Hamur (efnafræði)

Úr Wikipediu, frjálsa alfræðiritinu

Hamur (einnig kallað fasi), í eðlisvísindum, er mengi ástanda stórsærra efniskerfa sem hafa samleita efnafræðilega byggingu og eðliseiginleika (það er að segja, eðlismassa, kristallagerð, brotstuðul, og svo framvegis.) Þekktustu hamir efna eru storkuhamur, vökvahamur, og gashamur. Minna þekkt eru sem dæmi rafgas og kvarka-límeindarafgas, Bose-Einstein þétting og oddskiptaeindaþétting, sérstætt efni, vökvakristall, ofurstraumefni og ofurþéttefni og einnig meðseglunar- og járnseglunarhamir segulmagnaðra efna.

[breyta] Skilgreining

Jafnvel þótt að hugtakið hamur sé víða notað í eðlisvísindum, er ekki auðvelt að skilgreina það nákvæmlega. Áður en kynnt verður almenn skilgreining, verður hér gefið dæmi um tvo algenga hami: fyrst, hinir venjulegu storku-, vökva- og gashamir efna; og í öðru lagi meðseglunar- og járnseglunarhamir segulmagnaðra efna.

[breyta] Dæmi 1: Storku-, vökva- og gashamir

Vatn (H₂O) er samansett af vatnssameindum, sem hvert um sig er súrefnis frumeind tengd saman við tvær vetnisfrumeindir. Við stofuhitastig eru sameindirnar þétt þjappaðar saman og víxlverka veiklega. Þær tolla ekki saman og geta runnið hvor fram hjá annarri eins og sandkorn í stundaglasi. Þessi stórsæja hegðun vatnssameinda gefur af sér þá eðliseiginleika vatns sem allir þekkja. Vegna þess að sameindirnar mynda ekki fasta byggingu, hefur vatn ekkert ákveðið form, og aðlagast að hverju því íláti sem það er sett í. Sökum þess að sameindirnar eru mjög svo nálægt hver annarri, veitir vatn viðnám við samþjöppun; ef reynt er að kreista vatnsblöðru, finnur maður að það er næstum ómögulegt að minnka rúmmál hennar, ólíkt venjulegri loftblöðru.

Ef ytri aðstæðum er breytt örlítið, eins og til ef hitastigið er lækkað, verða engar skyndilegar breytingar á vatninu. Kalt vatn hegðar sér mestmegnis á sama hátt og volgt. Þjappanleiki þess breytist örlítið með hitastigi, en helst mjög lágur.

Á hinn bóginn, ef að hitastig þess er lækkað niður fyrir ákveðið mark, verður á skyndileg og stórbrotin breyting. Sameindirnar stilla sér skyndilega saman til að mynda sexhyrnda grind og tapa eiginleika sínum til að renna sér fram hjá hvorri annarri. Kerfið í heild sinni stífnar og getur þá haldið lögunn sinni (þó er hægt að beygja, eða brjóta það í mola, ef að nógu miklum krafti er beitt). Þetta er storkuhamur vatns, almennt þekktur sem ís. Þegar efnið breytist úr vökvaham yfir í storkuham er talað um að efnið frjósi (ef farið er í hina áttina er talað um að efnið bráðni) og er þetta fyrirbæri þekkt sem hamskipti.

Önnur tegund hamskipta, þekkt sem suða, verður til er hitastig vatns í vökvaformi er hækkað yfir ákveðið mark. Vatnið fer skyndilega í gasham, þar sem það er kallað gufa. Í gasham eru sameindirnar á dreif langt frá hvorri annarri og víxlverkast gríðarlega veiklega. Eins og vökvi hefur gas ekkert fast form, en ólíkt vökva hefur það lítið viðmót við samþjöppun vegna þess að það er nóg rúm fyrir sameindirnar að færast nær hvorri annarri. Ólíkt vökva, sem að myndar poll á botninum á íláti, breiðir gas úr sér og fyllir allt mögulegt rúm í sama íláti.

Hægt er að nota aðra eðliseiginleika, ekki bara hitastig, til að framkalla þessi hamskipti. Sem dæmi er hægt að breyta vökva í gas með því eingöngu að minnka þrýsting, eða, á samsvarandi hátt, auka rúmmál. Eins og áður var getið hafa litlar breytingar ekki mikil áhrif; hamskipti gerast snögglega þegar breytingin fer yfir ákveðið magn.

