מעבר מצבי צבירה חום כמוס היבטים אנרגטיים מרצה נירית מרזל מעובד על ידי לואיזה קריכלי ממצגת של:המרכז הפדגוגי לעובדי הוראה, ירושלים. אילנה זהר © HyperPhysics Department of Physics and Astronomy Georgia State University Atlanta, Georgia 30303-3088 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.htm
מה זה צבר? H2O מולקולת מים תכונות החומר יבואו לידי ביטוי רק בצבר - בכמות גדולה מאד של מולקולות . כוס “מים”- H2O כל כמות חומר הנראית לעין מכילה כמות עצומה של חלקיקים. לדוגמא 1 גר’ מים מכילים בערך: 30,000,000,000,000,000,000,000 מולקולות
מהם המאפיינים של חומר? ניתן לאפיין חומרים משני היבטים: 1. צופה חיצוני – מבחין בתכונות החומר ובהתנהגותו כפי שזה נקלט בחושינו. 2. צופה מולקולרי – זהו צופה דמיוני אשר יכול לראות את החלקיקים עצמם ומבחין בסידור החלקיקים, בסוגי תנועתם ובכוחות הפועלים בתוך החומר בין החלקיקים.
מהם המאפיינים של מים מוצקים? צופה פנימי מולקולרי צופה חוצוני * צבע לבן ניתך ב-00c יש לו צורה קבועה ונפח קבוע חלקיקים צפופים ומסודרים בתבנית קבועה בין החלקיקים פועלים כוחות משיכה חזקים התנועה העיקרית של החלקיקים היא תנודות - ויברציה מודל של מבנה הקרח
מהם המאפיינים של מים במצב נוזלי? צופה חיצוני צופה פנימי מולקולרי חסר צבע, ריח וטעם קופאים ב- 0oc ורותחים ב- 0oc10 אין להם צורה קבוע והם מקבלים את צורת הכלי בו הם נתינים לא נדחסים- יש להם נפח קבוע ניתן לשפוך אותם מכלי לכלי חלקיקים אינם מסודרים אך המרחקים ביניהם עדיין קטנים כוחות המשיכה בין החלקיקים חלשים יחסית למוצק תנועה עיקרית –תנועה סיבובית (רוטציה). מודל למים נוזליים
מהם המאפיינים של אדי מים – גז? צופה חיצוני צופה פנימי מולקולרי חסרי צבע, ריח וטעם מתעבים ב- 0oc 10 אין להם צורה קבוע והם ונדחסים בקלות. אין להם נפח קבוע , תופסים את כל נפח הכלי שבו נתונים. מפעילים לחץ על כל דפנות הכלי כולל המכסה חלקיקים אינם מסודרים והמרחקים ביניהם גדולים מאד אין כוחות משיכה בין החלקיקים, לכן התנועה אקראית בקווים ישרים עד שמתנגשים עם חלקיקים אחרים תנועה עיקרית –תנועת מעתק (טרנסלציה) דגם לאדי מים
רוטציה טרנסלציה מעתק רוטציה סיבוב ויברציה תנודות
שינויים במצב צבירה מוצק נוזל גז חימום המראה טמפ. קירור התמצקות עיבוי היתוך רתיחה מוצק נוזל גז טמפ. המראה קירור לכל חומר טמפרטורת היתוך ורתיחה אופייניות לו. טמפרטורת ההיתוך והרתיחה מושפעות מחוזק הקשר בין חלקיקי החומר. ככל שהקשר חזק יותר, טמפרטורת ההיתוך או הרתיחה גבוהים יותר.
תאור גרפי של שינוי הטמפרטורה עם תוספת אנרגיה (ºC) אנרגיה (K.J) טמפרטורת היתוך טמפרטורת רתיחה מוצק נוזל גז רתיחה היתוך בחימום מוצק, נוזל או גז הטמפרטורה עולה כי גוברת התנועה האקראית של החלקיקים. בחימום מוצק, נוזל או גז הטמפרטורה עולה כי גוברת התנועה האקראית של החלקיקים. במהלך ההיתוך או הרתיחה הטמפרטורה נשארת קבועה. האנרגיה מושקעת בשבירת הקשרים בין המולקולות. במהלך ההיתוך או הרתיחה הטמפרטורה נשארת קבועה. האנרגיה מושקעת בשבירת הקשרים בין המולקולות.
