עקומת חימום: מה זה, איך עושים זאת, דוגמאות - גוּפָנִי - 2025

עקומת חימום הוא ייצוג גרפי של איך הטמפרטורה של מדגם משתנה כפונקציה של זמן, שמירה על מתמדת בלחץ והוספת חום אחיד, כלומר, בקצב קבוע.

לבניית גרף מסוג זה, נלקחים זוגות של ערכי טמפרטורה וזמן, אשר מאוחרים יותר בתרשים על ידי הצבת הטמפרטורה על הציר האנכי (סדר) והזמן על הציר האופקי (אבסיסה).

איור 1. עקומת החימום של חומר מתקבלת על ידי הוספת חום ומדידת הטמפרטורה כל פרק זמן מסוים. מקור: Pixabay.

ואז העקומה המתאימה ביותר מותאמת לנקודות הניסוי הללו ולבסוף מתקבל גרף של הטמפרטורה T כפונקציה של הזמן t: T (t).

מה עקומת החימום?

כאשר הוא מחומם, חומר עובר במצבים שונים ברצף: מהיותו מוצק הוא יכול להפוך לאדי, כמעט תמיד עובר במצב הנוזל. תהליכים אלה נקראים שינויי מצב, בהם הדגימה מגדילה את האנרגיה הפנימית שלה תוך הוספת חום, כפי שעולה מהתאוריה הקינטית המולקולרית.

כשמוסיפים חום למדגם יש שתי אפשרויות:

- החומר מעלה את הטמפרטורה שלו, בהתחשב בכך שחלקיקיו מעורבים בעוצמה גבוהה יותר.

- החומר עובר שינוי שלב, בו הטמפרטורה נשארת קבועה. הוספת חום השפעה של היחלשות במידה מסוימת של הכוחות המחזיקים את החלקיקים זה בזה, וזו הסיבה שקל לעבור מקרח למים נוזליים, למשל.

איור 2 מציג את ארבעת מצבי החומר: מוצק, נוזל, גז ופלזמה, ושמות התהליכים המאפשרים את המעבר ביניהם. החצים מציינים את כיוון התהליך.

איור 2. מצבי החומר והתהליכים הנחוצים למעבר בין אחד לשני. מקור: Wikimedia Commons.

-שינויים במצב בחומר

החל מדגימה במצב מוצק, כשהוא נמס הוא נכנס למצב נוזלי, כשהוא מתאדה הוא הופך לגז ובאמצעות יינון הוא הופך לפלזמה.

ניתן להמיר את המוצק ישירות לגז על ידי תהליך המכונה סובלימציה. ישנם חומרים שמתמכרים בקלות בטמפרטורת החדר. הידוע ביותר הוא CO ₂ או קרח יבש, כמו גם נפטלין ויוד.

בזמן שהדגימה עוברת שינוי מצב, הטמפרטורה נשארת קבועה עד שהיא מגיעה למצב החדש. המשמעות היא שאם למשל יש לך חלק של מים נוזליים שהגיעו לנקודת הרתיחה, הטמפרטורה שלהם נשארת קבועה עד שכל המים הפכו לאדים.

מסיבה זו צפוי כי עקומת ההתחממות תהיה מורכבת משילוב של קטעים הולכים וגדלים וחתכים אופקיים, כאשר האחרונים מתאימים לשינויי פאזה. אחד מהעקומות הללו מוצג באיור 3 עבור חומר נתון.

איור 3. עקומת חימום של חומר נתון, עם התצורה האופיינית המבוססת על מדרגות ומדרונות.

פרשנות של עקומת החימום

במרווחי הגידול ab, cd ו- ef החומר נמצא כמוצק, נוזל וגז בהתאמה. באזורים אלה האנרגיה הקינטית עולה ואיתה הטמפרטורה.

בעוד שב- bc זה משנה את מצבו ממצב לנוזל, ולכן שני השלבים מתקיימים זה בזה. זה קורה בחלק של, בו המדגם משתנה מנוזל לגז. כאן האנרגיה הפוטנציאלית משתנה, והטמפרטורה נשארת קבועה.

ההליך ההפוך אפשרי גם הוא, כלומר ניתן לקרר את הדגימה כדי לאמץ ברציפות מדינות אחרות. במקרה זה אנו מדברים על עקומת קירור.

לעקומות החימום יש מראה כללי זהה לכל החומרים, אם כי כמובן לא אותם ערכים מספריים. לחומרים מסוימים לוקח זמן רב יותר מאחרים כדי לשנות מצב, והם נמסים ומאדים בטמפרטורות שונות.

