לכל אחד יש זיכרון מאז שהיה ילד והגלידה שלו נמסה באופן בלתי צפוי (ולא רצוי). אולי היית על החוף, מנסה לעמוד בקצב זרמי הגלידה המומסת שעוברים על אצבעותיך, אבל אז כל הכדור נפל אל החול. אולי השארת קרטיב בחוץ בשמש זמן רב מדי וחזרת לשלולית זוהרת של מים סוכרים. לא משנה מה החוויה שלך, לרוב האנשים יש זיכרון ברור כלשהו במשהושלב מוצקמעבר לשלב נוזלי, וההשלכות של שינוי זה.
כמובן שלפיזיקאים יש שפה ספציפית לתיאור שינויים שלב אלה בין מצבי חומר שונים. זה לא אמור להפתיע שהתכונות הפיזיקליות השונות של חומרים שולטים באופן התנהגותם, כולל הטמפרטורות בהן הם עוברים שינויים פאזיים. ללמוד כיצד מחשבים את האנרגיה המנוצלת בשינויים שלב אלה ומעט על הפיזי הרלוונטי תכונות הן קריטיות להבנת כל דבר, החל מהתכת קרח ועד תהליכים חריגים יותר כמו הַאֲצָלָה.
שלבי החומר
רוב האנשים מכירים את שלושת השלבים העיקריים של החומר: מוצק, נוזלי וגז. עם זאת, קיים גם מצב רביעי של חומר הנקרא פלזמה, אשר יתואר בקצרה בהמשך מאמר זה. המוצקים הם הקלים ביותר להבנה; חומר במצב מוצק אוחז בצורתו ואינו ניתן לדחיסה במידה ניכרת.
אם משתמשים במים כדוגמה, קרח הוא המצב המוצק, וברור באופן אינטואיטיבי שקרח יישבר לפניכם הצליחו לדחוס אותו לנפח קטן יותר, וגם אז הקרח השבור עדיין היה לוקח אותו דבר כרך. אתה יכול גם לחשוב על ספוג כדוגמה נגדית אפשרית, אבל במקרה כזה, כשאתה "דוחס" אותו, אתה באמת רק להסיר את כל חורי האוויר שהוא מכיל במצבו הטבעי - החומר המוצק בפועל לא מקבל דָחוּס.
נוזלים לובשים את צורת המיכל בו הם נמצאים, אך הם אינם דחוסים באותו אופן כמו מוצקים. שוב, מים נוזליים הם הדוגמה המושלמת לכך מכיוון שהם כל כך מוכרים: אתה יכול להכניס מים לכל אחד צורה של מיכל, אך אינך יכול לדחוס אותו פיזית כדי לתפוס פחות נפח ממה שהוא עושה בטבעיות שלו מדינה. לעומת זאת גזים כמו אדי מים ממלאים את צורת המיכל בו הם נמצאים אך ניתנים לדחיסה.
ההתנהגות של כל אחד מהם מוסברת על ידי המבנה האטומי שלו. במוצק קיים סידור סריג קבוע של אטומים, כך שהוא יוצר מבנה גביש או לפחות מסה אמורפית מכיוון שהאטומים מקובעים במקום. בנוזל, המולקולות או האטומים חופשיים לנוע אך מחוברים חלקית באמצעות קשירת מימן, כך שהוא זורם בחופשיות אך בעל צמיגות מסוימת. בגז, המולקולות מופרדות לחלוטין, ללא כוחות בין-מולקולריים המחזיקים אותן זו לזו, ולכן גז יכול להתרחב ולהידחס בצורה חופשית הרבה יותר מאשר מוצקים או נוזלים.
חום פיוז'ן סמוי
כשמוסיפים חום למוצק, הוא מעלה את הטמפרטורה עד שהוא מגיע לנקודת ההיתוך שלו, ובשלב זה הדברים משתנים. אנרגיית החום שאתה מוסיף ברגע שאתה נמצא בנקודת ההיתוך לא משנה את הטמפרטורה; הוא מספק אנרגיה למעבר השלב מהשלב המוצק לשלב הנוזל, המכונה בדרך כלל התכה.