איך זה שניתן להחזיק מים וקרח באפס מעלות ומים וקיטור במאה מעלות? טמפרטורה (ºC) אנרגיה (K.J) טמפרטורת היתוך טמפרטורת רתיחה מוצק נוזל גז רתיחה היתוך במעבר ממצב צבירה של קרח למים או מים לאדים מושקעת הרבה אנרגיה, מדוע הטמפרטורה אינה משתנה? http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/watice.html#c1 How is it that you can have both water and ice at 0 C and both water and steam at 100 C? A lot of energy goes into these phase transitions. Why doesn't it change the temperature? Water & Ice, Water & Steam How can you have water and ice at the same temperature? How can you have water and steam at the same temperature? The key idea is that temperature does not measure the entire internal energy of a substance, only the translational kinetic energy part. During a phase change, the energy goes into the potential energy part, either taking from or adding to the energy associated with the molecular attractions. The constancy of temperature when water is going through its phase changes at 0°C and 1000°C provides some insight into the nature of the internal energy of water, ice, and steam and into the nature of temperature. The large size of the phase change energy indicates that there is a large amount of potential energy associated with the intermolecular forces between the water molecules. During the melting and vaporization phase changes, the energy goes into the breaking down of the solid or liquid bonds, reducing the binding potential energy by the amount of the phase change energy and therefore not changing the average translational kinetic energy as reflected by the temperature Temperature An operational definition of temperature is that it is a measure of the average translational kinetic energy associated with the disordered microscopic motion of atoms and molecules. The details of the relationship to molecular motion are described in kinetic theory.The temperature defined from kinetic theory is called the kinetic temperature. Temperature is not directly proportional to internal energy since temperature measures only the translational kinetic energy part of the internal energy, so two objects with the same temperature do not in general have the same internal energy (see water-metal example). Temperatures are measured in one of the three standard temperature scales (Celsius, Kelvin, and Fahrenheit).
מה ההבדל בין רתיחה להתאדות? מדוע רואים בועות ברתיחה? What is the difference between evaporation and boiling? Evaporation vs Boiling Ordinary evaporation is a surface phenomenon - since the vapor pressure is low and since the pressure inside the liquid is equal to atmospheric pressure plus the liquid pressure, bubbles of water vapor cannot form. But at the boiling point, the saturated vapor pressure is equal to atmospheric pressure, bubbles form, and the vaporization becomes a volume phenomena. Boiling Point The boiling point is defined as the temperature at which the saturated vapor pressure of a liquid is equal to the surrounding atmospheric pressure. For water, the vapor pressure reaches the standard sea level atmospheric pressure of 760 mmHg at 100°C. Since the vapor pressure increases with temperature, it follows that for pressure greater than 760 mmHg (e.g., in a pressure cooker), the boiling point is above 100°C and for pressure less than 760 mmHg (e.g., at altitudes above sea level), the boiling point will be lower than 100°C. As long as a vessel of water is boiling at 760 mmHg, it will remain at 100°C until the phase change is complete. Rapidly boiling water is not at a higher temperature than slowly boiling water. The stability of the boiling point makes it a convenient calibration temperature for temperature scales. Saturated Vapor Pressure The process of evaporation in a closed container will proceed until there are as many molecules returning to the liquid as there are escaping. At this point the vapor is said to be saturated, and the pressure of that vapor (usually expressed in mmHg) is called the saturated vapor pressure. Since the molecular kinetic energy is greater at higher temperature, more molecules can escape the surface and the saturated vapor pressure is correspondingly higher. If the liquid is open to the air, then the vapor pressure is seen as a partial pressure along with the other constituents of the air. The temperature at which the vapor pressure is equal to the atmospheric pressure is called the boiling point.
מה בין רתיחה לאידוי? רתיחה אידוי שינוי מצב צבירה מנוזל לגז. מתרחש בכל טמפרטורה בה יש נוזל. מתרחש רק על שטח הפנים של הנוזל. לא רואים בועות. שינוי מצב צבירה מנוזל לגז מתרחשת רק בטמפרטורת הרתיחה. מתרחשת בכל נפח הנוזל. רואים בועות. הבועות מכילות גז שנוצר מהנוזל.
