מצב צבירה

מצב צבירה (פאזה) של חומר הוא אחד המופעים שחומר יכול להימצא בו. לרוב החומרים יש ארבעה מצבי צבירה שניתנים לצפייה בחיי היום-יום והם: מוצק, נוזל, גז ופלזמה. קיימים גם מצבי ביניים כגון גביש נוזלי, וכן מצבי צבירה נדירים שמתקיימים בטמפרטורות קיצוניות, למשל נוזל-על שהוא מצב צבירה המתרחש בטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט.

חומר יעבור ממצב צבירה אחד לשני בטמפרטורה מסוימת, הנקראת טמפרטורת מעבר. טמפרטורות המעבר שונות עבור כל חומר. עקב החשיבות הרבה של מצבי הצבירה והמעברים ביניהם בחיי היום-יום, לכל מעבר מצב צבירה שם ייחודי: מעבר ממוצק לנוזל נקרא בלשון המקצועית התכה (ולא "המסה")^[1], מעבר מנוזל לגז נקרא התאיידות. מעבר מגז לפלזמה נקרא יינון. גם למעברים ההפוכים שם ייחודי: מעבר מפלזמה לגז נקרא רקומבינציה, מעבר מגז לנוזל נקרא התעבות, ומעבר מנוזל למוצק נקרא הקפאה או התמצקות.

טמפרטורת המעבר בין המצבים תלויה גם בסוג החומר אך גם בלחץ. בדרך כלל לחץ גבוה יותר יעלה את טמפרטורת המעבר, אך לא תמיד. דוגמה בולטת למקרה ההפוך היא התכה של קרח. את הקשר בין מצבי הצבירה השונים, לחץ וטמפרטורה אפשר לצייר בדיאגרמת פאזות.

לא כל החומרים מופיעים בכל מצבי הצבירה, לדוגמה: פחמן-דו-חמצני, בלחץ אטמוספירי רגיל, עובר היישר ממצב מוצק למצב גז, ללא מעבר דרך חומר הנוזל.

תכונות מצבי צבירה

לכל אחד ממצבי הצבירה הנפוצים תכונות האופייניות לו:

מוצק: המולקולות של החומר מסודרות והרווחים ביניהן קטנים מאוד. לחומר במצב זה צורה מוגדרת (להבדיל מנוזל ומגז שלהם אין צורה מוגדרת – הם מקבלים את צורת הכלי שבו הם נמצאים) ונפח מוגדר (בדומה לנוזל, אך להבדיל מגז).
נוזל: מולקולות החומר אינן מסודרות אבל הרווח ביניהן קטן. תנועת המולקולות אינה רבה כמו בגז, אבל אינה מעטה כמו במוצק.
גז: המולקולות אינן צמודות (ישנו ריק ביניהן) והן נעות בחופשיות. גז, בדומה לנוזל, מסוגל לזרום, ואינו מתנגד לשינוי בצורתו. בניגוד לנוזל, לגז אין נפח קבוע, והוא נוטה להתפשט כדי למלא את כל הנפח שהוקצב לו.
פלזמה: חלק או כל האלקטרונים שבחומר מתנתקים ממנו והמולקולות הופכות להיות טעונות חשמלית. מבחינה מכנית, פלזמה מתנהגת כגז – אינה שומרת על נפח קבוע וממלאת את הכלי המכיל, אך היא מוליכה חשמל, ותכונותיה הכימיות שונות לחלוטין.

דיאגרמת פאזות

בתרמודינמיקה, נהוג לתאר את מצבי הצבירה של החומר בדיאגרמת פאזות T-P. זהו תרשים דו-ממדי שבו ציר x הוא הטמפרטורה T ואילו ציר y הוא הלחץ P. במערכת צירים זו מציירים את העקומות המפרידות בין מצבי הצבירה של הנוזל ובכך מחלקים את השטח לשלושה חלקים, כאשר בכל חלק החומר נמצא במצב צבירה אחר. בקווים המחברים בין שני אזורים החומר יכול להימצא בשיווי משקל בשתי הפאזות, מסיבה זו הם נקראים "קווי דו-קיום". נוסחת קלאוזיוס קלפרון מאפשרת לחשב את השיפוע של קווים אלה.

