Μικροσκοπική μελέτη των αλλαγών κατάστασης

Στα στερεά, οι δομικοί λίθοι βρίσκονται σε καθορισμένες θέσεις, εκτελώντας ταλαντώσεις γύρω από τις θέσεις αυτές. Καθώς το στερεό σώμα απορροφά θερμότητα, η κινητική ενέργεια των δομικών λίθων αυξάνει, με αποτέλεσμα οι ταλαντώσεις τους να γίνονται πιο έντονες. Σε μια θερμοκρασία χαρακτηριστική του υλικού, όπου οι ταλαντώσεις των δομικών λίθων γίνονται μεγάλες και επειδή οι δυνάμεις μεταξύ τους δεν μπορούν να συγκρατήσουν τους δομικούς λίθους στις θέσεις τους, έχει σαν αποτέλεσμα οι δομικοί λίθοι να γλιστρούν ο ένας προς τον άλλο. Τώρα το στερεό αρχίζει να τήκεται και να μετατρέπεται σε υγρό.

Σε θερμοκρασία βρασμού οι δυνάμεις μεταξύ των δομικών λίθων του σώματος μηδενίζονται με αποτέλεσμα να κινούνται ελύθερα.

Σε ένα υγρό, οι δομικοί λίθοι κινούνται άτακτα και ο ένας να ολισθαίνει πάνω στον άλλο. Καθώς το υγρό απορροφά θερμότητα, οι δομικοί λίθοι του κινούνται με μεγαλύτερη κινητική ενέργεια. Σε κάποια θερμοκρασία, η κίνηση των δομικών λίθων του υγρού γίνεται πιο έντονη, που οι δυνάμεις μεταξύ τους είναι τέτοιες που δεν μπορούν να κρατήσουν τους δομικούς λίθους κοντά μεταξύ τους. Τώρα οι δομικοί λίθοι απομακρύνονται μεταξύ τους και να κινούνται ελεύθερα κι έτσι το υγρό να μετατρέπεται σε αέριο.

Μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας

Κατά τη τήξη η θερμότητα που απορροφά το σώμα μετατρέπεται σε δυναμική ενέργεια των δομικών λίθων του. Επειδή η θερμοκρασία καθ’ όλη τη διάρκεια της τήξης είναι σταθερή, η κινητική ενέργεια των δομικών λίθων παραμένει η ίδια, που οδηγεί σε σταθερή ολική κινητική ενέργεια των δομικών λίθων, συνεπώς η θερμική ενέργεια δεν αλλάζει. Η εσωτερική ενέργεια του σώματος, σαν άθροισμα της δυναμικής και κινητικής ενέργειας των δομικών λίθων αυξάνει διότι αυξάνει η ολική δυναμική ενέργεια τους. Το ίδιο συμβαίνει και κατά τη διάρκεια του βρασμού.

Επειδή κάθε μόριο πρέπει να απορροφήσει ορισμένη ποσότητα ενέργειας για να αλλάξει ο τρόπος σύνδεσης του με τα υπόλοιπα, οδηγούμαστε στο συμπέρασμα ότι η θερμότητα τήξης ή βρασμού είναι ανάλογη με τη μάζα του σώματος και εξαρτάται από το υλικό.

Μεταβολή της μάζας και του όγκου

Εκτελούμε το ακόλουθο πείραμα: Στον ένα ζυγό μιας ζυγαριάς βάζουμε ένα ογκομετρικό σωλήνα που περιέχει πετρέλαιο, μέσα στον οποίο βάζουμε παγάκια. Στον άλλο ζυγό βάζουμε τα κατάλληλα σταθμά ώστε να ισορροπήσει η ζυγαριά. Όταν λιώσουν τα παγάκια, η ζυγαριά ισορροπεί και πάλι. Αυτό σημαίνει ότι η μάζα του νερού που προέκυψε από το λιώσιμο των παγάκιων, είναι ίση με τη μάζα των παγάκιων που βάλαμε. Επίσης παρατηρούμε ότι η στάθμη του πετρελαίου κατέβηκε λίγο μετά το λιώσιμο των παγάκιων, που σημαίνει ότι ο αρχικός όγκος των παγάκιων έχει μεγαλύτερο όγκο από το νερό που προκύπτει από την τήξη τους. Συμπέρασμα: κατά την τήξη η μάζα διατηρείται σταθερή ενώ ο όγκος μεταβάλλεται. Στα περισσότερα στερεά σώματα, ο όγκος κατά την τήξη αυξάνεται και κατά την πήξη μειώνεται. Στο νερό ισχύει το αντίστροφο.

