פיזיקה למתחילים: מעברי פאזה

כאשר אנו עוסקים במעבר פאזה מסוים, עלינו לאפיין, בראש ובראשונה, את התכונה בה אנו עוסקים. תכונה כזו יכולה להיות, למשל, מצב צבירה, הקשור לאופן סידור החלקיקים בגוש החומר. ניקח כדוגמה אחד ממעברי הפאזה הנפוצים: קיפאון, שהוא מעבר ממצב צבירה נוזלי למוצק. המוצק מאופיין במבנה מרחבי מסודר יותר מן הנוזל.

במעבר הפאזה החומר יעבור ממופע אחד, המתאפיין באי-סדר, למופע אחר, מסודר יחסית. המעבר ההפוך מכונה היתוך. לרוב נוכל לאפיין את ההבדלים בין הפאזות השונות על ידי קריטריון של סדר, ובאופן פורמלי מקובל להגדיר "פרמטר סדר" רלוונטי למעבר הפאזה. פרמטר הסדר הזה יהיה אפס עבור הפאזה הלא-מסודרת , ושונה מאפס עבור הפאזה המסודרת. על מנת לתת תחושה ברורה יותר לגבי טיבם של פאזות ומושג פרמטר הסדר, נבחן מספר דוגמאות למעברי פאזה:

מגנטיות

ניתן להתייחס לאטומים של החומר כאל מגנטים זעירים. בחומרים מסוימים, המגנטים הללו נוטים להתיישר לאותו כיוון, וכך נוצרות קבוצות גדולות בעלות כיוון מגנטיזציה מסוים. חומרים אלו מכונים חומרים פֶרומגנטיים. סידור זה מתקיים רק בטמפרטורה נמוכה דיה: כאשר עולה הטמפרטורה, גדלות התנודות האקראיות של האטומים, ולפיכך הם אינם פונים עוד לכיוון אחיד. כתוצאה מכך אובדת המגנטיזציה הכללית. לפיכך, הפאזה הלא-מסודרת תהיה זו שבה האטומים פונים לכיוונים שונים, ולכן לגוש אין מגנטיזציה; הפאזה המסודרת - הפרומגנטית - תהיה זו שבה הם פונים לאותו כיוון, ולחומר יש מגנטיזציה. המגנטיזציה, שהיא תכונה הניתנת למדידה, היא פרמטר הסדר המאפיין את מעבר הפאזה הזה.

מצבי צבירה

קיים מגוון של מעברי פאזה הקשורים למצבי צבירה. חלקם מוכר מאוד, כמו מעבר מגז לנוזל או מנוזל למוצק. קיימים מעברים נפוצים פחות, כגון מעבר ישיר ממוצק לגז (או להפך), ללא שלב ביניים נוזלי, תהליך המכונה סובלימציה, או המְראה. קיימים מעברי פאזה נוספים, מוכרים עוד פחות: לדוגמה, יכול להתקיים, בתנאים מסוימים, מצב שבו הגז והנוזל אינם פאזות נפרדות: צפיפות הגז זהה לצפיפות הנוזל.

כאן נוכל להגדיר מעין "פאזה על גבי פאזה": הפאזה המסודרת תהיה זו שבה הגז והנוזל הם מצבים ניתנים להבחנה; הפאזה הלא-מסודרת תהיה זו שבה הגז והנוזל נעשים זהים. ניתן להגדיר את פרמטר הסדר כהפרש בין צפיפות החלקיקים בגז לצפיפותם בנוזל: למשל, במצב שבו הגז והנוזל בלתי-נבדלים, הצפיפויות זהות (זוהי הפאזה הלא מסודרת) ערכו של פרמטר הסדר יהיה אפס. כאשר הצפיפויות שונות (הפאזה המסודרת), ערכו יהיה שונה מאפס.

הולכה חשמלית

לחומר מוליך יש כרגיל התנגדות. תנועתם של האלקטרונים בחומר, כלומר מעבר הזרם דרכו, מופרעת על ידי התנגשויות. כאשר מורידים את הטמפרטורה במידה קיצונית, החומר עשוי להפוך למוליך-על, שבו אין התנגדות לזרימה חשמלית.

תכונה של מערכות גדולות

מעברי פאזה הם מטבעם תכונה של מערכות גדולות. לא ניתן לעסוק בהם במערכת הכוללת מספר קטן של חלקיקים. התרחשותם תלויה בתכונות המערכת ובתנאים החיצוניים בהם היא שרויה. גורם המשפיע על מרבית מעברי הפאזה, אשר הוזכר במפורש באחדות מן הדוגמאות, הוא הטמפרטורה. העלאת הטמפרטורה גורמת להגדלת התנודות האקראיות של החלקיקים במערכת, ולפיכך פוגמת בסדר. מעבר פאזה יתרחש לרוב בטמפרטורה אופיינית: דוגמאות מוכרות הן טמפרטורת הרתיחה האופיינית וטמפרטורת הקיפאון האופיינית (בלחץ נתון).

