: היכולת להישאר חסרת תנועה, אלא אם כן כוח חיצוני מזיז אותה.
- אורך: היקף האובייקט החד-ממדי בחלל.
- אנרגיה קינטית ופוטנציאלית: בשל תנועתה ומיקומה בחלל.
2. תכונות כימיות:
- PH: רמת חומציות או אלקליות של חומרים.
- בעירה: היכולת לשרוף עם חמצן, בו הוא משחרר חום ופחמן דו חמצני.
- אנרגיית יינון: אנרגיה המתקבלת לאלקטרון לברוח מהאטומים שלו.
- חמצון: יכולת ליצור אלמנטים מורכבים באמצעות אובדן או רווח של אלקטרונים.
- קורוזיה: זו היכולת של חומר לפגוע או להשחית את מבנה החומר.
- רעילות: המידה בה חומר יכול לפגוע באורגניזם חי.
- תגובתיות: נטייה לשילוב עם חומרים אחרים.
- דליקות: יכולת ליצור פיצוץ חום הנגרם על ידי טמפרטורות חיצוניות גבוהות.
- יציבות כימית: יכולתו של חומר להגיב לחמצן או למים.
מצבי צבירת החומר
חומר יכול להופיע במצבים פיזיים שונים. המשמעות היא שעקביותו, בין יתר המאפיינים, תהיה שונה בהתאם למבנה האטומים והמולקולות שלו, ולכן הוא מדבר על התכונות הספציפיות של החומר. בין המדינות העיקריות שניתן להשיג הן:
מוצק
לגופים מוצקים יש את המיוחד בכך שהאטומים שלהם קרובים מאוד זה לזה, מה שמעניק להם קשיות והם מתנגדים לחצייה או לחיתוך על ידי מוצק אחר. בנוסף, יש להם יכולת גמישות, המאפשרת להם להתעוות בלחץ מבלי שיהיה צורך להתפצל.
הקומפוזיציה שלהם מאפשרת להם גם משיכות, שהיא האפשרות ליצור חוטים מאותו חומר כאשר כוחות מנוגדים מגיעים לעבר האובייקט ומאפשרים לו להימתח; ונקודת התכה, כך שבטמפרטורה מסוימת הוא יכול להפוך את מצבו ממוצק לנוזל.
נוזל
האטומים המרכיבים נוזלים מאוחדים אך עם פחות כוח ממוצקים; הם גם רוטטים במהירות, מה שמאפשר להם לזרום וצמיגותם או התנגדותם לתנועה יהיו תלויים בסוג הנוזל שהוא (צמיג יותר, פחות נוזל). צורתו תיקבע על ידי המכולה המכילה אותה.
כמו מוצקים, יש להם נקודת רתיחה, בה הם יפסיקו להיות נוזלים ולהיות גזיים; ויש להם גם נקודת קפאה, בה הם יפסיקו להיות נוזלים להיות מוצקים.
גזי
האטומים הקיימים בגזים הם נדיפים, מפוזרים וכוח הכבידה משפיע עליהם במידה פחותה ממצבים קודמים של חומר. כמו הנוזל, אין לו צורה, הוא ייקח את זה של המיכל או הסביבה למקום בו הוא נמצא.
למצב זה של חומר, כמו לנוזלים, יש דחיסות ובמידה רבה יותר; יש לו גם לחץ שמקנה להם את האיכות לדחוף את מה שמסביב. הוא גם מסוגל להפוך לנוזל בלחץ גבוה (נזילות) ולבטל אנרגיית חום, הוא יכול להפוך לגז נוזלי.
פלסמטי
מצב החומר הזה הוא אחד מהפחות נפוצים. האטומים שלהם פועלים בדומה לאלמנטים גזיים, עם ההבדל שהם טעונים בחשמל, אם כי ללא אלקטרומגנטיות, מה שהופך אותם למוליכים חשמליים טובים. מכיוון שיש לו מאפיינים ספציפיים שאינם קשורים לשלושת המצבים האחרים, הוא נחשב למצב הצבירה הרביעי של החומר.
מהו חוק שימור החומר?
חוק שימור החומר או לומונוסוב-לבואזיה, קובע כי שום סוג של חומר אינו יכול להיהרס, אלא להפוך אותו לאחר בעל מאפיינים חיצוניים שונים או אפילו ברמה המולקולרית, אך המסה שלו נותרה. כלומר, בהיותו נתון לתהליך פיזיקלי או כימי כלשהו, הוא שומר על אותו מסה ומשקל זהה, כמו גם בפרופורציות המרחביות שלהם (הנפח שהוא תופס).
תגלית זו נעשתה על ידי המדענים הרוסים מיכאיל לומונוסוב (1711-1765) ואנטואן לורן לבואזיה (1743-1794). הראשון צפה בו לראשונה כאשר לוחות עופרת לא ירדו ממשקלם לאחר שהומסו במיכל אטום; אולם לממצא זה לא ניתנה חשיבות ראויה באותה עת.
שנים אחר כך התנסה לבואזייה במיכל סגור, שם הרתיח מים במשך 101 יום ושקיטורו לא נמלט אלא חזר אליו. הוא השווה את המשקולות לפני ואחרי הניסוי והגיע למסקנה שהחומר לא נוצר ולא נהרס אלא הופך.
לחוק זה יש יוצא מן הכלל, וזה יהיה במקרה של תגובות מהסוג הגרעיני, מכיוון שניתן להמיר בהן מסה לאנרגיה ובכיוון ההפוך, כך שאפשר לומר שניתן "להשמידן" או "ליצור אותן. "למטרה מסוימת, אך במציאות היא הופכת, גם אם היא לאנרגיה.
דוגמאות לחומר
בין הדוגמאות העיקריות לחומר ניתן להדגיש את הדברים הבאים לפי מצב צבירה:
- מצב מוצק: סלע, עץ, צלחת, מוט פלדה, ספר, גוש, כוס פלסטיק, תפוח, בקבוק, טלפון.
- מצב נוזלי: מים, שמן, לבה, שמן, דם, ים, גשם, מיץ, מיצי קיבה.
הדלק
- מצב גזי: חמצן, גז טבעי, מתאן, בוטאן, מימן, חנקן, גזי חממה, עשן, אדי מים, פחמן חד חמצני.
- מצב פלזמטי: אש, הזוהר הצפוני, השמש וכוכבים אחרים, רוחות השמש, היונוספירה, הפרשות החשמל של שימוש או שימוש תעשייתי, העניין בין כוכבי הלכת, הכוכבים והגלקסיות, הסופות החשמליות, הניאון בתוך צורה של פלזמה ממנורות ניאון, צגי מסך פלזמה מטלוויזיות או אחרת.
