סימולציית מצבי צבירה: מודל החלקיקים וגרף חימום של מים

מחממים קרח עד שהוא נמס ורותח, ורואים מה קורה לחלקיקים בכל שלב. הגרף מראה איך הטמפרטורה משתנה, ולמה היא נעצרת בהתכה וברתיחה.

מסת המים m

טמפרטורת התחלה T₀

°C

הספק הגוף המחמם P

כמה אנרגיה נכנסה? החישוב צעד אחר צעד

נסו דוגמה:

מה רואים בסימולציה?

כל חומר בנוי מחלקיקים קטנים מאוד שכל הזמן זזים. מה שמבדיל בין מוצק, נוזל וגז הוא כמה הם קרובים זה לזה וכמה חופשי הם זזים:

מוצק (קרח): החלקיקים צפופים ומסודרים בשורות. הם לא עוברים ממקום למקום, רק רוטטים סביב המקום שלהם. לכן למוצק יש צורה קבועה.
נוזל (מים): החלקיקים עדיין צמודים, אבל גולשים זה ליד זה. לכן לנוזל יש נפח קבוע, אבל הוא מקבל את הצורה של הכלי.
גז (אדים): החלקיקים רחוקים זה מזה ונעים מהר לכל הכיוונים. הגז ממלא את כל הכלי.

ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, החלקיקים זזים מהר יותר. ההסבר המלא במאמר מצבי צבירה.

הגרף: למה הטמפרטורה נעצרת?

בגרף החימום יש שני קטעים אופקיים. בהם נכנסת אנרגיה, אבל הטמפרטורה לא עולה:

בהתכה (0°C) האנרגיה הולכת לפירוק הסדר של הקרח, ולא להאצת החלקיקים.
ברתיחה (100°C) האנרגיה הולכת להרחקת החלקיקים זה מזה, עד שהם הופכים לגז.

שימו לב כמה ארוך קטע הרתיחה: כדי להפוך מים רותחים לאדים צריך יותר מפי 5 אנרגיה מאשר כדי לחמם אותם מ־0°C עד 100°C.

הנוסחאות

Q = m · c · ΔT

חימום או קירור, בלי שינוי של מצב הצבירה

Q = m · L

התכה או רתיחה: הטמפרטורה לא משתנה. L הוא החום הכמוס

t = Q / P

כמה זמן לוקח לגוף מחמם בהספק P לתת אנרגיה Q

מה	סימן	הערך למים
חום סגולי של קרח	c	2,100 J/(kg·°C)
חום ההתכה	L_f	334,000 J/kg
חום סגולי של מים	c	4,200 J/(kg·°C)
חום האידוי	L_v	2,260,000 J/kg
חום סגולי של אדים	c	2,000 J/(kg·°C)

ניסויים שכדאי לעשות

איפה נעצרת הטמפרטורה? התחילו מקרח ב־20°C− וחממו. עקבו אחרי הנקודה בגרף, ובדקו באילו טמפרטורות היא נעצרת.
איזה שלב הכי ארוך? התחילו מקרח ב־20°C− וחממו עד הסוף. השוו את הזמן שלקחה ההתכה לזמן שלקחה הרתיחה. הרתיחה ארוכה פי 7 בערך.
יותר מים, יותר זמן. הכפילו את המסה. כמות האנרגיה בכל שלב מוכפלת, וגם הזמן.
בחזרה. אחרי שהמים התאדו, לחצו “קירור”. האדים מתעבים לנוזל, והנוזל קופא לקרח, באותן טמפרטורות.

תרגיל פתור: מקרח למים פושרים

תרגיל פתור

הנתונים: חצי קילוגרם קרח בטמפרטורה 10°C−. מחממים אותו עד שהוא הופך למים ב־20°C.
השאלה: כמה אנרגיה צריך, וכמה זמן זה ייקח עם גוף חימום של 1,000 וואט?

מחממים את הקרח עד 0°C:
Q₁ = 0.5 · 2,100 · 10 = 10,500 J
ממיסים את כל הקרח, בלי שינוי טמפרטורה:
Q₂ = 0.5 · 334,000 = 167,000 J
מחממים את המים מ־0°C עד 20°C:
Q₃ = 0.5 · 4,200 · 20 = 42,000 J
מחברים, ומחלקים בהספק:
Q = 219,500 J , t = 219,500 / 1,000 ≈ 220 s

התשובה: בערך 220 קילו־ג׳אול, וקצת פחות מ־4 דקות. רוב האנרגיה הלכה להתכה. נסו את זה בסימולציה: מסה 0.5, התחלה ב־10− והספק 1,000.

טעויות נפוצות

“כשמחממים, הטמפרטורה תמיד עולה.” לא בזמן התכה או רתיחה. אז כל האנרגיה הולכת לשינוי מצב הצבירה.
“בגז החלקיקים גדולים יותר.” החלקיקים לא גדלים. רק המרחק ביניהם גדל.
“מים רותחים ב־100°C תמיד.” זה נכון בלחץ של אטמוספרה אחת, כמו בגובה פני הים. במקום גבוה, כמו על הר, המים רותחים בטמפרטורה נמוכה יותר.

שאלות נפוצות

מהם שלושת מצבי הצבירה?

מוצק, נוזל וגז. החומר נשאר אותו חומר, ורק הסידור והתנועה של החלקיקים משתנים.

למה הטמפרטורה לא עולה כשהמים רותחים?

כי כל האנרגיה שנכנסת הולכת להפרדת החלקיקים זה מזה, כדי שיהפכו לגז. רק כשכל המים התאדו, הטמפרטורה מתחילה לעלות שוב.

מה זה חום כמוס?

זו האנרגיה שצריך כדי לשנות את מצב הצבירה של קילוגרם אחד מהחומר, בלי לשנות את הטמפרטורה. למים: 334,000 ג׳אול להתכה, ו־2,260,000 ג׳אול לאידוי.

מה ההבדל בין רתיחה להתאדות?

התאדות קורית בכל טמפרטורה, רק מפני השטח של הנוזל, כמו כביסה שמתייבשת. רתיחה קורית בטמפרטורה מסוימת, ובכל הנוזל: בועות של אדים נוצרות גם בתוכו.

רוצים ללמוד פיזיקה בלי להיתקע?

בקורסים של פיזיקס יש שיעורי וידאו מסודרים, מכיתה ז׳ ועד הבגרות, וחוברת תרגול עם פתרון וידאו לכל תרגיל.

לכל הקורסים

רוצים קודם לתרגל לבד? הורידו חוברת תרגול בחינם