המשוואה המתארת את תהליך ההיתוך היא:
ש = ml_f
איפהלf הוא חום היתוך סמוי של החומר,Mהוא מסת החומר ושהאם החום נוסף. כפי שמראה המשוואה, יחידות החום הסמוי הן אנרגיה / מסה, או ג'אול לק"ג, גרם או מידה אחרת של מסה. חום היתוך סמוי נקרא לפעמים אנתלפיה של היתוך, או לפעמים רק חום סמוי של התכה.
עבור כל חומר ספציפי - למשל, אם אתה מסתכל באופן ספציפי על התכת קרח - יש טמפרטורת מעבר ספציפית בה זה מתרחש. לצורך המסת קרח למים נוזליים, טמפרטורת המעבר לפאזה היא 0 מעלות צלזיוס או 273.15 קלווין. אתה יכול לחפש את חום היתוך סמוי עבור חומרים נפוצים רבים ברשת (ראה משאבים), אך עבור קרח זה 334 קילו-ג'י לק"ג.
חום אידוי סמוי
אותו תהליך כמו להתכה קורה כאשר אתה מאדה חומר, אלא שהטמפרטורה בה מתרחש מעבר השלב היא נקודת הרתיחה של החומר. באותו אופן, עם זאת, האנרגיה הנוספת שאתה נותן לחומר בשלב זה עוברת למעבר פאזה, במקרה זה משלב הנוזל לשלב הגז. המונח המשמש כאן הוא חום האידוי הסמוי (או האנטלפיה של האידוי), אך המושג זהה לחלוטין לחום הסמויה של היתוך.
המשוואה לובשת גם אותה צורה:
Q = mL_v
איפהלv הפעם הוא חום האידוי הסמוי (ראה משאבים לטבלת ערכים לחומרים נפוצים). שוב, יש טמפרטורת מעבר ספציפית לכל חומר, כאשר מים נוזליים עוברים מעבר זה ב 100 צלזיוס או 373.15 קלווין. אז אם אתה מחמם מסה מסוימתMשל מים מטמפרטורת החדר לנקודת רתיחה ואז מתאדים אותם, יש שני שלבים החישוב: האנרגיה הנדרשת כדי להביא אותה ל -100 צלזיוס, ואז האנרגיה הנדרשת להתאדות זה.
הַאֲצָלָה
למרות שמעבר השלב בין מוצק לנוזל (כלומר, נמס) וזה מנוזל לגז (אידוי) הם אלו הנפוצים ביותר, אך ישנם מעברים רבים אחרים שיכולים להתרחש. באופן מיוחד,הַאֲצָלָההוא כאשר חומר עובר מעבר פאזה משלב מוצק ישירות לשלב גזי.
הדוגמא הידועה ביותר להתנהגות זו היא בקרח יבש, שהוא למעשה פחמן דו חמצני מוצק. בטמפרטורת החדר ולחץ האטמוספרי, הוא סובליזם ישירות לגז פחמן דו-חמצני, וזה הופך אותו לבחירה נפוצה להשפעות ערפל תיאטרליות.
ההפך מסובלימציה הואתַצהִיר, שם גז עובר שינוי במצב ישירות למוצק. זהו סוג אחר של מעבר פאזה שנדון פחות, אך עדיין מתרחש בטבע.
השפעות הלחץ על מעברי שלב
ללחץ יש השפעה גדולה על הטמפרטורה בה מתרחשים מעברי פאזה. בלחץ גבוה יותר נקודת האידוי גבוהה יותר והיא פוחתת בלחצים נמוכים יותר. זו הסיבה שמים רותחים בטמפרטורה נמוכה יותר כשאתה גבוה יותר בגובה, כי הלחץ נמוך יותר ולכן גם נקודת הרתיחה. קשר זה מודגם בדרך כלל בתרשים פאזה, שיש בו צירים לטמפרטורה ולחץ, וקווים המפרידים בין שלבי המוצק, הנוזל והגז עבור החומר המדובר.
