מהי השפעת הטמפרטורה על מצבי החומר?

חומר יכול להתקיים במצב מוצק, נוזלי או גזי, והמצב בו נמצא חומר יכול להיקבע במידה רבה על ידי הטמפרטורה שלו. כאשר נחצה סף טמפרטורה מסוים הייחודי לכל חומר ביקום, ייווצר שינוי פאזה, שישנה את מצב החומר. בתנאים של טמפרטורת לחץ קבועה הוא הקובע העיקרי לשלב החומר. הפרש הטמפרטורות ושלבי החומרים השונים מאפשר הפעלת מנועי חום ומקררים.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

לטמפרטורה יש השפעה ישירה על האם חומר קיים כמוצק, נוזלי או גז. בדרך כלל, הגדלת הטמפרטורה הופכת את המוצקים לנוזלים ולנוזלים לגזים; הפחתתו הופכת גזים לנוזלים ולנוזלים למוצקים.

בטמפרטורות נמוכות, התנועה המולקולרית פוחתת ולחומרים יש פחות אנרגיה פנימית. אטומים ישקעו במצבי אנרגיה נמוכה יחסית זה לזה ויזוזו מעט מאוד, דבר האופייני לחומר מוצק. ככל שהטמפרטורות עולות, אנרגיית חום נוספת מוחלת על החלקים המרכיבים של מוצק, מה שגורם לתנועה מולקולרית נוספת. מולקולות מתחילות לדחוף זו את זו והנפח הכולל של חומר גדל. בשלב זה העניין נכנס למצב נזיל. מצב גזי קיים כאשר מולקולות ספגו כל כך הרבה אנרגיית חום עקב עליית טמפרטורות שהן חופשיות לנוע זו בזו במהירות גבוהה.

הנקודה בה חומר הנתון לטמפרטורה מסוימת בתנאים של לחץ קבוע מתחילה לשנות את שלבו נקראת סף שינוי השלב. בטמפרטורה זו כל פיסת החומר הנחשפת לחום תשנה את מצבה. מעבר ממצב למוצק לנוזל מתרחש בנקודת ההיתוך, והמעבר מנוזל לגז מתרחש בנקודת הרתיחה. לעומת זאת, רגע השינוי מגז לנוזל הוא נקודת העיבוי והמעבר מנוזל למוצק מתרחש בנקודת הקפאה.

חומר עשוי לעבור שינוי פאזה ממוצק לגז או מגז למוצק אם הטמפרטורה שהוא נחשף אליה משתנה במהירות רבה. אם הטמפרטורה סביב מוצק מוגברת במהירות רבה, היא יכולה להתרומם, או לשנות פאזה ממוצק לגז מבלי להתקיים כנוזל. בכיוון ההפוך, גז שמקורר לפתע יכול לעבור בתצהיר מוחלט.

אם הלחץ הוא קבוע, מצב החומר יהיה תלוי לחלוטין בטמפרטורה שהוא נחשף אליה. מסיבה זו, קרח נמס אם מוציא אותו מהמקפיא ומים רותחים מהסיר אם נשארים בטמפרטורה גבוהה מדי לזמן רב מדי. הטמפרטורה היא רק מדידה של כמות אנרגיית החום הקיימת בסביבה. כאשר חומר ממוקם בסביבה של טמפרטורה אחרת, החום מוחלף בין החומר לסביבה וגורם לשניהם להשיג טמפרטורת שיווי משקל. לכן כאשר קוביית קרח נחשפת לחום, מולקולות המים שלה סופחות את אנרגיית החום מהאטמוספירה שמסביב ומתחילות לנוע בצורה אנרגטית יותר, וגורמות לקרח המים להתמוסס למים נוזליים.