HALMAZÁLLAPOTOK SZILÁRD: Az anyag atomjainak a legkisebb a mozgási energiája. Az atomok rácsokba rendeződnek, kötött állapotban vannak. FOLYÉKONY: Az anyag atomjainak nagyobb a mozgási energiája. Az anyag atomjai egymáson könnyen gördülő golyókként modellezhető. GÁZ: Az anyag atomjainak nagy a mozgási energiája. Az anyag atomjai egymástól függetlenül mozognak, s közben egymással és az edény falával rugalmasan ütköznek. PLAZMA: Rendkívül magas hőmérsékleten és nyomáson nagy energiájú ütközések jönnek létre, így az atomok ionokra bomlanak. A plazma halmazállapot jó áramvezető.
HALMAZÁLLAPOT-VÁLTOZÁSOK Az anyag mind gáz-, mind folyadék-, mind szilárd halmazállapotban megtalálható a természetben. A halmazállapot hőmérséklet- illetve nyomásváltozás hatására változhat meg.
OLVADÁS-FAGYÁS Olvadás: m tömegű, homogén szilárd anyag olvadásponton történő megolvasztásához szükséges hőmennyiség: Q = Lo m, ahol Lo az olvadáshő. Megfagyáskor ugyanekkora hő szabadul fel. Amikor a szilárd test atomjainak hőmozgása olyan hevessé válik, hogy az egyik atom a másikat ki tudja lökni egyensúlyi helyzetéből, akkor a rács összeomlik, az atomok elhagyják egyensúlyi helyzetüket és egymáshoz képest már könnyen elmozdulhatnak. Bekövetkezik a szilárd anyag megolvadása és folyadék keletkezik. Az olvadáspont függ a nyomástól: nagyobb nyomáson alacsonyabb hőmérsékleti érték lesz az olvadáspont.
ÉRDEKESSÉG: CSÍKOS JÉGHEGYEK A TÚLHŰTÉS JELENSÉGE Hűtéskor a folyadék hőmérséklete jóval az olvadáspont alá süllyedhet. Ekkor túlhűtésről beszélünk. A túlhűtött folyadékba egy darabka szilárd kristályt ejtve a megszilárdulási folyamat azonnal beindul, és a megmaradt folyadék olvadáspontjára melegszik. Ilyen jelenség játszódik le például, amikor az ónos eső lehull a fagypont alatti hőmérsékletű földre, és ott azonnal megfagyva okoz baleseteket, de ilyen az is, amikor a repülőgép hátrahagyta kondenzcsík megjelenik, ott apró hamuszemcsékre rakódik ki a túlhűtött, tiszta levegő páratartalma. A VÍZ TÚLHŰTÉSE ÉRDEKESSÉG: CSÍKOS JÉGHEGYEK
PÁROLGÁS, LECSAPÓDÁS Párolgás, lecsapódás: az m tömegű folyadék ugyanakkora hőmérsékletű gőzzé alakításához szükséges hőmennyiség: Q=Lp m, ahol Lp a párolgáshő. Lecsapódáskor ugyanekkora hő szabadul fel. A párolgáskor a folyékony halmazállapotú anyag légneművé alakul át, ami folyadék szabad felszínén megy végbe. Minden folyadék minden hőmérsékleten párolog. A párolgást a folyadékrészecskék rendezetlen mozgásával értelmezhetjük. A folyadékfelszín közelében levő, nagy sebességű részecskék egy része kilép a folyadékból. Minél nagyobb a hőmérséklet, illetve minél nagyobb felület, annál gyakrabban következik ez be. A párolgó folyadék hőmérséklete és belső energiája csökken, mivel éppen a nagy sebességű részecskék hagyják el a folyadékot, és a folyadékban a kisebb sebességű, energiájú részecskék maradnak. Egyes folyadékok, mint például az alkohol, gyorsabban párolognak. Tehát a párolgás sebessége függ a folyadék anyagától.
