Часто від багатьох людей, які обговорюють той чи інший процес, можна почути слова: “Це фізика!” або “Це хімія!” Дійсно, практично всі явища в природі, побуті і в космосі, з якими зустрічається людина протягом свого життя, можна віднести до однієї з цих наук. Цікаво розібратися, чому фізичні явища відрізняються від хімічних.
Наука фізика
Перш ніж відповідати на запитання, ніж фізичні явища відрізняються від хімічних, необхідно розібратися, які об’єкти і процеси досліджує кожна з цих наук. Почнемо з фізики.
З давньогрецької мови слово “fisis” перекладається, як “природа”. Тобто, фізика – це наука про природу, яка вивчає властивості об’єктів, їх поведінку в різних умовах, перетворення між їх станами. Мета фізики полягає у визначенні законів, які регулюють відбуваються природні процеси. Для цієї науки не важливо, з чого складається досліджуваний об’єкт, і який його хімічний склад, для неї важливо лише, як поводитиметься об’єкт, якщо впливати на нього теплом, механічною силою, тиском і так далі.
Фізика ділиться на ряд розділів, які вивчають певний більш вузьке коло явищ, наприклад, оптика, механіка, термодинаміка, атомна фізика і так далі. Крім того, багато самостійні науки залежать повністю від фізики, наприклад, астрономія або геологія.
Наука хімія
На відміну від фізики, хімія є наукою, що вивчає структуру, склад і властивості матерії, а також її зміну в результаті хімічних реакцій. Тобто, об’єктом вивчення хімії є хімічний склад та його зміну у ході певного процесу.
Хімія, як і фізика, має безліч розділів, кожен з яких вивчає певний клас хімічних речовин, наприклад, органічна і неорганічна, біо – і електрохімія. На досягнення цієї науки спираються дослідження в медицині, біології, геології і навіть астрономії.
Цікаво відзначити, що хімія, як наука, не визнавалася давньогрецькими філософами з-за її орієнтованості на експеримент, а також з-за псевдонаукових знань, які її оточували (нагадаємо, що сучасна хімія “народилася” з алхімії). Тільки з епохи Відродження і багато в чому завдяки роботам англійського хіміка, фізика і філософа Роберта Бойля хімію стали сприймати як повноцінну науку.
Приклади фізичних явищ
Можна навести величезну кількість прикладів, які підкоряються фізичним законам. Наприклад, кожен школяр знає вже в 5 класі фізичне явище – рух автомобіля по дорозі. При цьому не важливо, з чого складається цей автомобіль, звідки він бере енергію, щоб рухатися, важливо лише те, що він переміщується в просторі (по дорозі) уздовж деякої траєкторії з певною швидкістю. Більш того, процеси розгону і гальмування автомобіля також є фізичними. Рухом автомобіля і інших твердих тіл займається розділ фізики “Механіка”.
Ще один всім відомий приклад фізичних явищ – танення льоду. Лід, будучи твердим станом води, при атмосферному тиску може скільки завгодно довго існувати при температурах нижче 0 oC, але, якщо температуру навколишнього середовища збільшити хоча б на частку градуса, або, якщо льоду безпосередньо передати тепло, наприклад, взявши його в руку, то він почне танути. Цей процес, який йде з поглинанням тепла і зміною агрегатного стану матерії, є виключно фізичним явищем.
Іншими прикладами фізичних явищ є плавання тіл в рідинах, обертання планет по своїх орбітах, електромагнітне випромінювання тіл, заломлення світла при переході через межу двох прозорих середовищ, політ снаряда, розчинення цукру у воді та інші.
Приклади хімічних явищ
Як було сказано вище, будь-які процеси, які відбуваються зі зміною хімічного складу тіл, що беруть у них участь, вивчаються хімією. Якщо повертатися до прикладу з автомобілем, то можна сказати, що процес спалювання палива в його двигуні є яскравим прикладом хімічного явища, оскільки в результаті нього вуглеводні, взаємодіючи з киснем, призводять до утворення зовсім інших продуктів згоряння, основними з яких є вода і вуглекислий газ.
До ще одного з яскравих прикладів даного класу явищ відноситься процес фотосинтезу в зелених рослинах. Спочатку вони мають водою, вуглекислим газом і сонячним світлом, після завершення фотосинтезу вихідних реагентів вже немає, а на їх місці утворюються глюкоза і кисень.
У загальному випадку можна говорити, що будь-який живий організм являє собою справжній хімічний реактор, оскільки в ньому відбуваються величезна кількість перетворювальних процесів, наприклад, розпад амінокислот і утворення з них нових протеїнів, переклад вуглеводнів в енергію для м’язових волокон, процес дихання людини, при якому гемоглобін зв’язує кисень, і багато інших.
Одним з дивовижних прикладів хімічних явищ у природі визнано холодне світіння світлячків, яке є результатом окислення спеціальної речовини – люциферина.
У технічній сфері прикладом хімічних процесів є виготовлення барвників для одягу та продуктів харчування.
Відмінності
Ніж фізичні явища відрізняються від хімічних? Відповідь на це питання можна зрозуміти, якщо проаналізувати наведену вище інформацію про об’єкти вивчення фізики і хімії. Основною відмінністю між ними є зміна хімічного складу розглянутого об’єкта, наявність якого свідчить про перетворення в ньому, в разі незмінних хімічних властивостях тіла говорять про фізичному явищі. Важливо не плутати зміну в хімічному складі і зміна структури, під якою розуміється просторове розташування атомів і молекул, що утворюють тіла.
Оборотність фізичних і хімічних явищ незворотність
В деяких джерелах, при відповіді на питання, ніж фізичні явища відрізняються від хімічних, можна зустріти інформацію про те, що фізичні явища є оборотними, а хімічні – ні, однак, це не зовсім вірно.
Напрямок будь-якого процесу можна визначити, використовуючи закони термодинаміки. Ці закони говорять, що кожен процес може йти мимовільно тільки в разі зменшення його енергії Гіббса (зменшення внутрішньої енергії і збільшення ентропії). Однак, цей процес завжди можна звернути назад, якщо використовувати зовнішнє джерело енергії. Для прикладу скажемо, що нещодавно вчені відкрили зворотний процес фотосинтезу, який є хімічним явищем.
Процес горіння
Це питання було спеціально винесено в окремий пункт, оскільки багато людей вважають горіння хімічним явищем, але це не вірно. Проте, вважати процес горіння фізичним явищем, теж буде неправильно.
Поширене явище горіння (багаття, згорання палива в двигуні, газова конфорка або пальник і т. д.) – це складний фізико-хімічний процес. З одного боку, він описується ланцюгом хімічних реакцій окислення, але з іншого боку, в результаті цього процесу відбувається сильне теплове і світлове електромагнітне випромінювання, а це вже область фізики.
Де знаходиться межа між фізикою і хімією?
Фізика і хімія – це дві різні науки, які володіють різними методами дослідження, при цьому фізика може бути як теоретичної, так і практичної, хімія ж є, в основному, практичною наукою. Проте, в деяких областях ці науки стикаються настільки близько, що межа між ними розмивається. Нижче наводяться приклади наукових галузей, в яких важко визначити, “де фізика, а де хімія”:
- квантова механіка;
- ядерна фізика;
- кристалографія;
- матеріалознавство;
- нанотехнології.
Як видно зі списку, фізика і хімія тісно перетинаються, коли розглядувані явища мають атомний масштаб. Такі процеси прийнято називати фізико-хімічними. Цікаво відзначити, що єдиною людиною, який отримав Нобелівську премію з хімії і фізики, одночасно, є Марія Склодовська-Кюрі.
