באיזו טמפרטורה מים באמת הופכים לגז? ואיך קורה שכביסה רטובה או רצפה לחה מתייבשות בטמפרטורה נמוכה בהרבה 100 מעלות צלזיוס?
כל מי שלמד מדעים בבית הספר ודאי זוכר כי "100 מעלות צלזיוס זו הטמפרטורה שבה המים משנים מצב צבירה מנוזל לגז, כלומר הופכים לאדים". האם המשפט הזה נכון ומדוייק? צפו בסרטון שעונה על השאלה ומנסה לעשות סדר בין המונחים רתיחה והתאדות:
כפי שהוזכר בסרטון, מחשבה קצרה על חיי היום-יום ממחישה שאין שום בלעדיות לטמפרטורה של 100 מעלות בהפיכה של מים נוזלים לגז, כלומר לאדי מים. לכן, אפשר לייבש כביסה, על חבל או במייבש, כשהטמפרטורה היא הרבה פחות מ-100 מעלות, רצפה רטובה תתייבש תוך מספר דקות לאחר שטיפתה במים, ואולי הכי חשוב לחיים על היבשה: מים מתאדים מהאדמה ומהימים ויוצרים עננים, אפילו שהטמפרטורה של פני כדור הארץ נמוכה בהרבה מ-100 מעלות.
למעשה מים מתאדים בכל טמפרטורה בה הם נמצאים. גם ב-100 מעלות, אבל גם ב-90, וגם ב-50 וגם ב-10 ואפילו אם יש מי-קרח ב-0 מעלות, הם מתאדים והופכים לגז.
כביסה על חבל מתייבשת כמעט בכל טמפרטורה, אפילו כש-10 מעלות בחוץ | צילום: עידן גליקזליג
תנועה ומצבי צבירה
כידוע, יש לחומר שלושה מצבי צבירה בסיסיים: מוצק, נוזל וגז. כל החומרים בעולם בנויים מחלקיקים קטנטנים המרכיבים אותם. כל אחד ממצבי הצבירה מתאפיין ב"אופני תנועה" אופייניים של חלקיקי החומר המרכיבים אותו:
במצב צבירה מוצק – החלקיקים דבוקים במקומם, והתנועה היחידה שהם מקיימים היא רטט (ויברציה) במקום.
במצב צבירה נוזל – נוסף לרטט, החלקיקים יכולים לבצעה תנועה של סיבוב (רוטציה) סביב עצמם וסביב חלקיקים אחרים הצמודים אליהם.
במצב צבירה גז – בנוסף לרטט ולסיבוב, החלקיקים יכולים לעשות תנועת מעתק (רוטציה) כלומר לנוע בחופשיות לכל עבר.
החלקיקים המרכיבים את המים הם מולקולות מים – הבנויות כל אחת מאטום של היסוד חמצן (O) ומשני אטומים של היסוד מימן (H). בין מולקולות המים קיימים כוחות משיכה חשמליים מסוג 'קשרי מימן' – היוצרים משיכה חשמלית בין אטום מימן בעל מטען חשמלי חלקי חיובי (+) במולקולת מים אחת, לבין אטום חמצן בעל מטען חשמלי חלקי שלילי (-) במולקולת מים שכנה. מכיוון שמטענים חשמליים מנוגדים מושכים זה את זה, נוצרים 'קשרים' או כוחות משיכה בין המולקולות, המשפיעים גם על היכולת של מולקולה אחת להתנתק מחברותיה.
חשוב לציין שזה סוג הכוחות הדומיננטי במים. בחומרים אחרים כוחות אחרים עשויים להיות בעלי השפעה רבה יותר, אבל המשותף לכולם הוא שהם תמיד כוחות משיכה חשמליים בין חלקיקי החומר, ושהם יכולים למנוע תנועה חופשית של החלקיקים, אם הם חזקים מספיק. קשרי המימן הם הכוחות הבין-מולקולרים החזקים ביותר, והם המאפשרים למים להישאר כנוזל אפילו בטמפרטורות גבוהות יחסית. למעשה מולקולות המים הן המולקולות הקטנות והקלות ביותר בטבע שנמצאת במצב צבירה נוזלי בטמפרטורת החדר, בזכות הכוחות החזקים האלה.
משיכה בין המטען החיובי של אטומי המימן (לבן) למטען השלילי של אטומי החמצן (אדום). קשרי המימן שמשפיעים על תכונות המים | איור: magnetix, Shutterstock
טמפרטורה ומהירות
ככל שהטמפרטורה של חומר יותר גבוהה, כך החלקיקים שלו נעים יותר מהר. כאשר במינוח המדעי המדויק יותר אומרים כי האנרגיה הקינטית, כלומר אנרגיית התנועה של החלקיקים גדולה יותר. כלומר הטמפרטורה היא מעין מדד למהירות תנועת החלקיקים של חומר. אבל זה מדד ממוצע: במים ב-40 מעלות צלזיוס יהיו מולקולות מהירות מאוד, ויהיו גם מולקולות איטיות מאוד, הממוצע של כל המהירויות של כל המולקולות הוא שנותן את התוצאה: טמפרטורה של 40 מעלות צלזיוס.
