Matéria é o “material” que compõe o universo – tudo o que ocupa espaço e tem massa é matéria.
Toda a matéria é constituída por átomos, que por sua vez são constituídos por prótons, neutrões e electrões.
Os átomos juntam-se para formar moléculas, que são os blocos de construção de todos os tipos de matéria, de acordo com a Universidade do Estado de Washington. Tanto os átomos como as moléculas são mantidos juntos por uma forma de energia potencial chamada energia química. Ao contrário da energia cinética, que é a energia de um objecto em movimento, a energia potencial é a energia armazenada num objecto.
As cinco fases da matéria
Existem quatro estados naturais da matéria: Sólidos, líquidos, gases e plasma. O quinto estado é o condensado de Bose-Einstein feito pelo homem.
Sólidos
Num sólido, as partículas são empacotadas firmemente de modo a não se moverem muito. Os electrões de cada átomo estão constantemente em movimento, pelo que os átomos têm uma pequena vibração, mas são fixados na sua posição. Devido a isto, as partículas num sólido têm uma energia cinética muito baixa.
Os sólidos têm uma forma definida, bem como massa e volume, e não estão em conformidade com a forma do recipiente em que são colocados. Os sólidos também têm uma alta densidade, o que significa que as partículas são firmemente embaladas em conjunto.
Líquidos
Num líquido, as partículas são mais soltas do que num sólido e são capazes de fluir umas em torno das outras, dando ao líquido uma forma indefinida. Portanto, o líquido conformar-se-á à forma do seu recipiente.
Muito semelhante aos sólidos, os líquidos (a maioria dos quais têm uma densidade inferior à dos sólidos) são incrivelmente difíceis de comprimir.
Gases
Num gás, as partículas têm um grande espaço entre elas e têm uma elevada energia cinética. Um gás não tem forma ou volume definidos. Se não forem definidas, as partículas de um gás espalhar-se-ão indefinidamente; se forem confinadas, o gás expandir-se-á para encher o seu recipiente. Quando um gás é colocado sob pressão, reduzindo o volume do recipiente, o espaço entre as partículas é reduzido e o gás é comprimido.
Plasma
Plasma não é um estado comum da matéria aqui na Terra, mas pode ser o estado mais comum da matéria no universo, de acordo com o Laboratório Jefferson. As estrelas são essencialmente bolas sobreaquecidas de plasma.
Plasma consiste em partículas altamente carregadas com uma energia cinética extremamente elevada. Os gases nobres (hélio, néon, árgon, crípton, xénon e rádon) são frequentemente utilizados para fazer sinais brilhantes, utilizando a electricidade para os ionizar para o estado de plasma.
Bose-Einstein condensado
O condensado Bose-Einstein (BEC) foi criado por cientistas em 1995. Usando uma combinação de lasers e magnetos, Eric Cornell e Carl Weiman, cientistas do Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) em Boulder, Colorado, arrefeceram uma amostra de rubídio até alguns graus de zero absoluto. A esta temperatura extremamente baixa, o movimento molecular chega muito perto de parar. Uma vez que quase não há energia cinética a ser transferida de um átomo para outro, os átomos começam a aglomerar-se juntos. Já não há milhares de átomos separados, apenas um “super átomo”.
A BEC é utilizada para estudar a mecânica quântica a um nível macroscópico. A luz parece abrandar ao passar por uma BEC, permitindo aos cientistas estudar o paradoxo partícula/ onda. Um BEC também tem muitas das propriedades de um superfluido, ou um fluido que flui sem fricção. As BECs são também usadas para simular condições que possam existir em buracos negros.
Passar por uma fase
Adicionar ou remover energia da matéria provoca uma mudança física à medida que a matéria se move de um estado para outro. Por exemplo, a adição de energia térmica (calor) à água líquida faz com que esta se torne vapor ou vapor (um gás). E a remoção de energia da água líquida faz com que esta se transforme em gelo (um sólido). Alterações físicas também podem ser causadas pelo movimento e pressão.
