In Chemie wurde mir beigebracht, dass es drei Hauptzustände von Materie gibt: fest, flüssig und gasförmig, und dass Hitze und Druck diesen Zustand bestimmen. Bei manchen Stoffen ist die Grenze zwischen ihnen verschwommen.
Einige Materialien scheinen dies nicht intuitiv zu tun – noch konnte ich Daten über sie finden. Was ist zum Beispiel eine vernünftige Schätzung eines Schmelzpunkts für Ziegel? Was ist der Siedepunkt von Papier? Wann wird ein Teppich sublimieren?
Das gemeinsame Thema scheint zu sein, dass dies alles Verbundmaterialien sind. Sicherlich haben alle Elemente Schmelzpunkte (sofern zutreffend) und Siedepunkte. Viele Verbindungen tun dies auch. So etwas wie Pappe ist jedoch eine Mischung aus Faser, Klebstoff, Pigment und möglicherweise anderen Dingen. Jede davon kann aus mehreren Verbindungen bestehen, wobei jede Verbindung ihren eigenen Siedepunkt hat.
Mein Verdacht ist, dass bei Verbundwerkstoffen einzelne Verbindungen ungefähr individuelle Eigenschaften aufweisen würden - um also Holz zu schmelzen, würde das Wasser zuerst abkochen und dann vielleicht zu einer Glucose-Protein-Schlacke schmelzen. Ist das wirklich die richtige Idee für das, was passiert?
Das ist eine interessante Frage, denn darauf gibt es keine einfache Antwort – es passieren viele verschiedene Dinge. Eine schnelle Antwort ist, dass viele Materialien keine klaren Schmelzpunkte aufweisen, weil sie durch Erhitzen in etwas anderes umgewandelt werden, bevor sie schmelzen können. Hier sind ein paar Beispiele:
Im Allgemeinen haben reine Substanzen einfache, gut definierte Schmelz- und Siedepunkte. Aber es gibt viele Ausnahmen. Ein Schlüsselbeispiel ist Gips-CaSO4. 2H2O - Calciumsulfatdihydrat. Beim Erhitzen entwässert es zunächst in zwei Schritten. Zunächst verliert es 1,5 der Wassermoleküle als Dampf, dann in einer zweiten Phase das letzte 1/2 Wassermolekül als Dampf. Wenn diese Dehydratisierung abgeschlossen ist, ist die verbleibende Verbindung nicht die Verbindung, mit der wir begonnen haben – es ist jetzt CaSO4. Und wenn das Erhitzen fortgesetzt wird, zersetzt sich ein Großteil des CaSO4 – wodurch CaO (Feststoff) und SO3 (Dampf) entstehen. Schließlich wird ein gewisses Schmelzen beobachtet, aber das geschmolzene Material ist tatsächlich eine Mischung aus CaO und CaSO4.
Eine sehr ausführliche Beschreibung finden Sie hier: http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/27/jresv27n2p191_A1b.pdf
Bei komplizierteren Materialien treten ähnliche Prozesse auf, wenn auch nicht immer so vorhersehbar. Ihre letzte Frage bezog sich auf Holz. Wenn sich Holz erhitzt, trocknet es zuerst aus, wie Sie gesagt haben - dh das freie Wasser im Holz kocht und tritt als Dampf aus (dies ist kein chemisch gebundenes Wasser wie im Gips). Wenn das Erhitzen fortgesetzt wird, zersetzen sich die Zellulose und andere komplexe organische Moleküle thermisch und erzeugen viele leichte organische Verbindungen wie Methan, Butan, Propan, Alkohole usw. Dies sind im Wesentlichen kleine Teile der Moleküle, die Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthalten abbrechen und davonschweben. Wenn Sauerstoff vorhanden ist, verbrennen diese, um mehr Wärme zu erzeugen, um den Zersetzungsprozess zu beschleunigen, aber auch ohne Sauerstoff findet diese Zersetzung statt.
Irgendwann können keine leichten Kohlenwasserstoffe mehr freigesetzt werden und wir haben Kohlenstoff und verschiedene Spurenelemente wie Kalium, Kalzium, Magnesium usw. übrig. Das ist Holzkohle. Fortgesetztes Erhitzen kann schließlich zu dem Punkt führen, an dem diese Materialien schmelzen, aber was bleibt, ist nicht mehr Holz – es ist Kohlenstoff und ein paar andere Dinge – also gibt es keinen Punkt, an dem „Holz“ schmilzt.