נקודות אלה ידועות בהתאמה כנקודת התכה ונקודת רתיחה והן מהוות מאפיינים של כל חומר.

זו הסיבה שעקומות החימום שימושיות מאוד, מכיוון שהם מציינים את הערך המספרי של טמפרטורות אלה למיליוני חומרים הקיימים כמוצקים ונוזלים בטווח הטמפרטורות הנחשבות לנורמליות ובלחץ האטמוספרי.

איך מייצרים עקומת חימום?

באופן עקרוני, זה פשוט מאוד: פשוט הניחו מדגם של חומר בכלי מצויד במערבב, הכניסו מדחום וחממו באופן שווה.

במקביל, בתחילת ההליך מופעל שעון עצר והזוגות המתאימים לזמן הטמפרטורה מתאימים מדי פעם.

מקור החום יכול להיות מבער גז, עם קצב חימום טוב, או עמידות חשמלית הפולטת חום בעת החימום, אותו ניתן לחבר למקור משתנה כדי להשיג עוצמות שונות.

לדיוק רב יותר קיימות שתי טכניקות הנמצאות בשימוש נרחב במעבדת הכימיה:

- ניתוח תרמי דיפרנציאלי.

- קלורימטריית סריקה דיפרנציאלית.

הם משווים את ההבדל בטמפרטורה בין הדגימה הנחקרת לבין מדגם ייחוס אחר עם טמפרטורת התכה גבוהה, כמעט תמיד תחמוצת אלומיניום. בשיטות אלה קל למצוא את נקודות ההיתוך והרתיחה.

דוגמאות (מים, ברזל …)

שקול את עקומות החימום עבור מים וברזל המוצגים באיור. סולם הזמן אינו מוצג, אולם מיידי להבחין בטמפרטורות ההתכה של שני החומרים התואמים לנקודה B בכל גרף: למים 0 ° C, לברזל 1500 מעלות צלזיוס.

איור 4. עקומות חימום למים וברזל.

מים הם חומר אוניברסלי וטווח הטמפרטורות הדרוש בכדי לראות את שינויי מצבו קל להשיג במעבדה. טמפרטורות גבוהות בהרבה נדרשות לברזל, אך כאמור לעיל צורת הגרף לא משתנה באופן מהותי.

ממיסים את הקרח

כאשר מחממים את מדגם הקרח, על פי הגרף אנו נמצאים בנקודה A, בטמפרטורה שמתחת ל 0 מעלות צלזיוס. נצפה כי הטמפרטורה עולה בקצב קבוע עד שמגיעה ל 0 מעלות צלזיוס.

מולקולות המים בתוך הקרח רוטטות עם משרעת גדולה יותר. ברגע שמגיעים לטמפרטורת ההיתוך (נקודה B), המולקולות כבר יכולות לנוע זו מול זו.

האנרגיה שמגיעה מושקעת בהפחתת הכוח האטרקטיבי בין המולקולות, כך שהטמפרטורה בין B ו- C נשארת קבועה עד שכל הקרח נמס.

הופכים מים לאדים

ברגע שהמים במצב נוזלי, הרטט של המולקולות עולה שוב והטמפרטורה עולה במהירות בין C ל- D עד לנקודת הרתיחה של 100 מעלות צלזיוס. בין D ל- E הטמפרטורה נשארת בערך זה בעוד האנרגיה שמגיעה מבטיחה שכל המים במיכל יתאדו.

אם ניתן להכיל את כל אדי המים במיכל, הוא יכול להמשיך לחמם מנקודה E לנקודה F, אשר גבולה אינו מוצג בתרשים.

דגימת ברזל יכולה לעבור את אותם שינויים. עם זאת, בהתחשב באופי החומר, טווחי הטמפרטורה שונים מאוד.

הפניות

1. אטקינס, פ. עקרונות הכימיה: נתיבי הגילוי. העריכה של מדיקה פאנמריקנה. 219-221.
2. צ'ונג, פ. עקומות חימום. התאושש מ: chem.libretexts.org.
3. עקומות חימום. חום האיחוי והאידוי. התאושש מ: wikipremed.com.
4. יואיט, פול. 2012. מדע פיזיקלי רעיוני. 5. אדון פירסון. 174-180.
5. אוניברסיטת ולדוליד. תואר בכימיה, התאושש מ: accommodation.uva.es.