סדר ואי־סדר
כל חומר מורכב מחלקיקים קטנים מאוד, בדרך כלל בטווח הגדלים מ׳. בהמשך נדון בכל חלקיק בנפרד, ואז נלמד שהם יכולים להיות אטומים, יונים או מולקולות. בינתיים נסתפק בכינוי הכללי “חלקיק”, מבלי להבדיל בין הסוגים השונים. חלקיקים אלה יכולים להיות מסודרים או לא מסודרים מבחינת המיקום של כל אחד מהם.
סדר הוא קיום חוקיות המאפשרת לחזות את מיקומו של חלקיק נוסף, בהינתן מיקומיהם של חלקיקים אחרים. במובן זה ניתן לדבר על שלושה מקרים:
סדר לטווח ארוך או סדר רחוק — סדר המכסה כמויות גדולות מספיק של חלקיקים, כך שצופה הנמצא בתוך מערך החלקיקים רואה סדר בכל מקום, ללא חריגות וללא סוף.
סדר לטווח קצר או סדר קרוב — סדר המכסה כמויות קטנות יותר של חלקיקים. ניתן לדבר על מקטעים מסודרים הבאים לסירוגין עם מקטעים בלתי מסודרים. מעשית, גודל מקטעים כאלה מגיע למספר מאות חלקיקים לכל היותר.
אי־סדר — היעדר כל חוקיות במיקומם של החלקיקים. החלקיקים ממוקמים באופן אקראי, ולא ניתן לחזות את מיקומו של חלקיק נוסף על סמך מיקומם של האחרים.
סדר הוא אחד מהמאפיינים החשובים ביותר של כל מה שקשור לחומר. בתחום המדע המתקדם הנקרא תרמודינמיקה, מתארים את הסדר באופן כמותי באמצעות תכונה המכונה אנטרופיה (entropy). אחת ההגדרות של אנטרופיה היא מידת אי־הסדר. אחד מחוקי היסוד של העולם שלנו הוא החוק השני של תרמודינמיקה. החוק השני טוען כי בכל מערכת מבודדת האנטרופיה אינה יכולה לקטון. במילים פשוטות יותר, זה אומר שאי־הסדר גדל באופן ספונטני, ללא סיבה חיצונית וללא צורך להשקיע לכך אנרגיה. בניגוד לכך, הסדרה תמיד דורשת השקעת אנרגיה, ויש מקרים שבהם היא פשוט בלתי אפשרית. ואם באיזשהו מקום נצפית בכל זאת הקטנה של אנטרופיה (הסדרה), הדבר מתרחש אך ורק על חשבון הגדלת האנטרופיה במערכת כולה.
החוק השני כללי אפילו יותר מחוק שימור המסה. מסה, במקרים נדירים, יכולה להיעלם — למשל, מסת גרעין אטומי קטנה מסכום המסות של כל החלקיקים המרכיבים אותו. לעומת זאת, נכון להיום לא נצפו הפרות של החוק השני של התרמודינמיקה.
הגדלה עצמית של אי־סדר נצפית אפילו בחיי היום־יום. רואים זאת היטב, למשל, כשעושים ניקיון בחדר או בדירה: צריך להשקיע המון אנרגיה כדי להעלות את הסדר בחדר, אך האי־הסדר בו גדל לבדו, ללא שום מאמץ מצדנו. נעיר בסוגריים כי אחת ההשלכות של החוק השני באה לידי ביטוי בכך שגם אם מצליחים להגיע לסדר מושלם בדירה או במקום אחר, הדבר תמיד מעלה את אי־הסדר של הסביבה — המתבטא, למשל, בהחמרת המצב באתרי פינוי הפסולת, ובכדור הארץ כולו.
מצבי צבירה
מים, קרח וקיטור שונים מאוד זה מזה, אך שלושתם מורכבים מאותם החלקיקים: מולקולות מים. הם גם הופכים זה לזה בשינוי הטמפרטורה: הקרח ניתך והופך למים, המים רותחים והופכים לקיטור וכו׳. נר או מקל דבק חם, למשל, ניתכים והופכים לנוזל המתמצק בחזרה לחומר ההתחלתי. למצבים השונים של חומר קוראים מצבי צבירה.
כשאנו מדברים על מצבי צבירה אנו מתבוננים בתכונות הקולקטיביות של כמויות גדולות של חלקיקים. נהוג לדבר על שלושה מצבי צבירה:
- גז — לדוגמה, אוויר.
- נוזל — כגון מים, שמן, אלכוהול ועוד.
- מוצק — למשל ברזל, עץ, קרח.
