נוסח השאלה המקורי: מדוע במעבר ממוצק לנוזל משתחררת פחות אנרגית חום מאשר במעבר בין נוזל לגז?
ראשית יש לדייק את השאלה:
במעבר ממוצק לנוזל ובמעבר מנוזל לגז – לא משתחררת אנרגיה, אלא מושקעת אנרגיה, כידוע צריך לחמם קרח (=להשקיע אנרגיה) כדי להפוך אותו לנוזל, וצריך לחמם מים (=להשקיע אנרגיה) כדי להפוך אותם לגז. אבל באמת, כפי שכתוב בשאלה, כדי לאדות חומר, כלומר כדי להפוך אותו מנוזל לגז, צריך להשקיע הרבה יותר אנרגיה בהשוואה למצב בו מוצק הופך לנוזל. לדוגמא, עבור מים יש להשקיע 335 ג'אולים של אנרגיה כדי להפוך גרם אחד של קרח למים נוזלים, ואילו כדי לאדות גרם אחד של מים צריך להשקיע כמעט פי-7 יותר אנרגיה: 2257 ג'אולים. העובדה הנ"ל מודגמת הייטב בגרף ה'חום הכמוס' של חומרים (למטה) כאשר מחממים חומר – הטמפרטורה שלו עולה, אולם, כאשר החומר ניתך או רותח – הטמפ' נשארת קבועה בכל זמן תהליך ההתכה או הרתיחה, למרות שממשיכים לחמם (=לספק אנרגיה). החום הכמוס הוא בעצם האנרגיה שדרושה על מנת לשנות את מצב הצבירה של החומר.
אם משרטטים את הגרף של הטמפ' כפונקציה של האנרגיה שמשקיעים ניתן לראות את החום הכמוס – הקווים האדומים האופקיים – בהם הטמפ' קבועה למרות שמספקים עוד ועוד אנרגיה, רואים כי החום הכמוס של הרתיחה גדול משל ההיתוך. ולמה זה קורה? בשביל לענות על כך, צריך להבין מה קורה בחומר ברמה המיקרוסקופית, כאשר מחממים אותו – ובעצם 'לאן הולך החום', כאשר מחממים חומר. ובכן, מסתבר שבחומר במצב צבירה מוצק התנועה העיקרית של המולקולות המרכיבות אותו היא תנועה של וויברציה = רטט.
פרט לכך המולקולות לא זזות ממקומן ולא נוטות להסתובב, כאשר מחממים מוצק הוויברציה שבו גדלה.
במצב צבירה נוזל, בנוסף לרטט המולקולות גם מסתובבות (תנועה של רוטציה). גם הוויברציה וגם הרוטציה מתרחשות מספר רב של פעמים בשנייה (בסביבות הטריליון פעמים בשנייה, כלומר מיליון פעמים מיליון סיבובים ורטיטות בשנייה).
החום הכמוס שיש להשקיע כדי להפוך חומר מוצק לנוזל בעצם משמש לשבירה (חלקית) של הקשרים בין המולקולות – שבירה שמאפשרת למולקולות להסתובב, במילים אחרות, אנרגיית החימום משמשת לסובב את המולקולות. במצב צבירה גזי – בנוסף לרטט ולסיבוב – מתאפשרת תנועה עצמאית, בלתי תלוייה של המולקולות (תנועת טרנסלציה - מעתק ).
כדי לאפשר תנועה זו – חייבים להקנות למולקולות הרבה מאוד אנרגיה – כדי להתגבר על כל כוחות המשיכה הקיימים ביניהם (שבירה מלאה של הקשרים הבין-מולקולריים), ולאפשר אנרגייה קינטית רבה למולקולות: בטמפ' החדר המולקולות באוויר 'טסות' במהירות של כ – 340 מטרים בשנייה, זה מעל 1200 קמ"ש! (בגלל שכל מולקולה נעה לכיוון אחר, ובגלל שיש התנגשויות רבות מאוד בין המולקולות, לא נוצרת תנועה חד כיוונית של כל האוויר ("רוח") ואנו לא חשים בכך).
חשוב לציין שגם בנוזל אפשרית מעט תנועת טרנסלציה / מעתק - עובדה היא שהוא 'זז' ומפנה מקום כאשר מכניסים אליו משהו, אבל תנועה זו היא איננה כמו התנועה החופשית לחלוטין הקיימת בגז אלא שמולקולות 'מחליקות' בצמידות זו על גבי זו.
כלומר – החום הכמוס שצריך להשקיע כדי לאדות חומר משמש כדי לשבור את הקשרים שמחזיקים את המולקולות יחד בקבוצה אחת, ולאפשר למולקולות לעוף בחלל במהירות. כיוון שהתהליך הזה דורש הרבה יותר אנרגיה מאשר סתם לסובב את המולקולות (התכה) תהליך האידוי דורש הרבה יותר אנרגיה מתהליך ההתכה.
מאת: ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