Fusão e congelação
Quando o calor é aplicado a um sólido, as suas partículas começam a vibrar mais rapidamente e a afastar-se mais. Quando a substância atinge uma certa combinação de temperatura e pressão, o seu ponto de fusão, o sólido começará a derreter e a transformar-se num líquido.
Quando dois estados da matéria, tais como sólido e líquido, estão à temperatura e pressão de equilíbrio, o calor adicional adicionado ao sistema não fará com que a temperatura global da substância aumente até que toda a amostra atinja o mesmo estado físico. Por exemplo, quando se coloca gelo num copo de água e se o deixa de fora à temperatura ambiente, o gelo e a água acabarão por chegar à mesma temperatura. Como o gelo derrete devido ao calor proveniente da água, permanecerá a zero graus Celsius até que todo o cubo de gelo derreta antes de continuar a aquecer.
Quando o calor é removido de um líquido, as suas partículas abrandam e começam a assentar num local dentro da substância. Quando a substância atinge uma temperatura suficientemente fria a uma certa pressão, o ponto de congelação, o líquido torna-se sólido.
A maior parte dos líquidos contrai-se à medida que congelam. A água, contudo, expande-se quando congela em gelo, fazendo com que as moléculas se distanciem mais e diminuam a densidade, razão pela qual o gelo flutua em cima da água.
Adicionar substâncias adicionais, tais como sal na água, pode alterar tanto os pontos de fusão como de congelação. Por exemplo, a adição de sal à neve irá diminuir a temperatura que a água congela nas estradas, tornando-a mais segura para os condutores.
Há também um ponto, conhecido como o ponto triplo, onde os sólidos, líquidos e gases existem todos simultaneamente. A água, por exemplo, existe nos três estados a uma temperatura de 273,16 Kelvin e a uma pressão de 611,2 pascals.
p>Sublimation
Quando um sólido é convertido directamente num gás sem passar por uma fase líquida, o processo é conhecido como sublimação. Isto pode ocorrer ou quando a temperatura da amostra é rapidamente aumentada para além do ponto de ebulição (vaporização de flash) ou quando uma substância é “liofilizada” por arrefecimento em condições de vácuo, de modo a que a água da substância sofra sublimação e seja removida da amostra. Algumas substâncias voláteis sofrerão sublimação à temperatura e pressão ambiente, tais como dióxido de carbono congelado, ou gelo seco.
Vaporização
Vaporização é a conversão de um líquido em gás e pode ocorrer por evaporação ou ebulição.
Porque as partículas de um líquido estão em constante movimento, colidem frequentemente umas com as outras. Cada colisão também provoca a transferência de energia, e quando energia suficiente é transferida para partículas próximas da superfície, estas podem ser afastadas completamente da amostra como partículas de gás livres. Os líquidos arrefecem à medida que evaporam porque a energia transferida para as moléculas da superfície, que provoca a sua fuga, é levada consigo.
Fervura líquida quando se adiciona calor suficiente a um líquido para provocar a formação de bolhas de vapor abaixo da superfície. Este ponto de ebulição é a temperatura e pressão a que um líquido se torna um gás.
Condensação e deposição
Condensação ocorre quando um gás perde energia e se junta para formar um líquido. Por exemplo, o vapor de água condensa-se em água líquida.
Deposição ocorre quando um gás se transforma directamente em sólido, sem passar pela fase líquida. O vapor de água torna-se gelo ou gelo quando o ar que toca um sólido, tal como uma lâmina de relva, é mais fresco do que o resto do ar.
Recursos adicionais:
- Watch: Criação de um condensado de Bose-Einstein, do Instituto Nacional de Normas e Tecnologia.
- Saiba de onde veio a matéria no universo, da Universidade de Cornell Ask an Astronomer.
li>Ler mais sobre matéria, elementos e átomos, da Academia Khan.
Este artigo foi actualizado em 21 de Agosto de 2019, pela Contribuinte de Ciência Viva Rachel Ross.