Hvad sker der, når materiale overgår mellem et fast, flydende og gas?

Alle stoffer gennemgår faseovergange med stigende temperaturer. Når de opvarmes, starter de fleste materialer som faste stoffer og smelter ind i væsker. Med mere varme koges de til gasser. Dette sker, fordi energien fra varmevibrationer i molekyler overmander de kræfter, der holder dem sammen. I et fast stof holder kræfter mellem molekyler dem i stive strukturer. Disse kræfter svækkes meget i væsker og gasser, så et stof kan strømme og fordampe.

Forskere kalder faste stoffer, væsker og gasser faserne i et stof. Når det smelter, fryser, koger eller kondenserer, gennemgår det en faseovergang. Selvom mange stoffer har lignende faseovergangsadfærd, har hver et unikt sæt temperaturer og tryk, der bestemmer på hvilket tidspunkt det smelter eller koger. For eksempel fryser kuldioxid direkte ned i tøris ved minus 109 grader Fahrenheit ved normale tryk. Den har kun en flydende fase ved høje tryk.

Når du varmer et fast stof op, stiger dets temperatur støt. Hver grad af temperaturstigning tager omtrent den samme mængde varmeenergi. Når den når sit smeltepunkt, forbliver temperaturen imidlertid stabil, indtil alt stoffet smelter. Molekylerne tager ekstra energi, kaldet fusionsvarmen, til at flyde. Al energi på dette tidspunkt går til at gøre stoffet til en væske. Det samme sker for kogende væsker. De kræver energi, kaldet fordampningsvarmen, for at gøre overgangen til gas. Når alt stoffet gør overgangen, hæver mere energi temperaturen igen.

Kræfter mellem molekyler, herunder spredningskraft i London og hydrogenbinding, danner krystaller og andre faste former, når temperaturerne er lave nok. Styrken af ​​kræfterne bestemmer smeltetemperaturen. Stoffer med meget svage kræfter smelter ved lave temperaturer; stærke kræfter kræver høje temperaturer. Hvis du anvender nok varmeenergi, smelter eller koger alle stoffer til sidst.

De samme mekanismer, der styrer smeltning, gælder for kogning. Molekylerne i en væske har svage kræfter, der holder dem sammen. Varme får dem til at vibrere kraftigt og flyve væk fra resten. I en kogende væske vil nogle molekyler have relativt lave energier, de fleste har et gennemsnitligt energiområde, og nogle få har energier, der er høje nok til at undslippe væsken helt. Med mere varme undslipper flere molekyler. I gasfasen er ingen molekyler mere bundet til hinanden.