[breyta] Dæmi 2: Segulhamir

Annað dæmi um hami er í segulmögnuðum efnum. Í þessum efnum hefur hver frumeind segulvægi sem að myndar örlítið segulsvið sem að vísar í ákveðna stefnu. Frumeindunum er frjálst að snúast þannig að segulsvið þeirra getur vísað hvert sem er, en sökum segulsviðs nærliggjandi segulvægja hafa þau tilhneigingu til að stilla sér í röð við hvert annað. Við hátt hitastig, og í fjarveru ytra segulsviðs, stillir hvert segulvægi sér upp við aðeins fáeina nágranna, þannig að þau vísa í handahófskenndar áttir. Í því ástandi er ekkert hreint segulsvið, það er að segja engin seglun. Þetta er þekkt sem meðseglunarhamur.

Ef að hitastigið er lækkað niður fyrir ákveðið mark, kallað Curie hitastig, raða segulvægin sér skyndilega upp yfir stór svæði (yfirleit fleiri þúsund frumeindir). Innann þessara svæða, kölluð segulsvæði (einnig segulhólf og segulóðal) vísa næstum öll segulvægin í sömu átt. Þetta er þekkt sem sjálfseglun. Þessi skyndilega birting segulsvæða er tegund hamskipta, og er nýi hamurinn þekktur sem járnseglun.

[breyta] Almenn skilgreining á hömum

Almennt séð eru tvö ástönd kerfis í mismunandi ham ef að það er skyndileg breyting í eðliseiginleikum þeirra er þau breytast úr öðru ástandinu yfir í hitt. Aftur á móti eru tvö ástönd í sama ham ef hægt er að breyta þeim yfir í hvort annað án þess að nokkrar skyndilegar breytingar eigi sér stað.

Mikilvægt atriði er að mismunandi tegundir hama eru tengdir við mismunandi eðlisstærðir. Þegar rætt var um storku-, vökva- og gashami, var talað um stífni og þjöppunarleika, og áhrif mismunandi þrýstings og rúmmáls, því að þetta eru viðeigandi eiginleikar þegar rætt er um föst efni, vökva og gas. Á hinn bóginn, þegar rætt var um með- og járnseglun, var litið á seglun, því það er það sem skilur af járnseglunarhaminn frá meðseglunarhamnum. Nokkur önnur dæmi um hami verða gefin í næsta hluta.

Ekki eru allar eðlisstærðir viðeigandi þegar horft er á ákveðin kerfi. Til dæmis þjónar það almennt ekki neinum tilgangi að bera saman seglun fljótandi vatns og seglun íss. Í þessum skilningi, fer það algerlega eftir því hvaða mælistærðum er verið að horfa eftir, hvað „hamur“ er, og öfugt. Það er þessi hugmynd sem að hjálpar til við að gera hamahugtakið almennara og ná yfir ýmis fleiri fyrirbæri.

Á tæknilegu máli er hamur svæði í breytusviði varmafræðilegra breyta þar sem að frjáls orka er greinandi. Svo lengi sem frjálsa orkan er greinandi, eru allir varmafræðilegir eiginleikar (eins og til dæmis óreiða, varmarýmd, seglun og þjappanleiki) skaplegir, því hægt er að tjá þá samkvæmt frjálsri orku og afleiðum hennar. Til dæmis er óreiða fyrsta afleiða frjálsrar orku með tilliti til hitastigs.

Þegar kerfi skiptist úr einum ham yfir í annann, er yfirleitt til staðar stig þar sem að frjáls orka er ógreinandi. Þetta stig er kallað hamskipti. Sökum þessarar ógreiningar, eru frjálsu orkurnar hvoru megin við hamskiptin tvö mismunandi föll, þannig að varmafræðilegir eiginleikar haga sér á annan hátt eftir hamskiptin. Sá eiginleiki sem að er mest oft skoðaður í þessu samhengi er varmarýmd. Á meðan hamskipti standa yfir, getur varmarýmd verið óendanleg, breyst skyndilega í annað gildi, eða haft ósamfellu í afleiðu sinni.

Möguleg línurit yfir varmarýmd (C) á móti hitastigi (T) við hamskipti.