Warum schmilzt Eis, wartet auf 100 Grad und verdampft DANN? Warum ist der Prozess der Ausdehnung der Dinge nicht kontinuierlich?

Der Unterschied zwischen fest und flüssig liegt in der atomaren Struktur. Eis ist kristallin (und daher in einem geordneten Zustand), während Wasser keine solche Ordnung hat. Es ist amorph.

Der Grund für die abrupte Zustandsänderung ist also, dass etwas nicht gleichzeitig geordnet und ungeordnet sein kann . Jetzt können Sie sagen: "Hey, warum nicht einige Regionen haben, die geordnet sind und sich mit anderen Regionen verbinden, die ungeordnet sind?" Dieser Zustand existiert und ist allgemein als nasser Schnee mit unterschiedlichen Graden an "Nässe" bekannt.

Einen Grenzfall möchte ich erwähnen: Kristallisation braucht Zeit. Glas und einige Thermoplaste sind in ihrem festen Zustand amorph und zeigen anschließend keine scharfe Eigenschaftsänderung, sondern gehen langsam von fest zu flüssig über.

Die Unterscheidung zwischen flüssiger und gasförmiger Phase verschwindet tatsächlich irgendwann, meist bei höherem Druck. Jenseits des sogenannten kritischen Punkts sind die beiden Zustände nicht zu unterscheiden. Daher ist es möglich, ohne Phasenwechsel von flüssigem Wasser zu Dampf zu gelangen .

Im Wesentlichen existieren abrupte Phasenänderungen von fest zu flüssig für Materialien, die eine hohe Neigung zur Kristallbildung haben. Die meisten Reinstoffe lassen sich regelmäßig anordnen und neigen daher zur Kristallbildung. Glas (SiO2) wird oft mit anderen Stoffen vermischt, um die Kristallisation zu verhindern. Sie können alles amorph machen, indem Sie es schnell abkühlen.

Der Phasenwechsel von flüssig zu fest ist weniger abrupt als Sie vielleicht denken. Es existiert nur für niedrigen Druck und niedrige Temperaturen. Wie niedrig, hängt von der Substanz ab.

Die meisten der obigen Aussagen gelten für jede Substanz, nicht nur für Wasser.

Es gibt ziemlich starke, aber kurzreichweitige Anziehungskräfte, die Moleküle in Kristallmaschen oder in Flüssigkeit halten. Stärke und kurze Reichweite der Kräfte führen zu Instabilität von „fester“, „flüssiger“ oder „dampfartiger“ Form des Materials.

Um die Instabilität zu veranschaulichen, betrachten Sie ein Gedankenexperiment. Wir haben einen Magneten und ein Stück ferromagnetisches Metall. Wir legen ein Stück Metall auf den Tisch. Wenn wir uns mit dem Magneten von oben nähern, gibt es drei mögliche Fälle - Abstand zwischen Magnet und Metall kann sein:

• weit genug - es gibt keine sichtbare Attraktion
• zu nah - das Metallstück wird angehoben und rastet im Magneten ein
• etwas Abstand dazwischen - das Metallstück schwebt zwischen dem Tisch und dem Magneten (der Abstand wird genau eingehalten - nicht zu weit, um herunterzufallen, und nicht zu nahe, um angehoben zu werden). Wie wir sehen können, ist diese Situation ziemlich schwierig aufrechtzuerhalten. Diesem Fall entspricht eine "feste" oder "flüssige" Materialform.

Diese (nicht ganz genaue) Analogie beantwortet, warum es unter normalen Bedingungen (unter atmosphärischem Druck) keine feste Form von Wasser und keine flüssige Form von Dampf gibt.

Allerdings bleibt die Frage „warum Wasser auf 100 Grad wartet“. Unser Problem ist, dass der Wasserdampf für das menschliche Auge transparent ist und wir ihn nicht von der Luft unterscheiden können. Wenn wir den Wasserdampf sehen könnten und wenn wir genau genug beobachten würden, wie Wasser erhitzt (und schließlich gekocht) wird, würden wir kontinuierliche (nicht abrupte) Veränderungen sehen. Es stellt sich heraus, dass das Wasser nicht auf 100 Grad wartet.

