בשער-קהילה אקדמית למען החברה בישראל בשער בפייסבוק - קהילה אקדמית למען החברה בישראל בשער - קהילה אקדמית למען החברה בישראל בשער - קהילה אקדמית למען החברה בישראל
דף הבית   |   על בשער   |   פעילויות בשער   |   ספר אורחים   |   צור קשר      רשימת תפוצה
 
 
 > שלח שאלה למומחה
 
 
 
     כל התחומים
     אסטרופיזיקה
     הנדסת חשמל
     הנדסת מזון
     כימיה
     פרקינסון
     ננוטכנולוגיה
     הנדסה
     מדעי המחשב
     כימיה
     ביולוגיה
     פיזיקה
     רפואה
     מתמטיקה
     מדעי הסביבה
     גיאוגרפיה
     מוט"ב
     הוראת המדעים
     אזרחות
     כלכלה
     היסטוריה
     משפטים
     פסיכולוגיה
     תנ"ך
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 > בשער האזרחות
 
 
 > הרצאות מומחים ברשת
 
 
 > רשימת תפוצה
 
 > חתום בספר האורחים
 
 > כניסה לשואלים רשומים
 
 
 > English
 
שאלה מספר 3849 - שאלה בעניין האנומליה של המים תאריך: 20/01/2009
תחומי דעת:  כימיה  , הוראת המדעים  

שלום וברכה!


ידוע שככל שהלחץ עולה הטמפרטורה בה המים קופאים יורדת, שאלתי, האם קיים לחץ כה גבוה עד שהמים לעולם לא יקפאו בו, לא משנה כמה הטמפרטורה שלהם נמוכה? מהו? ובלחץ שהוא מעט נמוך ממנו, מה הטמפרטורה הנדרשת בשביל להקפיא את המים?
ואם אין לחץ כזה, זה אומר שבטמפרטורה מסוימת המים יקפאו תמיד -לא משנה מה גודל הלחץ- אם כן, מה היא הטמפרטורה הזאת?



בין אם יש לחץ כזה ובין אם אין, האם יש לחץ מספיק גדול שמסוגל למנוע מהנפח של המים שעוברים הקפאה לגדול?

אני לא במגמת פיזיקה ולכן אודה על הסבר פשוט. תודה רבה!



קיבלתי קישורים שאמורים לעזור לי לדעת את התשובה אבל הידע שלי לא מספיק בשביל להבין מה שכתוב בהם.

להלן הקישורים:

http://www.lsbu.ac.uk/water/phase.html

http://www.unesco.org/webworld/ramp/html/r8707e/r8707e06.htm

http://www.unesco.org/webworld/ramp/html/r8707e/r8707e00.gif

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Melting_curve_of_water.jpg

תודה מראש יהונתן צבי בר.
תשובה מאת: פרופ' חיים דימנט
   


שלום יהונתן,

לשאלתך יש צדדים רבים – חלקם קשורים לתכונות המיוחדות של מים, וחלקם כלליים יותר. אנסה לענות על כולם. תוך כדי קריאת התשובה כדאי מאוד להתבונן בדיאגרמת הפאזה של מים. אתה יכול למצוא דיאגרמה כזו באתרים שונים באינטרנט, למשל: http://www.lsbu.ac.uk/water/images/phase.gif, http://www.homepages.ucl.ac.uk/~ucfbanf/ice_phase_diagram.jpg. הדיאגרמה אינה מסובכת כלל כפי שהיא נראית במבט ראשון. עבור טמפרטורה ולחץ נתונים עליך להסתכל בנקודה המתאימה בדיאגרמה ולראות מהו מצב הצבירה של מים. כפי שאתה רואה, למים יש מצבי צבירה רבים יותר מגז, נוזל ומוצק בלבד, שכן יש כל מיני סוגים של קרח, וכל אחד מהם הינו מצב צבירה בעל מבנה שונה.

