Что происходит при переходе вещества между твердым телом, жидкостью и газом?

Все вещества претерпевают фазовые переходы при повышении температуры. По мере нагрева большинство материалов превращаются в твердые тела и плавятся в жидкости. При более высокой температуре они превращаются в газы. Это происходит потому, что энергия тепловых колебаний в молекулах превышает силы, удерживающие их вместе. В твердом теле силы между молекулами удерживают их в жестких структурах. Эти силы сильно ослабевают в жидкостях и газах, позволяя веществу течь и испаряться.

Ученые называют твердые тела, жидкости и газы фазами вещества. Когда он плавится, замерзает, кипит или конденсируется, он претерпевает фазовый переход. Хотя многие вещества имеют схожее поведение при фазовых переходах, каждое из них имеет уникальный набор температур и давлений, которые определяют, в какой точке оно плавится или закипает. Например, углекислый газ замерзает прямо в сухой лед при температуре минус 109 градусов по Фаренгейту при нормальном давлении. Он имеет жидкую фазу только при высоких давлениях.

По мере нагревания твердого вещества его температура постоянно повышается. На каждый градус повышения температуры уходит примерно одинаковое количество тепловой энергии. Однако, как только он достигает точки плавления, температура остается постоянной, пока все вещество не расплавится. Для разжижения молекулам требуется дополнительная энергия, называемая теплотой плавления. Вся энергия в этот момент уходит на превращение вещества в жидкость. То же самое и с кипящей жидкостью. Для перехода в газ им требуется энергия, называемая теплотой испарения. Как только все вещество совершит переход, большее количество энергии снова поднимет температуру.

Силы между молекулами, включая лондонскую дисперсионную силу и водородную связь, образуют кристаллы и другие твердые формы при достаточно низких температурах. Сила сил определяет температуру плавления. Вещества с очень слабыми силами плавятся при низких температурах; сильные силы требуют высоких температур. Если приложить достаточно тепловой энергии, в конце концов все вещества плавятся или закипают.

Те же механизмы, которые управляют плавлением, применимы и к кипению. Молекулы в жидкости удерживают вместе слабые силы. Тепло заставляет их сильно вибрировать и улетать от остальных. В кипящей жидкости некоторые молекулы будут иметь относительно низкие энергии, большинство - средний диапазон энергий, а некоторые - достаточно высокие, чтобы полностью покинуть жидкость. Чем больше тепла, тем больше молекул улетучивается. В газовой фазе молекулы больше не связаны друг с другом.