Η θερμότητα προκαλεί μεταβολές

Εδώ φαίνονται και οι τρεις καταστάσεις του νερού ταυτόχρονα.

Σε συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, τα υλικά σώματα βρίσκονται σε μια από τις τρεις καταστάσεις: Τη στερεή, την υγρή και την αέρια. Για παράδειγμα, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, το νερό είναι υγρό, το αλουμίνιο είναι στερεό και το άζωτο αέριο. Όμως, αν αλλάξει η θερμοκρασία ή και η πίεση, τα σώματα είναι δυνατόν να αλλάξουν κατάσταση. Έτσι αν μειωθεί η θερμοκρασία, το νερό μπορεί να γίνει πάγος και αν αυξηθεί η θερμοκρασία το αλουμίνιο μπορεί να γίνει υγρό.

Τήξη – πήξη

Ένα στερεό σώμα, με πρόσληψη θερμότητας, μπορεί να μετατραπεί σε υγρό. Το φαινόμενο αυτό μετατροπής κατάστασης, από στερεό σε υγρό ονομάζεται τήξη. Η θερμοκρασία του σώματος κατά τη διάρκεια της τήξης, στην οποία που συνυπάρχει η στερεή και η υγρή κατάσταση είναι σταθερή, και ονομάζεται θερμοκρασίας τήξης. Η θερμοκρασία τήξης είναι χαρακτηριστική φυσική σταθερά του κάθε υλικού.

Παράδειγμα: Βάζουμε παγάκια χαμηλής θερμοκρασίας -100C σε ένα δοχείο, στο οποίο έχουμε βυθίσει ένα θερμόμετρο. Θερμαίνουμε το δοχείο και παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία αυξάνεται. Μόλις η θερμοκρασία γίνει ίση με 00C, τα παγάκια αρχίζουν να λιώνουν. Όσο διαρκεί το λιώσιμο του πάγου, συνυπάρχουν νερό σε υγρή και στερεή μορφή, η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή ίση με 00C. Όταν λιώσει όλος ο πάγος και στο δοχείο υπάρχει μόνο νερό αρχίζει να αυξάνεται η θερμοκρασία.

Πήξη είναι η αντίστροφη διαδικασία, που με αφαίρεση θερμότητας, ένα υγρό μετατρέπεται σε στερεό. Η πήξη γίνεται σε σταθερή θερμοκρασία, η οποία είναι χαρακτηριστική του υλικού και παραμένει σταθερή καθ’ όλη τη διάρκεια της πήξης, όπου συνυπάρχει η υγρή με τη στερεή κατάσταση. Η θερμοκρασία αυτή ονομάζεται θερμοκρασία πήξης.

Η θερμοκρασία πήξης κάθε καθαρού σώματος, είναι ίση με τη θερμοκρασία τήξης. Η θερμοκρασία πήξης του καθαρού νερού είναι 00C, που είναι η ίδια με τη θερμοκρασία τήξης του πάγου.

Βρασμός – υγροποίηση

Ένα υγρό σώμα με πρόσληψη θερμότητας, μπορεί να γίνει αέριο. Αυτή η μετατροπή κατάστασης, από υγρό σε αέριο, ενός σώματος λέγεται βρασμός. Καθ’ όλη τη διάρκεια του βρασμού, η θερμοκρασία είναι σταθερή, χαρακτηριστική του υλικού, η οποία ονομάζεται θερμοκρασία βρασμού. Η θερμοκρασία βρασμού είναι η μεγαλύτερη θερμοκρασία στην οποία μπορεί να υπάρχει  το υλικό σε υγρή κατάσταση και σε καθορισμένη πίεση.

Παράδειγμα: Βάζουμε νερό σε ένα δοχείο και το θερμαίνουμε με μια εστία. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, παράγονται υδρατμοί στην επιφάνεια του νερού. Μόλις η θερμοκρασία του νερού γίνει 1000C, αρχίζει η παραγωγή υδρατμών απ’ όλη τη μάζα του νερού. Παρατηρούμε ότι σε όλη τη διάρκεια του βρασμού, μέχρι όλο το νερό να γίνει υδρατμός, η θερμοκρασία παραμένει σταθερή ίση με 1000C.

Υγροποίηση ονομάζεται η αντίστροφη διαδικασία, στην οποία με αφαίρεση θερμότητας, ένα αέριο μετατρέπεται σε υγρό. Καθ’ όλη τη διάρκεια της υγροποίησης,  συνυπάρχει η αέρια με την υγρή κατάσταση, η θερμοκρασία είναι σταθερή. Αυτή η θερμοκρασία ονομάζεται θερμοκρασία υγροποίησης.

