מצב צבירה של חומר הוא אחד מארבעת המצבים או הפאזות הבסיסיים והעיקריים של החומר, שניתן להבדיל ביניהם באופן אינטואיטיבי.

לחומר ארבעה מצבי צבירה אפשריים והם: מוצק, נוזל, גז ופלזמה.

קיימות פאזות רבות נוספות לחומרים שונים, ולעתים כדי להבדיל ביניהן נדרשים ידע וכלים מתאימים.

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 התכה,

מעבר מנוזל לגז נקרא רתיחה,

ומעבר מגז לפלסמה נקרא יינון.

גם למעברים ההפוכים שם ייחודי:

מעבר מפלאסמה לגז נקרא רקומבינציה,

מעבר מגז לנוזל נקרא עיבוי,

ומעבר מנוזל למוצק נקרא הקפאה או התמצקות.

טמפרטורת המעבר 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 מים.

את הקשר בין מצבי הצבירה השונים, לחץ וטמפרטורה אפשר לצייר בדיאגרמת פאזות.

תכונות מצבי צבירה

לכל אחד ממצבי הצבירה תכונות האופייניות לו:

מוצק: המולקולות של החומר מסודרות והרווחים ביניהן קטנים מאד. לחומר במצב זה צורה מוגדרת ונפח מוגדר.

.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 בצורותו.

בניגוד לנוזל, לגז אין נפח קבוע והוא נוטה להתפשט כדי למלא את כל הנפח שהוקצב לו.

פלזמה: חלק אוכל האלקטרונים שבחומר מתנתקים ממנו והמולקולות הופכות להיות טעונות חשמלית.

דיאגרמת פאזות

דיאגרמת פאזות של מים. קווי מעבר הפאזה (רציפים) הם הטמפרטורות והלחצים שבהם מתרחשים מעברי הפאזה. במיוחד מודגשים מעברי הפאזה בלחץ אטמוספירה אחת ב- 0 ו - 100 מעלות, שהם הקיפאון והתאדות של מים.

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

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

.(מוצק לנוזל: התכה (או היתוך

.נוזל למוצק: קפיאה (או קיפאון) וכן התמצקות

.נוזל לגז: התאיידות (נידוף) או רתיחה או דיות

.גז לנוזל: עיבוי

.(Sublimation - מוצק לגז: המראה (סובלימציה

.(Deposition - גז למוצק: ריבוץ/שיקוע (דפוזיציה

.גז לפלזמה: יינון

.פלזמה לגז: רקומבינציה

חומרים שונים נבדלים בתנאים בהם מתרחש בהם 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

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.

חום כמוס - הוא שיעור האנרגיה הדרושה כדי להעביר חומר ממצב צבירה אחד למשנהו. תהליכי המעבר המחייבים השקעת חום כמוס: מוצק -- > נוזל -- > גז.

כדי להעביר חומר ממצב מוצק לנוזל, או ממצב נוזל למצב גזי - יש להשקיע אנרגיה כדי להביא את הנוזל לטמפ' רתיחה (או ההתכה בהתאמה), ובנוסף, יש להשקיע עוד אנרגיה כדי להעביר את הנוזל למצב הבא, השקעת האנרגיה הנוספת הזו אשר אינה משנה את טמפ' החומר ורק מעבירה אותו ממצב אחד למשנהו, קרויה "חום כמוס". לכל חומר חום כמוס אופייני.

בתהליך הפוך, מעבר מגז לנוזל ומנוזל למוצק, ישתחרר החום הכמוס.

עבור מושגי יסוד