Wenn Wasser von 0 auf 100 Grad (unter atmosphärischem Druck) erhitzt wird, entsteht eine immer höhere Konzentration von Wasserdampf über dem Wasserspiegel. Bei Siedetemperatur liegt eine Konzentration von 100 % vor. Um den Prozess schön zu beschreiben, wird der Begriff „Partialdruck“ eines Wasserdampfes verwendet.

Der Druck eines Wasserdampfes bei Siedetemperatur reicht aus, um kleine Luftbläschen aufzublähen, die im Wasser dispergiert sind – was als Sieden sichtbar ist . Wasser bekommt zusätzliche Oberflächen, durch die es verdunstet. Wenn wir das Wasser schneller erhitzen, entstehen die zusätzlichen Oberflächen schneller und die Verdunstung wird schneller. Die Verdunstung kühlt das Wasser ab und das ist der Grund, warum die Temperatur bei 100 Grad stoppt.

Schauen wir uns nun den Mechanismus an, wie Wasser durch Verdunstung abgekühlt wird. Die Temperatur hängt mit der Durchschnittsgeschwindigkeit von Molekülen zusammen. Die Geschwindigkeitsverteilung ist ungleichmäßig. Moleküle, die aus dem Wasser entweichen, wirken gegen kurzreichweitige Anziehungskräfte, die versuchen, sie im Wasser zu halten.

Nur die schnellsten Moleküle schaffen es zu entkommen. Wenn die schnellsten Moleküle entkommen, wird die Durchschnittsgeschwindigkeit verringert. Das Wasser ist also kälter. Andererseits wurden die austretenden Moleküle (während der Flucht) zurückgezogen und dadurch gebremst. Sobald die entwichenen Moleküle im Dampf sind, sind sie langsam. Die Durchschnittsgeschwindigkeit der Dampfmoleküle wird verringert. Der Dampf ist also kälter.

Füllen Sie eine Schüssel mit Wasser, lassen Sie sie einige Tage stehen und sehen Sie dann, wie viel Wasser übrig ist. Wasserverdampfer die ganze Zeit je nach den Bedingungen. Sieden bedeutet, dass durch die Flüssigkeit überall Dampfglocken entstehen. Unterhalb der Siedetemperatur erfolgt die Verdampfung nur noch an der Grenzfläche zur Luft.

Laut John Rennie habe ich die Frage möglicherweise falsch verstanden, daher werde ich einige ausführliche Erklärungen hinzufügen. Aber da Raja ein Highschool-Schüler im ersten Jahr ist, was in meinem Land 13 Jahre bedeutet, versuche ich, es einfach zu halten. Natürlich könnte das Alter in Indien höher sein und seine Grundkenntnisse besser sein als bei einem 13-jährigen holländischen Kind. Wie aus Rajas Profil ersichtlich ist, ist er 17 Jahre alt.

Zuerst müssen wir uns den Makro-Gesichtspunkt gegenüber dem Mikro-Gesichtspunkt vor Augen halten, wobei Makro Materie, Phase, Dichte, Temperatur usw. bedeutet. Mikro bedeutet Moleküle, Kräfte, Geschwindigkeit, Entfernung, Energie usw. Was passiert mit den Molekülen in der Mikrowelt bestimmt das Verhalten der Materie in der Makrowelt. Moleküle in Materie haben sowohl kinetische Energie als auch potentielle Energie. Die kinetische Energie der Moleküle hängt von der Temperatur der Materie ab. Die potentielle Energie hängt vom Abstand zwischen den Molekülen sowie von den Anziehungskräften ab, die die Moleküle aufeinander ausüben. Diese Kräfte sind normalerweise umso größer, je kleiner der Abstand zwischen den Molekülen ist.

Die Kräfte bestimmen die Phase der Materie. Wenn sie groß genug sind, werden die Moleküle relativ zueinander festgehalten. Dies ist ein Feststoff.

Bei geringeren Kräften können sich die Moleküle relativ zueinander bewegen, bleiben aber dennoch beieinander. Das ist eine Flüssigkeit. Dieses Verhalten können Sie beobachten, wenn Sie etwas Wasser auf den Tisch schütten. Das Wasser wird sich ausbreiten, aber nicht unbegrenzt. Wenn zwei Tropfen nahe genug beieinander liegen, vereinigen sie sich zu einem Tropfen.