Κατά την τήξη του πάγου η μάζα διατηρείται σταθερή, ενώ ο όγκος μειώνεται.

Την αύξηση του όγκου κατά την πήξη του νερού αποδεικνύεται από το ακόλουθο πείραμα: Βάζουμε ένα γυάλινο μπουκάλι γεμάτο νερό στην κατάψυξη. Αργότερα όταν το νερό έχει παγώσει και γίνει πάγος, το μπουκάλι έχει σπάσει. Πράγματι, όταν το νερό πήζει σε πάγο αυξάνεται ο όγκος του και μειώνεται η πυκνότητα του. Γι’ αυτό το λόγο τα παγόβουνα επιπλέουν στην θάλασσα και τα παγάκια στην πορτοκαλάδα.

Η εξήγηση της αύξησης του όγκου κατά την πήξη του νερού είναι η εξής: Στο νερό τα μόρια «γλιστρούν» το ένα πάνω στο άλλο ενώ βρίσκονται σε επαφή μεταξύ τους. Όταν το νερό γίνεται πάγος, τα μόρια παίρνουν θέσεις σε κορυφές εξαγώνων, οπότε ο χώρος που καταλαμβάνουν αυξάνεται.

Ανώμαλη διαστολή του νερού και μικρόκοσμος

Ο πάγος στη θερμοκρασία 00C αποτελείται από «μικροσκοπικούς κρυστάλλους». Όταν ο πάγος τήκεται αυτοί οι μικροσκοπικοί κρύσταλλοι λιώνουν σιγά σιγά, μέχρι η θερμοκρασία του νερού φτάσει του ς 40C. Έτσι ο όγκος του νερού που προκύπτει από το λιώσιμο τους είναι μικρότερος. Στους 40C όλοι σχεδόν οι μικροκρύσταλλοι πάγου έχουν λιώσει. Έτσι κατά τη θέρμανση από τους 00C ως 40C ο όγκος του νερού ελαττώνεται, ενώ κατά την ψύξη από τους 40C μέχρι τους 00C, ο όγκος του νερού αυξάνεται.

Μεταβολή θερμοκρασιών τήξης και βρασμού

Η θερμοκρασία τήξης του αλατόνερου είναι μικρότερη από 0C

Ο πάγος που προέρχεται από το αλατόνερο ή το θαλασσινό νερό, τήκεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία από τους 00C. Αυτό εξηγείται ως εξής: Μεταξύ των μορίων του πάγου παρεμβάλλονται κρύσταλλοι άλατος. Έτσι οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων του πάγου εξασθενούν και ο πάγος τήκεται (λιώνει) σε χαμηλότερη θερμοκρασία από τους 00C. Συμπέρασμα: όταν το νερό δεν είναι καθαρό και περιέχει άλλες ουσίες, η θερμοκρασία τήξης είναι μικρότερη από τους 00C.

Με την αύξηση της πίεσης ο πάγος τήκεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Αυτό εξηγείται ως εξής: Αυξάνοντας την πίεση τα μόρια του πάγου πλησιάζουν περισσότερο μεταξύ τους, με αποτέλεσμα ο πάγος να λιώνει σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Συμπέρασμα: η θερμοκρασία τήξης του νερού εξαρτάται από την πίεση.

Επίσης η αύξηση της πίεσης έχει σαν αποτέλεσμα της αύξηση της θερμοκρασίας βρασμού. Αυτό εξηγείται ως εξής. Η πίεση του περιβάλλοντος αέρα δυσκολεύει τα μόρια του νερού να απομακρυνθούν μεταξύ τους ώστε να γίνουν υδρατμός. Έτσι ο βρασμός γίνεται σε υψηλότερη θερμοκρασία.