מצבי הצבירה כמשחקי כוח – חלק א'

בהמשך לרשומה הקודמת שניסתה להציג את רעיונותיי בדבר חשיבה תהליכית אציג ברשומה זו דוגמה נוספת.

חילקתי את הרשומה לשני חלקים בגלל עומס המושגים והרעיונות.

מצבי הצבירה  של החומר

בעקבות שינוי טמפרטורה (או שינוי לחץ האוויר) החומרים עוברים בין מספר תצורות שונות1 מים לדוגמה יכולים להימצא בשלושה מצבי־צבירה: מוצק המכונה קרח, נוזל המכונה מים סתם וגז המכונה אדי מים. לא כל החומרים יכולים להיצבר בכל מצבי הצבירה. חלק מסוגי החלקיקים עובר שינוי כימי בחימום והחומר מתפרק או נשרף. למשל כאשר מחממים שמן בישול לטמפ' של כמה מאות מעלות חלקיקיו מתחברים עם החמצן שבאוויר. השמן מעשן ונשרף. כך אין למעשה שמן בישול במצב גזי (באופן מפתיע למדי מסתבר שחלק מהחומרים מתפרק דווקא בקירור. למשל מולקולת עמילן מתפרקת להרבה מולקולות גלוקוז).

קוביות קרח ממים צבועים ניתכות

מים בשני מצבי צבירה (צילום: DanieleDG, רשיון: CC BY-NC-SA 2.0)

בשינוי מצב־צבירה לא משתנה סוג החלקיקים המרכיבים את החומר. מולקולות המים נותרות קיימות גם כאשר מחממים או מקררים את החומר. לכן זהו שינוי פיזיקלי ולא שינוי כימי. הדבר שמשתנה הוא הסידור של החלקיקים, המרחק ביניהם, חופש התנועה שלהם ועוד.

כאשר אני מלמד את תלמידיי את נושא מצבי הצבירה השלב הראשון הוא הכרת שמות ודוגמאות לשלבים השונים ולמעברים ביניהם. השלב הבא, המעמיק יותר, הוא קשירה בין השינויים המקרוסקופיים הנצפים בעין לבין השינויים הנאנוסקופיים בחלקיקי החומר.

חום וטמפרטורה

כדורי מתכת זעירים בתנועה כמודל לתנועת החלקיקים בגז

בתנועה (צילום: Shandchem, רשיון: CC BY-ND 2.0)

כדי להבין מהו שינוי מצב צבירה חייבים להבין תחילה מהו חום ומהי טמפרטורה. חום הוא אחת מצורות האנרגיה, אנרגיה הגורמת לשינויים בחומר. כאשר מחממים חומר החלקיקים שלו נעים מהר יותר. כאשר מקררים חומר החלקיקים שלו נעים לאט יותר2. מכאן שהמהירות המרבית היא מהירות האור והמהירות המזערית היא אפס.

טמפרטורה היא משהו אחר.

כאשר מוסיפים אנרגיה לקבוצת חלקיקים התנועה שלהם לא תגדל באופן אחיד. חלק מהחלקיקים ינועו מהר יותר ואחרים מהר פחות. תתקבל מעין עקומת פעמון (הידוע גם כפעמון גאוס). רוב החלקיקים ינועו סביב המהירות הממוצעת אך יהיו חלקיקים שמהירותם סוטה מהמהירות הממוצעת.

טמפרטורה היא מדד אכותי בלבד למהירות הממוצעת של כל החלקיקים. חום היא כמות האנרגיה המדויקת שיש לכל החלקיקים ביחד.

מכאן שהטמפ' של כוס מים שנמזגה מקומקום מים רותחים היא זהה, אך כמות החום בקומקום גדולה יותר כי יש בקומקום יותר חלקיקי מים.

ציור בגיר של מדחום גליליאו

גם לגליליאו היתה דרך למדוד טמפרטורה (צילום: Dalekwidow, רשיון: CC BY 2.0)

יותר מכך, כאשר מוסרים כמות חום זהה לכמות חלקיקים זהה אך מסוג שונה, למשל מים וברזל, הטמפ' הסופית שלהם תהיה שונה לגמרי.

מכך נובע:

חום ≠ טמפרטורה

  1. המספר שמקובל לציין הוא שלושת מצבי צבירה: מוצב, נוזל וגז, בפועל קיימים מספר גדול יותר של מצבי צבירה: פלזמה (שהוא גז לוהט כ"כ שהחלקיקים שלו נשברים לחלקיקים תת־אטומיים בעלי מטען חשמלי ולכן הוא יכול להוליך זרם חשמלי ומכאן שמו); עיבוי בוז־איינשטיין; קירור־על וחימום־על
  2. התנועה לא חייבת להיות תנועה של בכיוון קווי מסויים אלא גם  תנודות התרחקות-התקרבות של חלקי החלקיק, סיבוב סביב צירו או התכופפויות הלוך וחזור
פורסם בקטגוריה הוראה, מדע, עם התגים , , , , , , , , , , , , , , , . אפשר להגיע לכאן עם קישור ישיר.

תגובה אחת בנושא מצבי הצבירה כמשחקי כוח – חלק א'

  1. מאת יחי‏:

    היה נעים להכיר, אומן הידע הבלתי נחוץ….
    אם יש לך כל כך הרבה זמן פנוי אולי תבוא לעזור לי בגינה או לשמור על הילד. אני אשאיר לך את המחשב שלי דלוק….(כדי שתוכל להמשיך עם הבלוג)
    נ.ב מתי אתם קופצים לביקור? יש לנו הרבה מהמשותף

השאר תגובה