Vad händer när materia övergår mellan fast, flytande och gas?

Alla ämnen genomgår fasövergångar med stigande temperaturer. När de värms upp börjar de flesta material som fasta ämnen och smälter till vätskor. Med mer värme kokar de i gaser. Detta händer eftersom energin från värmevibrationer i molekyler övermannar krafterna som håller dem samman. I ett fast ämne håller krafterna mellan molekylerna dem i styva strukturer. Dessa krafter försvagas kraftigt i vätskor och gaser, vilket gör att ett ämne kan strömma och avdunsta.

Forskare kallar fasta ämnen, vätskor och gaser för ett ämnes faser. När det smälter, fryser, kokar eller kondenserar, genomgår det en fasövergång. Även om många ämnen har liknande fasövergångsbeteenden, har alla en unik uppsättning temperaturer och tryck som avgör vid vilken tidpunkt det smälter eller kokar. Till exempel fryser koldioxid direkt i torris vid minus 109 grader Fahrenheit vid normala tryck. Den har en flytande fas endast vid höga tryck.

När du värmer upp ett fast ämne stiger temperaturen stadigt. Varje grad av temperaturökning tar ungefär samma mängd värmeenergi. När den väl har nått sin smältpunkt förblir temperaturen stabil tills allt ämnet smälter. Molekylerna tar extra energi, kallad fusionsvärme, för att smälta. All energi vid denna punkt går till att göra ämnet till en vätska. Samma sak händer för kokande vätskor. De kräver energi, kallad förångningsvärme, för att göra övergången till gas. När allt ämnet gör övergången höjer mer energi temperaturen igen.

Krafter mellan molekyler, inklusive dispersionskraften i London och vätebindning, bildar kristaller och andra fasta former när temperaturen är tillräckligt låg. Krafternas styrka bestämmer smälttemperaturen. Ämnen med mycket svaga krafter smälter vid låga temperaturer; starka krafter kräver höga temperaturer. Om du använder tillräckligt med värmeenergi, så småningom smälter eller kokar alla ämnen.

Samma mekanismer som styr smältningen gäller kokning. Molekylerna i en vätska har svaga krafter som håller dem ihop. Värme får dem att vibrera starkt och flyga bort från resten. I en kokande vätska kommer vissa molekyler att ha relativt låga energier, de flesta har ett genomsnittligt energiområde och några har energier som är tillräckligt höga för att helt kunna fly från vätskan. Med mer värme flyr fler molekyler. I gasfasen är inga molekyler längre bundna till varandra.