אם תסתכל היטב בתרשים פאזה, תבחין שיש נקודה ספציפית בה החומר נמצא בצומת שלושת השלבים העיקריים (כלומר, שלב הגז, הנוזל והמוצק). זה נקראנקודה משולשת, או הנקודה הקריטית לחומר, והיא מתרחשת בטמפרטורה קריטית ספציפית ולחץ קריטי.
פְּלַסמָה
המצב הרביעי של החומר הוא פלזמה. זה קצת שונה ממצבי החומר האחרים, מכיוון שמבחינה טכנית מדובר בגז שמיונן (כלומר, הוצא אלקטרונים כך שלאטומים המרכיבים יש מטען חשמלי נטו), ולכן אין לה מעבר פאזה באותו אופן כמו המצבים האחרים של חוֹמֶר.
אולם התנהגותו נבדלת מאוד מגז אופייני, משום שאמנם היא יכולה להיחשב חשמלית "כמעט נייטרלית" (מכיוון שיש מספר שווה של פרוטונים ואלקטרונים בתוךכֹּלפלזמה), ישנם כיסי מטען מרוכזים וזרמים כתוצאה מכך. פלזמות מגיבות גם לשדות חשמליים ומגנטיים באופן שגז אופייני לא היה.
סיווג ארנפסט
אחת הדרכים הידועות ביותר לתאר מעברים בין שלבים שונים היא מערכת הסיווג ארנפסט, המפלג מעברים למעברי שלב ראשון ומסדר שני, והמערכת המודרנית מבוססת מאוד זֶה. ה"סדר "של המעבר מתייחס לנגזרת הסדר הנמוך ביותר של האנרגיה החופשית התרמודינמית שמראה אי רציפות. לדוגמא, המעברים בין מוצקים, נוזלים וגזים הם מעברי פאזה מסדר ראשון מכיוון שהחום הסמוי יוצר אי רציפות בנגזרת האנרגיה החופשית.
למעבר שלב מסדר שני יש רציפות בנגזרת השנייה של האנרגיה החופשית, אך אין שום חום סמוי המעורב בתהליך, ולכן הם נחשבים לשלב מתמשך מעברים. דוגמאות כוללות את המעבר למוליכות-על (כלומר הנקודה בה משהו הופך למוליך-על) ומעבר פאזה פרומגנטי (כמתואר על ידי מודל Ising).
תיאוריית לנדאו משמשת לתיאור התנהגותה של מערכת, במיוחד סביב נקודה קריטית. באופן כללי, ישנה סימטריה שבורה בטמפרטורת מעבר השלב, וזה שימושי במיוחד ב המתאר מעברים בגבישים נוזליים, כאשר שלב הטמפרטורה הגבוה מכיל יותר סימטריות מאשר הטמפרטורה הנמוכה שלב.
דוגמאות למעברים שלבים: המסת קרח
נניח שיש לך גוש קרח של 1 ק"ג בטמפרטורה של 0 צלזיוס, וברצונך להמיס את הקרח ולהעלות את הטמפרטורה ל -20 צלזיוס, קצת מעל לטמפרטורת החדר הרגילה. כאמור, ישנם שני חלקים לכל חישוב כזה: עליך לחשב את השלב שנה ואז השתמש בגישה הרגילה לחישוב האנרגיה הדרושה להעלאת הטמפרטורה לפי המצוין כמות.
חום היתוך סמוי של קרח מים הוא 334 קג''ג לק"ג, ולכן משתמשים במשוואה מקודם:
\ begin {align} Q & = mL_f \\ & = 1 \ text {kg} × 334 \ text {kJ / kg} \\ & = 334 \ text {kJ} \ end {align}
אז היתוך קרח, 1 ק"ג ספציפית, לוקח 334 קילו-ג'ול של אנרגיה. כמובן שאם עבדת עם כמות גדולה יותר או קטנה יותר של קרח, ה- 1 ק"ג פשוט יוחלף בערך המתאים.