(חלק מהמדענים מציעים להגדיר כמצב צבירה רביעי פלסמה שאותה ראיתם, למשל בלהבה או בתוך נורת לומינסצנט. אך הרעיון של פלסמה כמצב צבירה עצמאי אינו מקובל על כולם ואנחנו נמשיך לדון בשלושה המצבים המסורתיים.)
כפי שנראה בהמשך, את המצב המוצק עצמו ניתן לחלק לשניים: מוצק גבישי ומוצק אמורפי.
הקריטריונים המיקרוסקופיים והמאקרוסקופיים של מצבי צבירה
כדי לשייך מצב של חלקיקים למצב צבירה מסוים, נוכל להיעזר בקריטריונים מיקרוסקופיים ובקריטריונים מאקרוסקופיים.
שלושת הקריטריונים המיקרוסקופיים הם:
- אופי תנועת החלקיקים — עד כמה החלקיקים חופשיים בתנועתם, והאם התנועה מתקיימת בעיקר בקו ישר או שמדובר בתנודות קטנות בלבד.
- המרחקים בין החלקיקים — החלקיקים יכולים להיות מרוחקים מאוד זה מזה, סמוכים זה לזה, או במרחקי ביניים.
- סוג הסדר — האם בחומר מתקיים סדר לטווח ארוך, סדר לטווח קצר, או אי־סדר.
שני הקריטריונים המאקרוסקופיים הם שימור הנפח ושימור הצורה: האם חומר שומר על נפחו הקבוע או תורתו הקבועה?
המצב הגזי
המילה “גז” באה מהצרפתית המוקדמת, שבה היא הייתה הגייתה של המילה היוונית χάος כאוס — כלומר אי־סדר. ואכן, המצב הגזי מאופיין בכך שהחלקיקים נמצאים רחוק זה מזה, מתרוצצים במהירויות עצומות, מתנגשים זה בזה ללא הרף, ובמיקומם אין שום סדר.
קיימת תאוריה המאפשרת לחשב את המרחק הממוצע בין חלקיקי גז בטמפרטורה ולחץ נתונים. לפיה, באוויר בטמפרטורת החדר ובלחץ אטמוספרי, המרחקים בין החלקיקים גדולים בערך פי 50 מגודל החלקיקים עצמם, והחלקיקים מתרוצצים במהירויות של כ־500 מטר לשנייה. אילו היה מדובר באנשים, הם היו נמצאים במרחק ממוצע של 100 מ׳ זה מזה, ומהירות תנועתם הייתה עולה על מהירות האור. זו הסיבה שבמצב הגזי תנועת החלקיקים חופשית לחלוטין ומוגבלת אך ורק בהתנגשויות בין חלקיק לחלקיק.
לפיכך, הקריטריונים המיקרוסקופיים של הגז הם:
- תנועה חופשית,
- מרחקים גדולים בין החלקיקים,
- אי־סדר.
מבחינת הקריטריונים המאקרוסקופיים, הגז אינו שומר על נפחו ואינו שומר על צורתו. הוא ממלא את כל המקום שרק יכול וצורתו כצורת המקום שבו נמצא.
המצב הנוזלי
במצב הנוזלי החלקיקים צפופים הרבה יותר מאשר בגז. אם נמשיך באנלוגיה עם האנשים, הרי שבמצב הנוזלי המרחק בין איש לאיש יהיה כ־2-3 מטרים. במצב כזה התנועה כבר מוגבלת יותר והמהירויות קטנות יותר. במצב הנוזלי נוצרים “איים” של סדר המכסים קבוצות קטנות של חלקיקים — קבוצות כאלה יכולות למנות עשרות עד מאות חלקיקים.
כלומר, עבור המצב הנוזלי הקריטריונים המיקרוסקופיים הם:
- מרחקים בינוניים בין החלקיקים,
- תנועה עדיין קווית אך מוגבלת,
- סדר לטווח קצר.
מבחינת הקריטריונים המאקרוסקופיים, הנוזל שומר על נפחו אך לא על צורתו. ליטר אחד של מים יהיה אותו ליטר בבקבוק או על הרצפה, אך צורתו תהיה כצורת הכלי.
המצב המוצק
במצב המוצק החלקיקים נמצאים קרוב מאוד זה לזה — למעשה הם סמוכים. במצב כזה אין לחלקיקים אפשרות לנוע, אלא לכל היותר לבצע תנודות קטנות. לגבי הסדר במצב המוצק קיימות שתי אפשרויות:
האפשרות הראשונה — קיים סדר לטווח ארוך. מוצקים כאלה נקראים מוצקים אמיתיים או גבישים. בגביש מושלם הסדר יכול לכסות מיליארדי אטומים ואף יותר.