Dies ist nicht wirklich sinnvoll, da die Siedepunkte "wohldefinierte" Größen sind. Ich kann Wasser kochen, die Temperatur melden, wenn es kocht, und Sie herausfordern, es in Ihrer Heimatstadt mit "anderem" Wasser zu reproduzieren. Sie können das Experiment wiederholen und feststellen, dass das Wasser bei der gleichen Temperatur kocht (tatsächlich kochen / gefrieren Substanzen / usw. in ziemlich engen Bereichen, nicht an bestimmten Punkten, aber das ist ein ganz anderes Problem).
Kurz gesagt, es gibt keinen genau definierten "Ziegel", Sie können ihn mit Stroh oder ohne Stroh herstellen, und Papier kann Säure enthalten oder nicht enthalten usw.
Wären Sie möglicherweise in der Lage, ein beliebiges Ergebnis empirisch zu reproduzieren, das aus einem homogenen Material erhalten wird, das aus vielen Teilen besteht, wobei diese Teile zwischen den Proben konsistent zueinander proportional gehalten werden? Es ist wichtig, dass das Material in diesem Fall zumindest homogen ist, da das Material bei den kleinen Maßstäben sehr unterschiedlich aussehen wird, wenn dies nicht der Fall ist (das wäre also, als würde man Äpfel mit Birnen vergleichen). Da Karton in Ihrem Beispiel nicht homogen ist, würden Sie im kleinen Maßstab feststellen, dass die verschiedenen Teile bei unterschiedlichen Temperaturen kochen (oder brennen) (das Papier wird sich sicherlich anders verhalten als der Klebstoff). Aber was ist mit dem Kleber? Wird Kleber A bei einer anderen Temperatur kochen als Kleber B, absolut! Dies wird durch die Komponenten geregelt.
Nebenbei bemerkt, bei Gasen wissen wir viel über "zusammengesetzte Gase", schauen Sie sich zum Beispiel das Gesetz von Raoult an.
Ich bin mir nicht sicher, ob ich mich auf den Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Gas konzentrieren würde. Sublimation, scheint sich besser zu benehmen. Ich habe gehört, dass einige Legierungen keine genau definierten Schmelzpunkte haben. Ich weiß nicht, ob so etwas bei Sublimation vorkommt. Aber stellen Sie sich ein Kristallgitter vor, das aus zwei ziemlich unterschiedlichen Substanzen besteht. In diesem Fall scheint das Material, das bei einer niedrigeren Temperatur sublimiert, das andere dazu zu bringen, bei einer viel niedrigeren Temperatur zu sublimieren. Denn schließlich würden sich die beiden Stoffe im Gitter halten. Man beginnt sich zu fragen, was genau die Ursache dafür ist, dass ein Phasenübergang von fest zu gasförmig auftritt. Bereits eine kleine Temperaturänderung bewirkt eine abrupte Zustandsänderung. Anscheinend wird die Entropie des Systems und seiner Umgebung durch dieses Phänomen maximiert.
Ich denke, Sie stellen in einem Physikforum eine Physikfrage, sodass Antworten möglicherweise nach den Grundsätzen der Physik formuliert werden. Aber Tatsache ist, dass es in Ihren zusammengesetzten Materialien chemische Reaktionen geben wird, die vor vielen Schmelz- oder Sublimationspunkten stattfinden.
Die Physik beschreibt ganz gut, was mit einem bestimmten Molekül an einem Temperatur- / Druckpunkt passieren könnte, aber um von STP zu diesem Punkt zu wechseln, ist das Molekül, mit dem Sie begonnen haben, möglicherweise nicht mehr da.
Es ist ein ähnliches Problem, wie den Siedepunkt von Wasser in einem Topf aus Cäsium nachzuweisen. Anstatt zuzusehen, wie etwas Wasser kocht, bumm und jeder im Raum ist verbrannt, vergiftet und radioaktiv. Bei Ihren alltäglichen Materialbeispielen kann die Physik wegen der mildernden Faktoren, die in diesem Fall chemische Faktoren sind, nicht isoliert untersucht werden.
Übrigens haben Wissenschaftler das gleiche allgemeine Problem, wenn sie versuchen, einfache chemische Eigenschaften in etwas Komplexerem wie einem lebenden Organismus nachzuweisen. Wenn Sie zum Beispiel versuchen würden, Backpulver und dann Essig in Ihren Arm zu injizieren, um zu sehen, ob es etwas Wasserstoff sprudeln würde, würden Sie wahrscheinlich auf eine Vielzahl von Betriebsproblemen stoßen, bevor das Experiment sehr weit fortgeschritten ist.
LDC3
Kevin Kostlan