"Institute of Educational Policy" Books
Αλλαγές κατάστασης και μικρόκοσμος
Πώς συμπεριφέρονται τα μόρια ενός στερεού σώματος όταν θερμότητα μεταφέρεται σε αυτό; Αρχικά οι ταλαντώσεις των μορίων του γίνονται όλο και πιο έντονες. Επομένως η θερμοκρασία του σώματος αυξάνεται. Σε ορισμένη θερμοκρασία ωστόσο οι ταλαντώσεις είναι τόσο έντονες ώστε οι αρχικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων δεν μπορούν να τα συγκρατήσουν πλέον στις θέσεις τους (Εικ. 2.37). Τα μόρια αρχίζουν να "γλιστρούν" το ένα επάνω στο άλλο και οι μεταξύ τους δυνάμεις μειώνονται: το στερεό γίνεται υγρό. Η αντίστροφη διαδικασία συμβαίνει κατά την πήξη.
Όταν θερμότητα μεταφέρεται σε ένα υγρό, η συμπεριφορά των μορίων του είναι παρόμοια με αυτή των μορίων του στερεού (Εικ. 2.38). Αρχικά, οι κινήσεις των μορίων γίνονται όλο και πιο έντονες και η θερμοκρασία του υγρού αυξάνεται. Σε ορισμένη θερμοκρασία οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων δεν μπορούν να τα συγκρατήσουν κοντά το ένα στο άλλο και τα μόρια αρχίζουν να κινούνται ελεύθερα: το υγρό γίνεται αέριο. Οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων του έχουν σχεδόν μηδενιστεί. Η αντίστροφη διαδικασία συμβαίνει κατά την υγροποίηση.
Προσοχή! κατά τη διάρκεια της τήξης ή του βρασμού τα μόρια δεν λιώνουν και δεν εξαερώνονται. Απλώς μεταβάλλεται ο τρόπος κίνησης τους και η ισχύς των μεταξύ τους δυνάμεων.
Γιατί κατά τη διάρκεια των αλλαγών φάσης η θερμοκρασία μένει σταθερή αν και θερμότητα μεταφέρεται στο σώμα; Κατά τη διάρκεια των αλλαγών φάσης η κινητική ενέργεια μένει σταθερή. Αλλάζει όμως η δυναμική ενέργεια των μορίων του σώματος. Στις αλλαγές φάσης, επομένως η εσωτερική ενέργεια του σώματος μεταβάλλεται επειδή μεταβάλλεται η συνολική δυναμική ενέργεια των μορίων, αν και η θερμική ενέργεια του σώματος μένει σταθερή. Το νερό θερμοκρασίας 0° C έχει μεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια από πάγο ίδιας θερμοκρασίας. Η διαφορά στην εσωτερική ενέργεια τους ισούται με τη θερμότητα τήξης. Επίσης, υδρατμοί στους 100°C έχουν μεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια από νερό ίδιας θερμοκρασίας.
Κάθε μόριο πρέπει να απορροφήσει ορισμένη ενέργεια για να αλλάξει ο τρόπος σύνδεσης του με τα υπόλοιπα. Άρα η θερμότητα τήξης ή βρασμού είναι ανάλογη με τη μάζα του σώματος: διπλάσια μάζα πάγου χρειάζεται διπλάσια θερμότητα για να λιώσει.
Εξάλλου επειδή οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων δεν είναι εξίσου ισχυρές στα διάφορα σώματα, η θερμότητα τήξης και βρασμού διαφέρει από σώμα σε σώμα. Η θερμότητα τήξης, για παράδειγμα, του χαλκού είναι διπλάσια από του χρυσού.
Για το ίδιο σώμα η θερμότητα βρασμού είναι πάντοτε μεγαλύτερη από τη θερμότητας τήξης. Μεταβάλλεται η μάζα και όγκος κατά την τήξη;
Μέσα σ' έναν ογκομετρικό σωλήνα που περιέχει πετρέλαιο ρίχνουμε παγάκια και τον τοποθετούμε στον ένα δίσκο ζυγαριάς (Εικ. 2.40). Βάζοντας κατάλληλα σταθμά στον άλλο δίσκο η ζυγαριά ισορροπεί. Καθώς ο πάγος λιώνει παρατηρούμε ότι η ισορροπία διατηρείται αλλά η στάθμη του πετρελαίου κατεβαίνει. Όταν ο πάγος τήκεται ο όγκος του ελαττώνεται. Αντίθετα όταν το νερό γίνεται πάγος στους 0° C ο όγκος του αυξάνεται. Ώστε: Κατά την τήξη ενός στερεού, η μάζα του διατηρείται σταθερή ενώ ο όγκος του μεταβάλλεται. Αυτό ερμηνεύει για ποιο λόγο ένα γυάλινο μπουκάλι γεμάτο με νερό, όταν παγώσει στην κατάψυξη του ψυγείου μας σπάει.
Επειδή ο πάγος έχει μεγαλύτερο όγκο από ίση μάζα νερού, έχει μικρότερη πυκνότητα από το νερό. Τα παγόβουνα λοιπόν επιπλέουν στη θάλασσα και τα παγάκια στην πορτοκαλάδα μας.
Πώς μπορούμε να ερμηνεύσουμε μικροσκοπικά την αύξηση του όγκου του νερού κατά τη πήξη; Στο νερό τα μόρια "γλιστρούν" το ένα πάνω στο άλλο σχεδόν σε επαφή μεταξύ τους. Όταν ο νερό γίνεται πάγος τα μόρια σχηματίζουν εξάγωνα, οπότε ο χώρος που καταλαμβάνουν αυξάνεται (Εικ 2.37).
Από 0 μέχρι 4°C μικροσκοπικοί κρύσταλλοι πάγου, που έχουν παραμείνει μέσα στο νερό, λιώνουν σιγά - σιγά. Άρα από 0 μέχρι 4°C ο όγκος του νερού ελαττώνεται.
Τη συμπεριφορά του νερού να αυξάνεται ο όγκος του όταν γίνεται πάγος δεν ακολουθεί κάθε σώμα. Λόγου χάρη όταν ο υγρός μόλυβδος στερεοποιείται ο όγκος του ελαττώνεται. Για τα περισσότερα υλικά ο όγκος αυξάνεται κατά την τήξη.