Sulamine ja tahkumine

Sulamiseks nimetatakse aine üleminekut tahkest olekust vedelasse olekusse. Temperatuuri, mille juures aine sulab, nimetatakse selle aine sulamistemperatuuriks. Kristallilistel ainetel, nagu näiteks raual, vasel, jääl, on kindel sulamistemperatuur.

Sulamisel lõhutakse aineosakeste korrapärane asetus ja selleks kulub energiat. Näiteks kulub 1 kg jää sulamiseks soojushulk 340 kJ. Kui ühekilogrammise massiga jäätükk on sulamistemperatuuril (0 °C) ja sulab täielikult ning tekkinud vee temperatuur on ka 0 °C, siis on siseenergia suurenenud 340 kJ võrra. Aine sulamisel suureneb siseenergia potentsiaalne komponent. Aineosakeste liikumise kiirus seejuures ei kasva, küll aga muutub osakeste liikumise iseloom. Kui tahkes aines osakesed vaid võnguvad oma asukoha ümbruses, siis vedelikus saavad osakesed liikuda ka ühest kohast teise.

Tahkumiseks nimetatakse aine üleminekut vedelast olekust tahkesse. Tahkumine on seega sulamise pöördprotsess. Kristallilise aine sulamine ja tahkumine toimuvad samal temperatuuril.

Kristallilise aine tahkumine on sulamisele vastupidine protsess. Aineosakesed võtavad sellele ainele omase vastastikuse asendi. Seejuures vabaneb soojushulk, mis on võrdne aine sulamiseks kulunud soojushulgaga. Nii eraldub 1 kg 0 °C vee muutumisel 0 °C-ks jääks samuti 340 kJ. Aine temperatuur sulamise või tahkumise ajal ei muutu.

Sulamissoojus on füüsikaline suurus, mis arvutatakse järgmiselt:

kus sulamissoojust tähistatakse kreeka tähega $\[ \lambda \]$ (loe: lambda), soojushulka tähega Q ja aine massi tähega m.

Sulamissoojuse ühik on 1 $\[ \frac{\text{J}}{\text{kg}}. \]$

Sulamissoojus näitab, kui suur soojushulk kulub 1 kg aine sulamiseks või vabaneb tahkumisel.

Sulamissoojused on erinevatel ainetel erinevad. Joonisel toodud diagrammil on võrreldud ainete sulamissoojusi.

Võrreldes teiste ainetega, on jää sulamissoojus suur.

Täielikuma ülevaate ainete sulamissoojustest annab tabel Mitmesuguseid füüsikalisi suurusi.

Teades aine sulamissoojust, saab antud ainekoguse sulamiseks kuluva või tahkestumisel vabaneva soojushulga arvutada valemiga:

Enamiku vedelike tahkumisel ruumala väheneb, vee jäätumisel aga suureneb. Juba esimeses osas nägime (vt joonis), et vesi käitub erandlikult, olles kõige tihedam temperatuuril 4 °C.

Sealt jahtumisel vee tihedus mõnevõrra kahaneb, mis tähendab, et sama veekoguse ruumala veidi suureneb. See suurenemine on aga väga väike, võrreldes vee ruumala suurenemisega jäätumisel. Lähtudes vee tihedusest $\[ 1000\frac{\text{kg}}{{\text{m}}^{\text{3}}}, \]$ saame, et 1 kg vee ruumala on 1,0 dm³ (1 liiter). Kuna jää tihedus on $\[ 920\frac{\text{kg}}{{\text{m}}^{\text{3}}}, \]$ siis 1 kg veest tekkinud jää ruumala on 1,1 dm³, s.t ruumala on jäätumisel suurenenud 10%. See kutsub esile mitmeid nähtusi.

Kui talvel vahelduvad sulailmad külmade ilmadega, võib tekkida palju asfaldikahjustusi. Asfaldi pragudes olev vesi külmub ja surub pragusid suuremaks. Korduv jää sulamine ja vee külmumine lõhub nii asfalti kui ka ehitusmaterjale, näiteks betoon­plaate, telliseid, katusekive jne. Põhimõtteliselt samal moel on loodus lagundanud kivimeid ka suurtes mägedes.

Tiheduse vähenemine vee külmumisel põhjendab ka veekogude jäätumise sellisena, nagu see looduses toimub. Veepinna kokkupuutumisel külma õhuga tekib sinna jää ja jääbki veekogu pinnale, sest väiksema tiheduse tõttu ujub jää vee pinnal. Kuna jää juhib soojust halvasti, siis jääkiht talvel küll järk-järgult pakseneb, kuid veekogud enamasti põhjani ei külmu.