Вещество

веществоВещество представляет собой суб­станцию, составляющую Вселенную. На сегодняшний день ученые — фи­зики и химики — достигли согласия в выявлении немногим более 100 раз­новидностей вещества, называемых «элементами». 90 из приблизительно 100 элементов имеют естественное происхождение. Остальные были произведены в лабораторных услови­ях. На самом элементарном уровне все вещества живой и неживой при­роды состоят из различных комбина­ций элементов, взятых в различном соотношении.

По определению элемент пред­ставляет собой вещество, не поддаю­щееся дальнейшему разложению пу­тем химических процессов. Ярким примером рассмотрения первичной сути элементов может служить вода, представляющая собой соединение двух элементов  кислорода и водо­рода. Путем различных химических процессов она может быть разложена на эти два составляющих компонента не поддающихся дальнейшему разложению.

Элементы могут быть изменены либо разложены путем деления ядра либо ускорения частиц, но в этом случае они уже не будут сохранять свойств элементов. В действительности, эти процессы могут вызывать

поразительные изменения, в результа­те которых элемент из вещества пре­вращается в энергию, что является принципом атомной энергии. Таким образом, элемент является основной формой вещества.

Элементы состоят из атомов. Ато­мы — это мельчайшие частицы эле­ментов, способные представить специальные свойства данного элемента (термин «атом» имеет греческую корневую основу, означающую «неделимый»). Атомы настолько малы, что потребуется выложить в ряд несколько их миллионов, чтобы получить толщину данной страницы.

В свою очередь, атомы состоят из еще более мелких частиц, включаю­щих в себя отрицательно заряженные электроны, положительно заряженные протоны и нейтроны, не имеющие никакого электрического заряда. По­ложительные и отрицательные заряды притягиваются, что обуславливает целостность атома. Кроме того, вслед­ствие равенства общего количества протонов и электронов (по крайней мере, в неионизированных атомах —подробнее об этом см. далее), атом как единое целое имеет нейтральный (нулевой) заряд.

Нейтроны и протоны располагаются в центре атома, называемом ядром. Протоны обеспечивают ядру по­ложительный заряд, вокруг которого отрицательно заряженные электроны вращаются в форме так называемого «орбитального облака». Высокая ско­рость вращения электронов вокруг ядра обуславливает нередкое описа­ние атомов как «беспокойных малень­ких шариков». В отношении размера отметим, что диаметр электронного облака в 100000 раз больше, чем диаметр ядра. Для иллюстрации приве­дем следующий пример: если бы атом водорода составлял в диаметре около 6 км, ядро в таком случае выглядело бы с размер апельсина. Однако в связи с тем, что протоны и нейтроны приблизительно в 2000 раз тяжелее электронов, ядро составляет 99,9 % атомной массы.

Общая масса частиц, составляющих атом, называется атомной массой. В целом, различия между отдельными

элементами определяются числом протонов внутри ядра, называемым «атомным числом». При этом при одинаковом количестве протонов не­которые атомы одного и того же эле­мента могут иметь разное число ней­тронов. Эти вариации одного и того же элемента называются изотопами.

Различными способами атомы со­единяются друг с другом, образуя мо­лекулы. Молекулы, состоящие из различных элементов, называются соединениями. Молекула является мельчайшей частицей соединения, способной сохранить его свойства. Добавим, что атомы одного элемента иногда соединяются, образуя молеку­лы этого же элемента. Примером то­му может служить элемент азот, со­единение двух атомов которого обра­зует двухатомную молекулу газа азо­та, находящуюся в составе воздуха. Такая молекула называется двухатомной.

Нередко соединения обладают свойствами, абсолютно отличными от свойств составляющих их компонен­тов. Ярким примером тому может служить опять же вода. Оба составляющих ее компонента — кислород и водород — в естественном состоянии являются газами с высокой активно­стью. Однако в соединении они обра­зуют абсолютно новое полностью ус­тойчивое вещество, радикально отличающееся от любого из своих составляющих компонентов (газов). Подоб­ным образом поведение молекуляр­ных элементов (как, например, газ азот) может отличаться от того же элемента, состоящего из отдельных атомов.

