11.12
כאשר חומר - מבודד מסביבתו - נתון לשינויי חום, נצפים שינויים מתאימים בטמפרטורה ובפאזה של החומר; זה מיוצג בצורה גרפית על ידי עקומות חימום וקירור.
למשל,…
חימום או קירור חומר מובילים לשינויים בטמפרטורה, ובעקבות זאת לשינויי מצב. חימום חומר מעלה את האנרגיה התרמית של המולקולות שלו, שבא לידי ביטוי בעליית טמפרטורה עד שהחומר מגיע לנקודת מעבר. כשחומר סופג מספיק חום, ניתן להתגבר על כוחות המשיכה בין המולקולות שלו ולהוביל לשינוי מצב צבירה בטמפרטורה קבועה.
ברגע ששינוי מצב הצבירה מושלם, חימום מוביל לעלייה נוספת בטמפרטורה. כשמפחיתים חום מחומר, הירידה באנרגיה התרמית של המולקולות שלו תואמת לירידה בטמפרטורה, עד שהוא מגיע לנקודת מעבר. אז הטמפרטורה נשארת קבועה בעת שכוחות בין-מולקולריים חזקים נוצרים במהלך שינוי מצב הצבירה.
ניתן לייצג התנהגות של חומר בתגובה לשינויי טמפרטורה באמצעות עקומות חימום או עקומות קירור, שבהן שינוי הטמפרטורה משורטט כפונקציה של החום שנוסף או הופחת. חשבו על כוס כימית מלאה בקוביות קרח, תחילה במינוס 20 מעלות צלזיוס. כשהחום זורם פנימה, טמפרטורת הקרח עולה בהתמדה.
כמות החום הנספגת במהלך חימום הקרח תלויה בקיבולת החום הספציפית של קרח. ברגע שהקרח הגיע לנקודת ההתכה, הטמפרטורה מפסיקה לעלות למרות החום הזורם ללא הרף. ההשפעה של החום הנספג היא החלשה של הכוחות הבין מולקולריים עד שהקרח מותך לגמרי והופך למים במצב נוזל.
העקומה הישרה של שיווי משקל בין מוצקים לנוזלים מאפיינת את שינוי מצב הצבירה בטמפרטורה קבועה. השינוי באנתלפיה בין תחילת העקומה לסופה מייצג את כמות החום הדרוש לתהליך הההתכה, או במילים אחרות, האנתלפיה של היתוך מים. כשתהליך ההיתוך מושלם, החום הנספג גורם לעלייה לינארית מקבילה בטמפרטורה.
קיבולת החום הסגולית של מים מכתיבה את כמות החום הנספגת. בנקודת הרתיחה, הטמפרטורה מפסיקה לעלות. במקום לעליית טמפרטורה, החום הנספג תורם להתגברות על כוחות המשיכה בין מולקולות מים עד שהמים מתאדים לחלוטין.
העקומה הישרה בשיווי משקל של נוזל וגז מייצגת את שינוי מצב הצבירה בטמפרטורה קבועה. השינוי באנתלפיה בין תחילת הרמה לסופה הוא האנתלפיה של אידוי מים. לאחר שכל הנוזל מתאדה, חום נוסף מוביל לעלייה נוספת בטמפרטורה.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why does temperature remain constant during a phase transition?
During a phase transition, absorbed heat overcomes intermolecular forces rather than increasing molecular kinetic energy. The temperature stays constant until the transition completes because all heat energy goes toward breaking attractive forces between molecules. Once the phase change finishes, additional heat resumes raising temperature.
Q2: What does the plateau on a heating curve represent?
A plateau represents a phase transition occurring at constant temperature. During melting or boiling, the temperature does not rise despite continuous heat input. The plateau's length indicates the duration of the phase change, while its vertical position shows the melting or boiling point temperature.
Q3: How does specific heat capacity affect temperature change in a heating curve?
Specific heat capacity determines how much heat a substance absorbs to change temperature by one degree. Materials with higher specific heat capacities require more heat for the same temperature increase, resulting in steeper slopes on heating curves. The relationship is expressed as q equals mass times specific heat times temperature change.
Q4: What is the difference between enthalpy of fusion and enthalpy of vaporization?
Enthalpy of fusion measures heat required to melt a solid into liquid at constant temperature. Enthalpy of vaporization measures heat required to vaporize a liquid into gas at constant temperature. Vaporization typically requires significantly more energy than fusion because gas molecules are farther apart and intermolecular forces are completely overcome.
Q5: How does a cooling curve differ from a heating curve?
A cooling curve plots temperature decrease as heat is removed from a substance, creating a mirror image of a heating curve. Like heating curves, cooling curves show plateaus at phase transitions where temperature remains constant as intermolecular forces re-establish. The slopes reflect specific heat capacities of each phase during cooling.
Q6: Why does boiling become more vigorous when heat is applied faster?
When heat is supplied at a greater rate during boiling, the temperature remains constant because the substance is already at its boiling point. Instead of raising temperature, excess heat accelerates the vaporization process, causing more vigorous bubble formation. The temperature plateau persists until all liquid has transformed into gas.
Q7: What determines the slope of a heating curve between phase transitions?
The slope between phase transitions depends on the specific heat capacity of the phase being heated. Solids, liquids, and gases have different specific heat capacities, producing different slopes. A steeper slope indicates lower specific heat capacity, meaning less heat is needed to raise temperature by one degree.