האפשרות השנייה — במוצק חל רק סדר לטווח קצר. התנועה עדיין מוגבלת מאוד בשל צפיפות החלקיקים, אך הסדר ביניהם דומה לזה שבנוזלים. מצב כזה נקרא אמורפי (ביוונית: חסר צורה), והוא מהווה מקרה ביניים בין מוצק אמיתי לנוזל. למוצקים אמורפיים שייכים, למשל, חמאה, זפת ודבש. ואכן, קשה לשייך חמאה לחומרים מוצקים באותה מידה כמו ברזל או עץ.
מבחינת הקריטריונים המיקרוסקופיים במצב המוצק:
- מרחקים קטנים בין החלקיקים,
- תנועה מוגבלת מאוד,
- סדר לטווח ארוך עבור מוצק גבישי, וסדר לטווח קצר עבור מוצק אמורפי.
מבחינת הקריטריונים המאקרוסקופיים, המוצקים שומרים גם על נפחם וגם על צורתם.
מעברים בין מצבי צבירה
אם נחמם מוצק, הוא יינתך ויהפוך לנוזל. אם נמשיך לחמם את הנוזל, הוא יתאדה ויהפוך לגז. בכיוון ההפוך: גז בקירור מתעבה לנוזל, ונוזל קופא . מתמצק למוצק. אלה הם תהליכי שינוי מצב הצבירה.
ניתן לשנות מצב צבירה לא רק על ידי העלאה או הורדה של הטמפרטורה, אלא גם באמצעות לחץ. הלחץ פועל באופן הפוך לטמפרטורה: שינוי הנגרם על ידי העלאת הטמפרטורה ניתן להשגה גם על ידי הורדת הלחץ, ולהפך.
לתהליכים אלה יש מקרה מיוחד וחשוב — תהליך הנקרא המראה (סובלימציה): מעבר ישיר ממצב מוצק למצב גז, ללא היווצרות נוזל. לדוגמה, פחמן דו־חמצני מוצק ממריא ישירות לגז. זו הסיבה שפחמן דו־חמצני מוצק נקרא גם קרח יבש.
עקומות חימום וקירור
אם ניקח מוצק גבישי ונחמם אותו, הוא יתחמם, יינתך, הנוזל שייווצר יתחמם ויתאדה, והגז ימשיך להתחמם. אם נקרר את הגז, נקבל עקומה דומה — אך העוברת בכיוון ההפוך.
בפועל, עקומת הקירור שונה במקצת מעקומת החימום, והשוני נובע מהולכת חום שאינה מספיק טובה, במיוחד במצב המוצק. כאשר הפריפריה של גוף מוצק כבר התקררה, מרכז הגוף עדיין נותר חם יותר. ככל שהדגם הנחקר קטן יותר, כך עקומת הקירור דומה יותר לעקומת החימום. בשל כך, במכשירי אנליזה תרמית נלקחים בדרך כלל דגמים במסות של מיקרוגרמים בודדים, וכך עיוותי המידע קטנים יותר.
בעקומות החימום והקירור ניתן לראות קטעים אופקיים (פלאטו) המתאימים לתהליכי התכה או אידוי. כך, אם נחמם גוף מוצק והוא יגיע לטמפרטורת ההתכה, האנרגיה המושקעת נצרכת להריסת הסדר לטווח הארוך של המוצק, וכל עוד תהליך זה נמשך — הטמפרטורה אינה משתנה. תופעה דומה מתרחשת באידוי: האנרגיה המושקעת נצרכת בסילוק חלקיקי הגז מהנוזל. בעקומת הקירור נצפות תופעות מקבילות — בפרט, שני מקטעים אופקיים המתאימים לתהליכי העיבוי והקיפאון.
אם נבדוק חומר אמורפי, בעקומת הקירור שלו נצפה רק מקטע אופקי אחד — המתאים לעיבוי הגז — ולא נראה מקטע אופקי באזור המעבר מנוזל למוצק. למעשה, לגוף אמורפי אין כלל מעבר מוגדר מנוזל למבנה מוצק: ככל שהטמפרטורה יורדת, החומר נעשה צמיג וסמיך יותר, ובשלב מסוים כבר קשה להתייחס אליו כאל נוזל. כך, למשל, דבש שהושם במקרר מתנהג כחומר מוצק (אך מתקרב לנוזל בטמפרטורת החדר). כפי שכבר נאמר לעיל, חומר אמורפי מהווה מקרה מורכב, המשלב סימנים של המצב הנוזלי ושל המצב המוצק.