In gasförmiger Materie sind die Kräfte zwischen den Molekülen sehr klein und die Moleküle bewegen sich frei.

Um also die Phase einer Materie zu ändern, müssen die Kräfte so weit gesenkt werden, dass sich die Moleküle relativ bewegen können, um andere zu erreichen. Dies geschieht, indem den Molekülen kinetische Energie zugeführt wird, die sie an ihrer Stelle schwingen lässt. Wenn die Geschwindigkeit groß genug wird, können sich die Moleküle voneinander entfernen. Die Temperatur ist ein Hinweis auf die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle. Damit sich also alle Moleküle mit ausreichend hoher Geschwindigkeit bewegen, benötigt die Materie eine Mindesttemperatur. Den Abstand zwischen den Molekülen zu vergrößern, bedeutet Arbeit, da man die Moleküle gegen die Anziehungskräfte bewegen will. Dadurch wird die potentielle Energie der Moleküle erhöht. Gleichzeitig werden die Anziehungskräfte gesenkt.

Beim Erhitzen von Materie wird die zugeführte Energie zunächst hauptsächlich dazu verwendet, die kinetische Energie der Moleküle zu erhöhen und die Temperatur zu erhöhen. Wenn der Schmelzpunkt erreicht ist, wird die zugeführte Energie hauptsächlich dazu verwendet, die potentielle Energie der Moleküle zu vergrößern, wobei die mittlere kinetische Energie konstant gehalten wird, die wir als festen Schmelzpunkt beobachten.

Wie ich eingangs geschrieben habe, verdampft Wasser bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes. Dies liegt daran, dass einige Moleküle durch Kollisionen mit benachbarten Molekülen kinetische Energie gewinnen. Die kinetische Energie des Moleküls wird dann in potentielle Energie umgewandelt, wenn es sich von den anderen Molekülen entfernt. Wenn die gewonnene Energie hoch genug ist, bewegt sich das Molekül weit genug, um als frei von Wasser angesehen zu werden. Da die durchschnittliche kinetische Energie gleich bleibt, ändert sich die Temperatur des Wassers nicht.

Es gibt einen kontinuierlichen Bereich von Verhaltensweisen, wenn man die thermische Energie in einem Material erhöht. Es ist jedoch ein sehr diskreter kontinuierlicher Bereich =) Es ist wie eine Treppe. Theoretisch kann sich die Treppe unter dem Gewicht Ihres Fußes bewegen und biegen ; in der Praxis behandeln wir sie als harte starre Schritte.

Beginnen wir für eine Analogie mit einem Kartenspiel, sortiert und passend. Dies ist ein hochgradig geordnetes System, und wir werden behaupten, dass es sich auf Eis bezieht. Im Eis sind die intermolekularen Kräfte im Vergleich zur thermischen Energie enorm stark. Es hält alles an Ort und Stelle. In unserer Kartenanalogie können wir es mit einigen sehr dicken unflexiblen Karten vergleichen, als wären sie aus Eisen. Wenn Sie versuchen, sie mit einem Riffle-Shuffle zu mischen, stellen Sie fest, dass Sie dies nicht können. Die Karten weigern sich einfach, sich zu bewegen, egal wie oft Sie versuchen, sie zu "mischen". Ebenso sind die Moleküle im Eis so eingeschlossen, dass es außerordentlich unwahrscheinlich ist, dass thermische Energie ein Molekül an einen neuen Ort bewegt. Dadurch wird es starr.

Jetzt drehen wir die Hitze auf. In dieser Kartenanalogie werden wir die Karten etwas flexibler gestalten. Im Eis fügen wir mehr Wärmeenergie hinzu und lassen die Dinge schneller herumspringen. Irgendwann biegen sich die Karten so weit, dass ein Mischen möglich ist, gerade als die intermolekularen Kräfte schließlich von einem Teil der thermischen Bewegung überwältigt werden und eine Bewegung ermöglichen.