כעת, כאשר האנרגיה הזו הועברה לקרח, היא תשנה שלבאבלעדיין להיות בטמפרטורה של 0 צלזיוס. כדי לחשב את כמות החום שתצטרך להוסיף כדי להעלות את הטמפרטורה ל -20 צלזיוס, אתה פשוט צריך לחפש את קיבולת החום הספציפית של מים (ג= 4,182 J / kg ° C) והשתמש בביטוי הסטנדרטי:
ש = mC∆T
איפה ∆טמייצג את שינוי הטמפרטורה. קל לעבוד על המידע שיש בידינו: השינוי בטמפרטורה הדרוש הוא 20 צלזיוס, ולכן שארית התהליך היא פשוט הכנסת הערכים וחישוב:
\ התחל {מיושר} Q & = mC∆T \\ & = 1 \ טקסט {ק"ג} × 4182 \ טקסט {J / ק"ג ° C} × 20 \ טקסט {° C} \\ & = 83,640 \ טקסט {J} = 83.64 \ text {kJ} \ end {align}
התהליך כולו (כלומר, המסת הקרח וחימום המים) דורש אפוא:
334 \ text {kJ} + 83.64 \ text {kJ} = 417.64 \ text {kJ}
כך שרוב האנרגיה מגיעה מתהליך ההיתוך, ולא מהחימום. שימו לב שחישוב זה עבד רק מכיוון שהיחידות היו עקביות לאורך כל הדרך - המסה הייתה תמיד בק"ג, ו האנרגיה הומרה לקי"ג לצורך התוספת הסופית - ועליך תמיד לבדוק זאת לפני שתנסה א תַחשִׁיב.
דוגמאות למעברים בשלב: אידוי מים נוזליים
עכשיו דמיין שאתה לוקח את הקילוגרם 1 של מים ב -20 צלזיוס מהדוגמה האחרונה, ורוצה להמיר אותו לאדי מים. נסו לפתור בעיה זו לפני שתקראו קדימה, מכיוון שהתהליך הוא למעשה זהה לקודם. ראשית, עליכם לחשב את כמות אנרגיית החום הנדרשת להבאת המים לנקודת הרתיחה, ואז תוכלו להמשיך ולעבוד כמה אנרגיה נוספת דרושה בכדי לאדות את המים.
השלב הראשון הוא בדיוק כמו השלב השני של הדוגמה הקודמת, למעט עכשיו ∆ט= 80 צלזיוס, שכן נקודת הרתיחה של מים נוזליים היא 100 צלזיוס. אז השימוש באותה משוואה נותן:
\ התחל {מיושר} Q & = mC∆T \\ & = 1 \ טקסט {קג} × 4182 \ טקסט {J / ק"ג ° C} × 80 \ טקסט {° C} \\ & = 334,560 \ טקסט {J} = 334.56 \ text {kJ} \ end {align}
מהנקודה בה הוסיפה כל כך הרבה אנרגיה, שארית האנרגיה תעבור לאידוי הנוזל, ותצטרך לחשב אותה באמצעות הביטוי האחר. זה:
Q = mL_v
איפהלv = 2256 kJ / ק"ג למים נוזליים. אם לציין שיש דוגמה זו 1 ק"ג מים, תוכל לחשב:
\ begin {align} Q & = 1 \ text {kg} × 2256 \ text {kJ / kg} \\ & = 2256 \ text {kJ} \ end {align}
הוספת שני חלקי התהליך יחד נותנת את החום הכולל הנדרש:
2256 \ text {kJ} + 334.56 \ text {kJ} = 2590.56 \ text {kJ}
שים לב שוב שהרוב המכריע של אנרגיית החום המשמשת בתהליך זה (כמו בהמסת קרח) נמצא במעבר פאזה, ולא בשלב החימום הרגיל.