א. העובדה ממנה אתה מתחיל – שטמפרטורת הקיפאון יורדת ככל שלחץ הקיפאון עולה – היא אחת הדוגמאות להתנהגות הבלתי-שגרתית של מים (האנומליה של מים). ניתן להראות שעובדה זו קשורה באופן הדוק לתכונה הבלתי-שגרתית השניה שאתה מזכיר – שנפח הקרח גדול מנפח הנוזל. בדיאגרמה הדבר מתבטא בכך שלקו המפריד בין מצב הצבירה הנוזלי למצב הצבירה של קרח Ih יש שיפוע שלילי. כפי שאתה יכול לראות בדיאגרמה, האנומליה הזו איננה מתקיימת תמיד. מעבר לנקודה מסוימת (לחץ של כ- 0.2 ג'יגה-פסקל, או 2000 אטמוספרות) מים נוזליים קופאים לסוג אחר של קרח, והשיפוע של הקו המפריד בין הנוזל למוצק הופך לחיובי. מכאן ואילך טמפרטורת הקיפאון עולה ככל שהלחץ עולה (וזו ההתנהגות הנפוצה, הנורמלית, ברוב החומרים). מאותה נקודה ואילך גם האנומליה הקשורה לנפח אינה מתקיימת.

התשובה לשאלתך הראשונה היא, אפוא, שלילית – אין לחץ גבוה כזה, שבו מים נוזליים לא יקפאו בכל טמפרטורה. נהפוך הוא – עבור לחצים גבוהים דיים נהיה קשה מאוד לגרום למים לעזוב את המצב המוצק ולהתנזל, ויש להעלות את הטמפרטורה לערכים גבוהים מאוד כדי להשיג זאת (הבט שוב בדיאגרמה). התשובה לשאלתך השלישית חיובית – בלחצים גבוהים מהערך שלעיל (כ-2000 אטמוספרות) נפח הקרח קטן מנפח הנוזל (אבל המדובר בקרח בעל מבנה אחר מזה הנוצר בלחץ רגיל).

ב. בשאלתך השניה, באשר לטמפרטורה שמתחת לה מים יהיו מוצקים בכל לחץ, התכוונת ללחץ גבוה כרצוננו, בהנחה שהאנומליה (עליית לחץ הקיפאון עם ירידת הטמפרטורה) מתקיימת תמיד. כפי שמוסבר ב-א' ובדיאגרמה, הנחה זו אינה נכונה. אולם אפשר לשאול שאלה דומה עבור לחצים נמוכים יותר ויותר. האם קיימת טמפרטורה שמתחת לה מים יהיו מוצקים אפילו בלחץ המתקרב לאפס? כפי שאתה יכול לראות בדיאגרמה, מתחת לטמפרטורה מסוימת (0.01 צלזיוס), כשמפחיתים את הלחץ, עוברים מקרח (מוצק) ישירות לאדים (גז) ללא מצב נוזלי באמצע. ככל שהטמפרטורה נמוכה יותר הלחץ בו קרח הופך לאדים יורד. עד מתי? תיאורטית, הקו הזה אמור להגיע אל לחץ אפס בטמפרטורה אפס, כלומר התשובה לשאלה שלעיל היא שלילית – בכל טמפרטורה קיים לחץ נמוך דיו בו הקרח יתאדה. אינני יודע עם טענה זו הוכחה נסיונית.

ג. משאלותיך עולה נקודה עקרונית שאיננה קשורה דווקא למים. האם יתכן שחומר לא יהפוך למוצק תהא הטמפרטורה שלו קטנה ככל שתהא? לפי החוק השלישי של התרמודינמיקה קיימת טמפרטורה מינימלית – האפס המוחלט – שאי אפשר לרדת מתחת לה, ואשר בה לחומר יש רק תצורה אפשרית אחת (או מספר קטן קרוב לאחד). לנוזל וגז יש מספר עצום של תצורות ( לכן, בין השאר, הם יכולים לזרום בקלות). התשובה, אפוא, היא שלילית – סמוך מספיק לטמפרטורה אפס חומרים יימצאו במצב של מוצק גבישי, בעל מספר קטן של תצורות אפשריות. יוצא מן הכלל הוא הליום (בלחץ סטנדרטי, לא גבוה מדי), אשר סמוך לטמפרטורה אפס אינו הופך למוצק אלא לנוזל מוזר, בעל מספר קטן של תצורות, הקרוי "על-נוזל".

בברכה,
פרופ' חיים דימנט
בית הספר לכימיה
אוניברסיטת תל אביב
הוסף תגובה הדפס שאלה      שלח לחבר      שאלות מועדפות
שלח שאלה למומחה   |   שמור כדף הבית   |   הוסף למועדפים   |   תנאי שימוש באתר   |   Powered By Art-Up