Wenn Sie jetzt ein steifes Deck einmal mischen, würde es die Reihenfolge nicht so sehr ändern . Es gibt einen Grund, warum Sie ein Deck mehrmals mischen müssen, bevor Sie es austeilen. Die Natur ... mischt nie ein einziges Mal. Thermische Zufälligkeit ist eine sehr schnelle Operation, wie das tausendfache Mischen des Decks. Sobald Sie also genügend Flexibilität in den Karten haben, um die Steifigkeit zu überwinden, die ein Mischen verhindert, werden sie wirklich schnell gemischt . Es gibt tatsächlich einen Zustand der Materie, der fest ist, ein teilweise gemischtes Deck, aber er dauert nur eine sehr kurze Zeit, da die zunehmende Mobilität es mehr hochenergetischen Molekülen ermöglicht, mit den festen Molekülen zu kollidieren und sie zu stoßen. Sehr schnell versagen uns die Annahmen starrer Objekte. Wir sehen Bewegung und Fluidität.

So können wir das Deck für eine Weile mischen. Aber die Moleküle werden immer noch durch die Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten. Kein Atom kann entkommen. Nun, hin und wieder entkommt einer – verdampft. Es ist wirklich peinlich, wenn beim Mischen eine Karte aus Ihrem Deck entkommt, aber es passiert, wenn Sie tausende Male mischen. Was aber, wenn wir das Deck immer flexibler machen und immer mehr Energie in der Federkraft der Karten speichern? Irgendwann versagt Ihre Fähigkeit, Karten zu mischen, die Karten gehen überall hin und Sie spielen ein Spiel mit 52 Karten.

Im Wasser geschieht dies an einem Punkt, an dem die zwischenmolekularen Kräfte das Wasser nicht mehr zwingen können, in einer flüssigen Masse zu bleiben, die durch die Schwerkraft niedergehalten wird. Die Energie der Atome ist so groß, dass sie ausbrechen können, und zwar an jedem Punkt.

Warum sind diese Kanten nun so scharf? Wir sprechen von thermischen Effekten, daher gibt es in der Erklärung ein gewisses Maß an Zufälligkeit. Jedes Molekül hat die Möglichkeit, eine Geschwindigkeit zu haben, die hoch genug ist, um flüssiger oder gasförmiger zu wirken. Theoretisch gibt es also eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion, die beschreibt, welcher Anteil der Moleküle wie Eis, welche wie Wasser und welche wie Gas wirken.

Es gibt jedoch viele Atome. Und wenn Sie viele davon haben, beginnt der zentrale Grenzwertsatz ins Spiel zu kommen. Es besagt, dass, wenn Sie genug Ziehungen von einer Zufallsvariablen mit einer endlichen Varianz zusammenfassen$\sigma^2$, sieht die Summe immer mehr wie eine Normalverteilung mit Varianz aus$\frac{\sigma^2}{\sqrt N}$, Wo$N$ist die Anzahl der Ziehungen.

Nehmen Sie genug Ziehungen, wie die 33.460.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Atome in einem einzigen Kubikzentimeter Wasser , und die Varianz dieser Zufallsvariablen wird wirklich sehr eng. So eng, dass es schwierig oder sogar unmöglich sein kann, sie inmitten anderer Effekte zu messen (wie Sie auf dem Wasser atmen oder gelöste Ionen). Aus praktischen Gründen behandeln wir es also so, als ob es keine Varianz gäbe. Wir behandeln es so, als gäbe es einfach 3 (oder vier) diskrete Materiezustände.

Das begegnet Ihnen übrigens später in der Quantenmechanik. Jemand wird Ihnen sagen, dass Licht sowohl eine Welle als auch ein Teilchen ist, und Sie werden sich am Kopf kratzen und versuchen, das zu verstehen und versuchen, es in Ihre Realität einzubinden. Sie werden Ihnen sagen, dass die Verhaltensweisen in der QM-Welt zufällig sind, nachdem Sie Jahre damit verbracht haben, in der Schule nette einfache deterministische Physik zu lernen. Denken Sie einfach daran, dass Ihre Realität aus Milliarden und Abermilliarden von Photonen besteht, und wenn Sie genug davon haben, beginnt der zentrale Grenzwertsatz zu wirken, und all diese komplizierten Zufälligkeiten verwandeln sich in etwas viel Einfacheres – klassische Mechanik mit ihren schönen Dingen deterministisches Verhalten.

Okay, vielleicht nicht viel einfacher. Wasser ist immer noch kompliziert. Aber Sie bekommen die Idee!