A TÚLHEVÍTÉS JELENSÉGE Tehát a párolgás tehát függ: hőmérséklettől, párolgó felület nagyságától, külső páratartalomtól, anyagi minőségtől. A TÚLHEVÍTÉS JELENSÉGE Melegítéskor a folyadék hőmérséklete jóval a forráspont fölé emelkedhet. Ekkor túlhevítésről beszélünk. A túlhevített folyadékba egy darabka szilárd kristályt ejtve a forrási folyamat azonnal beindul. TÚLHEVÍTÉS
KÉTÁLLAPOTÚ RENDSZEREK Ha folyadékot zárunk egy előzőleg légtelenített edénybe, a folyadék egy része azonnal elpárolog. E hőmérsékleten és nyomáson az anyag gőz és folyadék halmazállapotában is jelen van. TELÍTETT, TELÍTETLEN GŐZ A gőz telített avagy telítetlen aszerint, hogy az adott anyag gőzmolekuláinak mennyisége az adott hőmérsékleten és térfogaton még növekedhet-e. A telített gőz nyomása két dologtól függ: a hőmérséklettől és az anyagi minőségtől. Ezt mutatja a mellékelt ábra.
FORRÁS A forráspontot akkor érjük el, ha a folyadék belsejében keletkezett „üregekben” lévő telített gőz nyomása megegyezik a külső nyomással: pkülső = ptelített . A külső nyomás növekedésekor a forráspont mindig emelkedik. Az olvadáspont az olvadás közben kitáguló anyagok esetében nő összehúzódó anyagok esetében csökken. A forrás olyan halmazállapot-változás, amely során nemcsak a folyadék felszínén, hanem belsejében is keletkezik gőz. A forrásban lévő anyag belsejébe „üregek” keletkeznek. Lényegében arról van szó, hogy a folyadék ezekbe a üregekbe párolog bele. A magas hőmérsékletre azért van szükség, mert a buborék belsejében levő nyomás függ a hőmérséklettől. Alacsony hőmérsékleten a buboréknyomás túl kicsi, és a külső légnyomás összeroppantja a buborékot.
FORRÁS A víz esetében a forráspont hőmérsékletének értéke kisebb nyomáson kisebb lesz: magas hegyeken akár 90-on forr a víz, de akár szobahőmérsékleten is forrhat a víz. A forrás beindulásának feltétele, hogy a folyadékban „üregek”, buborékok keletkezzenek. A buborékmentes folyadék nem forr, akkor sem, ha melegítésekor már elérte az adott nyomáshoz tartozó forrásponját. Hőmérséklete tovább nő, a folyadék túlhevítetté válik. Ekkor rázkódás, vagy másmilyen zavar esetén robbanásszerűen forrásba jön. TÚLHEVÍTÉS
KRITIKUS ÁLLAPOT HÁRMASPONT Kritikus állapot: ahol az anyag közvetlenül megy át folyékony halmazállapotból légneműbe és viszont. A kritikus hőmérséklet és a kritikus nyomás az anyagi minőségre jellemző mennyiségek. A víznél: HÁRMASPONT Ha a kétállapotú rendszer hőmérsékletét csökkentjük, a folyadék egyszer csak eléri a fagyáspontját. Ebben az esetben mindhárom halmazállapot jelen lesz. Víznél ha p = 105 Pa , ez 0.01°C-on valósul meg.
HALMAZÁLLAPOTOK ÖSSZEFOGLALÁSA Szilárd halmazállapotban az anyag csak olvadáspontjánál alacsonyabb hőmérsékleten lehet. Folyadék halmazállapotban az olvadáspont és a kritikus hőmérséklet között lehet az anyag, mert a forráspont a fentiek szerint e két hőmérséklet érték között változhat. Légnemű halmazállapotban az anyag minden hőmérsékleten lehet, de a kritikus hőmérséklet felett az anyag csak légnemű lehet. Itt jó közelítéssel alkalmazhatóak az ideális gázokra vonatkozó gáztörvények. Légnemű halmazállapotban az anyag a kritikus hőmérséklet felett gáz-, alatta gőzállapotú.
HALMAZÁLLAPOTOK ÖSSZEFOGLALÁSA A fentiek szemléltetését szolgálja az alábbi p-V diagramm, amelyen a különböző hőmérsékletekhez tartozó izotermákat ábrázoltuk.