מעברי פאזה

ערך מורחב – מעבר פאזה

מעבר של חומר בין מצבי הצבירה השונים תלוי בטמפרטורה ובלחץ. למעברים בין מצבי הצבירה יש שמות ייחודיים:

	למוצק	לנוזל	לגז	לפלזמה
ממוצק		התכה (או היתוך)	המראה (סובלימציה)
מנוזל	קפיאה (או קיפאון) וכן התמצקות		התאדות (נידוף) או רתיחה
מגז	ריבוץ (דפוזיציה)	התעבות (או עיבוי)		יינון
מפלזמה			רקומבינציה (אנ')

המושג המסה (מסיסות) אינו מעבר בין מצבי צבירה, אלא מתאר ערוב של שני חומרים ליצירת תמיסה.

חומרים שונים נבדלים בתנאים בהם מתרחש מעבר מצב צבירה. במרבית המקרים, הגדלת הלחץ בו נמצא החומר מעלה את טמפרטורות מעבר מצבי הצבירה שלו. דוגמה של חומר הנפוץ על פני כדור הארץ בשלושת מצבי הצבירה שלו הוא המים: בלחץ של אטמוספירה אחת נקודת ההיתוך שלהם (שבה הם הופכים מקרח למים) היא 0 מעלות צלזיוס, ונקודת הרתיחה שלהם (שבה הם הופכים ממים לאדי מים שהם גז) היא 100 מעלות. חומרים אחרים (חנקן למשל) בעלי נקודת רתיחה נמוכה מאוד, ולכן הם נפוצים רק בצורת גז על פני כדור הארץ, בעוד לחומרים כמו ברזל נקודת היתוך גבוהה מאוד, ולכן הם נפוצים רק בצורת מוצק על פני כדור הארץ.

תהליך מעבר הפאזה מתחיל בדרך-כלל באופן מקומי סביב אתרי התגרענות. חוסר קיומם של אתרים כאלו יכול להביא למצב של קירור יתר או חימום יתר.

עקומת החימום

אם מחממים חומר הנמצא במצב צבירה מוצק, הטמפרטורה הפנימית שלו עולה, עד שהיא מגיעה לטמפרטורת ההיתוך של חומר זה, בשלב זה המשך חימום לא יגרום לעלייה בטמפרטורה, היות שנדרשת אנרגיה לשינוי מצב הצבירה ממוצק לנוזל (אנרגיה המשמשת לשבירת קשרים בין חלקיקי החומר). בשלב בו כל החומר שינה את מצב הצבירה והפך כולו לנוזל, המשך חימום יגרום לעליית טמפרטורת החומר, וזאת עד הגיע החומר לנקודת הרתיחה. בנקודה זו מושקעת אנרגיה בהפיכת מצב הצבירה מנוזל לגז, והמשך חימום לא יגרום לעליית טמפרטורה אלא לשינוי מצב הצבירה. כאשר החומר כולו הופך לגז המשך חימום יגרום לטמפרטורת אדי החומר לעלות, כלומר להגדלת תנועת החלקיקים.

פלזמה

ערך מורחב – פלזמה (מצב צבירה)

הפלזמה שונה באופן מהותי ממצבי הצבירה האחרים. בעוד שההבדל בין מצבי הצבירה האחרים (גז, נוזל ומוצק) הוא רק באופי הקשרים החלשים אשר יוצרות מולקולות החומר בינן לבין עצמן ללא שינוי במבנה המולקולות והאטומים עצמם, בפלזמה משתנה מבנה האטום עצמו. במצב צבירה זה, הקרוי גם גז מיונן, אחדים מהאלקטרונים שבקליפה החיצונית (או כל האלקטרונים הללו) הופרדו מהאטום, והחומר הוא אוסף של יונים ואלקטרונים שאינם מחוברים זה לזה. מצב צבירה זה אופיין לראשונה על ידי ויליאם קרוקס בשנת 1879. אף שמצב זה אינו נפוץ בכדור הארץ, הוא מצב הצבירה של 99% מהחומר הרגיל ביקום (כלומר, למעט החומר האפל והאנרגיה אפלה). צורות נפוצות של פלזמה כוללות את השמש וכוכבים נוספים, ברק, רוח השמש, הגז בנורות ניאון ופלאורסנט ועוד.

מצבי צבירה מיוחדים

קיימים חומרים אשר יכולים להתקיים במצבי צבירה מורכבים יותר כגון גבישים נוזליים, נוזל-על, ננוחלקיקים, עיבוי בוז-איינשטיין, חומר מנוון, כוכב נייטרונים, פלזמת קווארקים-גלואונים ואחרים. אלו מצבים שנדירים על פני כדור הארץ, וחלקם מלאכותיים ומתקיימים במעבדות בלבד. עם זאת חלקם נפוצים למדי ביקום: כל הננסים הלבנים עשויים בעיקר חומר מנוון, וכל כוכבי הנייטרונים עשויים כמעט אך ורק מנייטרונים.