באופן דומה קיימת טמפרטורה בה מתרחש מעבר פאזה פרומגנטי. טמפרטורה זו מכונה טמפרטורת קירי, על שם חתן פרס נובל פייר קירי (Curie) , המוכר יותר ממחקרו בתחום הרדיואקטיביות; הטמפרטורה למעבר פאזה אנטי-פרומגנטי מכונה טמפרטורת נֵל, על שם הפיזיקאי הצרפתי לואי נל (Néel), גם הוא חתן פרס נובל.

אולם, הטמפרטורה אינה הגורם היחיד המשפיע על מעבר הפאזה. טמפרטורת הרתיחה של מים, למשל, המוכרת לנו כ-100 מעלות צלסיוס, משתנה בהתאם ללחץ האטמוספרי. 100 מעלות היא טמפרטורת הרתיחה של מים בלחץ של אטמוספירה אחת; בלחץ גבוה יותר - לדוגמה, בים המלח - תתרחש רתיחה בטמפרטורה גבוהה יותר. על פסגת הר גבוה הרתיחה תתרחש בטמפרטורה נמוכה יותר. ניתן להבין זאת כך: הלחץ החיצוני "מצמיד" את מולקולות המים זו אל זו, וכך מונע מהחומר לעבור לפאזה הדלילה יותר.

ניתן להביא את החומר לתנאים הסביבתיים המתאימים למעבר הפאזה, אך בלא שיתרחש מעבר פאזה בפועל. תופעה זו נובעת מהעובדה הפשוטה שמעבר הפאזה צריך להתחיל בנקודה כלשהי בחומר. לדוגמה, כאשר מים קופאים, נקודה כלשהי במים מתחילה להתגבש לקרח ראשונה, וממנה מתפשט מעבר הפאזה אל שאר גוף המים. נקודת ההתחלה מכונה "גרעין". אם המים טהורים ומוחזקים בכלי נקי ללא פגמים, ייתכן מצב שבו כל נקודה במים זהה לאחרת, ולכן אין נקודה כלשהי שיש לה עדיפות על האחרת במעבר הפאזה.

בהיעדר גרעיני התגבשות, נוכל לקרר את המים לטמפרטורה נמוכה בהרבה מטמפרטורת הקיפאון, בעוד המים נשארים במצב נוזלי. תהליך זה מכונה קירור-יתר (Supercooling). כאשר נגרום לשינוי קל במים המקוררים-ביתר על ידי טלטול או נגיעה, יקפא גוש המים כולו חיש-מהר. תהליך כזה עשוי לקרות לעתים אפילו במקפיא ביתי. תהליך הפוך, של חימום מים מעל נקודת הרתיחה מבלי שתתרחש רתיחה הלכה למעשה, אפשרי גם הוא. תהליך כזה מכונה חימום-יתר. אם הזהירו אתכם מפני חימום מים במיקרוגל, ייתכן שזה מקור האזהרה - אם המים יגיעו למצב של חימום-יתר, אזי הטלטול הכרוך בהוצאת כוס המים ממכשיר המיקרוגל עלול לגרום להם לרתוח ולזנק כקיטור אל פניו של המשתמש המופתע.

לעתים לא ניתן להבחין במישרין במעבר פאזה. מעבר פאזה אנטי-פרומגנטי, למשל, לא ישפיע על המגנטיזציה הכוללת של גוש החומר אלא רק על הסידור המיקרוסקופי שלו, ולכן קשה לתכנן מדידה שתבדיל בין מצב אנטי-פרומגנטי לסתם מצב לא-מסודר. הדרך לזהות מעברי פאזה גם כאשר הם אינם נראים במובהק מתבססת על העובדה שמעברי פאזה מלווים ב"קפיצה" כלשהי בערכו של אחד (או יותר) מהגדלים התרמודינמיים המאפיינים את המערכת (לשם הבהירות, נציין כי הכוונה היא לגודל אחר מפרמטר הסדר).

גודל אופייני כזה הוא קיבול החום. קיבול החום הוא תכונה של החומר המציינת בכמה עולה הטמפרטורה שלו כאשר מעבירים אליו כמות מסוימת של חום. חומרים בעלי קיבול חום נמוך מתחממים בקלות - כלומר, העברת כמות קטנה של חום לגוש בעל מאסה מסוימת תגרום לעלייה משמעותית בטמפרטורה; בחומרים אחרים, בעלי קיבול חום גבוה, לא תהיה עלייה משמעותית בטמפרטורה כאשר תועבר אותה כמות של חום לאותה כמות של חומר.