להדגים עם מזרק רתיחה בלחץ נמוך ועיבוי בלחץ גבוהה רתיחה בסיר סגור ניקח סיר ונמלא אותו במים עד הסוף, ללא טיפת אוויר. נסגור את המכסה היטב. עתה נניח אותו על האש. הטמפרטורה תלך ותעלה - האם המים ירתחו ? (בהנחה שהסיר אטום לחלוטין וחזק דיו על מנת שלא להתפוצץ) היות והסיר אטום לחלוטין - אם ייווצר שם גז אז צפיפותו תהיה כצפיפות הנוזל...??!? http://www.physics.co.il/ShowRiddle.asp?theID=52 ניקח סיר ונמלא אותו במים עד הסוף, ללא טיפת אוויר. נסגור את המכסה היטב. עתה נניח אותו על האש. הטמפרטורה תלך ותעלה - האם המים ירתחו ? (בהנחה שהסיר אטום לחלוטין וחזק דיו על מנת שלא להתפוצץ) היות והסיר אטום לחלוטין - אם ייווצר שם גז אז צפיפותו תהיה כצפיפות הנוזל...??!? התשובה המים לא ירתחו, אבל גם לא ישארו במצב נוזלי... למצב הצבירה נוזל ולמצב הצבירה גז יש מן המשותף: בשני המקרים המולקולות נעות בחופשיות זו ביחס לזו ולפיכך מתאפשרת זרימה ושינוי צורה. ההבדל הבולט לעין בינהם הוא הצפיפות: צפיפות הנוזל גבוהה, צפיפות הגז נמוכה. ברמה המיקרוסקופית קיים הבדל נוסף: שבנוזל ישנם קשרים חלשים בין המולקולות וישנה קורלאציה קטנת טווח בין מולקולות שכנות בעוד שבגז המולקולות עצמאיות בתנועתם רוב הזמן ורק לפרקי זמן קצרים, בעת התנגשות, מושפעות משכנותיהן. 'ידוע' שבטמפרטורות גבוהות החומר נמצא במצב גזי ובטמפרטורות נמוכות יותר הוא במצב צבירה נוזלי, ובאמצע ישנו מעבר חד - נקודת הרתיחה. ההגיון המקובל בשיח התרמו דינמי הוא: בטמפרטורות נמוכות החומר מסתדר במצב צבירה בו האנרגיה שלו היא הנמוכה ביותר, בטמפרטורות גבוהות החומר יהיה במצב צבירה בו האנטרופיה (חוסר הסדר שלו, הבלגן) היא הגדולה ביותר. או לחילופין: בטמפרטורות גבוהות התנועה המולקולרית האקראית האינטנסיווית (שהיא הייצוג המיקרוסקופי של טמפרטורה גבוהה) שוברת בקלות את הקשרים הרופפים המקיימים את הנוזל ולפיכך מתקיים גז. אולם התיאור הזה הוא תיאור של יצורים הרגילים לתהליכים המתרחשים בלחץ קבוע (תהליכים איזובאריים, בלשון המדעית). אנו חיים בתוך אטמוספירה שמספקת לנו לחץ פחות או יותר קבוע, ולפיכך חיינו מתנהלים בסביבה איזוברית. לפיכך, גם האינטואיציה שלנו היא איזוברית. התיאור המדויק יותר של מעבר חומר ממצב צבירה אחד לאחר מאפשר שינוי מצב צבירה גם כתוצאה משינוי לחץ. כך, בטמפרטורה של מעלות ספורות מתחת לאפס (צלזיוס) יהיו המים במצב צבירה מוצק (קרח) בלחץ אטמוספרי, אולם אם נגביר את הלחץ אז מצב שיווי המשקל שלהם בטמפרטורה זו יהיה דווקא נוזל. כך, בעומקי האוקיינוס, המים (הנוזליים) הם בטמפרטורה נמוכה מאפס (צלזיוס). כך, מתחת למחלקי-סקי נוצר לחץ עז דיו על מנת שתווצר שכבת מים עליה מחליקים. כך, קרחונים מחליקים על פני שכבת מים הנוצרת בסמוך לקרקע, היות ובבסיסם (מתחת לטונות רבות של קרח) הלחץ אדיר. אם מתארים את מצבי הצבירה השונים (בשיווי משקל) בשרטוט בו ציר אחד הוא ציר הטמפרטורה והציר השני הוא ציר הלחץ, מקבלים שרטוט הנקרא 'דיאגרמת הפאזות'. בשרטוט זה יהיה אזור גאזי בטמפרטורות גבוהות ובלחצים נמוכים, אזור מוצק בטמפרטורות נמוכות ואזור נוזלי בטמפרטורות שאינן מאוד נמוכות ובלחצים גבוהים דיים. כך, גז בטמפרטורה נתונה אשר הלחץ עליו ילך ויגבר יהפוך בשלב מסוים לנוזל. פחמן דו חמצני, למשל, המוכר לנו כגאז בטמפרטורת החדר, יכול להיות נוזל בטמפרטורת החדר, ובלבד שהלחץ יהיה גדול מספיק. ולהיפך - מים אשר בטמפרטורות ארציות מתקיימים כנוזל אינם מתקיימים כנוזל בקו המשווה של המאדים בקיץ למרות שהטמפרטורות גבוהות דיין. הסיבה לכך - הלחץ האטמוספרי במאדים נמוך מדי מכדי לאפשר שם מים נוזליים. הלחץ הגבוה מקרב את המולקולות דיין זו לזו על מנת שיוכלו להיווצר אותם הקשרים הרופפים המאפיינים את הנוזל. קשרים אשר הם קצרי טווח באופיים. חימום המים בסיר יגרום כמובן להגדלת התנועה האקראית אך באותה העת יגדיל את הלחץ. טמפרטורת המים תעלה אך בו זמנית גם לחץ המים יעלה. לפיכך, המים יכולים להשאר במצב נוזלי גם בטמפרטורות גבוהות מ 100 מעלות צלזיוס. מהי אם כן נקודת הרתיחה . מה משמעותה ? נקודת הרתיחה היא אותה טמפרטורה בה לחץ הגז (שמעל הנוזל) הדרוש על מנת לקיים את הנוזל גדול מהלחץ הסביבתי הנתון. ובעברית: כאשר טמפרטורת המים בסיר היא 70 מעלות (צלזיוס) הלחץ הנדרש על מנת שהמים יישארו נוזליים קטן מהלחץ האטמוספרי, כאשר טמפרטורת המים היא 100 מעלות (צלזיוס) הלחץ הנדרש הוא לחץ של אטמוספירה אחת, כאשר הטמפרטורה גבוהה מ 100 מעלות (צלזיוס) נדרש לחץ גבוה יותר מהלחץ האטמוספרי. לפיכך, בתנאים אטמוספריים נורמליים כאשר מחממים את המים מעל 100 מעלות (צלזיוס) הם רותחים והופכים לגז. אולם, אם מחממים את המים באזור בו הלחץ האטמוספרי נמוך יותר - לדוגמא על פסגת הר גבוה - המים ירתחו כבר בטמפרטורה נמוכה יותר, אולי ב 70 מעלות (צלזיוס) ואולי בפחות (ראה מאדים...). בסיר לחץ, בו הלחץ יכול לגדול אל מעל הלחץ האטמוספרי, הרתיחה תתבצע בטמפרטורה גבוהה יותר מ 100 מעלות. זו הסיבה לכך שהבישול בסיר לחץ מהיר יותר ושמטפסי הרים אשר לא יצטיידו בסיר לחץ במסעם לא יוכלו לעולם לשתות קפה חם ממש. התהליך המתואר בחידה הוא תהליך שווה נפח (איזוחורי, בשפה המקצועית) ולא איזוברי. ניתן להראות כי חימום נוזל בצורה איזוכורית, כמתואר, לעולם לא מוביל לרתיחה, היות וקצב עליית הלחץ בכלי הסגור גדול דיו על מנת לאפשר לנוזל להשאר נוזלי גם שהטמפרטורה הולכת ועולה. למעשה, גם חימום תערובת של נוזל+גז (כמו בסיר סגור שאינו מלא עד גדותיו) עשוי להשאר נוזלי בעת החימום (ואחוז הנוזל אף יכול ללכת ולגדול) !! זאת במידה והיחס בין כמות הנוזל לבין נפח הכלי (=הצפיפות) גדול מיחס גבולי מסוים (= הצפיפות הקריטית של הנוזל). לעומת זאת, בטמפרטורות גבוהות מאוד (במידה וימצא הסיר המתאים שיצליח לעמוד בלחץ האדיר שיתפתח בו) קשה יהיה להתייחס לחומר שבתוך הסיר כאל נוזל היות והמולקולות ינועו במהירות אקראית שכזו שלא תאפשר להם להיות באינטראקציה משמעותית עם המולקולות השכנות, למרות קרבתן הגדולה. בטמפרטורות שכאלו כבר אין הבדל בין נוזל לגז. הקו המפריד בין מצב הצבירה הגזי למצב הצבירה הנוזלי בדיאגרמת הפאזות אינו ממשיך אל מעל לטמפרטורה מסויימת, הנקראת הטמפרטורה הקריטית. מצב הצבירה של חומר בטמפרטורות שכאלו כבר לא ניתן לתיאור במונחים הפשוטים 'גז' או 'נוזל': בלחצים נמוכים הוא דומה לגז ובלחצים גבהים הוא דומה לנוזל אבל באף לחץ לא מתקבלת הפרדת פאזות (רתיחה). http://courses.jce.ac.il/courses/Advanced_Materials_Engineering/Thermodynamics/Exercises/Exe.%20No.%2007%20-%20Lesson.doc שימושים יום יומיים של סיר לחץ: הרתיחה תתבצע בטמפרטורה גבוהה יותר מ 100 מעלות. זו הסיבה לכך שהבישול בסיר לחץ מהיר יותר ושמטפסי הרים אשר לא יצטיידו בסיר לחץ במסעם לא יוכלו לעולם לשתות קפה חם ממש.