Атомы, составляющие определенные молекулы, соединяются между собой химическими связями. Форми­рование химических связей называет­сяхимической реакцией. Лишь атомы с совместимой структурой могут об­разовывать химические связи. Эта совместимость зависит от электронных конфигураций внутри атома.Электроны вращаются вокруг ядра по прогнозируемым, четко органи­зованным орбитам, или уровням. Причем, каждый из уровней способен принять лишь определенное количе­ство электронов. Активность атома зависит от числа электронов на внешнем уровне. Если он заполнен, атом не расположен к соединениям с другими атомами и называется «устойчивым». Примерами высокоустойчивых атомов могут служить инерт­ные газы, иногда используемые в дайвинге, — такие, как гелий и неон.Некоторые атомы более свободно соединяются с другими, но лишь с атомами определенных элементов. По существу, эти атомы соединяются друг с другом, чтобы «дополнить» свой внешний электронный уровень, способный удержать больше электронов, чем имеет атом. Это достигается путем образования либо ионных, либо ковалентных связей. Примером ионной связи может служить обычная поваренная соль  хлористый натрий (NaCl). На внеш­нем уровне атома натрия находится лишь один из его 11 электронов. С другой стороны, внешний уровень атома хлора, способный удержать 8 электронов, заполнен практически полностью (7 электронов). Таким об­разом, хлор «забирает» единственный внешний электрон натрия и заверша­ет свой собственный внешний уро­вень. При этом количество отрица­тельно заряженных электронов в ато­ме хлора становится на один больше, чем положительно заряженных прото­нов, и атом получает отрицательный заряд, и наоборот, атом натрия, отдав свой электрон, теперь имеет на один протон больше, чем количество элек­тронов, и, следовательно, получает положительный заряд. Вследствие того, что каждый атом теперь имеет заряд (отрицательный и положительный, соответственно), они называют­ся ионами. Два иона с противопо­ложными зарядами притягиваются, образуя ионную связь, результат ко­торой — хлористый натрий. Некоторые атомы не способны полностью отдавать или принимать электроны для заполнения своих внешних уровней. Вместо этого они распределяют электроны, необходи­мые для заполнения их внешних уровней. Это называется ковалентной связью, наиболее простым примером, которой является вода. В отношении воды отметим, что кислород и водород — два высоко­активных элемента — образуют ус­тойчивое соединение. Для того, что­бы стать устойчивым, кислороду не­обходимо два электрона для заверше­ния своего внешнего уровня. Каждый атом водорода имеет только один электрон и нуждается еще в одном для завершения своего внешнего уровня (внутренний уровень может принять только два электрона). При соединении двух атомов водорода кислород получает — в порядке рас­пределения — два необходимых ему электрона, в то время как каждый атом водорода приобретает тот единственный электрон, в котором он нуждается. Результатом этого пропорционального соединения (два атома водорода на один атом кислорода) вода обозначается, пожалуй, наиболее известной химической формулой Н2О. Данное расположение молекул определяет и другие уникальные свойства воды, на которых мы остановимся позднее

Состояние веществ

Элементы и соединения могут су­ществовать в виде одного из трех сос­тояний:

1) твердые тела;

2) жидкости;

3) газы.

Вода, например, может нахо­диться в своем естественном состоя­нии (жидкость), в виде льда (твердое тело) или в виде пара (газ).

Состояние вещества зависит от того, насколько неподвижно и близко располагаются друг к другу молекулы, составляющие вещество. Наиболее важным фактором, оказывающим влияние на состояние и положение молекул, является температура (давление, будучи также значимым фактором, оказывается менее определяю­щим в большинстве случаев), поскольку теплота есть не что иное, как движение молекул. Температура, по сути, есть мера активности молекул, составляющих вещество. Чем активнее молекулы, тем «теплее» вещество. При снижении активности молекул вещество «остывает».