מידת הפיזור

גודל מדיד נוסף, ששינוי חד בו מאפיין מעברי פאזה, הוא מידת הפיזור של קרינה מהחומר. מים נוזליים הם שקופים וכמעט אינם מפזרים אור, וכך גם אדי מים. האטמוספירה, למשל, מכילה כמות גדולה של אדי מים, והיא שקופה למדי. אולם, כאשר שינוי בטמפרטורה גורם לאדי המים להתעבות, המים אינם שקופים עוד: נוצרת בהם תערובת של אדים ושל טיפות מים זעירות. הצפיפות אינה אחידה, והתוצאה היא פיזור של אור. כך קורה כאשר אוויר עולה לגובה בו הטמפרטורה נמוכה דיה ("רום ההתעבות") ונוצר ענן.

דוגמה נוספת היא שני נוזלים שאינם מתערבים זה בזה: שמן ומים, בנפרד, הם שקופים; אך אם נערבב היטב שמן ומים, עד להיווצרות תערובת של טיפות זעירות, התערובת לא תהיה עוד שקופה. פיזור האור הוא גודל קל יחסית למדידה, המאפשר לנו להבחין במעבר פאזה.

חלק ממעברי הפאזה, המכונים "מעברי פאזה מסדר ראשון", מלווים בפליטה או בבליעה של "חום כמוס". כאלה הם מעברים בין מצבי צבירה. כאשר אנו מרתיחים מים בסיר, אין סכנה שהסיר יישרף; אך אם הסיר פתוח, כך שהמים יוכלו להתאדות כליל והסיר יישאר ריק, הוא עלול להגיע לטמפרטורה גבוהה מאוד ולהיחרך. הסיבה לכך היא, שכל עוד המים נמצאים בסיר, הם אינם עוברים את טמפרטורה הרתיחה שלהם. מרגע שהתחיל תהליך הרתיחה בסיר ועד שיתנדפו טיפות המים האחרונות, לא תעלה הטמפרטורה מעל לטמפרטורת הרתיחה. הלהבה מחממת את הסיר ללא הפסק, אך האנרגיה אינה הופכת לחום: היא משמשת לתהליך הרתיחה; החום הופך נוזל לגז.

אדי המים אוגרים את האנרגיה

אדי המים אוגרים בתוכם אנרגיה זו, המכונה חום כמוס. לכן כוויה הנגרמת מאדי מים נחשבת מסוכנת יותר מכוויה הנגרמת ממאסה זהה של מים נוזליים בטמפרטורה של 100 מעלות. אדי המים פולטים את החום הכמוס שלהם בבואם במגע עם הגוף האנושי שהוא קר ביחס אליהם. הקפיצה בקיבול החום, שהוזכרה קודם, רלוונטית למעברי פאזה בהם קיים חום כמוס: בתהליך המעבר, החום המועבר למערכת אינו מעלה את הטמפרטורה אלא נאגר כחום כמוס, ואז קיבול החום הוא אינסופי.

קיים יישום מעניין ושימושי, המתבסס על אגירת חום כמוס, וכן על תהליך של קירור יתר. שקית חום (heat pack) היא שקיק פלסטי שקוף המכיל תמיסה רוויה של נתרן אצטט (Sodium acetate trihydrate ) הנמצאת, בטמפרטורת החדר, במצב יציב למדי של קירור-יתר.

טמפרטורת הקיפאון שלה היא מעל חמישים מעלות צלסיוס. השקית מכילה דיסקית מתכת דקה וגמישה, אשר על גביה מתהווים גבישים זעירים של אותו הנוזל. לחיצה על גבי הדיסקית, מבעד לדופן, גורמת לשחרור של גבישים אל התמיסה המקוררת-ביתר. הגבישים משמשים כגרעיני התגבשות, ומעבר פאזה מיידי מתחיל סביב הדסקית ומתפשט במהירות אל שאר חלקי התמיסה. בתהליך הקיפאון פולט החומר חום כמוס, אשר משמש לחימום הסביבה.

בניגוד לשקיות חום המתבססות על עיקרון כימי, שקית זו ניתנת לטעינה מחודשת על ידי הפשרת הגביש בטמפרטורה הגבוהה מטמפרטורת הקיפאון שלו. עובדת יציבותה של התמיסה בקירור יתר ידועה מזה שנים רבות, אך המנגנון המדויק המאתחל את מעבר הפאזה עדיין אינו מובן כל צרכו. ההסבר שהובא כאן נראה כרגע כהסבר הסביר ביותר. המבנה המדויק של הדיסקית, המאפשר איתחול יעיל של מעבר הפאזה, התגלה בתהליך של ניסוי וטעייה ונרשם כפטנט ב-1988.