Η θερμοκρασία υγροποίησης ενός σώματος, είναι ίση με τη θερμοκρασία βρασμού. Έτσι όταν η θερμοκρασία υδρατμών γίνει 1000C, αρχίζει η υγροποίηση τους με παραγωγή νερού υγρής κατάστασης.

Εξάχνωση

Είναι δυνατόν, ένα στερεό να αλλάξει κατάσταση και να μετατραπεί σε αέριο χωρίς να περάσει από την υγρή κατάσταση. Το φαινόμενο αυτό λέγεται εξάχνωση. Παραδείγματα εξάχνωσης είναι το στερεό διοξείδιο του άνθρακα (ξηρός πάγος), οι κρύσταλλοι ναφθαλίνης και ιωδίου.

Θερμότητα τήξης και βρασμού

Κατά τη διάρκεια της τήξης ενός στερεού (μετατροπή στερεού σε υγρού), το στερεό απορροφά θερμότητα, χωρίς να αυξάνεται η θερμοκρασία του. Η θερμότητα που απορροφά ένα στερεό κατά τη διάρκεια της τήξης, που η θερμοκρασία του είναι ίση με τη θερμοκρασία τήξης, ονομάζεται θερμότητα τήξης. Η θερμότητα τήξης είναι ανάλογη της μάζας του στερεού, εξαρτάται από το είδος του υλικού και δίνεται από τη σχέση:

Q = LT ‧ m

Όπου LT η λανθάνουσα θερμότητα τήξης, που εξαρτάται από το υλικό και εκφράζει τη θερμότητα που απαιτείται για την πλήρη τήξη ποσότητας 1Kg από το υλικό αυτό, ενώ βρίσκεται στη θερμοκρασία τήξης.

(α) Κατά τη διάρκεια της τήξης του πάγου, μεταφέρεται θερμότητα από τη φλόγα στον πάγο. Όμως η θερμοκρασία του πάγου παραμένει σταθερή. (β) κατά τη διάρκεια του βρασμού του νερού, μεταφέρεται θερμότητα από τη φλόγα στο νερό. Όμως η θερμοκρασία του νερού παραμένει σταθερή.

Κατά τη διάρκεια βρασμού ενός υγρού (μετατροπή υγρού σε  αέριο) η θερμοκρασία είναι σταθερή και ίση με τη θερμοκρασία βρασμού, ενώ απορροφά θερμότητα η οποία ονομάζεται θερμότητα βρασμού. Η θερμότητα βρασμού είναι ανάλογη της μάζας του υγρού και εξαρτάται από το υλικό και δίνεται από τη σχέση:

Q = LB ‧ m

Όπου LB η λανθάνουσα θερμότητα βρασμού και εκφράζει τη θερμότητα που απαιτείται για την πλήρη μετατροπή ποσότητας 1kg του υγρού σε αέριο, όταν βρίσκεται σε θερμοκρασία βρασμού.

Τα «σκαλοπάτια» των μεταβολών κατάστασης

Για μια ποσότητα νερού ίση με 1Kg, που έχει αρχική θερμοκρασία -100C, κάνουμε το εξής πείραμα: Προσφέρουμε θερμότητα μέχρι να μετατραπεί όλη η ποσότητα σε υδρατμούς, ενώ ταυτόχρονα κάνουμε το διάγραμμα της θερμότητας που απορροφά σε σχέση με τη θερμοκρασία. Το διάγραμμα αποτελείται από πέντε διαφορετικές περιοχές:

1] Ο πάγος απορροφά θερμότητα, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία του να αυξάνει από -100C σε 00C. Η θερμότητα που απορροφά ο πάγος είναι:

QΠ = cΠ ‧ m ‧ (θΤ – θΠ)     όπου θΤ=00C   και   θΠ = -100C

2] Μόλις η θερμοκρασία του πάγου γίνει ίση με τη θερμοκρασία τήξης, αρχίζει να λιώνει μέχρι να γίνει όλος νερό. Η θερμοκρασία είναι σταθερή και η θερμότητα που απορροφά είναι ίση με

QT = m ‧ LT

3] Όταν γίνει όλος νερό, με προσφορά θερμότητας,  η θερμοκρασία αυξάνει από 00C μέχρι τη θερμοκρασία βρασμού 1000C, ενώ θερμότητα που απορροφά είναι ίση με:

QV = cV ‧ m ‧ (θB – θΤ)   όπου θΒ =1000C    και  θΤ = 00C

4] Μόλις το νερό αποκτήσει θερμοκρασία 1000C, αρχίζει να βράζει και να μετατρέπεται σε υδρατμούς, ενώ η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή. Η θερμότητα που απορροφά μέχρι όλο το νερό να μετατραπεί σε υδρατμούς είναι ίση με

QB = m ‧ LB

5] Με τη συνέχιση προσφοράς θερμότητας η θερμοκρασία των υδρατμών αυξάνει.