בהקשר של התאדות: המולקולות המהירות הנמצאות בכמות קטנה בחומר הן החשובות, משום שהן יכולות להתגבר על כוחות המשיכה ש'מדביקים' אותן לצבר המולקולות האחרות, לברוח ממנו לחופשי ולהפוך לגז – זו למעשה ההתאדות. מולקולה שהתנתקה מצבר חברותיה יכולה להמשיך הלאה לאוויר או ליפול חזרה לצבר, ולכן, כפי שהדגמנו בסרטון וכפי שידוע מחיי היום-יום רוח שנושבת על מים נוזליים מגבירה מאוד את קצב ההתאדות, כי מולקולות האוויר שנושבות מעל המים מתנגשות במולקולות המים המקפצות מהצבר הנוזלי, מרחיקות אותן מהאזור ומונעות מהן ליפול חזרה למים הנוזליים.
זה גם מסביר מדוע נשיפה על כף מרק חם מקררת אותו: הנשיפה של האוויר כאמור עוזרת לסלק במהירות את מולקולות המים המהירות ביותר שמקפצות מתוך כף המרק. מכיוון שטמפרטורה היא כאמור מעין ממוצע של מהירויות החלקיקים, ברגע שמסלקים את המולקולות המהירות ביותר – הממוצע יורד. כלומר הטמפרטורה יורדת והמרק שבכף מתקרר.
כל תהליך ההתאדות הזה אפשרי כמובן רק מפני השטח של המים, החשופים לאוויר החיצוני.
המולקולות באוויר (בירוק) שזורם מעל כוס מים – מתנגש במולקולות המים המתאדות ומונע מהן ליפול חזרה לכוס | צילום: עידן גליקזליג, אנימציה: אנדריי לב-ארי
רתיחה
כאשר מחממים את המים יותר ויותר, הטמפרטורה שלהן עולה. ברמה החלקיקית זה אומר שמהירות מולקולות המים גדלה, וכך יותר מולקולות מים יכולות להתגבר על כוחות המשיכה המחזיקים אותן, ולהתאדות. כלומר חימום מגביר את קצב ההתאדות. בשלב מסוים הטמפרטורה כבר מספיק גבוהה, ומהירות החלקיקים מספיק מהירה כדי שמולקולות המים, רובן ככולן (בממוצע), מצליחות להתגבר על כוחות המשיכה ולהפוך לגז. במצב כזה מתרחשת רתיחה – שמתאפיינת בבעבוע ניכר בתוך המים. הבועות שנוצרות בתוך המים לא מלאות באוויר, אלא באדי מים (יש אמנם מעט אוויר המתמוסס במים, אולם הוא יוצא במהלך החימום ולפני הרתיחה, אם מסתכלים על סיר מים במהלך חימום, ניתן לראות בועות הנוצרות סמוך לדפנות הסיר תוך כדי החימום וזה האוויר). הרתיחה היא בעבוע סוער של המים וההבדל בינו לבין סתם התאדות הוא שבהתאדות – מולקולות המים עוזבות את חברותיהן מפני שטח המים בלבד, ואילו ברתיחה המעבר למצב גזי מתרחש בכל נפח המים, גם בתחתית הכלי ואפילו באמצע כלי המים: מים הופכים לאדים, ומנפחים בועה של אדי מים בתוך המים הנוזליים, והבועה צפה ועולה לפני השטח, מתפוצצת ומשחררת אדי מים.
רתיחה של מים. המים מתאדים גם בתוך נפח המים, ומנפחים בועות של אדים בתוך המים הנוזלים | איור: אנדריי לב-ארי
מצב הרתיחה הוא המגדיר את טמפרטורת שינוי מצב הצבירה שעליו לומדים בבית הספר, למרות שכפי שראינו השינוי יכול להתרחש בכל טמפרטורה. האם רתיחה של מים היא מה שקורה ב-100 מעלות? התשובה הקצרה היא 'כן', והתשובה המלאה, כמו הרבה פעמים במדע, היא: כן, אבל לא תמיד. זה תלוי בתנאי המקום שבו נמצאים, משום שיש עוד גורם מלבד כוחות המשיכה בין המולקולות שמונע מהן להפוך לגז בתוך נפח המים (=לרתוח) – לחץ האוויר. את ההשפעה הזאת נראה בחלק השני של הכתבה ובסרטון הבא, "מים לא רותחים (רק) ב-100 מעלות", שבו גם אתם תוזמנו להשתתף בניסוי הרתיחה הגדול של ישראל ולתרום את התוצאות שמדדתם.
