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La materia è un concetto fondamentale della fisica e della filosofia naturale, che descrive tutto ciò che occupa uno spazio e possiede una massa. Costituisce la sostanza fisica dell’universo ed è composta da particelle elementari, atomi e molecole che si organizzano in strutture più complesse. La materia è responsabile di tutte le interazioni fisiche e chimiche osservabili ed è soggetta a leggi fisiche universali, come quelle della meccanica classica, della relatività e della meccanica quantistica.
La materia costituisce il 4-5% del contenuto energetico totale dell’universo osservabile. Il resto è rappresentato da energia oscura e materia oscura, entrambe poco comprese ma fondamentali per spiegare l’evoluzione cosmologica. La materia visibile, organizzata in stelle, pianeti e galassie, permette lo sviluppo della vita e la formazione di strutture complesse.
Etimologia
La parola “materia” deriva dal latino materia, che indicava originariamente il legno di un albero, usato per costruzioni o altri scopi. Il termine, a sua volta, è collegato a mater (madre), indicando il concetto di “origine” o “sostanza primaria” da cui derivano le cose. In filosofia e scienza, il termine è stato adottato per indicare la sostanza fondamentale da cui è costituito il mondo fisico.
Proprietà della materia
La materia si caratterizza attraverso una serie di proprietà fisiche e chimiche che ne definiscono il comportamento e la struttura:
Proprietà fisiche
- Massa: Quantità di materia contenuta in un oggetto, misurata in chilogrammi nel Sistema Internazionale (SI).
- Volume: Spazio occupato da un corpo, misurato in metri cubi (m³).
- Densità: Rapporto tra massa e volume, espressa in chilogrammi per metro cubo (kg/m³).
- Temperatura e stato fisico: La materia può esistere in diversi stati fisici (solido, liquido, gassoso e plasma), determinati dalla temperatura e dalla pressione.
Proprietà chimiche
- Composizione chimica: Tipo e disposizione degli atomi che costituiscono una sostanza.
- Reattività chimica: Capacità della materia di subire trasformazioni chimiche in presenza di altre sostanze.
Costituenti fondamentali della materia
La materia è composta da unità fondamentali organizzate gerarchicamente:
- Particelle elementari: Costituenti fondamentali come quark e leptoni, che formano protoni, neutroni ed elettroni.
- Atomi: Unità base della materia, costituiti da un nucleo (protoni e neutroni) circondato da elettroni.
- Molecole: Insiemi di atomi legati chimicamente.
- Sistemi macroscopici: Aggregati di molecole che formano oggetti visibili, organismi viventi e strutture complesse.
Stati della materia
- Stato solido: Le particelle sono strettamente legate in una struttura rigida e hanno una forma definita.
- Stato liquido: Le particelle si muovono liberamente ma sono legate da forze intermolecolari; i liquidi hanno volume definito ma forma variabile.
- Stato gassoso: Le particelle sono distanti e si muovono liberamente; i gas non hanno né forma né volume definiti.
- Plasma: Uno stato di materia ionizzato, con elettroni liberi e nuclei positivi, presente nelle stelle e nel fulmine.
- Stati esotici: Stati come il condensato di Bose-Einstein e la materia degenere, osservabili in condizioni estreme di temperatura o densità.
Cambiamenti di stato della materia
I cambiamenti di stato della materia rappresentano le trasformazioni fisiche in cui una sostanza passa da uno stato fisico (solido, liquido, gassoso o plasmatico) a un altro. Questi processi sono causati dal trasferimento di energia termica, che altera i legami intermolecolari e modifica l’organizzazione microscopica della materia.
- Fusione
Passaggio dallo stato solido allo stato liquido.
Esempio: Il ghiaccio che si scioglie in acqua.
Questo cambiamento richiede energia (calore latente di fusione) per rompere i legami che mantengono le particelle nella struttura rigida del solido. - Solidificazione
Passaggio dallo stato liquido allo stato solido.
Esempio: L’acqua che si congela in ghiaccio.
Durante questo processo, il sistema rilascia energia, permettendo alle particelle di formare una struttura più ordinata. - Evaporazione
Passaggio dallo stato liquido allo stato gassoso.
Esempio: L’acqua che evapora dalla superficie di un lago.
Si verifica a qualsiasi temperatura, purché le particelle in superficie abbiano sufficiente energia per sfuggire alle forze di coesione. - Ebollizione
Caso particolare di evaporazione, dove il passaggio da liquido a gas avviene in modo rapido e uniforme in tutto il volume del liquido, a una temperatura specifica (punto di ebollizione).
Esempio: L’acqua che bolle a 100 °C a pressione atmosferica. - Condensazione
Passaggio dallo stato gassoso allo stato liquido.
Esempio: Il vapore acqueo che si trasforma in gocce d’acqua su una superficie fredda.
Durante la condensazione, il gas cede energia, permettendo alle particelle di avvicinarsi e formare il liquido. - Sublimazione
Passaggio diretto dallo stato solido allo stato gassoso, senza passare attraverso lo stato liquido.
Esempio: Il ghiaccio secco (anidride carbonica solida) che sublima direttamente in gas.
Richiede energia per permettere alle particelle solide di separarsi completamente. - Brinamento (o sublimazione inversa)
Passaggio diretto dallo stato gassoso allo stato solido, senza passare attraverso lo stato liquido.
Esempio: La formazione di brina sul terreno in una mattina fredda.
Il gas rilascia energia, consentendo alle particelle di organizzarsi in una struttura solida. - Ionizzazione
Passaggio dallo stato gassoso allo stato plasmatico.
Esempio: Il plasma nelle luci al neon.
Avviene quando il gas assorbe energia sufficiente a ionizzare le particelle, creando uno stato costituito da ioni ed elettroni liberi. - Deionizzazione (o ricombinazione)
Passaggio dallo stato plasmatico allo stato gassoso.
Esempio: La cessazione del bagliore in una lampada al neon quando l’energia non è più fornita.
In questo processo, il plasma cede energia e gli ioni si ricombinano, tornando a uno stato neutro.
Riepilogo dei cambiamenti di stato
- Da solido a liquido: Fusione
- Da liquido a solido: Solidificazione
- Da liquido a gas: Evaporazione o Ebollizione
- Da gas a liquido: Condensazione
- Da solido a gas: Sublimazione
- Da gas a solido: Brinamento
- Da gas a plasma: Ionizzazione
- Da plasma a gas: Deionizzazione
Questi cambiamenti di stato sono reversibili e dipendono dal trasferimento di energia. Ogni transizione è accompagnata da specifiche variazioni nelle proprietà fisiche della sostanza, come densità, volume e disposizione molecolare. I cambiamenti di stato rappresentano un aspetto fondamentale della fisica della materia e hanno un ruolo centrale in molte applicazioni scientifiche e tecnologiche.