מעברי פאזה: כשחומר משנה פנים
כיצד חומרים עוברים בין מוצק, נוזל וגז?
מהו מעבר פאזה (שינוי מצב צבירה)?
תהליכים הדורשים חימום (הוספת אנרגיה)
היתוך (התכה)
←מוצק ← נוזל
מה קורה? החלקיקים מקבלים אנרגיה, מתחילים לנוע יותר, כוחות המשיכה נחלשים והחומר הופך לנוזל.
דוגמה: קרח נמס והופך למים
התאדות / רתיחה
←נוזל ← גז
מה קורה? החלקיקים מקבלים מספיק אנרגיה כדי להתנתק מהנוזל ולברוח לאוויר.
דוגמה: מים רותחים הופכים לאדים
המראה (סובלימציה)
←מוצק ← גז (ישירות!)
מה קורה? החלקיקים מקבלים מספיק אנרגיה לעבור ישירות ממוצק לגז, בלי לעבור דרך נוזל.
דוגמה: קרח יבש (CO₂) הופך ישר לגז
תהליכים הדורשים קירור (הפחתת אנרגיה)
הקפאה (התמצקות)
←נוזל ← מוצק
מה קורה? החלקיקים מאבדים אנרגיה, נעים לאט יותר, כוחות המשיכה מתחזקים והחומר מתמצק.
דוגמה: מים קופאים והופכים לקרח
התעבות (עיבוי)
←גז ← נוזל
מה קורה? חלקיקי הגז מאבדים אנרגיה, נעים לאט יותר ומתקרבים זה לזה עד שהופכים לנוזל.
דוגמה: אדי מים הופכים לטיפות על מראה
ריבוץ (דפוזיציה)
←גז ← מוצק (ישירות!)
מה קורה? חלקיקי הגז מתקררים במהירות כזו שהם עוברים ישירות למצב מוצק.
דוגמה: כפור שנוצר על חלון בבוקר קר
התנהגות הטמפרטורה במעבר פאזה
אחת התופעות התרמודינמיות המרתקות בחקר חומרים קובעת כי במהלך מעברי פאזה (כגון היתוך או התאדות), קיים קו מגמה טמפרטורי איזותרמי לחלוטין - כלומר, הטמפרטורה אינה משתנה למרות תוספת חום לינארית וממושכת.
למשל, כשמחממים קרח, הטמפרטורה עולה עד 0°C. ברגע שהקרח מתחיל להיות נוזלי, הטמפרטורה נשארת ב-0°C עד שכל הקרח נמס. רק אז הטמפרטורה ממשיכה לעלות!
למה זה קורה? כל האנרגיה (החום) שמוסיפים "משקיעה" בשבירת כוחות המשיכה בין החלקיקים, ולא בהעלאת הטמפרטורה.
סיכום כל מעברי הפאזה
| שם התהליך | ממצב | למצב | נדרש | דוגמה |
|---|---|---|---|---|
| היתוך (התכה) | מוצק | נוזל | חימום | קרח ← מים |
| הקפאה (התמצקות) | נוזל | מוצק | קירור | מים ← קרח |
| התאדות / רתיחה | נוזל | גז | חימום | מים ← אדים |
| התעבות (עיבוי) | גז | נוזל | קירור | אדים ← טיפות |
| המראה (סובלימציה) | מוצק | גז | חימום | קרח יבש ← CO₂ גז |
| ריבוץ (דפוזיציה) | גז | מוצק | קירור | אדי מים ← כפור |
ההבדל בין התאדות לרתיחה
התאדות
• מתרחשת בכל טמפרטורה
• קורה רק על פני השטח של הנוזל
• תהליך איטי
דוגמה: כביסה שמתייבשת
רתיחה
• מתרחשת בטמפרטורה ספציפית (נקודת רתיחה)
• קורה בכל הנפח של הנוזל (בועות!)
• תהליך מהיר
דוגמה: מים רותחים בסיר
רוב החומרים מתכווצים כשהם קופאים (החלקיקים מתקרבים). אבל מים הם יוצאי דופן!
כשמים קופאים, החלקיקים מסתדרים במבנה גבישי מיוחד שתופס יותר מקום מאשר במצב נוזלי. לכן קרח פחות צפוף ממים - והוא צף!
זה חיוני לחיים! אילו קרח היה שוקע, אגמים היו קופאים מלמטה למעלה והדגים לא היו שורדים את החורף.
שאלה לחשיבה
למה הטמפרטורה של קרח נמס נשארת קבועה בזמן ההתכה, אפילו אם ממשיכים לחמם אותו?
בזמן התכה, האנרגיה שמוסיפים לקרח אינה משמשת להעלאת הטמפרטורה אלא לשבירת כוחות המשיכה בין החלקיקים ולשינוי מצב הצבירה ממוצק לנוזל. רק לאחר שכל הקרח נמס, החום הנוסף מתחיל להגדיל שוב את מהירות החלקיקים ואת הטמפרטורה.