Kuinka lämpötila vaikuttaa aineen tilaan?

Lämpötila on aineen molekyylien keskimääräisen kineettisen energian mittaus, ja se voidaan mitata kolmella eri asteikolla: Celsius, Fahrenheit ja Kelvin. Käytetystä asteikosta riippumatta lämpötilalla on vaikutus aineeseen johtuen sen suhteesta kineettiseen energiaan. Kineettinen energia on liikkeen energia, ja se voidaan mitata molekyylien liikkumisena kohteen sisällä. Eri lämpötilojen kineettiseen energiaan kohdistuvien vaikutusten tutkiminen tunnistaa niiden vaikutukset aineen eri tiloihin.

Kiinteä aine koostuu molekyyleistä, jotka on pakattu tiiviisti yhteen, mikä antaa esineelle jäykän rakenteen, joka kestää muutosta. Lämpötilan noustessa kiinteän aineen molekyylien kineettinen energia alkaa värähdellä, mikä vähentää näiden molekyylien vetovoimaa. On lämpötilakynnys, jota kutsutaan sulamispisteeksi, jossa värähtelystä tulee riittävä aiheuttamaan kiinteän aineen muuttuminen nesteenä. Sulamispiste puolestaan ​​identifioi myös lämpötilan, jossa neste muuttuu takaisin kiinteäksi aineeksi, joten se on myös jäätymispiste.

Nesteessä molekyylit eivät ole niin tiiviisti puristettuja kuin kiinteässä aineessa, ja ne voivat liikkua. Tämä antaa nesteelle tärkeän ominaisuuden pystyä ottamaan astian muoto, jossa sitä pidetään. Kun nesteen lämpötila - ja siten kineettinen energia - nousee, molekyylit alkavat väristä nopeammin. Sitten ne saavuttavat kynnyksen, jolla heidän energiansa tulee niin suureksi, että molekyylit pääsevät ilmakehään, ja nesteestä tulee kaasua. Tätä lämpötilakynnystä kutsutaan kiehumispisteeksi, jos muutos tapahtuu nestemäisestä kaasuksi lämpötilan noustessa. Jos muutos tapahtuu kaasusta nestemäiseksi lämpötilan laskiessa sen alapuolelle, se on kondensaatiopiste.

Kaasuilla on korkein kineettinen energia missä tahansa aineen tilassa ja niitä esiintyy siten korkeimmissa lämpötiloissa. Kaasun lämpötilan nostaminen avoimessa järjestelmässä ei muuta ainetilaa edelleen, koska kaasumolekyylit tulevat vain loputtomasti kauemmas toisistaan. Suljetussa järjestelmässä kaasujen lämpötilan nostaminen johtaa kuitenkin paineen nousuun nopeammin liikkuviin molekyyleihin ja molekyylien lisääntyneeseen taajuuteen, joka osuu astiaan.

Paine on myös tekijä tutkittaessa lämpötilan vaikutuksia aineen eri tiloihin. Boylen lain mukaan lämpötila ja paine liittyvät suoraan toisiinsa, mikä tarkoittaa, että lämpötilan nousu johtaa vastaavaan paineen nousuun. Tämä johtuu jälleen lämpötilan nousuun liittyvästä kineettisen energian lisääntymisestä. Riittävän matalissa paineissa ja lämpötiloissa kiinteä aine voi ohittaa nestefaasin ja muuttua suoraan kiinteästä aineesta kaasuksi prosessilla, jota kutsutaan sublimoitumiseksi.