Вещества с фиксированным, линейным порядком расположения мо­лекул являются твердыми телами. При повышении температуры молекулы начинают покидать свое фикси­рованное месторасположение и перемещаться вблизи друг от друга, образуя жидкость. Затем, при дальнейшем повышении температуры, молекулы отдаляются друг от друга и, по сути, покидают поверхность вещества, образуя газ. Как очевидно следует из примера со льдом, водой и паром, твердое состояние (лед) подразумевает самую низкую температуру, а состояние газа (пар) — самую высо­кую.

Что касается давления, то твер­дые тела и жидкости рассматривают­ся (в применении к дайвингу) как несжимаемые. Газы, напротив, являются высокосжимаемыми вещества­ми. Молекулы, составляющие газ, занимают приблизительно одну тысячную от общего объема емкости при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении. Это объясняет высокую степень сжимаемости вещества в газообразном состоянии. Именно это свойство газов является значимым и имеет непосредственное отношение к дайвингу.

Энергия

Энергия означает «способность делать работу». Таким образом, понятия «энергия» и «работа» тесно взаимосвязаны. Работа определяется как произведение силы и перемещения. В метрической системе сила измеряется в эргах и джоулях. Один Эрг — это количество работы, необходимое для перемещения одного грамма на один сантиметр, против действия силы тяжести (ускорения силы тяжести). Один джоуль — это 107 эргов. В системе измерений, принятой в Великобритании, энергия измеряется в фу­тофунтах. Один футофунт представ­ляет собой количество работы, выполняемое силой в один фунт при передвижении объекта, на который направлена прилагаемая сила, на один фут. Один джоуль равен при­близительно 0,7375 футофунтам (Примечание: в этих определениях применяется нечеткая терминология, рассматривающая вес и массу как взаимозаменяемые понятия. В при­менении к дайвингу это приемлемо, хотя в терминологии теоретической физики это разные понятия. Масса неизменна, а вес — это свойство массы, меняющееся в зависимости от силы тяжести.

За исключением ядерных реакций энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, а способна лишь преобразовываться в пять форм: 1) тепловую; 2) световую; 3) электрическую; 4) химическую и 5) механическую.

1. Тепловая энергия, как мы отмечали выше, есть движение молекул, составляющих вещество. Чем интенсивнее движение, тем больше тепло­вая энергия и наоборот. Следует заметить, что любая энергия, в конечном итоге, превращается в тепловую, а процессы преобразования одной формы энергии в другую всегда вызывают рассеивание части энергии в виде тепла.

2. Свет представляет собой энергию в форме электромагнитного из­лучения. Наилучшим примером является световая энергия солнца. Примером преобразования энергии могут служить процессы фотосинтеза в растениях, предполагающие трансформа­цию световой энергии в химическую.

3. Электрическая энергия является результатом взаимодействия отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов. Хорошим примером может служить аккумуляторная батарея, содержащая потенциальную электрическую энергию до тех пор, пока она не будет ис­пользована в какомлибо устройстве — например, в карманном элект­рическом фонарике.

4. Химическая энергия сохраняет­ся внутри молекулярной структуры вещества. Общеизвестным примером этого является бензин. При достиже­нии критической температуры бензин вступает в химическую реакцию с кислородом, в результате которой высвобождается тепловая энергия.

5.  Механическая энергия является результатом движения или воз­можности движения, что определяется положением или состоянием объекта. Если объект удерживается в оп­ределенном положении так, что, будучи освобожденным, он сможет вы­полнить какуюлибо работу, говорят, что в нем заложена потенциальная энергия. Находясь в движении, объект обладает кинетической энергией. Примером обоих типов механической энергии может служить пружина. В статичном натянутом положении пружина обладает потенциальной энергией. В движении (растягиваясь или сжимаясь) пружина обладает кинети­ческой энергией, т.е. высвобожденной энергией движения.

Запись опубликована в рубрике Физика дайвинга с метками . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

Подпишись и получай анонсы статей на e-mail! Без спама!